变压器有限元温度场分析

1、 220 kv大容量油浸式电力变压器温度场的有限元分析 姚立泽华北科技学院 机电工程学院，河北省三河市燕郊，邮编：065201摘要：变压器是电力传输中重要的设备,它对电能的经济传输、灵活分配和安全使用具有重要的意义。随着社会的发展，人们对变压器的要求也不断提高，在超大容量变压器不断涌现的同时，变压器的散热问题也不断突出。因此对变压器热性能进行 分析研究成为国内外变压器专家研究的重点。电力变压器的节能降耗以及控制过热是目前电力系统所需要解决的重要问题之一,也是保证电力系统长期安全可靠运行的一个重要条件。因此应用有限元准确计算出变压器的温度场的平均温升和最热点温升,并进而合理地控制其分布,以满足标

2、准要求,是保证变压器安全、稳定和高效运行的关键。关键词： 变压器；有限元； 温度场引言 长期以来大型变压器绕组的热设计主要是确定变压器绕组对油的平均温升，对热点温升的估计所采用的公式基本上是经验得来的。近年来，人们一直对发展一种能准确估测绕组热点和位置的方法颇感兴趣，并且做了大量的工作。研究计算方法，以便可以用数值方法在 计算机上进行模拟预测热点温度，成为国内外研究的重点。变压器不仅是电力系统中重要的设备之一同时也广泛应用于家电设备和其他技术等要求较高的电子设备中。温升是影响变压器性能的一个关键因素温升过高不仅会影响变压器的传输效率还会影响其使用寿命。根据变压器温度场及时捕捉早期故障的先兆信息

3、，不仅防止了故障向严重程度的发展，还能够将故障造成的严重后果降到最低限度。变压器温度监测服务器与电力部门连接，使各连接部门都可随时获取变压器状态信息，这种方式不仅降低了变压器维护成本， 还降低了意外停电率。因此，变压器温度监测提高了运行可靠性，延缓了维护费用的投 入，延长了检修周期和变压器寿命，由此带来的经济效益和社会效益是非常可观的。对于一些小型的变压器通常可以通过经验公式估算出温升。然而随着电力的需求量越来越大电力变压器也随之向高电压、大容量方向发展。对于大型变压器根据经验公式所计算出来的温升与实际值可能会有很大的误差。 为了防止变压器铁心及绕阻结构件产生局部过热实际的设计中会给变压器的温

4、升留有一定的裕度但这样会造成材料浪费和成本提高。因此以有限元数值模拟为手段利用ansys软件建立大型变压器的二维或三维有限元模型并分析变压器的温升以及温度场的分布对产品的设计具有很好的实际指导意义。 油浸式变压器温度场分析的有限元法有限元法是使用比较广泛的一种数值方法由于它的理论基础牢靠、物理概念清晰、解题效率高及适用性强目前已成为对结构进行静态、动态及热分析的重要手段。变压器温度场的有限元分析是把变压器分割成有限个在节点处互相连结的单元体在一定的精度要求下对每个单元用有限个参数来描述它的温度特性而整个连续的温度特性可认为是这些单元温度特性的总和从而建立起连续体的温度和平衡关系。变压器中的温度

5、场问题发热机理是比较直观的。简单地说变压器在运行过程中其内部损耗转化为热能后就构成了对结构件和冷却介质加热的内热源。该热源在固体内部以热传导方式建立温度场在结构件与冷却介质的交界面上则以对流方式实行热交换并最终达到热平衡。油浸式变压器的温度分布变压器的内部结构比较复杂，包含铜，铁，绝缘纸和绝缘油等不同性质的材料。热源主要在铜，铁材料中，变压器内的散热主要通过绝缘油的对流和传导过程，因此变压器内部的实际热分布是比较复杂的。基于大量的运行和试验经验，采用比较简化的方式，描述变压器内部的温度分布，分别如图1,图2. 图1是油浸式变压器各部分的温度分布。 图1油浸式变压器各部分的温度分布曲线1-2表示

6、热量由绕阻和铁芯内部传至绕阻和铁芯表面，传热方式为传导，这部分温差通常只有几度。曲线2-3表示热量由绕阻和铁芯表面通过对流方式传至变压器油中，其温差约为绕阻对环境温升的20%-30%。曲线4-5表示热量由油传至油箱或散热器内表面，其温差不大。曲线5-6表示油箱或散热器内表面传至外表面，其温差不超过2-3度。曲线6-7表示油箱或散热器外表面传至周围空气中，这部分温差较大，约占绕阻对空气温升的60%-70%。图2所示的是油浸式变压器沿绕阻高度的温度分布。它的基本思想是假设绕阻的单位高度引起的发热的损耗值不变，因而温度沿高度按线性增加。 图2 油浸式变压器沿绕阻高度的温度分布各绕阻内的温度，从底部到

7、顶部，不论其冷却方式如何，均是按线性增加。绕阻任何位置的温升，从上到下也呈线性增加。图2中所示的绕阻温度和油温度是随温度升高而增加且相互平行的两条直线，左边的实现是绕阻内部油的温度分布，右边的虚线是绕阻的温度分布，并且不考虑环境温度的影响，都以温升来表示。沿绕阻高度的任何一个相同高度的位置上，绕阻的温升直线和油的温升直线间差值为常数。油浸式变压器有限元模型的建立 物理模型 由于变压器的外形尺寸较大而且结构多样复杂，在实际运行过程中，其流场呈对称分布，所以使 用 ansys 软件计算变压器绕组温升建立实体模 型时，对其进行了简化处理.所选变压器绕组为三相 对称，每一绕组的每饼呈几何对称，垂直油道

8、是轴对称结构，垂直于纸面方向上的流速为 0，各相关量变化率也为 0， 即绕组温度场的分布沿变压器绕组圆周方向没有梯度变化， 可以用二维轴对称圆柱模型 来计算变压器绕组的温度场。计算模型的简化与假定，(1)电力变压器的温度场，简化为二维非线性温度场计算。(2)因三相情况类同，故只分析一相。(3)由于对称性，求解区域只取剖面的一半。(4)高、中、低压线圈高度相等，其各子区域内的安匝认为均匀分布。按照上述简化其计算模型如图3所示。由于油浸式变压器的温度场分析属于稳态温度场分析，因而在定义分析时可以只需定义各种材料的热导率。本模型分析时所选的材料为铁芯选取硅钢片其热导率为46 w/(m*k)。绕阻所选

9、材料为铜导线，其热导率为338000 w/(m*k)。冷却介质所选材料为硅油，其热导率为0.15 w/(m*k)。 图3 简化计算模型其中，al是铁心柱，a2是低压线圈，a3是中压线圈，a6是高压线圈，a4是磁屏蔽（油箱），a7是变压器油。 图4网格划分模型图 图5 生成的温度分布云图 图6 生成的温度梯度总量云图 图7 生成的热梯度总量云图 （此图是只在线圈周为加载温度载荷后的温度分布云图）结论 由于油浸式变压器的结构多样且较为复杂，在热效应的实际分析过程中存在着诸多因素的影响，在整个温度场分析过程中可知，在热平衡状态下，热量向外传播的路径是很复杂的且热量温度的分布都是不均匀的，在油浸式变压

10、器中变压器绕阻、铁芯等发热体的热量，有它们内部最热点以传导的方式传到被油冷的各个表面；热量由绕阻、铁芯等发热体的表面通过对流方式向附近油传递，并使油温逐渐上升；热油经对流方式把热量散发到油箱或散热器的内表面；油箱上的热量经传导和辐射最终散发到周围环境的空气中。因此在进行变压器的结构设计时正确开发合适的温度场计算技术，控制变压器在各种运行状态下内部线圈、结构件及铁芯等部位的温度，控制内部的最热点温度不超过其内部绝缘材料的许用温度是保障变压器正常、有效运行的关键。参考文献1 张倩，胡仁喜，康士廷 等.ansys12.0热效应有限元分析从入门到精通m，北京：机械工业出版社，2010.2.2 张洪信，管殿柱 有限元基础理论与ansys