风速对油浸式变压器绕组热点温度影响的研究

许博文 赵振刚 许晓平 刘 畅 金能思

（1.昆明理工大学信息工程与自动化学院；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院研究生工作站）

油浸式变压器在电力系统中起着重要的作用， 其绕组热点温度能够衡量变压器的负载能力、运行寿命等重要指标。 有数据显示，在引发变压器故障的原因中，60%以上是变压器在工作时绕组热点温度过高引起的绝缘系统损坏，失去作用。 依据国家标准六度法则，对于油浸式变压器中常用的绝缘材料，其绕组温度每升高6 ℃，变压器的使用寿命缩短一半［1］。 因此对变压器绕组热点温度变化进行研究，对保证绝缘系统的正常工作有着重要意义。 在实际中，进行绕组热点温度监测时，自然风对变压器的散热影响不可忽略。

油浸式变压器自身的散热能力比较弱， 并且容易受到外界坏境因素的干扰。 常用的变压器经常安放在特殊的露天环境中， 由于云南地区昼夜环境变化复杂，一天内自然风速变化明显，对变压器的散热影响很大。 本研究中的自然风速采用文献［2］中的监测数据，为了方便计算，对每小时内监测的风速取平均值。 笔者以云南某公司生产的10 000 kVA、35 kV油浸式变压器为研究对象，运用有限元分析方法对变压器在不同风速下的工作状态进行二维建模， 同时搭建温升实验平台，测量绕组对应位置的具体温度值，并对有限元仿真结果与实际测量值进行对比分析，以验证仿真模型的有效性［2，3］。

1 变压器内部传热行为分析与建模

变压器在工作时，热源主要来自其内部重要结构器件在实际运行中损耗产生的热量，主要由铁芯产生的空载损耗和绕组产生的负载损耗组成［4］：

式中 PC——空载损耗；

PL——负载损耗；

PT——总损耗。

油浸式变压器工作过程中的损耗主要以产生热量使内部结构件温度升高的方式体现出来，在热传递过程中，产生的热量使热源自身的结构件温度上升，然后绕组和铁芯通过热传导和热对流的方式把热量传递到冷却介质中，使周围的介质油温度升高，然后冷却介质油以热传导的形式把热量传递到周围油箱壁表面，最终热量在油箱壁外表面以热辐射的方式传递到周围环境中［5，6］。

由于变压器内部器件结构复杂、 数量多，因此对变压器整体建立模型，计算量巨大，计算过程复杂，很难得到有效的数据。 而变压器的绕组一般为圆柱体形状，具有轴对称的特点，且沿着绕组的中心轴线向外得到任意方向轴截面，可以用来代表绕组中心轴周围任一方向，同时变压器内部各方向热传递方式一致，故可将复杂的三维模型简化为二维模型，这样能在降低计算量的同时满足实际工况［7～9］。

笔者运用ANSYS Fluent软件对油浸式变压器进行二维建模。 油浸式变压器各结构参数和材料属性见表1、2。

表1 油浸式变压器各部件的结构参数

表2 油浸式变压器的材料属性

利用Ansys Fluent软件，结合铁芯、绕组的实际参数建立的简化后的油浸式变压器二维模型如图1所示［10～12］。

图1 简化后的油浸式变压器二维模型

笔者主要研究外界自然风速变化对绕组温升的影响，因此需要使求解环境接近实验环境以验证仿真的准确性［13］。 设定室温为20 ℃，进口油速为0.05 m/s，热源设置为均匀发热体。 根据变压器出厂测试结果，绕组发热功率为230 875 W/m3，铁芯发热功率为1 074 W/m3。 变压器油的主要流动力是温度变化使得油的密度发生改变而产生的热浮升力，热浮升力迫使油流产生自然循环运动。 变压器油的物理特性参数随温度T的变化见表3。

表3 变压器油的物理特性参数随温度T的变化

根据热阻的定义，将变压器油箱壁表面对流散热的热阻R表示为：

式中 A——箱体散热表面积；

h——对流换热系数。

为更好地研究环境风速对变压器散热的影响，可通过传热学中对流换热系数与风速的数学关系，将风速引入到仿真模型中。 传热学中，对流换热系数与风速的关系可表示为：

其中，D为结构尺寸；w为自然风风速；E为常数，取1.43；n也为常数，取0.412；v为速度［4］。

2 仿真结果与实验结果对比

采用数值法对变压器二维流固耦合传热模型进行求解计算，得出1倍额定功率下，外界环境温度为20 ℃、进口油速为0.05 m/s时，绕组温度的分布情况（图2）。

图2 变压器内部温度分布

为验证仿真模型的准确性， 笔者对35 kV油浸式变压器进行温升实验，实验利用光纤Bragg光栅温度传感器对绕组温升情况进行精确测量，首先将光纤温度传感器安装在低压绕组间的垫块上，忽略垫块对温度变化的影响。 从上至下在绕组中共布设5只温度传感器，如图3所示。

图3 传感器的安装与布设

将测得的外界环境为20 ℃时变压器绕组温度与仿真结果做对比，具体数据见表4。

表4 绕组温升实验数据与仿真计算数据对比（20 ℃）

由表4可知， 以实际变压器结构参数为模型的有限元仿真计算结果与变压器温升实验直接测量结果的误差均在2 ℃以内， 绕组整体的温度分布情况与温升实验中绕组温度分布情况几乎一致，证明了该仿真模型的有效性。

3 自然风速对绕组热点温度的影响

为了更加准确地研究自然风速对绕组热点温度的影响，笔者分别选择一天中无风（0.00 m/s）、最低风速（3.10 m/s）、平均风速（3.60 m/s）、最高风速（4.45 m/s）时进行仿真计算，具体结果见表5。

表5 不同自然风速下变压器绕组热点温度

将不同自然风速下的变压器绕组温度分布结果进行处理，分别得出无风（0.00 m/s）、最低风速（3.10 m/s）、平均风速（3.60 m/s）、最高风速（4.45 m/s） 时， 绕组热点温度为69.0、65.5、65.0、64.8 ℃的拟合曲线，如图4所示。 由图4的拟合曲线可以看出，随着外界自然风速的升高，绕组热点温度会降低。

图4 不同风速下绕组热点温度情况

4 结束语

笔者运用数值分析法分析环境温度变化对绕组热点温度分布的影响， 用ANSYS Fluent软件对变压器进行二维建模，并通过变压器温升实验加以验证。 以实际变压器参数建立平面二维模型计算的有限元仿真结果与实际温升实验直接测量的结果误差在2 ℃以内， 验证了有限元仿真模型的有效性。 由不同自然风速下的变压器绕组温度的分布可知，变压器绕组温度会随风速的增加而降低。 对一天中无风、平均风速、最高风速、最低风速下的绕组温度进行有限元仿真，计算结果表明，风速对变压器热点温度的影响最高为4.2 ℃。 因此在工程应用中，在变压器的周围设置大型风扇， 能够有效降低绝缘纸的温升现象，提高绝缘纸的使用寿命。