船舶推进干式变压器热量分析

胡新舟，肖珞琼

（广州西门子变压器有限公司，广州 510530）

0 引言

随着船舶动力改进，油改电方案慢慢推广，对推进装置设备的防护等级也越来越高，设备的容量需求也越来越高。而变压器容量增大，高防护等级下的散热问题是各个设备厂商研究课题。因此，分析与掌握高防护等级散热特性是解决此设备正常运行，经济有效的首要任务。

国内外对船舶推进变压器容量、散热、脉冲、谐波因数做了大量研究[1]。变压器外壳的防护等级采用IP23，变压器耐热等级为F，温升不超过80 K。变压器需满足整流设备12 脉冲或24 脉冲[2-3]。变压器在进行电磁计算时必须考虑最大30%额定电流的谐波电流[4]。上述文献虽然描述变压器使用工况，但是没有涉及到外壳高防护等级IP44 以上变压器散热的问题，因此变压器在不同防护等级下散热存在一定问题。

本文将从变压器结构布置、冷却风道结构设计、换热器选型、变压器热量辐射、水流热量分析方面建立间歇性能源综合分析体系。基于变压器电磁计算，Ansys Fluent 仿真曲线分析变压器各个区域范围内热量变化波动特性；提出变压器在外壳IP44 以上，变压器温升降低40%～50%，经济有效地解决高防护等级散热问题的指标，采用Ansys Fluent建立流体数学模型，并归纳变压器不同区域温度辐射变化，热量流失变化，循环风道风阻变化的规律。最后，针对高防护等级IP44 以上，对水流热量、换热器选型、循环风道风阻、变压器本体热量辐射体系进行分析，验证其准确性与有效性。

船舶推进变压器一般是给整流器供电，其变压器本体简称整流变压器[5]。由于此变压器安装的环境比较恶劣，所以其罩壳防护等级都必须达到IP44 以上，为了经济有效地解决高防护等级变压器散热问题，需在罩壳内设计冷却风道，并安装板式换热器，然后采用水冷却的方式来将热量带走，将罩壳内的热空气转换成冷空气，气流循环流动给整流变压器散热。其结构布置：整流变压器+罩壳+冷却风道+换热器，其结构如图1所示。其工作原理：外壳内的风机将罩壳内的热空气吸到热交换风道中，热空气流过板式换热器，在流过换热器过程中通过热量传输原理，将热量传输到换热器上，换热器通过冷却水将换热器的热量带走，实现热流转换为冷流原理。冷空气气流过冷流风道流向罩壳内给整流变压器散热，实现了降低变压器热量的目的，即所阐述的水冷冷却原理。

图1 船舶推进变压器结构布置

1 冷却风道结构布置

1.1 罩壳内风道

罩壳内风道是直接影响罩壳内热空气的换热效果，直接影响整流变压器的散热效果，风道设计大了，浪费材料还达不到冷却效果；风道设计小了，达不到冷却量，起不到制冷效果，风机也会因空气流量导致长期过载而出现烧坏风险，因此冷却风道的设计至关重要。

1.2 风道面积

风道的结构设计与所选择的风量和风阻有关系，冷却风道容量V[6]计算如下：

式中：Q1为风量，ΔPM为风阻。

其中，风量Q1计算如下：

式中：N为风机功率；η0为风机效率，一般取0.72～0.8；η1为机械效率，一般取0.95；p为风压。

风压p计算如下：

式中：H为风流的长度。

风阻ΔPM计算如下：

式中：λ为摩擦因数（空气一般取0.016）；v为罩壳内空气的平均流速（标准为6～8 m/s）；ρ为空气密度（一般取1.2 kg/m3）；L为空气流通的长度；Rs为冷却风道尺寸。

由于整流变压器结构的复杂性，其选择的风压值为理论风阻值的2.1～2.5倍。以表1参数进行分析说明。

表1 变压参数

风压：p=61.44 Pa（理论值）

实际取值：p=154 Pa

Q1=(N× 3 600 ×η0×η1× 1000)/p= 5 330 m3/h

式中：N为风机功率，选择3 kW。

冷却风道容量：V=Q1/ΔPM= 34.6 m3

根据表1 所示参数，此变压器罩壳的冷却风道为34.6 m3。

2 换热器选择分析

对于水冷罩壳变压器，水路换热计算即为变压器温升计算[7]。变压器产生总损耗热量通过传导、对流及辐射的形式传递，大部分热量通过冷却风道经过换热器，以冷却水对流的形式带走。根据绕组发热损耗功率确定冷却水流量，计算如下：

式中：Q为冷却水流量，m3/h；Cp为冷却水比热容，kJ/（kg·°C）；ρ为冷却水密度，kg/m3；PN为绕组在参考温度下的总损耗，W（以120°C为准）；Δt为冷却水进水和出水温度差（船舶温度一般以5°C）。

船舶由于其环境特殊性，在换热器材质，换热器进水压力，测试压力有明确的规定（船级社规定进水压力为6 bar（1bar ≈0.1MPa，测试压力为9 bar），即换热器的冷却水水流量由换热器进水压力和换热器功率来决定[8]。根据式（5）可以分析，在封闭的罩壳内，要完全把变压器损耗产生的热量带走，其冷却水流量必须满足总损耗要求。所以在选择换热器功率方面一般取值为：

式中：P为换热器功率；PN为整流变压器总损耗。

由于考虑水流量水阻这块，换热器功率一般往上取整。以表1变压器参数分析，其变压器总损耗PN=46 kW，即换热器功率P=50 kW。

3 变压器本体热量分析

对于IP44 全封闭的罩壳，其罩壳内的热量主要由变压器运行产生。而整流变压器生产的各散热体的散热表面分为两种，一种是裸露表面，另一种是非裸露表面。干式整流变压器结构是高低线圈套装在铁心，如图2所示。

图2 干式整理变压器结构

由图中可以看出铁心这块都是裸露散热，而线圈绕组这块是非裸露散热。变压器铁心和线圈绕组对罩壳的平均温升可以计算如下[9]。

式中：q为发热体有效散热表面的单位热负荷，W/m2；P为发热体的损耗，W；S为发热体的有效散热面积，m2；K为经验系数，对于铁心，K=0.36；对于内部绕组，K=0.33；对于外部绕组，K=0.3[10]。

根据表1的参数和1.2节冷却风道面积计算，可以计算竖直方向变压器的温升，绕组温升计算如下：

一般有效面积取散热总面积的60%。

通过电磁模拟软件分析（图3），可以看出整流变压器本体在线圈上端部温升最高，可以达到理论值146 K（图中亮红点表示变压器温升最高点）。通过图中分析，如果通过一个外部强迫风流循环把变压器热流带走，并带入新的冷风制冷降温，变压器本体温升就可以降下来。由于防护等级为IP44 以上，因此采用水冷冷却是最佳解决方案。

图3 变压器本体温升模拟分析

4 水冷温升计算

根据第2 部分换热器分析，通过表1 中的参数选择的换热器为50 kW。

根据式（5）计算水冷下变压器损耗PN：

将式（9）的值代入式（8）中，求得在水冷环境下变压器温升为：

温度差：

由于此罩壳防护等级为IP44 以上，而且采用水冷的方式，外部环境温度为进水温度，因此进风面积和风出风面积就是冷却风道风流进风和出风。满足国家标准GB1094.16 变压器在一个封闭环境下的温度差15 K，充分说明此水冷外壳的换热器完全满足散热要求，换热器的选择满足使用要求。根据表2参数，风量为5 600 m3/h。而1.2 风道面积计算，已经计算此变压器冷却的风量为5 330 m3/h，即计算理论值约等于换热器要求的风量，说明计算的冷却风道没问题，完全可以满足密闭罩壳内的风流循环。

表2 50 kW换热器参数

5 案例分析

从表3中变压器温升参数分析，可以发现以下几点。（1）所选择的换热器功率都比变压总损耗大，都是变压器总损耗往上取整，这点完成符合第3 部分分析的换热器选型要求。（2）变压器设计温升都大于F 级（100 K），且都是F 级温升的1.5～1.7 倍。（3）实际测量温升都比较小，且都是式（7）中0.6～0.65 次方的范围，与式中0.8次方有差异。（4）变压器容量越大，设计温升的倍数约接近1.5倍；变压器容量越小，设计温升的倍数越接近1.7倍。由于变压器容量大，其线圈绕组的副向，轴向都比较大，根据式（7），K值将取内绕组+外绕组来计算温升，即温升比较大。在水冷罩壳内，变压器温升按照设计值的0.6～0.65 次方验证。而变压容量越大，设计温升的倍数越接近1.5 倍，建议取值小于或等于1.5 倍。（5）变压器设计温升是标准最大温升的1.5～1.7 倍，而实际测量温升是设计温升的0.6～0.65 次方，远小于标准温升。而0.6～0.65 比0.8 小了0.2～0.15，由此可以分析，变压器在水冷强迫冷却下，变压器可以过载1.2 倍长期运行。即8 MVA 变压器在密闭的罩壳内，强迫水冷冷却下变压器容量可以达到9.6 MVA=8×1.2长期运行。

表3 变压器温升参数

6 结束语

本文主要描述船舶推进干式变压器，变压器安装在一个密闭的罩壳内来满足高防护等级（IP44以上）。且在变压器罩壳内加装空气循环风道，冷却水换热器，将变压器外壳内的热量通过冷却介质水带走，实现内循环空气-水-空气冷却，经济有效地解决了高防护等级条件下的散热问题。

通过罩壳内风道风量的计算，推理出：冷却风道=风量/风阻，可以通过此公式计算不同容量水冷外壳的风道面积，有利于风道的结构布置。

换热器流量计算分析，反推变压器在水冷罩壳内的变压器损耗与换热器功率成正比关系，即换热器流量越大，变压器在水冷罩壳内的热量越大。而得出选择换热器应该比变压器总损耗大，且往上取整的结论。

变压器本体设计热量分析和水冷罩壳内温升计算，是对前面风道，换热器流量理论计算值进行验证，最终得出风量计算，换热器流量计算是可以满足不同水冷罩壳内热交换，实现了变压器的循环散热。并得出水冷外壳变压器实际温升为理论设计温升的0.6～0.65 次方，变压器在强迫水冷制冷的情况下最大可以达到1.2倍过载长期运行的结论。完全验证了前面讲的在同等通风情况下干式变压器的温升降低40%～50%左右结论。以上结论在不同情况下还得通过不同的工况去理论分析，本文中的一些公式仅供参考。