变压器结构参数对其换热效果的影响研究

李 菁

（晋能控股煤业集团四台矿，山西 大同 037001）

引言

干式变压器是矿井供电系统中的重要设备，矿用干式变压器作为低压设备的供电电源，具有重量轻、易燃性低、安全性高的特点，并且在使用过程中防尘性好、维护方便，在煤矿井下的环境中具有广泛的应用[1]。随着煤矿开采自动化程度的提高，井下作业对电力供应的要求逐渐提高，电力需求及消耗量不断增加，对变压器设备的要求也逐渐提高。在干式变压器的使用过程中，热应力引起的热击穿现象是造成变压器故障的主要原因，这是由于变压器的超载或者局部的温度过高造成的[2]。针对变压器使用中的温升问题，采用Fluent 软件进行有限元建模及分析，通过改变变压器的结构，优化变压器的换热条件，降低变压器的温升，从而提高容量[3]，保证煤矿稳定开采的电力需求。

1 变压器换热分析模型的建立

在矿井干式变压器使用过程中，变压器的热点温升会对变压器的使用寿命及安全性造成严重的影响，在变压器的设计使用中，应尽量降低变压器的热点温度，从而保证使用的安全及稳定。干式变压器的结构截面为对称性圆形[4]，取其1/4 截面作为研究对象进行分析。变压器的结构组成包括铁芯、低压绕组、高压绕组、风机系统以及保护外壳，在绕组之间及绕组与铁芯之间设置有相应的气道，从而改善变压器的散热条件[5]。

依据矿井开采中使用的某型号的干式变压器，其低压绕组在铁芯及高压绕组之间，相互之间设置相应的散热气道，变压的结构采用撑条的形式进行固定及支撑，建立变压器的结构模型如图1 所示，图中M、N、P 为三层低压绕组，X、Y 为两层高压绕组[6]，撑条的结构及分布对变压器绕组的换热条件具有重要的影响，针对撑条的结构及分布进行建模分析。

图1 变压器结构模型

对模型进行数值分析的前处理，将模型分为铁芯域、低压绕组域、高压绕组域、绕组间流体域及绕组外流体域共5 个部分，绕组外流体域采用非结构化网格，其余域采用结构化网格进行网格划分处理。对网格进行无关性验证[7]，选取进口压力为0、进口温度为293 K，经网格无关性验证确定模型的网格数量为388 348。

采用Fluent 软件对变压器的温度变化进行分析，由于变压器的结构复杂，内部的温度场变化较多，采用RNG 湍流模型，流动介质为空气[8]。进口域的条件选择压力进口，进口压力为0、壁面温度为293 K，出口域边界条件选择为压力出口，压力设置为自由压力，出口温度为273 K，温度为自由边界温度，出口湍流定义为湍流强度和水力直径[9]。

2 变压器不同撑条结构对换热效果的影响分析

变压器的结构中，撑条的数量及结构尺寸对变压器的结构组成及换热效果具有重要的影响，针对撑条的影响作用，对不同数量及不同长度的撑条变压器的温度变化进行分析。

2.1 改变撑条数量对变压器换热效果的影响

在图1 所示的变压器结构组成中，在1/4 气道内分别设置2～6 条不同的撑条，建立变压器的模型，对其温度场进行分析。经过分析并进行数据处理，得到变压器低压绕组轴向的温度分布如下页图2 所示。从图2 中可以看出，在变压器自然对流的工况下，随着撑条数量n 由2 增加到6 的过程中，低压绕组轴向温度分布变化的趋势保持一致，均呈现出先增加然后下降的趋势。在撑条数量增加的过程中，变压器的温度呈现出逐渐增加的趋势，这是由于撑条数量的增加，使得气道内换热面积减小，从而造成变压器的换热效果不佳，使得整体的温度上升。

图2 不同撑条数量低压绕组轴向温度的对比曲线

在自然对流的工况下，随着撑条数量的增加，变压器的换热效果有所下降，在进行变压器设计的过程中，应减小撑条的数量[10]，采用较少的撑条数量从而改善变压器的换热。同样较多的撑条数量能够保持变压器结构的稳定性，会减小耦合流域的接触面积，增加空气流动的阻力，变压器热点温度上升，容易造成热损伤，应选择合理的撑条数量。

2.2 改变撑条长度对变压器换热效果的影响

在上页图1 所示的变压器结构组成中，在1/4 气道内分别设置4 条撑条，分析不同撑条的长度对换热效果的影响。变压器使用的撑条的结构如图3 所示，Lc是放置在气道内的撑条长度，气道的间距为0.014 m，撑条的宽度为0.006 m，设定撑条的长度分别为0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m 及0.83 m，建立变压器的模型，对其温度场进行分析。

图3 变压器撑条的长度示意图

经过分析并进行数据处理，得到变压器低压绕组轴向的温度分布如图4 所示。从图4 中可以看出，在变压器自然对流的工况下，在撑条的长度由0.1 m 增加到0.3 m 的过程中，变压器低压绕组轴向温度的变化趋势保持不变，撑条长度的增加对绕组底端温度变化的影响较小，顶端温度的变化也不大；在撑条的长度由0.3 m 增加到0.83 m 的过程中，低压绕组的温度上升较多，变化趋势保持一致。

图4 不同撑条长度低压绕组轴向温度的对比曲线

撑条的数量一定时，变压器撑条的长度增加，变压器的热点温度升高，不利于变压器的换热；同样，改变撑条的长度对变压器结构的稳定性具有一定的影响，应合理选择撑条的长度，在保证结构稳定的前提下，尽量减小撑条的长度，以提高变压器的换热效果。

3 结语

矿用干式变压器是煤矿开采中使用的重要的电源设备，随着煤矿开采自动化程度的提高，对变压器的容量及稳定性提出了更高的要求。变压器使用过程中的温升是影响变压器使用寿命及稳定性的主要问题，针对影响温升的变压器撑条结构参数进行分析。对不同撑条数量及撑条长度的变压器温升进行建模分析，结果表明，在自然对流的工况下，随着撑条数量的增加，变压器温度整体趋势保持不变，整体的温度逐渐升高；随着撑条长度的增加，变压器的温度变化趋势保持不变，随着撑条长度变化在0.3 m 以上时，温度上升的变化较大。撑条的数量及长度较大时，均不利于变压器的换热，在保持变压器结构稳定的前提下，应选择合理的撑条数量及长度，从而提高变压器的换热性，保证变压器在煤矿开采过程中的使用寿命及稳定性，保证煤矿的稳定开采。