非包封干式变压器绕组温度场软件计算优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

分类号 密级 u d c 编号 学 位 论 文 非包封干式变压器绕组温度场软件计算非包封干式变压器绕组温度场软件计算 王彦芳 指导教师姓名 王秀春 教 授 河北工业大学 申请学位级别 硕 士 学科 专业名称 热能工程 论文提交日期 2011 年 12 月 论文答辩日期 2011 年 12 月 学位授予单位 河北工业大学 答辩委员会主席 评 阅 人 2011 年 12 月 dissertation submitted to hebei university of technology for the master degree of thermal power engineering software calculation of winding temperature field of non encapsulated dry type transformer by wang yanfang supervisor prof wang xiuchun december 2011 河北工业大学硕士学位论文 i 非包封干式变压器绕组温度场软件计算非包封干式变压器绕组温度场软件计算 摘摘 要要 与油浸式变压器相比 干式变压器具有其无可比拟的优点 例如 干式变压器的损耗 低 安全性比姣高 防火性也比较好 因此 近些年来得到了广泛的应用 但是 干式变 压器也有其自身不可避免的一些缺点 干式变压器的冷却介质一般为空气 与油的换热特 性相比 空气的换热特性较差 所以干式变压器的线圈产生的热量就不易散发出去 这样 就会导致线圈的温度升高 当线圈的温度上升到一定值时 就会使得它的绝缘层丧失绝缘 性能 从而导致变压器损坏 因此 能否准确计算出变压器线圈的温度场 进而算出线圈 的平均温度以及最热点温度具有非常重要的意义 本文先计算出气道内流体的速度场分 布 以求得线圈的边界条件 再计算线圈的温度场分布 为了方便计算 本文作了如下假设 假定变压器的线圈是三相对称的 并且每个线圈 沿轴向也是对称的 这样就可以将线圈三维的速度场 温度场简化为二维的速度场 温度 场 通过该假设就简化了整个计算过程的复杂程度 本课题所研究的内容 大体可分为两大部分 速度场计算和温度场计算 本文应用 simpler 算法 通过计算机语言编写程序来计算气道内流体的速度场 在求 解过程中 关键问题是网格的划分 如果采用常规网格 动量方程的离散形式就可能无法 检测出不合理的压力场 为了解决这一问题 本课题计算速度场时采用了交叉网格系统 计算出速度场后 依据速度场计算线圈的边界条件 进而计算线圈的温度场 温度场 的求解步骤如下 损耗的计算 设置边界条件 内热源及导热系数的计算 区域离散系数 的计算 tdma 法求解温度场 求解出温度场后 我们就可计算出线圈的平均温度 最热点 温度 可以为干式变压器在热设计方面的改进提供依据 本课题计算得到的速度场与 fluent 模拟的结果基本吻合 误差在允许范围之内 得 到的温度场与试验值基本吻合 误差在 5 之内 因此 本文所研究的方法对干式变压器温 度场的求解可起到一定的指导作用 关键词 关键词 干式变压器 速度场 温度场 平均温度 最热点温度 非包封干式变压器绕组温度场软件计算 ii software calculation of winding temperature field of non encapsulated dry type transformer abstract compared with the oil immersed transformer the dry type transformer has advantages that the oil immersed transformer can not match for example the dry type transformer has low loss high security good fire resistance therefore in recent years the dry type transformer has been widely used the cooling medium of the dry type transformer is generally air compared with the heat transfer characteristics of the oil the heat transfer characteristics of the air is poor so the heat that produced by the coil of the dry type transformer can not be distributed out easily and it will cause the temperature of the coil rise when the temperature of the coil rises to a certain value the insulation will lose insulating property and the transformer will be damaged therefore the ability to accurately calculate the temperature field of the coil of the transformer for calculating the average temperature and the hot temperature of the coil has very important significance in this article it calculates the velocity field of fluid in the airway first of all in order to achieve the boundary conditions of the coil then it calculates the coil temperature field of the coil to facilitate the calculation this article makes the following assumption assume that the coil of the transformer is three phase symmetrical and each coil is symmetric along the axis this allows the three dimensional velocity field and temperature field of the coil is simplified as two dimensional velocity field and temperature field by the assumption it can simplify the complexity of the calculation process the content this article studies can be divided into two parts in general the calculation of velocity field and temperature field 河北工业大学硕士学位论文 iii in this paper it uses simpler algorithm and calculate the velocity field of the fluid in airway by computer programming the key problem is the division of the grid in the process if it uses the conventional grid the dispersion form of the momentum equation may not be able to detect the unreasonable pressure field to solve this problem it uses cross grid system to calculate the velocity field in this article after calculating the velocity field it calculates the boundary conditions of the coil on the basis of the velocity field and then calculates the temperature field of the coil solving steps are as follows the calculation of loss setting the boundary conditions the calculation of heat source and thermal conductivity the calculation of the regional dispersion coefficient tdma method for solving the temperature field after solving the temperature field we can calculate the average temperature and the hottest spot temperature of the coil and it can provide the basis for improvements in thermal design of the dry type transformer the velocity field calculated through the method of the subject is basically consistent with the fluent simulation results the deviation is in the allowable range the temperature field calculated is basically consistent with the experimental values the deviation is within 5 therefore the method this paper studies can play a guiding role for the solution of the temperature field of the dry type transformer key words dry type transformers velocity field temperature field the average temperature the hottest spot temperature 非包封干式变压器绕组温度场软件计算 iv 目录 目录 第一章 绪论 第一章 绪论 1 1 1 研究背景及意义 1 1 1 1 课题研究的背景 1 1 1 2 课题研究的意义 1 1 2 当前研究概况 2 1 3 研究干式变压器线饼温升的意义 3 1 4 本课题所研究的内容及其特点 3 1 4 1 课题研究的内容 3 1 4 2 课题研究的特点 3 1 5 本章小结 4 第二章 干式变压器简介及其传热分析第二章 干式变压器简介及其传热分析 5 5 2 1 干式变压器简介 5 2 2 干式变压器的发热 7 2 3 干式变压器的散热 8 2 3 1 热传导 8 2 3 2 热对流 9 2 3 2 1 自然对流 9 2 3 2 2 强迫对流 9 2 3 3 热辐射 10 2 4 本章小结 10 第三章 非包封干式变压器气道内气流分布计算第三章 非包封干式变压器气道内气流分布计算 11 3 1 饼式干式变压器线圈结构简图 11 3 2 气流分布数值计算 11 3 2 1 计算原理 12 3 2 2 数学模型 12 3 2 3 计算方法 12 3 2 3 1 网格划分 12 3 2 3 2 源项的处理 18 3 2 3 3 松弛因子的选择 18 3 2 3 4 离散方程 18 3 2 4 程序设计的大体步骤 23 3 3 内 外线圈气道内的气流分布计算 25 3 4 运行结果分析 28 3 5 本章小结 31 河北工业大学硕士学位论文 v 第四章 变压器的损耗计算第四章 变压器的损耗计算 32 32 4 1 干式变压器空载损耗的计算 32 4 2 干式变压器直流电阻损耗的计算 33 4 3 线饼涡流损耗的计算 34 4 3 1 纵向涡流损耗的计算 34 4 3 2 横向涡流损耗的计算 35 4 4 负载损耗的计算 35 4 5 本章小结 36 第五章 边界条件设置第五章 边界条件设置 37 5 1 对流换热系数计算 38 5 2 冷却介质温度计算 40 5 3 本章小结 42 第六章 干式变压器温度场计算软件第六章 干式变压器温度场计算软件 43 6 1 控制方程 43 6 2 导热系数的计算 43 6 3 热源分布 45 6 4 方程的离散化 46 6 5 计算步骤 47 6 6 线饼温度场的计算软件的简介 48 6 7 计算结果及其整理分析 50 6 8 本章小结 53 第七章 结论第七章 结论 54 参考文献参考文献 55 致谢致谢 58 非包封干式变压器绕组温度场软件计算 vi 符号说明 符号说明 论文中所用到的符号 其所表示的意义如下所述 若在论文中特别说明的 仅仅在论文说明处是有 效的 1 r 线圈内经 m 2 r 线圈外径 m 1l 内气道宽 m 2l 外气道宽 m 3l 底部线圈距入口距离 m 4l 顶部线圈距入口距离 m h 线圈高度 m g 水平气道高 m m 线饼层数 fl 内垂直气道宽 m wl 外垂直气道宽 m 1 b 底部线圈距空气入口距离 m 2 b 顶部线圈距空气出口距离 m l 线圈的辐向尺寸 m t 温度值 c 温升值 k h 流体的对流换热系数 2 wmk 导热系数 wm k 运动粘度 r 铜导线的电阻率 2 mmm j 电流密度 2 a mm 电磁感应周期 r s m b 导线最大漏磁密度 t e r 雷诺数 u n 努塞尔数 d 垂直气道的当量直径 m p c 定压比热容 kkgkj 空气密度 3 mkg e q 内气道的吸热量 w w q 外气道的吸热量 w w c 撑条宽度 m z n 水平气内道垫块的个数 w z 垫块宽度 m k x 裸导线的宽度 m 0 q 冷却介质的总流量 3 ms d q 低压线圈入口流量 3 ms g q 高压线圈入口流量 3 ms d v 低压线圈入口流速 m s g v 高压线圈入口流速 m s 1 突扩阻力系数值 2 突缩阻力系数值 ny p 沿程气道总阻力 pa 河北工业大学硕士学位论文 vii nj p 垂直气道总的局部阻力 pa 水平气道局部阻力系数 nsj p 水平气道局部总阻力 pa nsy p 水平气道沿程总阻力 pa dnz p 低压线圈气道总阻力 pa gnz p 高压线圈气道总阻力 pa 0 p 空载损耗 w r p 变压器直流电阻损耗 w r 线圈电阻 m b 线圈最大漏磁密度 t bxk p 变压器每匝线圈涡流损耗 w b p 变压器每个线饼涡流损耗 w z p 变压器总的损耗 w nx 每个线饼的导线匝数 匝 ny 变压器线饼数 饼 dtk 裸导体的宽度 m dtg 裸导体的高度 m jyh 导线绝缘纸的厚度 m nc 垂直气道撑条个数 个 t 时间常数 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 研究背景及意义 1 1 1 课题研究的背景 1 1 1 课题研究的背景 变压器用来变换电压 即把交流电压根据要求来降低或者提高 以达到用户所需要的电压值 无论 是生产中 还是生活中 变压器都是不可缺少的 因此 它就成为电力中的主要设备 被人类广泛使用 如果按照冷却方式来划分 变压器可分为两大类 油浸式以及干式变压器 油浸式变压器的冷却介 质是油 而油容易爆炸 并且也容易燃烧 所以它不宜在防火要求高的场所使用 然而 干式变压器具 有防火 防尘 结构简单 损耗低等诸多的优点 所以 近几年来广泛的应用于诸多的场合 与油浸式变压器相比较 虽然干式变压器具其不可比的一些优点 但它也有自身的一些缺点 干式 变压器的冷却介质是气体 并且一般都为空气 然而空气的导热性能要比油的导热性能差 因此 干式 变压器的导热和散热情况就会受到一定程度的影响 干式变压器运行时 它的铁芯以及绕组都会产生热量 其中 一部分热量会使变压器自身的温度升 高 另一部分热量则是散发到它周围的冷却介质当中 使冷却介质的温度升高 倘若热量的传导受到了 阻碍 就会导致发热体产生的热量无法散发出去 从而将导致发热体自身的温度升高 如果局部温度过 高 就可能造成绝缘层过早的损坏 或者由于长时期受到高温作用的影响也会使绝缘层老化 使绝缘层 逐渐的丧失绝缘性能 干式变压器的绝缘寿命取决于它的绝缘系统的最热点处的温度值 额定负载情况 下 热点的温度如果不超过绝缘介质所能承受的最高的工作温度 干式变压器便可以连续不断的运行 达到我们所预期的使用寿命 1 因此 应用传热学原理来计算干式变压器线饼的温度场 求出线饼的平 均温升 找到线饼的最热点温升位置 就可以以此为依据 指导变压器的热设计及安全可靠的运行 目前 在日益激烈的市场竞争中 国内外的许多厂家为提高变压器的质量 增强他们产品的竞争能 力 在变压器的工艺 设计 测试等方面做了大量的改进工作 因此 应用传热学原理 使用计算机语 言编程来计算变压器线饼的温度场是当前变压器研究领域中重要的研究课题之一 1 1 2 课题研究的意义 1 1 2 课题研究的意义 干式变压器的散热性能的好坏直接影响着它的使用寿命的长短 因此 近几年来 越来越多的科研 人员开始致力于它的散热性能的研究 干式变压器的使用寿命是由线饼的最热点的温度来决定的 然而 工程中却难以准确的测出线饼的 最热点的温度值 目前 很多商业软件可用来求解温度场 例如 fluent 软件 但由于商业软件很难 方便的改变变压器中线圈的结构 并且它的价格较贵 使用也比较复杂 所以工程中的一般企业很难使 非包封干式变压器绕组温度场软件计算 2 用 目前开发的专用软件中绝大部分是用环路方程方法计算其流量分配的 它计算的可靠性较低 对细 节的处理也有待于进一步改进 所以 本文采用 simpler 算法计算变压器气道内流体的流场 以期提高 原有的计算方法的计算精度 求解得到了速度场后使用计算机语言进一步编写软件对变压器的线饼的温 度场进行数值计算 运行程序求解出线饼的平均温度值 最热点温度值等 以此为依据 采取一定的改 进措施就可以使变压器安全 可靠的运行 就可以使变压器达到我们所预期的使用寿命 1 2 当前研究概况 1 2 当前研究概况 干式变压器具有诸多油浸式变压器无法相比的一些优点 所以近年来 干式变压器在很多场所都得 到了广泛的应用 干式变压器线饼的最热点的温度对它的诸多性能都有着很大的影响 例如 安全性 绝缘寿命等 因此 近年来越来越多的科研人员都在致力于干式变压绕组温度场的研究 在干式变压器温度场计算研究中 我国的王鹏波 叶尉敏在干式变压器风机选型方面做出很大成果 他们通过对几种不同风机的比较 选出适合冷却干式变压器的风机类型 毛一之 王秀春等研究了干式 变压器的气道尺寸对绕组温升的影响 分析了变压器绕组最热点的位置及温升与热负荷的关系 顾昌及 王文等科研人员 在对干式变压器绕组温度场的研究中 以传热学和工程流体力学作为他们研究方法的 理论基础 并做了一定的假设 假定变压器的线饼是轴对称的 且温度沿圆周方向是没有变化的 这样 就可以将三维的温度场简化为二维场来求解 建立了二维的物理模型 采用有限差分法便可以模拟得到 变压器绕组的温度场 也就得到绕组的最热点温度 可以为变压器的改进提供一定的依据 王晓远 李 宝林等对变压器数值模拟有了进一步研究 建立了包括铁芯 绕组和绝缘层的物理模型 用有限元分析 法计算变压器温度场 陈华山根据干式变压器运行时的热平衡情况 计算出能够满足干式变压器散热时 的空气流量 提出了干式变压器在超铭牌状况下运行时风冷计算公式 罗顺祥介绍了干式变压器的工程 计算法 应用这种方法可以简单的计算出干式变压器温升的大概值 张强以及姚寿广等研究人员 以传 热学为其原理 建立了干式变压器的几何模型 求解得到了线饼温度场的分布情况 为干式变压器温度 特性的研究提供了一定的依据 在变压器温升计算方面 国外的一些专家也对温度场计算做了大量的研究 lindsay j f 采用阻容 网络方法把变压器看成非线性系统 计算了 10kva 变压器绕组温度场与损耗的关系 r hosseini m nourolahi g b gharehpetian 研究和分析了电力变压器的冷却系统和优化设计 建立模型 模拟变 压器整个绕组的温度分布及最热点的温升和位置 模拟计算结果和厂家给出数据基本吻合 结果非常合 理 jean michel mufuta m b 构建了一个饼式绕组变压器的模型 做实验模拟变压器工作 并且针对 这个模型建立了数学模型采用有限差分法进行求解 得出了流速 流量的实验数据 以上为国内外研究者对干式变压器的热特性等的研究工作 其中大多集中在对铁心和线圈的温度场 的求解上 这些研究为进一步进行干式变压器线圈冷却结构的热特性能研究提供了理论和试验依据 目前 虽然对干式变压器绕组温度场的研究已取得了很大的成果 但是 由于干式变压器的结构比 较复杂 当前所取得的成果是微乎其微的 因此 我们还需投入更多的人力和精力去做大量的研究工作 河北工业大学硕士学位论文 3 1 3 研究干式变压器线饼温升的意义 1 3 研究干式变压器线饼温升的意义 运行时 干式变压器的线饼会产生热量 其中 一部分热量会使变压器自身的温度升高 另一部分 热量将散发到周围的冷却介质中 使冷却介质的温度升高 如果绕组的局部温度过高 就会使它的绝缘 介质过早的损坏 或者绝缘介质长时间受到高温的作用 也会丧失其绝缘性能 导致变压器损坏 2 变压器寿命 即绝缘寿命 是指它的绝缘介质保证在一定温度下工作时变压器所具有的寿命 它的 长短取决于绝缘介质最热点温度值 如果最热点温度值设置的高于实际的最热点温度值 就会浪费材料 增加了制造的成本 如果最热点温度值设置的低于实际的最热点温度值 又会影响到干式变压器运行时 的安全性 运行时 如果它的最热点温度不超出所允许的范围 变压器就能安全可靠的运行 3 干式变压器绕组的产热和散热对它的工作性能以及可靠性能都有着一定的影响 当绕组的温度达到 一定值时 绝缘介质就会老化 甚至很有可能破坏 变压器使用寿命就会受到很大的影响 所以 就必须 以传热学为基本原理 进行数值计算 得到干式变压器线饼的温度场 对它进行分析 为提高变压器的 可靠性提供依据 4 综上所述 对干式变压器线饼的温度场以及最热点温度分布的研究是十分有必要的 这对于改进干 式变压器的制作工艺水平 提高它的工作效率有着极其深远的意义 1 4 本课题所研究的内容及其特点 1 4 本课题所研究的内容及其特点 1 4 1 课题研究的内容 1 4 1 课题研究的内容 本课题所研究的计算干式变压器线饼温度场的方法 大体可分为两大部分 速度场的计算和温度场 的计算 速度场求解中 采用了 simpler 算法 结合计算机语言编写程序 应用程序来计算气道内流体的速 度场分布 求解出速度场后 再应用计算机语言编写程序求解温度场 其主要步骤如下 利用求得的速 度场计算线圈的边界条件 即线圈周围流体的对流换热系数及流体的温度 计算变压器线圈的损耗 内 热源及导热系数的计算 区域离散化方程系数的计算 tdma 法求解温度场 有了温度场 就可以计算 出线圈的平均温度以及最热点温度等 将本课题计算的结果与试验结果进行比较 分析整理得出结论 为变压器的优化设计提供依据 1 4 2 课题研究的特点 1 4 2 课题研究的特点 本课题研究用到的方法与以往的计算方法有一些不同之处 其特点如下 1 应用 simpler 算法 结合计算机语言编写程序计算气道内流体的速度场 2 计算速度场时采用交叉网格系统 可得到较为准确的速度场 3 本文可计算出线圈的平均温度及最热点温度 可为变压器的优化提供一定的依据 4 本文对线圈的数量 线圈及气道的几何尺寸没有特别的要求 可以自由设置 因此 对不同型号 非包封干式变压器绕组温度场软件计算 4 的变压器都是适用的 1 5 本章小结 1 5 本章小结 本文是对干式变压器绕组温度场的研究 本章首先讲述了本课题的研究背景及意义 目前 商业软 件较难使用 专用软件的计算精度较低 所以本课题采用 simpler 算法计算流场 以期提高计算精度 其次 讲述了当前 国内外对变压器绕组温度场的研究概况 以及研究绕组温升的意义 得到了绕组的 温度场 对于改进干式变压器的制作工艺水平 提高它的工作效率有着极其深远的意义 最后叙述了本 课题研究的内容及其特点 本课题大体分为两大部分 速度场的计算和温度场的计算 通过以上讲解 可对本课题有一个大概的了解 河北工业大学硕士学位论文 5 第二章第二章 干式变压器简介及其传热分析干式变压器简介及其传热分析 在我们所生活的大千世界当中 时时刻刻都在发生着各种各样的过程 其中 与我们人类关系最为 密切的一个物理过程就是热量的传递 5 热力学上第二定律就指出 凡是存在温差的地方 就会有热量 自发的由高温物体传递给低温物体 无论是我们的生活当中 还是各种生产领域当中 都会存在热量的 传递过程 日常生活和技术生产中所用到的变压器也存在着热量的传递过程 6 变压器运行时 线圈和 铁芯会产生热量 自身的温度升高 与周围的空气会产生温度差 因此 高温的线圈和铁芯与低温的空 气之间就会有热量的传递 对此 在这章中 首先对干式变压器做一个简单的介绍 其次 将详细讲解 变压器的产热与散热 2 1 干式变压器简介 2 1 干式变压器简介 干式变压器的体积比较小 损耗也比较低 安全性和可靠性较高 维护也比较简单 因此 干式变 压器在生产和生活中比较重要 应用范围也比较广泛 由于干式变压器具有上述一些优点 因此 近年 来它的发展十分迅速 例如 在它的制造技术 高可靠性 外观及质量等方面 干式变压器都有了显著 的提高 单台机组的容量有了很大的提高 生产成本也大大降低 它的使用量在变压器中所占据的比重 也越来越大 7 与油浸式变压器作比较 干式变压器的结构以及它运行时的原理并没有什么特别的地方 只是它们 的绝缘介质的材料和绝缘介质的结构不同 关于计算方面 这两种类型的变压器的主要区别就是温度值 的计算 所谓干式变压器 就是指它的冷却介质为气体 并且一般是空气 由于不同位置处 冷却介质 的温度是不同的 所以干式变压器各个线饼的各个部位的温度也是不相同的 在额定条件下运行时 并 且确保绝缘材料有正常的寿命 这就要求线饼的各个部位的温度不能超出它的绝缘介质正常工作时所能 承受的最高的工作温度 变压器的使用寿命其实也就是它的绝缘寿命 要想使变压器达到我们所要求的 使用寿命 就必须使它的绝缘介质在工作温度下达到相应的寿命 干式变压器的主要部件是铁芯和线圈 其余的都是附件 例如 端子线 引线 牛夹 底板 绝缘 漆 胶带等部件 铁芯一般是由硅钢片制成的 即在钢中加入硅 因此 它的导电性降低 电阻率提高 从而可减少铁芯的涡流损耗 绕组多是漆包线 多为铜线或者铝线 干式变压器的分类有多种方法 按结构来分类 可分为非包封式干式变压器 密封式干式变压器以 及浇注式干式变压器 8 非包封式干式变压器是其中最常见的一种 变压器直接与大气相通 与周围的 空气换热 来确保变压器安全可靠的运行 下图就是非包封干式变压器的实物图 非包封干式变压器绕组温度场软件计算 6 图2 1 非包封干式变压器 fig 2 1 non encapsulated dry type transformers 干式变压器的优点有很多 它的阻燃性比较好 对环境的适应能力较强 过载能力以及抗短路能力 较强 绝缘性能比较好 设计比较精巧 安装和维护简单 噪音也比较小 正是由其具有以上一些优点 所以近年来 干式变压器的应用范围比较广泛 9 干式变压器的冷却可分为自冷式和强迫风冷式两种 这两种方式又可分为两种结构 开放型以及密 封型 干式变压器的冷却介质为气体 一般为空气 气道内部 在抽吸力作用下 空气沿着气道逐渐 上升 绕组就把其产生的热量传递给了空气 以达到散热的目的 在绕组外表面 绕组通过热对流以及 热辐射两种方式把产生的热量传递给了冷却介质 这就是自冷式 对于大容量的干式变压器而言 由于 它的发热量较高 所以通常就会在高压绕组和低压绕组上开设一些气道 同时又会在变压器的底部装设 轴流风机 以此来加速空气的流动 也就加强了空气与绕组的换热 这就是强迫风冷式 10 因为强迫 风冷式可以很好的降低线饼的温度 延长它的寿命 所以 现在大多都采用强迫风冷方式来进行冷却 11 12 随着干式变压器不断地优化设计以及广泛的应用 它的制造技术已达到了先进的水平 预计 未来 干式变压器将会得到更进一步的发展 13 节能低噪音 高可靠性能 大容量 多功能组合以及智能化 多个领域发展 与油浸式变压器相比较 干式变压器具有以下明显的一些优点 1 干式变压器冷却介质是气体 不存在油泄漏的问题 运行时也不易发生爆炸等危险 它的绝缘 材料是难燃烧的介质 所以运行时即使发生火灾 也不会使灾情扩大 2 干式变压器体积小 它可以跟开关柜装在一块 从而它的占地面积就小 一般装在户内 特殊 情况也可装在户外 3 干式变压器的结构简单 因此相关附件就少 也就不存在密封问题 河北工业大学硕士学位论文 7 2 2 干式变压器的发热 2 2 干式变压器的发热 干式变压器的铁芯及绕组是其主要的发热体 运行时 它的发热体就会产生损耗 这些损耗将转化 为热量 其中 一部分热量会使变压器自身的温度升高 另一部分热量将散发给周围的冷却介质 使冷 却介质的温度升高 因此 影响干式变压器的运行温度的因素有两个 一是变压器的损耗 二是它的散 热性能 当铁芯和绕组各自总的发热量与总的散热量相比 达到平衡状态时 其与周围的冷却介质的温度差 就被称之为铁芯或绕组的温升 假设最后的温升表示为 则换热量的计算式如下 14 ph s 2 1 或者也可写成如下形式 p h s 2 2 式中 p 变压器总的损耗 w s 换热面积 2 m h 换热面处冷却介质的换热系数 2 wmk 另外 当假定干式变压器总的损耗都用来提高它自身的温度时 整个过程就没有热量的散发 也就 是绝热过程 15 对此种情况 则有 pt cg p 2 3 或者写成如下形式 pt cg p 2 4 式中 p c 比热容 jkg k g 质量 kg t 时间常数 由 2 2 以及 2 4 两式便可以得到时间常数t的计算公式为 p c g t h s 2 5 非包封干式变压器绕组温度场软件计算 8 由式 2 5 可知 式中的t为一个常数 此时 当变压器不对外散热时 对流换热系数h为常数 当t 0 时 0t 则可得 0 1 t tt tt ee 2 6 上式中 是稳定后的温升值 当 0 时 即稳定后的温升值大于初始时刻的温升值时 表明变 压器是发热的 当 0 时 即稳定后的温升值小于初始时刻的温升值时 表明变压器是被冷却的 16 由上述可知 变压器温升值的大小与它的总损耗 冷却介质的换热系数以及散热面积等参数有关 2 3 干式变压器的散热 2 3 干式变压器的散热 运行过程中 干式变压器的铁芯和绕组都将产生损耗 其损耗都将转化为热量 其中 一部分热量 会使干式变压器自身的温度升高 另一部分将散发给周围的冷却介质 使冷却介质的温度升高 当两者 温差减小时 变压器自身温度的上升速度就会减小 经过一定的时间后 就达到了稳定状态 此时 铁 芯以及绕组的温度就不再上升 它们产生的全部热量都将散发给周围的冷却介质 17 运行时 干式变压器热量的传递主要包括两大部分 一 内部各构件之间的传热 二 变压器各部 件的表面和周围的冷却介质间的传热 铁芯以及绕组产生的热量靠热传导 热对流以及热辐射三种形式 来传递出去 在铁芯及绕组内部 热量的传递则是靠热传导的方式来实现的 在铁芯 绕组与冷却介质 的接触部位 则是靠热对流及热辐射两种方式来传递热量的 2 3 1 热传导 2 3 1 热传导 变压器的铁芯及绕组产生的热量以热传导的方式由绕组内部传递到其表面 在传输过程中它遵循傅 立叶定律 18 对于干式变压器的内 外线圈而言 可将其简化为以铁芯的中心线为中心的同心圆柱二维模型 所 以 当圆柱的内 外壁的表面温度为 1 t和 2 t 并且介质是均匀的情况时 沿半径方向其热流密度的计算 式如下 19 12 2 1 2 ln tt q r r 2 7 式中 12 t t 绕组内 外壁的温度 k 12 r r 绕组的内 外半径 m 然而 对饼式的变压器而言 其线饼由带绝缘介质的导线一圈圈的绕制成的 要想准确的计算出它 河北工业大学硕士学位论文 9 的热流密度 就不能将它看成是均匀的介质 所以 对于变压器的绕组 径向的热流密度的计算公式如 下 20 12 324 112233 111 lnlnln 222 tt q rrr rrr 2 8 式中 12 t t 绕组内 外壁的温度 k 123 r r r 分别表示每层介质的内径 m 4 r 绕组的外径 m 123 各层介质导热系数 wmk 2 3 2 热对流 2 3 2 热对流 对于干式变压器 铁芯及绕组的各个表面与周围冷却介质的接触部位是通过热对流以及热辐射两种 方式来传递热量的 当变压器绕组的温升达到稳定状态后 它的散热则主要靠热对流以及热辐射来实现 且认为两者是 相互不受影响的 这样 散热效果就可看成是两者单独作用时效果的总和 这里主要讲述的是对流换热 在变压器中 对流换热方式可分为两种 自然对流和强迫对流 21 2 3 2 1 自然对流 2 3 2 1 自然对流 所谓自然对流 是指冷却介质流过发热体表面 在冷却介质和发热体之间所发生的换热过程 干式 变压器的冷却介质是气体 并且一般是空气 在铁芯以及绕组的表面 空气受热后密度降低 热空气上 升 当热空气离去后 新的冷空气又会流进来 如此 就形成了将空气循环利用的换热过程 但在自然 对流换热过程中 参与换热的空气的厚度并不大 对流层大约为 12 15mm 22 由牛顿冷却公式可知 铁芯和绕组单位面积的热流密度的计算公式如下 qh 2 9 式中 空气与铁芯或线饼的温度差 k h 空气的对流换热系数 2 wmk 2 3 2 2 强迫对流 2 3 2 2 强迫对流 当自然对流不能满足散热要求时 就需要加装风机形成强迫对流来加强散热 23 在干式变压器中 通常是在变压器底部加装吹风机或者在顶部加装抽风机 由于风机作用 空气的流速明显增大 在气道 内就会形成强迫对流 增强换热效果 24 对于强迫对流换热过程 空气的对流换热系数受多种因素的 非包封干式变压器绕组温度场软件计算 10 影响 例如 温度 密度 导热系数等 此时 对流换热系数的计算公式如下 p clvfh 2 10 式中 壁面几何因素 如形状 位置等 l 壁面几何尺寸 通过上述可知 要想提高冷却效果 可以通过改变流速 壁面几何尺寸等因素来实现 25 2 3 3 热辐射 2 3 3 热辐射 当物体的温度高于 0k时 就会向外界发射辐射能 26 它的大小与发热体的形状 表面特性及温 度有关系 27 干式变压器铁芯和绕组的热量以热传导方式到达表面后 再以热对流及热辐射方式散发 到周围的空气中 由于本文研究的是强迫对流 辐射换热量与对流换热量相比小很多 对绕组温升的影 响不是很大 因此就可以将辐射换热量忽略不计 2 4 本章小结 2 4 本章小结 本章对干式变压器进行了简单的介绍 并详细讲了变压器的发热和散热过程 变压器的铁芯和绕组 是其主要发热体 运行时产生的损耗将转化为热量 一部分热量使它自身温度升高 另一部分热量使周 围冷却介质温度升高 要想使变压器能够安全的运行 就必须使它产生的热量散发出去 变压器产生的 热量以热传导 热对流 热辐射三种方式散发出去 在发热体内部 是以热传导方式传递到发热体表面 的 在发热体与冷却介质接触部位 是以热对流及热辐射方式传递热量的 由于本文研究的是强迫对流 辐射换热量与对流换热量相比很小 可忽略不计 河北工业大学硕士学位论文 11 第三章第三章 非包封干式变压器气道内气流分布计算非包封干式变压器气道内气流分布计算 变压器运行时 线饼产生的损耗转变成热量 其中 一部分热量使线饼本身的温度提高 另一部分 热量则是散发给了周围的冷却介质 只有当线饼产生的热量通过热传导 对流以及热辐射三种形式全部 散发到外界时 线饼各部分的温度才能趋于稳定 干式变压器的冷却气体一般为空气 在气道内 空气沿着气道上升 线饼就把热量传递给了空气 空气的温度升高 绕组的温度降低 从而有效的降低变压器的运行温度 28 由此可知 干式变压器气 道内气流如何分布将直接影响变压器绕组的温度 因此 气流分布是计算变压器的温度分布中不可缺少 的一部分 本章就针对干式变压器建立合理的数学模型 通过计算机语言编程 对气道内的气流分布进 行数值计算 3 1 饼式干式变压器线圈结构简图 3 1 饼式干式变压器线圈结构简图 在本文中 为了提高计算时的速度 分析时作了如下假设 假定变压器的线圈是三相对称的 并且 每个线圈沿轴向也是对称的 这样 就可以将线圈三维的速度场分布简化为二维的速度场来计算 29 通过该假设便可简化计算的复杂程度 减少计算时间 饼式干式变压器线圈结构简图如图 3 1 所示 图3 1线圈的结构简图 fig 3 1 structure diagram of the coil 3 2 气流分布数值计算气流分布数值计算 非包封干式变压器绕组温度场软件计算 12 3 2 1 计算原理 3 2 1 计算原理 本课题应用了 simpler 算法 通过计算机编程来对气道内的气流分布进行数值计算 simpler 算法的基本思想是 先给出压力场的值 这个值可以是计算前假设的值 也可以是前一次 计算求解出的值 由此可求解动量方程得到流体的速度场 再求解修正压力的代数方程 可计算得到修 正压力的值 利用这个值改进速度 便得到了改进以后的速度值 如此反复迭代 直到计算所得到的结 果满足我们所要求的精度要求为止 30 由以上所述的基本思想 可得用 simpler 算法来计算流场的步骤大致如下 1 假定一个二维的速度场 0 u 0 v 以此来求解离散方程系数的值 2 求解出系数后 根据假定的速度便可得到假拟速度u v 3 将解出的假拟速度代入到压力代数方程中 通过计算 可得到压力值 4 将求解得到的压力值作为 p 代入动量离散方程进行计算 便可得到速度 u v 5 根据求得的 u v 求解修正压力的代数方程 便可计算出修正压力值 p 6 利用修正压力 p来修正速度值 但不用来修正压力值 7 利用修正后的速度值 重新计算离散方程系数 重复第 2 步到第 7 步 直到所得的速 度场收敛为止 3 2 2 数学模型 3 2 2 数学模型 为便于编程 建立了如图 3 2 所示的模型 图3 2线圈模型 fig 3 2 model of the coil 说明 1 箭头指的是气流的大致流向 2 1 5 10 14 指各线饼所对应的内外垂直气道的平均流速 6 9 指水平气道的平均流速 3 2 3 计算方法 3 2 3 1 网格划分 3 2 3 计算方法 3 2 3 1 网格划分 河北工业大学硕士学位论文 13 倘若采用常规的网格划分方法并且利用中心差分方法离散压力的梯度时 动量离散方程很有可能就 根本检测不出不合理压力场的存在 31 常规的网格指的是速度u v和压力p存储与一套网格系统中 如果采用常规方法建立网格 数值 计算时就会遇到如下问题 32 以一维的流动为例子 分析整理后可得 2 2 dudpd u u dxdxdx 3 1 对图 3 3 1 所示的网格来说 将上式中各项取中心差分 可得到下面的差分方程 111111 2 2 2 2 iiiiiii ii uuppuuu u xx x 3 2 3 2 式表明 点i的离散方程中并没有包含着压力值 i p 而只是包含了点1i 处的压力值 1i p 以 及点1i 处的压力值 1i p 为了以下述说上的简便 我们称点1i 以及点1i 的压力差为2 压差 当采用 3 2 式这样包括2 压差的动量方程求解速度场时 会遇到如下问题 倘若在迭代求解速 度场的过程中 在压力当前值内加入一个锯齿形压力波 如图 3 3 2 所示 则动量离散方程就不可能检 测出这个不合理的压力场 它会保留直至求解出速度场 而且它也会被看作是正确压力场 在计算结束 后被输出来 其形式如下图 3 3 2 中虚线所示 图3 3 1 网格图 图3 3 2 压力图 图 3 3 网格图与压力图 fig 3 3 grid and pressure diagram 与一维坐标系相同 在二维坐标下 数值计算时也可能检测不出棋盘形压力场 由一维网格的例子 可知 在二维网格系统中 点i在x方向上的动量离散方程会包括 1 1 ijij pp 项 在 y 方向上包含 1 1i ji j pp 项 因此 若在计算过程中加入一个棋盘形压力场 这一压力场将会始终保留 它是无 法衰减掉的 下图 3 4 所示的就是一个棋盘状压力场 非包封干式变压器绕组温度场软件计算 14 图 3 4 棋盘形的压力场 fig 3 4 chessboard shaped pressure field 很显然 倘若动量离散方程中的压差以相邻两个节点之间的压差 称为1 压差 来表示 就不 会出现上述所说的问题 因而 要想得到合理压力场 就要采用能够获得1 压差的特殊的网格系统 为了解决这一关键性的问题 使相邻的两个节点之间的压差 也就是1 压差 出现在动量方程 内 同时也为了保证能够准确的计算 本课题应用了交叉网格 所谓的交叉网格系统 也就是把x方向的速度u y方向的速度v以及压力p三个物理量存储在三 套网格中的网格系统 其中 压力控制容积被称为主控制容积 速度u位于主控制容积东西方向的界面 处 速度v位于主控制容积南北方向的界面处 u v的控制容积以它们自身所处的位置为中心 如下 图 3 5 所示 由图 3 5 可知 速度u的控制容积和主控制容积在水平方向上相差半个网格的宽度 速度 v的控制容积和主控制容积在垂直方向上相差半个网格的高度