船用干式整流变压器冷却方式研究

张礼运，赵贵武



船用干式整流变压器冷却方式研究

张礼运，赵贵武

（中海油田服务股份有限公司，北京 101149 )

为了研究船用干式整流变压器冷却方式，本文应用了ANSYS软件，采用流固耦合方法，针对一台干式整流变压器建立出可计算等效简化模型，通过建立干式变压器的二维模型，分析了干式变压器的温度场分布，并计算了该变压器在不同风速时的绕组的最热温度，根据仿真和计算结果设计了一种风水冷却器用于整流变压器的冷却。

干式整流变压器 ANSYS有限元 风水冷却器

0 引言

船用干式整流变压器容量较大，一般需采用风冷却方式才能将变压器的热量带走，但受船舱环境的影响，使得许多船用设备都集中布置在船舱内，不同的船用设备在使用中都产生了大量的热量，这些热量不能及时散到舱外，使得船用设备的使用环境急剧恶化，降低了设备的性能和寿命。因此船用整流变压器对冷却方式提出了更高的要求。本文在这一前提下，分析了船用整流变压器的特点，设计了一种风水冷却作为船用整流变压器的冷却方式[1-2]。

1 干式变压器的损耗及散热方式

1.1 干式变压器损耗

船用干式整流变压器损耗有两部分组成，空载损耗和负载损耗。空载损耗主要是变压器的铁芯损耗，它由磁滞损耗和涡流损耗组成，与变压器导磁材料、磁通密度及频率有关。负载损耗又称短路损耗，主要是变压器负载和磁化电流在一、二次绕组电阻中产生的功率损耗，变压器的负载损耗还受变压器的温升影响，在其他条件相同的条件下不同的温升所产生的负载损耗值可以根据下式来计算：

1.2 干式变压器散热方式

干式变压器的散热方式包括传导、对流和辐射。具体来说，变压器的绕组内部依靠热传导的方式把热流从温度较高的部分传到温度较低的部分，而暴露在空气中的各表面部分传递热流则是以对流和辐射的方式。

2 ANSYS软件温度场计算流程

在进行温度场求解过程中有两点需要注意：

1) 在变压器建立模型的过程中，一定要注意建模的先后顺序，流体场模型一定要最先建立，然后在此基础上添加材料属性和剖分网格。

2) 在设置求解参数时，惯性松弛因子和人工粘性因数是很重要的两个参数，它们的设置很关键。惯性松弛因子一般是在一次次的求解中逐渐增加，人工粘性则相反。同时，为了知道什么数量级求解得更加准确需要多次试验。初值的设置同样需要多次试验[3]。

3 变压器温度场分析与仿真

3.1变压器温度场分析

本文计算的是一台容量为4000 kVA的环氧树脂干式变压器，其具体参数如下所示：

容量：4000 kVA；变比：690/2×720 V；矢量组：Dd0y11；绕组材质：铜；短路阻抗：7％。

其各部分损耗参数如表1所示。

为了在整个区域得到一个较好的温度场模型，需要采用无穷远边界条件施加在流体的边界上，这样才能得到一个足够大的流体模型，方便于模型的计算。本文采用ANSYS软件进行计算，对模型中的流体场、固体场和温度场的耦合进行分析和计算，力求在分析和计算过程中建立一个合理的几何模型，使模型最大限度接近实际情况。

因为流体和固体在模型的建立中都存在耦合问题，所以固体模型上部的流体部分可建立为固体模型高度的 1.2 倍左右。

3.2变压器温度场仿真结果

对干式整流变压器的的重要组成部分内部温度进行了分析，其铁心、高压绕组和低压绕组的分布结果如下所示。

干式变压器低压绕组最高点的温度位于轴向的中心位置偏上十分之七处，干式变压器高压绕组最高点的温度位于绕组轴向偏上部位置的十分之八处。通过温度曲线分布还可以看出高压和铁心的温度明显低于低压绕组的温度。这是因为低压绕组位于高压绕组和铁心之间，受到了高压绕组、铁心对流和辐射的影响。通过上图还可以明显看出低压绕组有两个温度转折点，这两个转折点位于绕组中铜和树脂绝缘材料接触的部分，这是因为铜和绝缘材料导热系数不同造成了温度曲线的明显的体现。

从图中可以看出干式变压器径向温度分布情况，总体来说径向温度分布很平均，变化不大。干式变压器高压绕组的径向温度最高点位于几何中心位置向左，靠近低压绕组。干式变压器低压绕组径向的最高温度位于左侧，位于铁心相对的那个面，而右侧的温度较低一些，从总体上来看低压绕组的最高温度和最低温度差别很小。铁心的径向最高温度位于几何中心处。

4 不同风速下绕组热点温度的计算

为了适应不同地区干式变压器设计的需要，就需要了解不同风速对绕组热点温度的影响，用以辅助变压器的设计。为了这个目的，本文计算了该变压器在不同风速时的绕组的最热温度。

5 船用变压器冷却方式

根据理论分析及仿真结果设计了一种风水冷却器用于船用干式整流变压器的冷却。整流变压器处于密封壳体内，在变压器中部有一隔风挡板，使得大部分冷却空气在整流变压器外部绕组的表面和风道内流过。

6 结论

本文根据变压器温度场理论分析和仿真结果，并根据船用整流变压器的实际工作环境，设计了一种风水冷却器作为船用整流变压器的散热装置，这种冷却方式即达到了风冷的效果，有效的降低了设备的温度，又把设备产生的热量带出舱外，改善了设备的工作环境。

[1] 汤焱, 刘成远, 郝忠言, 等. 变压器绕组热点温升的计算与实验研究[J]. 变压器, 2001, 38(2): 1-5.

[2] 严寒, 郭永基, 林兆庄. 树脂绝缘干式变压器内部温度场分布仿真研究[J]. 清华大学学报(自然科学版), 1999, 39(7): 1-4.

[3] 王福康. 干式变压器漏磁场及温度场的研究[硕士论文]. 河北: 河北工业大学，2007:10-23.

[4] 魏刚.基于 ANSYS 的变压器内部故障计算软件的研究:[硕士论文]. 北京:华北电力大学，2008: 10-23.

Research on Cooling Mode of Marine Rectification Transformer

Zhang Liyun，Zhao Guiwu

（China Oilfield Services Limited, COSL, Beijing 101149, China ）

TM412

A

1003-4862（2015）01-0058-03

2014-08-25

张礼运(1961-),男，高工。研究方向：工程船舶设备配套。