干式变压器热平衡温度影响因素的实验研究

张元海，段佩怡，张栓柱

（1.广东水电二局股份有限公司，广州 510341；2.东南粤水电投资有限公司，海口 570208；3.滨州粤水电能源公司，山东 滨州 256812）

0 引言

干式变压器的使用寿命往往取决于绝缘层的寿命，而对绝缘材料影响最大的因素是温度，一旦温度超过其耐热值，绝缘层会被破坏，变压器不能正常工作[1-2]。运行温度变化大是干式箱变在使用过程中的一个重要问题，变压器等电气元器件安设在封闭式箱体内，随着变压器等发热器件发热，如果箱体散热性能不良，长期过高的运行温度会降低箱变内部元器件的使用寿命，甚至会发生火灾等安全事故。变压器作为关键的电力设备，电能若要在电力网中不突然变化地传送就要依靠它，其可以保证电能的正常调配、使用不出现问题，减少运营成本[3]。

干式变压器冷却方式为自然空气冷却（AN）和强迫空气冷却（AF）[4]，为了保证变压器安全可靠运行，大多数通过干式变压器底部安装风机对其进行强迫风冷散热[5]。使用过程中为了降低箱变内的温度，采用自然通风和机械通风将箱变内的热量及时散发掉，使温度保持在标准允许值以内。机械通风方式是在变压器底部及上部设置进、排风口，使得箱变内外形成空气对流，通过内外空气的热交换降低箱变内温度。风机的风量是箱变设计中的重要参数，一定风量下使箱变内形成的散热量需要与发热量相当，达到热平衡才能使箱变内的温度保持在一定数值内。

现有文献对通风散热的研究主要集中在对通风口位置、通风口面积等优化对箱变的热平衡的影响，采用软件模拟计算方法进行研究。郭盛等[6]模拟室内变电站送风口尺寸、送风口位置、送风温湿度和送风量对室内环境的综合控制，建立多种室内变电站通风方式模型，并在Fluent软件中进行温度和通风走势的模拟，通过对比分析得出最优通风布置模式。赵博文[7]通过ANSYS CFX模拟了变压器通风口位置布置方式对通风散热的影响，发现底部增加进风口对通风散热效果较好。以上研究均从软件模型模拟的角度对箱变内的通风散热进行研究，但是从试验角度出发的较少，本文对干式变压器热平衡温度影响因素进行了试验研究，明确了干式变压器温度控制的主要因素，对于干式变压器设计及使用中温度控制提供一定的参考。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料与装置

根据某滨海风电场的CBW-2200/35箱变为原型，根据几何相似原理，以长度1∶3的比例缩小制作箱变模型（尺寸1.9 m×1.06 m×0.95 m），试验现场如图1所示。箱变模型内分为低压室、变压器室和高压室、铝合金边框及底座4个主要部分，选用HYY22A电热炉（功率1000/1200/2200 W）放置在变压器室启动时产生热量模拟干式变压器设备散热，进风口、排风口分别设置在变压器室的左下角及右上角，用百叶窗进行遮挡，出风口设置排风扇，同时，用空压机（型号1500-50-2，排气量270 L/min）代替辐流风机给变压器室底部送风，在变压器室采用MIKWZP温度探头（测温范围-50～200℃，精度A级）在试验中进行温度监测，温度探头1～12位置如图1所示，其中进风口外侧为温度探头3，排风口外侧为温度探头4。试验模型如图2所示。

图2 试验测温装置示意图

在试验过程中，先打开电热炉，排风扇和空压机保持关闭状态，使温度上升至试验目标温度后再开启排风扇及空压机，当温度降低达到平衡后，关闭通风设备，重复试验调整目标温度。本次试验的工况如表1所示。

表1 试验工况表

1.2 干式变压器通风量计算方法

根据相关文献、设计手册[8-12]中关于干式变压器通风计算方法以及山东省沾化滨海风电场的CBW-2200/35箱变厂家通风量的计算方法，两者计算方法一致，通风量计算公式如下：

式中：L为变压器室的设计通风量，m3/s；Q为变压器散热量，kW；Cp为空气比热容，取Cp=1.01 kJ/(kg·℃)；D为空气密度，kg/m3；tin、tex分别为进、排风温度，对于直接从室外吸风的，tin应取当地通风室外计算温度，对于干式变压器室，tex≤40℃，进排风温度差不应超过15℃；M为空气利用系数，0～1；p为大气压强，Pa。

通过通风量计算公式可以得出，进排风口温度决定了通风量的大小，进风口温度为环境温度，人为不可控制进风口的自然温度，只能通过机械强制通风，降低排风口温度，对于干式变压器，在箱变的设计过程中，通常采用人为经验确定排风口温度，但通过本次试验发现，这种方法是不可取的，排风口温度会出现超过人为设计温度现象，排风口的温度不仅与发热量有关，反过来还与通风量有关。

2 试验结果与讨论

2.1 箱变内温度分布情况

在试验开启后，箱变内各点的温度变化均分为3个阶段：温度上升阶段（0～18 min）、温度下降阶段（18～24 min）和温度趋于平衡阶段（24～36 min），如图3所示，在18 min时刻开启试验排风系统后，变压器室各点温度在7 min之内迅速达到平衡温度。

图3 变压器室温度监测点温度曲线

对于变压器室，在温度上升、下降及平衡阶段各点温度的由大到小依次为6号点、5号点、4号点、3号点、2号点、1号点，即靠近发热体的5号点和6号点的温度最高，变压器室内上部温度（3号点和4号点）高于下部温度（1号点和2号点），因此在变压器室的温度梯度及由排风系统形成的对流散热路径如图4所示。

图4 变压器室温度梯度及对流散热路线

对于高压室和低压室，如图5所示，除了温度上升和下降阶段各点的温度有所差异外，各点的平衡温度没有明显差异，说明平衡阶段高压室和低压室内温度均匀分布，这是由于高压室和低压室均没有空气对流的原因。高压室和低压室的温度升高与降低是由变压器室的温度辐射影响的，因此整体温度都比变压器室的温度低，低压室由于空间小，中心点离变压器室较近，平衡温度比高压室高3℃左右。对于高压室和低压室温度的控制取决于变压器室温度的控制，因此变压器室的通风与散热是箱变温度控制的重点。

图5 高压室、低压室温度监测点温度曲线

2.2 通风系统启动温度对热平衡的影响

通常情况在箱变内温度达到一定值时，会启动通风系统进行通风，箱变内的温度会逐渐降低，达到平衡值。在实际运行过程中，当箱变内温度过高时，运行人员通常会降低通风系统启动温度以降低平衡温度，但是根据干式变压器通风量计算方法，平衡温度在进风口温度和出风口温度之间，当进风口温度一定时，出风口温度只与通风量有关，因此，干式变压器平衡温度与通风系统启动温度关系不大，这与实验得到的结果一致，当将通风系统的启动温度从40℃提高到50℃再到60℃的过程中，变压器室内各点的平衡温度基本保持一致，如图6所示，1～5号点的最终的平衡温度分别为30℃、34℃、37℃、41℃、45℃，与通风系统启动时的温度无必然联系。

图6 变压器室各点不同启动温度下的温度变化情况

2.3 通风模式对热平衡的影响

部分干式变压器箱变的变压器室，会在干式变压器底部设置向上送风的风机，加强变压器室内空气流动。本文通过对干式变压器底部不设风机和设置风机两种情况进行了对比实验，如图7所示，为干式变压器底部不设置风机和安设风机时变压器室内温度最高点5号点的温度变化曲线，在1～10 min开启加热器，当温度上升到65℃时关闭加热器，当温度降低到35℃时同时打开加热器和通风设备，干式变压器底部安设风机的试验组同时开启风机。干式变压器底部设置风机的变压器室内温度在35 min左右上升到最高温度50℃，而不设置风机的变压器室内温度在30 min左右就上升到最高温度50℃。干式变压器底部设置风机的变压器室内温度上升速度要小于底部不设置风机的室内温度。但变压器室内干式变压器底部设置风机和不设置风机的热平衡温度却逐渐趋于一致，如图8所示，虽然底部设置风机的箱变内部温度攀升的速度比底部不设风机的慢，但是两者的平衡温度最终都保持在42℃左右，说明干式变压器最终的热平衡不受通风模式的影响，只对达到热平衡的过程有一定影响。

图7 不设置底部风机和设置底部风机时箱变的温度变化情况

图8 不设置底部风机和设置底部风机时箱变的热平衡

3 结束语

本文对干式变压器箱变的热平衡进行了试验研究，结果表明箱变内的从进风口到出风口有两条温度升高梯度路线，同时以变压器为发热中心，向四周辐射热量，变压器室的通风与散热是箱变温度控制的重点。采用控制单一变量并重复多次试验的方法，得出以下结论：（1）不同温度下启动通风系统，箱变内部各点的温度变化趋势保持一致，随着通风系统的开启，会逐渐达到热平衡，干式变压器热平衡与通风系统的启动温度没有明显关系；（2）不同通风模式下，平衡温度最终都保持相同，干式变压器热平衡不受通风模式的影响；（3）根据通风量计算公式，干式变压器热平衡与箱变的散热与通风量以及进风口温度有关。