风冷变压器油温的动态影响分析*

粱仕斌, 彭庆军, 张　欣, 陈晓云, 陈兴毕, 李　川

(1.云南电力试验研究院(集团)有限公司,云南 昆明650051；2.云南电网有限责任公司 电力科学研究院,云南 昆明 650217；3.昆明理工大学 信息工程与自动化学院,云南 昆明 650500)



风冷变压器油温的动态影响分析*

粱仕斌1, 彭庆军2, 张欣3, 陈晓云2, 陈兴毕3, 李川3

(1.云南电力试验研究院(集团)有限公司,云南 昆明650051；2.云南电网有限责任公司 电力科学研究院,云南 昆明 650217；3.昆明理工大学 信息工程与自动化学院,云南 昆明 650500)

根据油流自下而上循环的特点,将三只光纤Bragg光栅(FBG)温度传感器A,B,C安装在油箱内固定支架的三个位置处,分别用来测量变压器的顶、中、底层油温。光栅中心波长随温度变化而变化,通过FBG中心波长的变化量可实现对油温变化的测量。实验得出变压器的顶、中、底层最高油温分别为73,66.5,52.2 ℃,打开风机后依次经14,5,3 min后开始降温,对应的降温时间常数为4 364,3 236,1 527 s,约25 min后温度稳定在64,52,45 ℃。分析表明：开风扇后顶、中、底层油温降低存在依次减小的延时,且降温速率依次增高。

油浸式变压器； 风冷； 油温； 光纤Bragg光栅温度传感器

0　引　言

近年来,电力系统容量不断的增大,电压等级不断的提高,电力变压器的单台容量也不断地增加,由此带来的热量损耗更加严重。因此,大型油浸式变压器多采用强迫油循环的方式来冷却内部温度。在80～140 ℃范围内油浸纸绝缘的热点温度每升高6K绝缘老化率将增加1倍。温升过高会使绝缘材料老化,从而降低绝缘性能、缩短使用寿命,进而影响电力变压器的效率和正常运行[1]。油浸式变压器中80 %以上采用的是自然油循环的冷却方式,为此定量准确地测量变压器内部温度是非常必要的[2]。在油浸式变压器油温的研究中,岳国良等人在油浸风冷变压器测温研究中最热点位置随环境温度的升高而上升,随热点温度值的升高也在上升,更加靠近绕组顶端[3]；Black W Z等人对一个强风冷却油浸变压器各部分温度进行了计算,计算温度与试验温度吻合较好[4]；王秀春等人在对油浸式变压器的热流场以及温度场的研究中得出油箱的顶层的热油的流速最大,换热能力强[5]。

本文在已有的油温温度场分析基础上,使用光纤Bragg光栅(FBG)温度传感器直接测量风冷对变压器油温度的动态影响,根据实验数据分析可得出,开风扇后顶、中、底层油温降低存在不同延时且降温速率依次增高。

1　变压器风冷散热结构与原理

在变压器运行中,铁芯和绕组发热,与其接触表面附近的油被加热,密度降低,在浮升力作用下上升到油箱上部,并从油箱出口流向散热器。油流经散热器时,将吸收的热量以对流换热形式传给散热片壁,被加热的散热片壁通过热福射和与周围空气的对流换热将热量散出。油在散热器内部温度下降,密度增大,冷却油靠自重而下沉,从变压器进口处进入变压器,这样油箱内的发热与箱外散热器的冷却两种力量(浮升力和下沉力)推动变压器油周而复始连续不断进行循环。散热器外部的空气靠动力循环,热空气被风扇吹走,冷空气随之补充进来形成冷热空气交换流动,变压器的热量不断地传给空气,形成一种动态平衡[6,7]。维持变压器各部(铁芯、绕组、油等)温升在标准规定的范围以内,从而保障变压器的正常运行。图 1为变压器风冷散热结构和油循环散热原理图,图中带箭头的虚线为变压器油循环路径。

图1　变压器风冷散热结构和油循环散热原理图Fig 1　Structure of transformer air cooling heat radiation and principle diagram of oil circulation heat radiation

变压器铁芯、绕组、油之间的传热过程如图2所示。

图2　风冷油浸式变压器传热过程Fig 2　Heat transfer process of air-cooled oil immersed transformer

2　35 kV变压器的油温测试

对型号为S13-12500/35型的油浸式无励磁调压电力变压器进行测试,根据变压器油自下而上循环路径,将A,B,C三只FBG温度传感器分别安装在油箱内固定支架的三个位置上,通过耦合器与连接在变压器顶部的贯通器把箱内温度采集传输出来,后端经过通信光纤接到光波长解调仪。

图3　变压器顶中底层油温测试原理图Fig 3　Test principle diagram of oil temperature in top,middle and bottom layer of transformer

FBG温度传感器测量变压器油温的原理是：当油温发生变化时,与其接触的FBG有效折射率和有效栅距也会随之改变,最终导致光纤光栅中心波长移位,其中波长变化信号由光纤传出,然后传输至信号处理器进行处理,通过测量光栅中心波长的变化量从而实现对变压器油温的测量。

3　油温数据分析

16:00开始测温实验,变压器带1.3倍额定功率开始升温,运行2h 36 min时后开风扇对其风冷持续至次日01:00,在开风扇时变压器顶、中、低层油温分别为73,66.5,52.2 ℃,分别经过14,5,3 min后均会达到最高温度依次为74.8,67.5,52.4 ℃。如图4为实验测得的油温随时间的变化曲线。

图4　油温变化曲线图Fig 4　Curve of oil temperature variation

在开风机前,各点油温均呈上升趋势。其原因为变压器的发热功率大于散热功率。在开机后,油在变压器和散热器内循环流动。油每循环一次,都会吸收来自铁芯和绕组的热量,而散发出去的热量小于吸收的热量,所以测试点的温度都呈上升趋势。由图1可知油浸式变压器的油流动方向,在变压器内部为自下往上,而在散热片内是自上而下。经过散热片后,油温降低,由散热器底部流出,再从变压器底部进入,依次经过C,B,A测试点,而在此过程中油吸收变压器散发的热量而升温。经过C,B,A测试点过程中油温在不断升高,所以,顶、中、底层油温依次升高。

当开风机后,顶、中、底层油温先继续升温分别经过14,5,3 min后开始降温。各点降温都存在不同延时，是因为开风扇后油在变压器内流动相对缓慢,因此,开风机后变压器内部油温依旧上升,而散热器中的油开始降温,直到散热器中低温油流到变压器底部,底层油温才开始下降,中层和顶层则随后依次开始下降。顶、中、低层油温下降速率依次增加是因为低温油经过底、中、层时在不端吸收热量,因此，油温上升,其余变压器的温差减小,单位时间内吸收的热量降低,因此，温度降低速率逐渐降低,底层温差最大,其温度降低速率最快。风机持续运行一段时间后,顶、中、底层油温均趋近平稳，是因为物体发热功率等于其散热功率时,达到热平衡状态。变压器温度随着油温的降低而降低,变压器和油的温差达到一定值,散热器散热功率也将降到一定值,此时变压器的发热功率就可以等于散热器散热功率,测试的各点温度趋近平稳。

对开风扇后顶、中、底层油的油温数据进行指数拟合,各层油温曲线呈指数衰减,拟合结果如图5。

图5　油温数据拟合图Fig 5　Fitting chart of oil temperature data

(1)

式中ΔT为温度变化量,τ为时间常数,T0为稳定值。顶、中、底层油温拟合参数值,如表1。

表1　顶、中、底层油温拟合数据

由拟合度时间常数τ的值可知,顶、中、底层油温的下降速度越来越快,符合变压器降温油经过散热片后,油温降低,由散热器底部流出,再从变压器底部进入到顶部的事实,变压器底、中、顶时间常数依次增大与实测数据的变化趋势一致；t=0时,ΔT+T0为顶、中、底层最高温度,分别约为77.7,68.8,51.3 ℃,接近实测数据的74.8,67.5,52.4 ℃；拟合结果与实测数据完全吻合,由此可以得出,开风机后,变压器内部油温将呈现指数下降,直至达到平稳。

4　结　论

本文对型号为S13—12500/35型的油浸式变压器进行测试,分析了开风扇后风冷对油浸式变压器的油温的影响。打开风机后顶、中、底层依次经14,5,3 min后达到各自的最高温74.8,67.5,52.4 ℃并开始降温,约25 min后温度分别稳定在64,52,45 ℃。并对其进行拟合,拟合结果与实测数据完全吻合。分析表明:开风扇后,顶、中、底层油温降低存在依次减小的延时且降温速率依次增高。

[1]井永腾,李岩.基于Fluent油流模型的油浸式变压器绕组温升计算[J].变压器,2010(4):28-31.

[2]王秀春,刘伟军.油浸式变压器层式绕组温度场研究[J].变压器,2010(10):23-25.

[3]岳国良,王永强,崔欢欢,等.基于FVM 的油浸风冷变压器测温研究[J].电测与仪表,2015,52 (5):98-103.

[4]Black W Z.Real-time thermal model for an oil-immersed forced-air cooled transformer[J]．IEEE Transactions on Power Delivery,1990,5(2):l.

[5]李迎春,刘建敏,施祖烈.主变压器油浸自循环风冷改强油循环风冷[J].水电站机电技术,2004(6):46-48.

[6]张植保.变压器原理与应用[M].北京:化学工业出版社,2007．

[7]韩燕国.环境温度对变压器温升影响分析[C]∥2012全国发电企业设备优化检修技术交流研讨会,2012:44-45．

[8]李川,张以谟,赵永贵,等.光纤光栅:原理、技术于应用[M].北京:科学出版社,2005.

Analysis on dynamic effects of air-cooled transformer oil temperature*

LIANG Shi-bin1, PENG Qing-jun2, ZHANG Xin3, CHEN Xiao-yun2, CHEN Xing-bi3, LI Chuan3

(1.Yunnan Electric Power Research Institute (Group) Co Ltd,Kunming 650051,China；2.Yunnan Power Grid Limited Liability Company Corporation,EPRI ,Kunming 650217 China；3.Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

According to oil flow cycling characteristics from bottom to up,three fiber Bragg grating (FBG) temperature sensors,A,B,C are installed in fuel tank bracket is fixed in three locations which are used to measure oil temperature of top,middle and bottom layer of transformer.The grating center wavelength varies with temperature,by variation of FBG center wavelength can realize measurement of oil temperature change.Experimental results show that the highest oil temperature at top,middle and bottom of transformer are 73,66.5,52.2 ℃ respectively,open the blower in turn after 14,5,3 min began to cool,corresponding cooling time constant are 4 364,3 236,1 527 s,about after 25 min,temperature is stable at 64,52,45 ℃.The analysis shows that,in top,middle,bottom layers,oil temperature decreases after opening fan and cooling rate increased.

oil immersed transformer; air cooling; oil temperature; fiber Bragg grating(FBG) temperature sensor

2015—11—09

国家自然科学基金资助项目(51567013)

TP 212

A

1000—9787(2016)08—0027—03

梁仕斌(1974-),男,四川内江人,高级工程师,主要从事互感器试验与研究工作。

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)08—0027—03