煤矿供电干式变压器的结构优化

白玉静

（山西潞安配售电有限公司， 山西 襄垣 046204）

引言

煤矿供电系统为综采工作面大型机电设备的动力源，供电系统的稳定性和可靠性直接决定综采工作面的生产效率和安全性。干式变压器作为供电系统的关键设备，其主要任务是实现供电线路中的升压或降压等，并对工作面的电力进行合理、综合分配。但是，再实际应用中矸石变压器由于内部故障和过载运行导致其设备内部温度升高，从而导致其绝缘层被破坏进而影响其降压、升压功能无法正常使用，最终影响综采工作面的生产[1]。因此，需对干式变压器内部结构进行优化分析达到提升其换热效果的目的。

1 干式变压器的组成与散热原理

干式变压器的主要结构组成包括有铁芯、绕组、风机系统和保护箱壳等组成。其对应实物如图1 所示。

图1 干式变压器实物图

一般的，干式变压器的铁芯采用硅钢片叠装而成，并采用聚酯带对其铁芯进行稳定和固定；绕组为变压器的关键部件，其分为高压绕组和低压绕组，其中高压绕组为以扁铜线所绕制而成的层状，而低压绕组为圆筒式结构。风机系统为干式变压器的散热部件。保护箱壳主要保护使用人员不与对应高压绕组相接触，保证用户及作业人员使用的安全性。

在实际应用中，除了依靠风机系统对其设备内部产生的热量进行散热外，还在绕组与绕组之间与绕组与铁芯之间设计相应的气道，增加干式变压器的散热效率[2]。其对应的散热过程如图2 所示。

图2 干式变压器散热过程

如图2 所示，低压绕组和高压绕组之间，铁芯和低压绕组之间的气道通过强制对流手段进行散热；高压绕组的散热属于自然对流散热；铁芯柱的散热属于辐射散热。但是，在实际应用中仅仅依靠风机系统和各个部件之间所设计的气道还无法解决干式变压器所产生的热量进行充分散去的问题，导致干式变压器由于设备内部过高而导致其绝缘层被破坏，从而影响设备的正常、安全运行。

2 干式变压器的结构分析与优化

在实际应用中，除了常用的普通干式变压器外，还有一部分干式变压器带有附属一定的撑条结构，带有撑条结构的干式变压器的剖面结构如下页图3 所示。

如下页图3 所示，带撑条结构干式变压器低压绕组共包括有三层（M、N、P），高压绕组共包括有两层（X、Y）。其中，每段低压绕组的高度为0.83 m，共有1 段低压绕组；每段高压绕组的高度为0.19 m，共有4 段高压绕组。本文所研究干式变压器的额定容量为2 500 kVA，空载损耗为3 900 W，额定负载损耗为25 790 W。目前，该干式变压器内部撑条数量共有4 根，但是其对应的散热效果仍不能够将其内部所产生的热量充分散去，因此通过对干式变压器内部撑条结构的数量、各个撑条之间的宽度、气道之间的距离以及撑条长度对设备的散热效果进行对比分析[3]，对其内部撑条的数量、结构等参数进行优化设计。

图3 带撑条结构的干式变压器剖面图

2.1 撑条数量

本文对干式变压器内部撑条数量n 分别为2根、3 根、4 根、5 根以及 6 根对应温度场进分析，对应不同撑条数量绕组侧温度分布如图4 所示。

图4 不同撑条数量对应绕组温度场分布

如4 所示，不同撑条数量对绕组温度场分布变化趋势一致，即沿着绕组的轴向方向其温度缓慢增加；而且，随着撑条数量的增加对应绕组的最高温度均在增加。导致上述现象的主要原因为，随着撑条数量的增加对应气道换热面积降低，从而导致变压器绕组热点温度上升。

此外，随着撑条结构的增加使得变压器内部起到内气体流动阻力增大，从而导致变压器热点位置更加靠近变压器内部。因此，应采取较少的撑条数量优化变压器内部的温度场分布，并将热点分布远离变压器内部[4]。综合分析，将干式变压器内部撑条数量控制在4 根。

2.2 撑条长度

本文对干式变压器内部撑条长度L 分别为0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m 对应散热器内部的散热效果进行分析。此外，对应变压器内部气道之间的距离为0.014 m，所选用撑条的宽度为0.006 m，撑条数量为4 根。不同撑条长度对应设备散热效果如图5 所示。

图5 不同撑条长度对应设备散热效果对比

如图5 所示，不同撑条长度对应干式变压器绕组轴向温度场分布变化趋势一致，均是沿着绕组的轴向方向，变压器绕组温度缓慢增加；且随着撑条长度的增加对应的绕组的最高温度均在增加，具体增加数值为由70.24 ℃增加至71.90 ℃，增加幅度较小。即说明，撑条长度对干式变压器内部温度场分布情况影响不明显。也就说，对撑条长度进行优化对干式变压器散热效果改善不明显。但是，经验表明，撑条长度越长有利于后期对干式变压器的结构进行合理分配并优化设计。因此，综合分析最终确定干式变压器内部撑条长度为0.8 m。

2.3 撑条宽度

本文对干式变压器内部撑条宽度a 分别为0.004 m、0.005 m、0.006 m、0.007 m、0.008 m、0.009 m以及0.010 m 时对应散热器内部的散热效果进行分析。此外，对应变压器内部气道之间的距离为0.014 m，所选用撑条的长度为0.8 m，撑条数量为4 根。不同撑条宽度对应设备散热效果如下页图6 所示。

如下页图6 所示，不同撑条宽度对应干式变压器绕组轴向温度场分布变化趋势一致，均是沿着绕组的轴向方向，变压器绕组温度缓慢增加；且随着撑条宽度的增加对应的绕组的最高温度均在增加，具体增加数值为由71.51 ℃增加至73.85 ℃。而且，随着干式变压器撑条宽度的增加对应设备内部温度场约靠近变压器内部，从而不利于热量的散去[5]。但是，综合考虑撑条宽度越小对应变压器的稳定性较差。因此，最终将撑条宽度设计为0.007 m。

图6 不同撑条宽度对应设备散热效果对比

3 结语

干式变压器为供电系统的关键设备，在实际应用中由于散热效果不佳导致设备内部热量集中从而导致设备绝缘层被破坏，进而影响设备的可靠性和稳定性。本文以干式变压器为研究对象，对其撑条结构的长度、宽度以及数量对设备的散热效果进行对比分析，并最终得出撑条结构的最佳参数如下：撑条数量为4 根，撑条宽度为0.007 m，撑条长度为0.8 m。