（电气工程专业论文）油浸式变压器换热性能研究.pdf

哈尔演理t 人学t 程坝i ：学位论义 油浸式变压器换热性能研究 摘要 油浸式变压器具有散热好、损耗低、容量大、价格低等特点。目前电网 上运行的电力变压器大部分为油浸式变压器，其中8 0 以上是采用自然油 循环的冷却方式。目i j 国内油浸式变压器普遍采用线圈中设置导油板的冷却 结构。 随着信息化社会的到来，社会生活对电力的依赖程度大大提高，对供电 设备的质量要求也比过去严格。原来使用辅机( 泵、j x l 机) 进行强制换热的大 型变压器越来越多的使用o n a n ( 油浸自冷) 的冷却方式。变压器厂现在普遍 应用的油浸式变压器温升工程计算方法不能很好的与实际温升相符合，有时 偏离很大，并且不能应用于高燃点油变压器的温升计算。如何改进油浸式变 压器的冷却结构，是国内外变压器行业面临的一个迫切问题。 本课题立足于工程实践应用，根据传热学基本原理和经典试验换热准 则，通过对变压器发热、冷却原理进行分析和研究，提出了一食计鲐变j i i 器 平均油温升、顶油温升、绕组温升、铁心温升和最热点温升的计算方法，分 析了海拔高度、太阳辐射及线圈导向结构、无导向结构、散热器中心高度等 对变压器温升的影响。该计算方法适用于自然油循环变压器自然风冷上和吹 风冷却的情况，以及冷却流体为常规变压器油和高燃点油的情况。经试验验 证，计算结果与试验数据实测值相符合，解决了以往工程计算变压器泓升方 法与实际不相符合的问题，使变压器在满足国家标准的前提下，降低了材料 成本，提高材料利用率。 关键词油浸式变压器；温升；计算方法；试验 塑尘堡些! 当耋窒：竺! i i 兰篁兰 s t u d yo fh e a te x c h a n g eo f o i li m m e r s e t r a n s f o r m e r a b s t r a c t t h eo i li m m e r s et r a n s f o r m e ri sg o o da ts p r e a d i n gh e a t ，a n di ta l s oh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fl o we x h a u s t i n g ，g r e a tc a p a c i t y , l o wp r i c ea n ds oo n a tp r e s e n t a l m o s ta l lo ft h ee l e c t r i cp o w e rt r a n s f o r m e r sw h i c ha r eo p e r a t i n gi nt h eg r i da r e o i li m m e r s eo n e s ，a b o v ee i g h t yp e r c e n to ft h eo i li m m e r s et r a n s f o r m e r sa r e c o o l e db yn a t u r a lo i lc i r c u l a t i o n c u r r e n t l yt h es t r u c t u r eo fs e t t i n gp l a n kt ol e a d t h eo i li nt h ec o i li sw i d e l yu s e di nt h eo i li m m e r s et r a n s f o r m e ri nt h ed o m e s t i c a l o n gw i t ht h ea r r i v a lo ft h ei n f o r m a t i o n b a s e ds o c i e t y , t h ed e g r e eo ft h e s o c i a ld e p e n d e n c eo nt h ee l e c t r i cp o w e ri sg r e a t l yr a i s e d ；t h er e q u e s tt ot h e q u a l i t yo ft h ee q u i p m e n t ss u p p l y i n gt h ep o w e ri sa l s os t r i c t e rt h a nt h ep a s t 。m o r e a n dm o r el a r g et r a n s f o r m e r sw h i c hu s e dt h ea u x i l i a r ym a c h i n e s ( p u m pf a n ) t o s p r e a dh e a tf o r c e d l yi nt h ep a s ta d o p tt h ew a yo fo n a n t os p r e a dh e a t n o wt h e e n g i n e e r i n gm e t h o dt o c a l c u l a t et h ee l e v a t e dt e m p e r a t u r eo ft h eo i li m m e r s e t r a n s f o r m e rw i d e l yu s e di nt h ef a c t o r yc a nn o tc o i n c i d e n c ew i t ht h ea c t u a lo n e g r e a t l y , s o m e t i m e si td e v i a t e sv e r yg r e a t l y ，a n dc a nn o tb eu s e dt oc a l c u l a t et h e e l e v a t e dt e m p e r a t u r eo fh i g hi g n i t i o nt e m p e r a t u r eo i li m m e r s et r a n s f o r m e r h o w t o i m p r o v et h es t r u c t u r eo ft h eo i li m m e r s et r a n s f o r m e ri sa nu r g e n tp r o b l e m f a c e st ot h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lt r a n s f o r m e ri n d u s t r y t h em e t h o dt oc a l c u l a t et h ea v e r a g ee l e v a t e dt e m p e r a t u r eo fo i l ，t h e e l e v a t e dt c m p e r a t u r eo fo i li nt h et o ps t r u c t u r e ，t h ew i n d i n ge l e v a t e dt e m p e r a t u r e ， t h ec o r ee l e v a t e dt e m p e r a t u r ea n dt h em o s th o tp o i n te l e v a t e dt e m p e r a t u r ei s g i v e n i n t h i s p a p e rb a s e d o f ft h e a p p l i c a t i o no fe n g i n e e r i n gp r a c t i c e s ，t h e p r i n c i p l eo fh e a tt r a n s m i s s i o n ，t h ec l a s s i ce x p e r i m e n t a ls t a n d a r do fh e a te x c h a n g e a n dt h es t u d yo ft h ep r i n c i p l eo fh e a t - c o o l ，t h ef a c t o r ss u c ha sh e i g h ta b o v es e a l e v e l ，s o f ar a d i a t i o n ，t h es t r u c t u r eo fl e a d i n gw i n d i n g ，n o l e a d i n gs t r u c t u r ea n dt h e c e n t e rh e i g h to fh e a ts i n kw h i c ha f f e c tt h ee l e v a t e dt e m p e r a t u r eo ft h eo i l t r a n s f o r m e ri sa l s oa n a l y z e di nt h e p a p e r t h em e t h o di sa p p l i c a b l et o t h e 一 盟尘堡竺! 尘兰! 丝竺! 垒! 篁兰 c a l c u l a t i o no ft h ee l e v a t e dt e m p e r a t u r eo ft h en a t u r a jo i lc i r c u l a t i o nt r a n s f o r m e r c o o l e d b yn a t u r a l b r e e z ea n dc o o l e db yt h ef a n a n di ti sa l s of i tt ot h e t r a n s f o r m e rw h i c hc o n t a i n st h ec 0 0 lo f ff l u i da si t so i lo rh i g h i g n i t i o n t e m p e r a t u r eo i l t h r o u g he x p e r i e n c e ，t h er e s u l to fc a l c u l a t i o ni sc o i n c i d e n c ew i t h t h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h ep r o b l e mt h a tt h et e m p e r a t u r ec a l c u l a t e dw i t ht h e e n g i n e e r i n gm e t h o di nt h ep a s tc a n n tb ec o n s i s t e n tw i t ht h ea c t u lv a l u ei ss o l v e d ； w i t h i nt h en a t i o n a ls t a n d a r do f t r a n s f o r i f l e rt h ec o s to f t h em a t e r i a l i sr e d u c e da n d t h eu t i l i z a t i o nr a t i oo fm a t e r i a li si m p r o v e d k e y w o r d s o i li m m e r s et r a n s f o r m e r ；e l e v a t e d t e m p e r a t u r e ；a l g o r i t h m ； e x p e r i m e n t - i i i - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文油浸式变压器换热性能研 究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期| n j 独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已 发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 储獬：侈狄嗍椤卅) 引月调 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 油浸式变压器换热性能研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理t 大 学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔 滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部l j 提 交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学町以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内 容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打) 同期： r 期： 如。) 年， ， 反年 月，调 月炯 、叭肜 1 伊 ，_ n 多骖娘 眵尺 名 名 签 签 者 师 作 导 哈尔演删t 人学t 程坝| 学伯论立 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 随着信息化社会的到来，社会对电力的依赖程度大大提商。妣内外权威 机构预测：今后2 0 年，电力将是全球增长最快的终端能源，世界l u 力消耗年 平均增长3 4 。随着三峡1 8 2 g w 水电站的建设，我国电力增长速度证在迅 猛发展，预计2 0 1 0 年我国发电装机容量将达到4 5 0 - 5 0 0 g w ，2 0 2 0 年将达到 6 0 0 - - 7 0 0 g w ，2 0 5 0 年将达到1 3 0 0 1 5 0 0 g w ，人均年用电量为4 m w l f f r 右，达 到中等发达国家水平。电力变压器作为电力系统中的一种重要设备，在l b 力：i ： 程领域获得了广泛应用。 在变压器问世以来的一个多世纪罩，变压器制造技术取得了啦大进腱。随 着变压器技术的发展，各种应用新技术的变压器不断自n 现商燃j _ 变爪器、干 式变压器、周体绝缘变压器、s f 6 变压器、高温超导变压器等许多新慢变爪器 得到发展和应用。但油浸式变压器由于具有散热好、损耗低、窬 i 人、价格低 等特点，目日口仍为电网上运行的主要产品。油浸式变压器巾8 0 以j 4 采川r i 然 油循环的冷却方式。由于数量多、产量大，如何改进自然油循环变 l i 器的发热 冷却结构，提高冷却效果，不论从节能降耗，还是延长变压器的使用辱命、减 少热事故等方面都具有重大意义。 变压器在运行中，电能在铁芯和绕组中的损耗转变为热能，引起各；i i f ；何发 热，使变压器油温度升高，发热和散热平衡时，各部化温度达到稳定。一般米 讲其内部各部分的温度不同，绕组温度最高，其次为铁芯和变压器汕。为了使 变压器各部分的温度都不超过规定的温度限值，应采取有效的 丹施把热j i 敞 出。变压器工作的允许温升值取决于采用的绝缘等级，绝缘等级越- 灌，允 1 ：温 升越大，同时绝缘材料的费用也越高。根据简化的热老化模，诅等式”，知i ：汕没 纸绝缘在8 0 - - 1 4 0 的温度范围内，热点温度每升岛6 c 绝缘老化率增j j i 。倍。 如今变压器的单机容量已达到几百万千伏安，但变压器热计算还小很成熟，这 不仅对变压器的安全运行构成潜在的威胁，同时还将直接阻碍变l i 器， q k 的发 展。为了降低变压器的平均温升以延长其使用寿命，降低成本，变瓜器换热性 能的研究已引起了国内外学者的高度重视。 世界上最早的变压器冷却方式是十九世纪后期出现的以空气作为冷却和绝 缘介质的变压器，由于加工技术的限制以及缺乏合适的绝缘材料，这利一变瓜器 很难向大型发展。为了有效地冷却变压器，采用油代替空气，变从器汕的耐i u 强度、传热性能比空气好的多，热容量也比空气大得多，这样町以以变j j 王器几 何尺寸不增大的情况下提高变压器的容量。油浸式变压器由于冷即能力人，绕 组、铁芯温度分布均匀，是变压器主要的发展方向。图l l 为汕浸式变爪器的 结构。 油浸式变压器根据油的循环方式的不同可以分为：自然循环式、强迫循环 式和强油导向式：根据散热器冷却方式的不同可分为：自然风冷、强迫风冷和 强迫水冷等，这几种油循环和冷却方式之间可形成多种组合。f u 敞热少的小 型变压器和一部分中型变压器均使用自然油循环自然风冷却的方式，人，弘变压 器都使用强油循环强迫风冷却、强油导向循环强迫风冷却、自然油循环强迫风 冷却的冷却方式，使用辅机( 泵、风机) 进行强制换热，产生很大的噪音，并且 容易造成油流带电，而且，对辅机运行和维护也需要很高的赞j f j ，这将增人运 行成本。近年来，由于人们的环保意识不断增强，对噪音限制捉f i j 了殳一：i 的婴 求，很多变压器厂商正努力在大型变压器上使用自然油循环e i 然风冷上的冷却 方式以减小噪声、控制油流带电、降低运行成本。 幽l l 油浸式变压器结构 f i g 1 - lt h es t r u c t u r eo f t h e o i li m m e r s et r a n s f o r m e r 近年来，国内外学者专家对油浸式变压器的冷目j 结构进行了符种改舴，f _ | 阿国内普遍采用自然油循环变压器线圈中设置导向板的结构。无导向矾板结构 的线圈，如图l - 2 ( a ) 所示，当线圈辐向尺寸较大时，油流透入深度不能达剑线 饼辐向的中部，在从两侧散热的水平油道中会产生死油区，在死油i 内儿乎不 产生循环，这对降低线圈温升是不利的，因而产生绕组局部过热，”重时会产 n 尔演理r 人学t 稃坝f t f i ) | 论文 生局部烧毁而导致变压器退出运行。如果在线圈内设置导向隔板，使汕流n ：热 升力的推动下定向流过线圈，如图1 - 2 ( b ) 所示则有可能消除步匕油区，加强线糊 的散热，降低线圈的平均温升。在线圈中设置导向板是改善变压器内部冷却、 提高容量和负载能力的一种有效措施。这种冷却系统的优点是借f 结构办l j 】i 的 措施，消除水平油道的死油区和油流“死角”。这种结构可以降低线i 矧的f ，均温 升，但对热点温升影响却非常复杂。油流导向板在线圈岛度方向卜将线陶分成 几个区，确定各区的油流特性的重要因素是垂直油道宽度、水，i 油道i 何皮、各 区的线饼数、油流量及油温等，各区油流分布不受其它区油流的影i 粕i n j 独：讧存 在。流过绕组的油流量不仅与流动特性有关，而且与汕泓有关，绕自【温度分砷i 又与油流特性直接相关。流动特性的改善，可能导致线嘲高叟方i h j 汕濉梯j ! ! ：的 增大，进而对热点温度产生复杂的影响。 l尸 l l il 1 。 ( a ) 无导向隔( b ) 有导向隔 l 堇| i 2 线罔内油流 f i g 1 2t h eo i ls t r e a mi nt h ec o i l 深入研究自然油循环变压器的发热冷却机理，不仅可以精确反映自然油变 压器的平均温升、顶油温升、绕组温升、铁芯温升，提高冷却效率，而i i 从节 能降耗、延长变压器使用寿命、减少热事故方面都将带来巨火的社会经济效 益。 1 2 国内外相关研究概况 油浸式变压器内油流速度较低，影响油流动和换热的因素很复杂。为改辫 油浸式变压器的冷却性能，研究变压器内的传热过程、油流特性和温升以及绕 组温升是非常重要的问题。 3 1 2 i 国外相关研究概况 为改善油浸式变压器的换热性能，国外学者根据热学理论，研究变爪器内 油循环流量及绕组内油流分布等油流特性和绕组温升问题。 a l e g i g l 给出了预测油浸风冷变压器实时温度的热模型，该模型巫为精 确的预测在各种电气负荷和任何环境温度下的变压器实时温度；通过将该热模 型引入负载管理系统，可改进整个运行效率l i i 。3 f _ a a a p i l l ! 在理论和试验研究的 基础上提出了描述油浸式自冷变压器流体闭路冷却系统r i 流体动力学过程的数 学模型。所提出的模型中，考虑到绕组二维温度场的内外部冷却协调f 4 ：j t j ，运 用油浸自冷冷却系统的液体平均体积温升参数，表示了线嘲二：维泓度场卜内部 和外部冷却的相互关系；油浸式变压器闭路流体冷却系统中液体顶联g , t y l 。和l e 它参数采用流体温度沿油箱高度分布的不均匀系数来表示口l 。m y a m a g u c h i 提 出了油浸自冷变压器中循环油流率的计算方法，当参r l 改变时，这利办法4 q , 7 要附加的试验结果，并提供油浸自冷变压器的流率特性曲线，这些曲线址川激 光一多普勒流速计在模型中测得的。得出结论：在雷诺数为2 0 0 2 0 0 0 范嗍 内，弯头压降系数比雷诺数大于1 0 0 0 0 范围的弯头压降大3 - 5 倍；线糊卜万空 自j 的压降可根据线圈中的垂直油道穿过此空日j 并延t l t l i n 上部竹子入1 1 的似定予 以近似；流率近似的与线圈中产生的热量和模型中散热器中心j i 线i i l 心之m 的高度差的平方根成证比【3 i 。z g o d e c 提出了变压器温升试验【i | 改变所婴求的 试验持续时间和确定稳态温升的方法：试验持续到按三个试验点初步f , l i 竹的稳 态温升值的9 5 以上，如果这三点取在由曲线或者最小二乘法确定的稳人温升 值的6 0 以上，则可得出更精确的稳态温升l 。l i n d e n w p i e r c e 对f i 然汕 7 i 耶 和强迫油循环变压器的线圈热特性进行了稳念和过载试验研究，考虑了汕粘度 和变压器负载变化对温升的影响；发现沿线幽高度方向的温度分机j l ：d = 象以往 所认为在趋势上呈线性的，而是非线性不规贝u 的；自然油循环下尤为! i i l 符：捉 出了稳态和过载情况下线圈热点温升的计算公式p l 。l a m p e w 等针埘以往变 压器线圈中热点温度值主要靠模拟方法确定的不足，介绍了利用带有光导纤维 的荧光式温度计和红外光电温度计等直接测量热点温度的方法，试验结果表明 这些光电仪器具有很高的精度 j 。w z b l a c k 等人对一个强风冷却汕泌变瓜 器各部分温度进行了计算，并考虑了太阳辐射的影响，计算结果与实验温度十u 吻合1 ”i 。r a m s i s 等人对铁芯的最热点和铁芯的温度分前j 进行了分析和试验， 实验验证得出了铁芯最热点的位置。s i m o n 等人模拟电路的方法，对绕组的温 度分行进行了分析，实验验证与实际相吻合【1 2 1 。a j o l i v e r 用神绛网络法对绕 组温度和冷却油流进行了计算，计算结果与实际十h 吻合i ”i 。j a u b i n 根扒加拿 大特定的气候分析了在外界温度很低的情况下，考虑油粘性对变诓器负绒能力 的影响4 i 。s m u u e r 提出了依据绕组和冷却器周围油温及出口油温赡实测他的 油温分布的计算方法5 l 。m i k h a i l o v s k y 等人也进行了有关电力变j 区器线吲温升 计算方法的研究1 1 6 1 。v e n k a t e s w a r l u 等利用有限元法研究了电流密度、冷印强度 和线段尺寸等对油浸变压器饼式线圈稳定温升的影响，其程序i ，n i 算线刚农f f f i 各种冷却强度时的热损耗i ”1 。热点温度和位置主要决定于电流密度和热传导系 数，热传导增大致l o o w ( m 2 k ) 以上时，对线圈温度和热点将不，“ i - 人人的影 响，通常宽度的线段可保证水平油道有足够冷却表面。 1 2 2 国内相关研究概况 近年来，变压器热问题也引起国内专家学者的充分重视，很多家对此作 了深入细致的研究。 王秀莲等人对强油导向冷却变压器在不同结构的汕区模，鬯卜洲1 1 了线饼的 温度分布，阐述了油区饼数、油道高度、油道尺寸分4 j i x , j 线饼的| ，均温升和热 点温升的影响，分析了油区内油的流动情况和传热特性：在大鲑试验坫础卜提 出了强油导向冷却变压器的油流量分配工程计算方法，该方法可以川。j 姓油导 向冷却变压器各绕组之蚓流量分配的计算m i i ”1 。姜建松针对为降低噪声听设计 的分体式变压器增加了长的连接油管对温升有明显影响的问题介绍了一种分体 式全自动冷变压器的温升计算方法，得出结论：分体式全自冷变j 器j 杼通变爪 器相比增加了连接油管，压力损失比普通变压器大，要达到平衡，热浮力必须增 大，导致油面温度增加；该计算方法可满足工程要求口o i 。辜承林埘人型i b 力变爪 器铁芯磁场和温度场进行了研究，得出两种典型热流分嘶i 情况下铁一。f l m ；l l t 度场的 近似解，这不但对铁芯温度场的数值计算即流体一构件耦合场的迭代求解越剑 了很好的作用，而且也对变压器铁芯换热行为的定性分析产l 三秋极的影响1 2 1 l 。 余立军对变压器室对流换热进行了研究，提出了变眶器窀对流换热的数学模j 魁 1 2 2 1 。范建中分析了变压器空载实验时铁芯温度升温过程的温度数据，雀 小实验 点温升曲线的数学模型，其表达式中，热时间常数为时n j 的一次函数，i f i j 实验 点的温升可直接求出1 2 3 j ，在整个温升过程中由数学模型算出的温升值与实验值 吻合较好，其极限比值比z g o d e c 的计算值高出7 9 。王文等建立了二f ：式变 压器二维非稳态温度场的数学模型，采用有限差分方法来求解变i i 器一十h 的温 度场，分析了铁芯、低压绕组、高压绕组的温升特性及整体温度分斫j 和域热点 哈尔演理r 人学r 程坝| 位跄且 位置1 。 国内外研究者虽然对变压器热特性及冷却条件进行了广泛研究，这蝗研究 为进一步改进油浸式变压器的换热性能研究提供了理论和试验依据。 1 3 本文的主要研究内容 本课题立足于工作实践应用，从传热学的基本原理出发，采川试验j 理论 分析、数值计算相结合的方法，对变压器的发热和冷却过程进行分析，得到一 套能精确反映变压器温升情况、满足工程计算需要，既能计算普通变瓜器浊的 变压器温升，又能计算高燃点油变压器温升的计算方法。为油浸式变压器改进 冷却结构、提高热设计可靠性提供依据。 本文研究的主要内容有： 1 对变压器平均油温升、顶油温升、绕组平均温升、铁芯温升、热点温升 进行理论分析，找出影响各种温升的因素，并分析其影响。 2 对变压器的几种典型冷却结构的线圈模型进行热性能实验，研究它们符 自的换热机理和温升分布规律。 3 探讨片式散热器的变压器采用自然风冷却时的合理的，i 均 “i j n f i 、顶i i i i 温升的计算方法。 4 探讨片式散热器的变压器采用强风冷却时的合理的平均油温升、顶油温 升的计算方法。 5 探讨绕组平均温升的合理计算方法。 6 探讨铁芯温升、热点温升的合理计算方法。 哈尔演理t 人学1 拧坝i 学化l 仑卫 第2 章变压器的发热和冷却原理 2 1 变压器的发热和冷却 2 1 1 变压器的散热方式 变压器热量均以传导、对流和辐射的方式传到冷却介质中去。符种散热办 式，均有其固有的物理规律。 变压器内的温度分布如图2 1 所示，图2 - l ( a ) 表示沿水平方向的温度分 布，在绕组最热点所处部位a i 温度最高，由热点到绕组外部a 2 的热足讵传 导实现的；热量从绕组散到油中，是依靠对流实现的。温差为a 2 a 3 ：热：止从 油到油箱壁也是靠对流实现的，温差为a 3 a 4 ；油箱壁是靠传导实现的，温篪 为a 5 a 6 ，其温度差很小；从油箱壁到冷却空气的珏矗度砖l i 总濉篪的 6 0 0 o - - 7 0 ，依靠对流实现。图2 - l ( b ) 表示温度沿垂直方向的分和，蛐线1 友叫j 绕组的温度分柿，曲线2 表示铁芯的温度分抑，曲线3 表为变爪器汕的分厕j ， 曲线4 表示油箱的外表温度分布。从图中可以看出变压器的器身的濉度j l 过泓 差从内部传到油箱，再由油箱或散热装置通过对流散到川的空7 川t 上。 2 】1 1 传导散热 根据传热学理论，两个平行平面距离是z ，面积是s ，两个，f 【i i 的濉度分 别是b 和岛，且岛 岛，依靠热传导传递的热量为q ，有 口一曲 q = 鼢= l 二1( 2 1 ) z 式中，丑平面材料的热导率。 l 釉 霉 暑4 0 哈尔演理r 人学t 程坝i 学位论上 、 3 一 4 k l | ( a )( b ) 图2 i 变压器的温度分布 f i g 2 - 1t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f t r a n s f o r m e r 表2 - i 变压器常用材料的物理特性 材料名称_ 晰度0 的比热容热导牢n ：2 0 的i u 5 率温度 k 鲥m jj a k )w ( m 1 ( t a m )系数 退火铜导线8 8 93 9 03 5 00 0 1 7 5 x 1 0 1 0 0 0 3 9 拉仲赞铜& 5 & 73 7 06 0 - 1 0 0 f 0 0 7 - - 0 0 8 ) x j 0 0 ，0 0 1 7 锚导线 2 7 39 2 02 2 00 0 2 9 5 1 0 10 0 0 3 7 冷轧硅钢片( 禽硅4 ) 纵向 7 6 54 8 0 - 4 9 01 90 2 2 i o 一60 0 0 2 冷轧硅钢片( 含硅3 ) 纵向 7 5 5 4 8 0 - 4 9 02 l0 2 2 x i o6 0 0 0 2 结构铡7 8 54 8 0 - 4 9 05 0 ( n 1 2 - - 0 1 4 ) 1 0 - 6 0 0 0 4 5 空气( 2 0 00 9 8 m p a ) o 0 0 1 2 10 0 2 21 0 ”1 0 “ 变压器油水 0 8 5 - 0 8 91 8 0 0 - 1 9 0 00 1 5 绝缘纸板( 十燥) l ，o4 1 9 0o 5 6 31 0 7 1 0 i j 绝缘纸板( 浸油) o - 9 - l 31 2 0 00 ，j 81 0 1 叱1 0 “ 胶纸板 0 9 - i 3 约2 0 0 0 o 2 5 1 0 9 碰纸板1 3 - i 41 4 7 00 3i o s 厚度为0 1 m m 干燥电缆纸 1 2 1 41 2 0 00 2 5 厚度为0 i m m 浸油电缆纸 o 81 2 0 1 厚度为0 0 6 r a m 浸油电缆纸1 01 2 0 2 十燥的桦木 0 6 4 约2 0 0 0 0 1 5l o l o 若以单位热负荷q 表示，有 - 8 口：旦：a 生鱼：, t a o s zz 变压器常用的材料的物理特性列于表2 - 1 中。 若两平面问材料是出多层热导率不同的材料组成的。其厚度分别足 而z ：局甄，热导率分别是 如五乃，则合成的热导率足 a ：星! 兰2 兰l 坐上丘 丛+ 丝+ 丛+ k + 益 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 2 1 1 2 自然对流散热 对流散热时。流体的流动有两种形式：一种是自然对流；另种足烈迫对 流。 在发热体附近有自然对流散热时，流体受热密度下降，t t r ：浮力i ：升，比 较冷的流体补充空出的空问，这种对流叫做自然对流。 在自然对流条件下，空气的对流层的厚度约为1 2 1 5 r a m ，变j l i 器油的对流 层的厚度约为3 r a m ，在被冷却表面处冷却介质的流动速率等于零，这足 l i 于在 被冷却表面和冷却介质之间存在摩擦造成的。在离丌被冷表面后速j 钲逐渐增 加，一直达到最大值，然后又逐渐降低到零。 对流散热比传导散热复杂，因为对流散热在冷却表i f f f i 二足传导，热：i = t lj 体通过传导传给流体，然后流体发生流动带走热量。对流激热通常小能川分析 方法来计算，而用下式表示： q = 8 a 1 只一只) ( 2 4 ) 式中q 通过对流散出的热量( w ) ； 口单位表面传热系数【w “m 2 k ) 】； s 散热面积( m 2 ) ； 鼠被冷却表面温度( m 2 ) ； 只冷却介质的温度( m 2 - ) 。 通常使用热负荷( 单位面积的传热量) 表示 g = 詈= 粥一0 2 ) = 以口 式中口温升或温差。 式( 2 5 ) 和式( 2 5 ) 中的系数口和流体的热导率和热容嚣、 却物体的形状位置有关，在不同的条件下，有不同的数据。 有关，使得在很多情况下，不得不从试验或山经验得到。 ( 2 - 5 ) 粘度，流速、被冷 山- j ：玎硐i y f ：多参数 哈尔演理t 人学t 程坝i 学位论文 图2 - 2 自然对流的边界 f i g 2 2t h eb o u n d a r yo f n a t u r a lc o n v e c t i o n w ，( 妒! c n “ 图2 - 3 导向冷却不同流速时的温度降 f i g 2 3t h ed r o po f t e m p e r a t u r eo f d i f f e r e n t f l o wr a t e 自然对流时，在油道中流动的变压器油进入油隙中，存在有流动的边界 层，如图2 - 2 所示。在边界层内油的流动为层流，层流的雷诺数r e 一般小于 4 0 0 0 。在油道中距进口处距离为h 处，其边界层厚度为j ，绕组的温度为鼠， 在边界层以外变压器油的温度为只，在此条件下，根据埃克特( e c k e a ) 公式， 边界层的厚度是 j = 3 9 3 h p r o5 ( 0 9 5 3 + p r ) o2 5 g r 5 ( 2 6 ) 在变压器计算中通常使用 a o = c q “( 2 - 7 ) 在式( 2 。7 ) 中，单位面积热负荷的指数不是1 ，而是n ，且n l 。这是考虑到 在对流散热时液体的热导率和粘度在变化，在温度变化时，变压器油的粘度随 温度的升高而下降，而空气的粘度随温度的升高而升高，此外，液体的流动速 度也在变化，所以当单位热负荷一定时，温升不是常数。 引入与a 有关的一个无量纲数是奴赛尔( n u s s e l t ) 数n u ，它的物理意义是对 流和热传导的比，综合考虑了对流和热传导的作用，即 n u ：一a h r 2 8 ) 兄 式中口单位表面传热系数； h 特征长度； a 冷却介质的热导率。 另外的无量纲数是格拉晓夫( g r a s h o f ) 数g r 它的物理意义是浮力和惯性力对 粘性力二次方的比，即 g r ：_ f l g h 岔( 2 9 ) 式中口流体的体积热膨胀系数； 窖重力加速度； u 运动粘度。 普朗特( p r a n d t l ) 数p r ，它的物理意义是动量扩散对热扩散的比 p r ：鲨( 2 1 0 ) 式中p 密度； c 比热容。 由实验数据得到线饼一测加热自然冷却时，有 n u = 0 1 0 9 5 ( g r p r ) 0 3 3 3 因此得出传热系数 口：半= 0 1 0 9 5 p r 。 s s s ( 学3j 03 3 3 鲁门 l ， ， 丌 由式( 2 5 ) 口2 詈2 g：ji；：j：=：孺1 口 ，f ，口南3 丹l兄 o 1 0 9 5 0 “”1 丝二芋= ii 将9 ：7 0 的变压器油的特性，只= 7 4 ，= 7 9 5 x 1 0 - 4 * c ，旯= 0 1 2 7 6 w l ( m k ) ，l ) = 5 4 x 1 0 “m 2 s 代入，取线饼高度矗= l o 肼肌，最后得到 口= 0 0 6 6 2 q 0 7 5 实际在工厂计算中，对式( 2 7 ) 中的c 和九值，有时使用不同的经验值如 下。 1 层式绕组 2 油浸自冷饼式内绕组 3 油浸自冷饼式外绕组 4 风冷内外绕组 a o , = 0 0 6 5 q 0 8 a 0 , = 0 4 1 q 0 6 a = 0 3 5 8 q 0 6 a 0 , = o 1 5 9 q 0 7 哈尔演理t 人学t 程坝| j 学位论义 5 强油循环饼式内外绕组鼠= 0 1 1 3 q “7 2 1 1 3 强油导向对流散热 强油导向对流散热的绕组温升和绕组内的油的流速有关，在绕组热负荷不 变时，当油流速增加时，绝缘上的温度降a o 。不变，而随着流速增加，绕组表 面对油的温度在下降，因为这时流过绕组的油量增加，只需比较小的温度降已 经可以将热量传出，如图2 3 所示。 p 、- f 、 1 、 、 、 _ 一 - ，r 、 ， 一 硇苑建m j s ) l ：一 e 三 亡j 匕 广 下 图2 - 4 热负荷不变条件下铜一油温差和流速关系 圈2 5 导向冷却绕组 f i g 2 - 4t h er e l a t i o no f t e m p e r a t u r eh e a da n d f l o wr a t e f i g 2 5t h ec o o lo f f w i n d i n go fl e a d i n g o f c o p p e ra n do i lo f t h ec o n s t a n th e a tl o a d i n g 强油导向绕组的油路布置如图2 5 所示。强油导向冷却时，表面散热的奴 赛尔f n u s s e l t ) 数n u 是 厂了 n u = o 6 2 r e p 0 , 3 3 3 1 俘 ( 2 1 1 ) y 疗 式中d 油路的水力学直径： 油路的长度。 图2 - 6 和图2 7 是模型绕组的测量结果。图2 - 6 是n u 作为r e 数的函数， 上面条直线对应平均边界层油温只= 1 2 7 ，下面一条直线对应平均边界层油 温p r = 7 8 。图2 7 中是 k 作为只函数，上面一条直线对应r e = 2 9 0 ，下面一条 直线对应平均边界层r e = 3 2 5 5 。 根据c a n z 工厂测量的结果，强油导向冷却的情况，可用式( 2 - 1 1 ) 计算表面 传热系数。 在r e = 1 6 0 - 8 2 0 、p r = 4 0 - 1 2 0 ( 对应变压器油的温度约为5 0 - - 1 0 0 c ) 溷内， 将b 媸砖瘌以得至皑攥瞟数 三：1 。d - 0 1 4 矿，1 ( 印) ；国- 0 “( 2 - 1 2 ) a0 6 2 一 式中国油的流速( m s ) 。 当变压器油的温度0 = 7 0 c 时，变压器油白勺| 参数是 旯= 0 1 2 7 6 w ( m 0c 1 v = 5 4 x l o 。6 m s c = 2 0 6 0 j q ：k g 。c ) p = 8 5 2 堍m 1 代入式( 2 - 1 2 ) 后有 三= 1 1 7 5 1 0 3 d - 0 1 4 l 0 5 ( ) - 0 6 4 口 于是绕组在强油导向时，表面温升可用下式计算： a o = 里= 口1 1 7 5 1 0 3 p5 d - 0 1 4 珊一o “ 口 p ，一i 7 ，一7 8 r e 图2 - 6n u 数和尺p 数的关系 f i g 2 - 6t h e r e l a t i o no fn ua n dr e 1 3 月01 l e l , 1 ：， li 。il-j 二一r 札多! -1 li l1 i 一 o ii ii 、一一 i s 竺矗五 j 一， i l齄艺计nl ，一! ： ：爷 4 0如6 07 0 舯1 0 01 2 0 f 5 0l l i ( i2 0 ( ，1 僵j im 幽2 - 7n u 数和尸p 数的关系 f i g 2 7t h er e l a t i o no fn u a n dp r 2 1 2 变压器的冷却方式 温度和温升的符号见2 2 。变压器油的物理特性见农2 - 3 。 表2 - 2 温度和温升的符号 t a b l e2 - 2s y m b o l so f t e m p e r a t u r ea n de l e v a t e dt e m p e r a t u r e 符号意义符号意义符号愈义 0 温度q 。冷却器中窄气湓升 q 绝缘t l ，n 泓j 业断 a 0 温差或温外吼i c冷却器入u 油温 吼绝缘太咖i , f l l i 的泓j 堑嵴 巩 环境温度q 。 冷却器；i j u 油温a o , ，。汕纠冷砧i 嚣l 巾的太咖j 抽j 迎雠 q i入u 窄气温度q 。冷却器r 均油温q i 址f ：部线l j f 对窄c 1 7 均濉j 业 q m 窄气i 均温度 0 c 。珊 中油 i l u 年n 入u 温差q _ 。绕鲥l 【f ，汕的1 7 均边抖j 矗址j 韭 q i l ；u 窄气温度q 。 却器中油p 均温升q w d冷却船 ，1 m i ，j 抛埘z ：温口盘 曰啊 i ，均边界层温j 盘 油温最人值q 。汕剑冷却器i 寸的太i mj 堑断 q ，f 绕纽入u 油温a 0 , _汕溢升最人值q 翘l 1 7 均础虹, l l i 。1 7 均m 目q & t q h h绕组内i ，均油温 凡绕组l 。1 4 均温升q 。绕自l 叶，汕i 均泓仆 钆。 绕组【i f ；u 油温l ：部线饼的r 均温度 0 - 。绕组中汕i l li1 8 i 入l j 泓篪 o c绕组l 热点温度。c绕组热点湓na o , i 冷却器池x “