干式变压器绕组温度场的数值计算与分析

1、第 19卷第 3期2005年 06月 华 东 船 舶 工 业 学 院 学 报 (自然科学版 Journal of East China Shipbuilding Institute (Natural Science Edition Vo1119No 13J un. 2005文章编号 :1006-1088(2005 03-0080-04干式变压器绕组温度场的数值计算与分析张 强 , 姚寿广 , 马哲树(江苏科技大学 机械与动力工程学院 , 江苏 镇江 212003摘 要 :, 压器绕组的温度场 , 温度特性提供了方便。关键词 :; 温度场 ; 有限单元法 中图分类号 :TM412 文献标识码 :

2、AN umerical C alculation and A nalysis of T emperature Field of Windingin Dry 2type Pow er T ransformerZ HA N G Qiang , YA O S hou 2guang , M a Zhe 2shu(School of Mechanical and Power Eng. , Jiangsu University of Science and T echnology , Zhenjiang Jiangsu 212003, China Abstract :A mathematical mode

3、l is presented based on the fundamental theory of heat transfer to calculate the temperature distribution in the dry 2type power transformer. By means of FEM , the detailed temperature dis 2tribution in one phase of the transformer is given. The results from calculation are coincidence with that fro

4、m the test. The study provides a feasible way to investigate the temperature characteristics of the dry 2type trans 2former.K ey w ords :dry 2type transformer ; winding ; temperature field ; finite element method0 引 言随着城市用电负荷的不断增加 , 出于安全和环境保护 , 干式变压器的用量迅速增加。 树脂绝缘干式变 压器采用较高绝缘系统温度等级的环氧树脂作为绝缘介质 , 具有油浸式

5、变压器无可比拟的优点 , 但是其导 热性能受到了很大影响 , 绕组内部的产热与散热情况对其工作性能和可靠性影响较大。 当绕组温度上升 到一定极限值时 , 就会加速绝缘老化 , 甚至破坏绝缘 , 直接影响变压器的使用寿命。 所以有必要在给定的 条件下 , 利用传热学的理论进行数值模拟计算并预知变压器绕组上的温度分布 , 从而获得变压器的其它热 特性 , 以避免变压器潜在的 “ 热” 问题 , 提高产品的可靠性。 文中用传热学理论对实际的某型变压器模型进 行了简化 , 建立了二维稳态温度场数学模型 , 具体分析计算了变压器低压绕组和高压绕组内部的温度分布 情况。收稿日期 :2004-09-17作者

6、简介 :张 强 (1977- , 男 , 辽宁铁岭人 ,江苏科技大学硕士研究生。 1 干式变压器温度场的数学模型 变压器结构呈几何对称 , 具体计算时可对其做适当假设以简化模型。 假设温度场的分布沿变压器线 圈的圆周方向没有梯度变化 , 这样就可以用二维轴对称圆柱模型来计算变压器的温度场。 对于常系数、 具 有内热源的二维稳态温度场 , 当采用圆柱坐标系 , 有如下的导热微分方程 1:铜导体温度场控制方程由下式描述 :2r 2+r 2r +2z2+=(1绝缘树脂层温度场控制方程由下式描述 :2r 2+20(2 式中 :qv ; 为材料的导热系数。, 具有对流和辐射换热的边界是典型的第三类边界条

7、件 , 即 :-5n=a (t w -t f (3式中 :为材料的导热系数 ; n 为法方向 ; a 为综合换热系数 ; t w 为壁面温度 ; t f 为周围空气介质温度。 2干式变压器结构和传热分析211干式变压器的结构图 1变压器结构示意图 Fig. 1 Structure of dry 2type transformer 原型变压器结构轴截面如图 1所示。 高压绕组和低压绕组的导体部分是铜材料 , 层间绝缘为环氧树脂 , 端部为绝缘树脂构成的端封。 高压绕组部分的导线截面为圆形 , 低压绕组的导线截面为矩形。在铁心与低压绕组之间、 低压绕组与高压绕组之间设有气道来散热。212干式变压器

8、的散热分析干式变压器的散热包括热传导、 对流和辐射 3种方式。 具体来说 , 变压器的低压绕组和高压绕组内部依靠热传导方式 , 暴露在空气中的各表面部分以自然对流和辐射的方式来传递热流。实际的变压器绕组的径向宽度与绕组的高度相比较小 , 既绕组上下两个端面积与侧面积相比较小 , 因此通过变压器上下两个端部 散出的热量与从侧面散出的热量相比可以忽略不计。 所以计算温度 场时将变压器绕组上下两个端面看成为绝热面 , 计算出的绕组温度误差并不大。由于在变压器壁面沿轴向上换热系数不是均等的 , 采用平均的换热系数所计算出来的温度场与实际 将有很大偏差 , 因此还要根据空气在气道自然对流时换热系数沿壁面

9、的分布趋势 , 考虑不同地点换热系数 的不同给温度场计算带来的影响 , 对不同位置代入相应的换热系数进行计算 , 以确保计算的精度。 213干式变压器的热源低压绕组和高压绕组的发热主要由直流电阻损耗引起的 , 其数值为高、 低压绕组的负载损耗。 由于高、 低压绕组的导线电阻率随着温度的变化而变化 , 进而绕组的损耗值也是温度的函数 , 因此源项是非线性 的。 高、 低压绕组的损耗值可以根据下式来计算 :18第 3期 张 强等 :干式变压器绕组温度场的数值计算与分析p =p 120 235 +120(4 式中 :tp 为绕组的平均温度 ; p 120为绕组在 120时的损耗。在计算内部热源时 ,

10、 将变压器的发热部分作为等效热源 , 并假设该热源总发热量不变 , 是一个均匀发 热体。 因此 , 高压绕组和低压绕组的发热部分为铜导线所在的部分。 单位热源体积生热率可由下式求得 :q v =V (5式中 :P 为变压器的损耗 ;V 为热源的体积 。3 算例分析311 计算过程图 2 变压器绕组温度场计算流程图 Fig. 2 Flow chart of temperature field calculation 具体平均温度 , 进行温度场解析计算 , 然后再根据所得的温度再修正和调整边界条件 , 重新进行温度场求解 , 如此迭代进行。 变压器在正常工作时 , 其表面温度依设计要求在 100

11、120 之间。 在自然对流换热条件下 , 换热系数的值一般为 1014W/(m 2 K , 并且正常情况下 , 对流换热效果和辐射换热效果相当 2。 因此在换热边界条件赋初值时 , 应使换热系数的数量级在上述合理范围内。 通过不断调整换热系数值来计算温度场 , 直到前后两次绕组的平均温度值相差满足一定精度为止 , 即绕组的损耗值满足一定的精度为止 , 此时的结果就是所求的温度场。 变压器绕组温度场具体的计算流程图如图 2所示。计算对象的主要物性参数如下 :高、 低压绕组绝缘树脂的导热系数 为 01276W/m K; 铜导线的导热系数 为 398W/m K 。 高压线圈在 120 的损耗为318

12、W ; 低压线圈在 120 的损耗为 127W 。312 有限元网格的划分 干式变压器的绕组是由多种导热介质组成的 , 它们不但导热系数相差大 , 而且结构尺寸在高宽比上差 别也非常大。 在导热系数小的区域 (如绝缘材料所在的区域 温度梯度大 , 但此部分所占面积小 ; 而在导热 系数大的区域 (如铜导线所在的区域 温度梯度小 , 但该部分所占面积大。 如果采用大的网格尺寸 , 则温度 场在梯度小的区域误差将较大。 因此在保证单元尺寸差别不大的情况下 , 又保证计算结果在温度梯度大 的地方获得较满意的结果 , 划分时采用了均匀网格 , 这样保证了仿真计算的正常进行。 低压线圈取网格尺 寸为 0

13、15mm , 共有单元 21627个 , 节点 22456个 ; 高压线圈取网格尺寸为 015mm , 共有单元 33054个 , 节 点 33884个。313 计算结果与分析利用程序模拟计算了室温在 2910 下 , 额定容量为 500kV A 的变压器在 100%负荷下运行时的温度 场分布情况。 计算所得的二维稳态温度场等温线如图 3所示。28华东船舶工业学院学报 (自然科学版 2005 年a 低压线圈温度场云图 b 高压线圈温度场云图 图 3 变压器绕组温度场温度云图 Fig. 3 T emperature field of winding 图 3的温度云图表示了变压器绕组高低压线圈温度

14、的分布情况 , 温度单位为 。 可以看出 :不论是低压绕组还是 高压绕组 , 温度分布是不均匀的 , 下部温度低 , 上部温度高 ;绕组的最低温度位于整个绕组的底端 ; 最高温度位于整个绕组的上半部分 , 其中低压绕组的最高温度偏离径向向右 , 轴向距底端约 17/20处 , 其值为 83165 ; 高压绕组的最高温度偏离径向约 1/3, 轴向距底端约 16/20处 , 其值为 81133 ,计算值均低于 F 级绝缘限制的极限温升 100 。 用传热学理论分析可知 , 两个气道方向传递 , , 升高 , 体积膨胀 , , 减小 , , 形成换热薄层。 由于壁面粘滞力的影响逐渐向流体内部传递 ,

15、 边界层逐渐增厚。 与此 相对应 , 换热热阻也逐渐增加 , 致使局部换热系数随高度的增加而减小 , 因此高低压绕组上半部的散热效 果比下半部散热效果差 , 绕组温度沿轴向升高。 高压绕组的平均温度比低压绕组的平均温度低是由于高 压绕组位于整个变压器的最外部 , 其外侧的对流散热和辐射散热的条件优于低压绕组 , 而低压绕组位于铁 心和高压绕组之间 , 铁心和高压绕组在正常工作时均发热 , 使低压绕组的换热条件变差。图 4 热电偶布置示意图Fig. 4 Location of sensors 为了验证计算结果 , 将计算所得的结果和试验结果进行了对比。 试验热电偶布置情况和计算对比结果分别见图

16、4和表 1, 可以看出两者结果基本吻合 , 可以满足工程实际需要。表 1 高、 低压绕组温度计算值与实测值的比较T ab. 1 Comparison of measured and calculated values 序号 计算值 / 实测值 / 误差 /序号 计算值 / 实测值 / 误差 / 17912576. 552. 70978. 9680. 84-1. 8827617776. 85-0. 081071. 9070. 491. 4137119872. 050. 071168. 5868. 630. 5545918058. 341. 461258. 7857. 031. 7558112682. 19-0. 901371.9669. 472. 4967811378. 150. 021471. 272. 16-0. 9677219974. 57-1. 581568. 2568. 070. 184 结 论通过文中建立的分析模型和方法 , 可以采用轴对称二维有限元方法得到整个变压器绕组的温度场分 布 , 对于同类干式变压器的热