冷却器运行对电力变压器绕组热点温度影响的仿真研究

冷却器运行对电力变压器绕组热点温度影响的仿真研究

辜方泽

广东电网有限责任公司惠州供电局广东惠州516001

摘要：随着科学技术的快速发展，我国电力行业发展非常迅速。研究冷却器风机开停的数量及开停方式对绕组热点温度的影响，根据一台25000kVA变压器的实际情况，建立了强油风冷变压器的物理模型，并用有限元分析软件Ansys模拟了不同负荷下风机的开停控制对绕组热点温度的影响。

关键词：冷却器运行；电力变压器绕组；热点温度影响

引言

电力行业的发展直接关系到我国整体经济建设的发展速度和发展方向。随着电力变压器容量不断增大，电磁负荷越来越高，使得其温升问题越来越重要。如果油路及其他结构设计不当，就易引起温升过高，损坏绝缘，甚至导致短路故障。因此，准确计算大型变压器的温升，尤其是绕组的热点温度，具有重要意义。

1变压器的散热

变压器在运行时产生的损耗(包括空载损耗和负载损耗)以热的形式传递给油、油传递给油箱壁，最终通过油箱壁和散热器散发到周围的空气中。变压器风机的作用，就是加快变压器周围放空气的流动，增强变压器器壁与周围空气的对流换热，以达到快速散热的效果。

2油质量流量计算

变压器油路中，不同部分的流体阻力特性不同。油流速越高，则油流受到的流体阻力越大。按实际结构和尺寸对冷却器、集油盒、喷油嘴和绕组油路进行建模，并计算流体场。在流体模型入口处设置速度入口条件，出口设置为自由出口。结构内油的雷诺数大于2000，所以采用紊流模型，在入口处施加多个入口油流速，进行多次仿真计算。流体受油路结构阻碍作用，流动状态复杂多变，各点油流速差异很大。

3绕组温度工程计算

采用水冷却器或风冷却器做冷却装置的油浸式电力变压器其冷却方式有强迫导向油循环风冷却(ODAF)/强迫导向油循环水冷却(ODWF)、强迫非导向油循环风冷却(OFAF)/强迫非导向油循环水冷却(OFWF)，文中方法只适合以冷却器做冷却设备采用强油导向冷却方式的油浸式电力变压器绕组温升计算。如果铜导线在参考温度75℃时的电阻系数为0.02135Ω·mm2/m时，该系数应为1.07×10-7；ｊ为导线中的电流密度，A/cm2；ａ为一根纸包导线中裸导线的幅向厚度，mm；对于组合导线ａ=一根组合导线中的组合根数×每根裸导线的厚度；对于换位导线，ａ为换位导线的线芯幅向厚度；b为裸导线的宽度(轴向高度)，mm；对于换位导线，b为换位导线的线芯轴向高度；ａ＋δ为一根纸包导线(含组合导线及换位导线)的幅向厚度，mm；A为线饼中绝缘导线的轴向高度，mm，A=b+δ；B为线饼的幅向宽度，mm；MLT为线饼中导线的平均匝长，mm；WS为垫块宽度×撑条数，mm；ｅ为整个绕组涡流损耗占电阻损耗的平均百分数。

4变压器油温升工程计算

下面以一台型号SFP-150000/500ODAF冷却方式的变压器为例进行理论计算。该变压器采用ODAF冷却方式，三柱式铁心，每柱2个套线圈；总损耗为545.10kW，3台冷却器，额定冷却容量为200kW；流量为30m3/h，入口油温升为40K，进入每柱线圈的油流量为75%。经计算得高压绕组对油的平均温升为16.2K，油的平均温升为33.6K，低压绕组对油的平均温升为19.9K，因此可以得到高压绕组平均温升为49.8K，低压绕组平均温升为53.5K。而变压器温升实验测得高压绕组的平均温升为46.1K，低压绕组的平均温升为50.3K，与实测值比较可知该工程计算方法误差较小。

5损耗计算

变压器绕组损耗包括绕组上的电阻损耗和漏磁场在绕组中引起的涡流损耗。其中漏磁场分布受绕组、铁芯和结构件影响，漏磁场磁密沿绕组竖直方向上分布不均匀，在不同高度上的绕组中涡流损耗密度不相等。本文以1台电压等级为330kV的油浸式强迫油循环风冷电力变压器为例，采用流体网络方法计算其绕组温度。该变压器型号为SFPSZ11−240000/330；容量为240MVA；频率为50Hz；铁芯直径为960mm；绕组排序为低压绕组−中压绕组−高压绕组−调压绕组；冷却器型号为YFZL3−315，共4组。模型考虑到夹件和拉板引起的漏磁场变化对于绕组涡流损耗的影响，铁芯按照实际尺寸逐片叠压而成，采用有限元法对其电阻损耗和涡流损耗进行计算。由于分析变压器正常运行时的稳态温升，所以不考虑调压绕组对绕组温度的影响。夹件和拉板上有较大的漏磁场磁密，绕组两端的漏磁场磁密大于绕组中部，因此绕组两端的涡流损耗密度大于绕组中部。

6网格划分

利用Ansys软件可对流体及热传递等方面的问题进行研究，并可用来模拟从高度不可压缩到可压缩范围内的复杂流动。Ansys具有多种求解方法和多重网格加速收敛技术、灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型等优点，使其在诸多方面得到广泛的应用。Ansys软件采用完全非结构化网格的有限体积法，而且具有网格节点和网格单元的梯度算法。网格的划分是Ansys模拟中的关键，网格质量的好坏直接关系到模拟能否进行及能否得到正确的结果，甚至关系到计算是否能进行。采用顶尖的网格划分软件ICEM进行变压器模型的网格划分。对于主要的发热体——绕组，为了保证准确的传热，且因为绕组部分是相对规则的结构，故采用的是“sweep”方式将其划分为高质量的六面体网格，并设置网格尺寸小于15mm，保证网格质量。对于变压器油流部分的网格划分，采用的是边界层划分方式，即油流与绕组铁心的接触部分，网格划分较致密，与金属接触面较远的地方网格相对稀疏，这样便保证了网格划分的质量，且不至于网格划分过密造成计算成本过高。

7负载率为0.85情况下，改变风机的开停，对绕组热点温度的影响

继续改变负荷，使其在0.85倍额定负荷下运行，环境温度为20℃。测定不同风机开启方式下，对绕组热点温度的影响见图8。1)仿真结果显示，负载率为0.85的情况下，若所有风机关闭，则绕组最高温度出现在B相低压绕组上，其数值为88.31℃，低于变压器绕组热点所允许的极限值98℃达9.69℃。2)当开启变压器A、C相两侧的两台风机后，三相的最热点温度差别较大，B相温度明显高于A、C相，B相最热点温度为85.17℃，A、C相最热点温度为82.01℃。B相与A、C两相的最热点温度相差达3.16℃。最热点温度出现在B相低压绕组上，其数值为85.17℃。3)当开启变压器B相侧的两台风机后，三相的最热点温度基本一致，最热点温度出现在A相低压绕组上，其数值为83.61℃。

结语

文中通过对比不同负载情况下，风机的不同运行方式对变压器绕组热点温度的影响效果，得到了如下的结论：在额定负荷下运行时，6台风机全部开启可以使绕组热点温升降低12.6℃。负荷更高时候，降低幅度更为明显。

参考文献

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