干式电力变压器风机的选型

1、第?卷第?期 ? ? 年?月 多返才 厂犯盛凡侄洲反况加丛刃 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 干式电力变压器风机的选型 王鸿波 , 叶尉教 ?上海通用电气广电有限公司 , 上海 ? ? 摘要 ? 通过对三种类型风机特性的 比较 , 选出了比较适 合干式电力变压 器冷却的风机的 类 型 。 关键词 ? 干式变压器 ?风机?选择 中国分类号 ? 文献标识 码 ? 文章编号 ?一? ? 一? ?一? ? 月?吕 当干式电力变 压器超铭牌容量运 行 时 , 通 过空 气的 自然对 流 及热辐射无 法满足其散热 要求 。 因 此 , 通常情况下 , 生产厂家在 干式电力变压

2、器上配置 有风机 。 当风机启动时 , 通过风机产生 的强制空气对 流使热量散发 出去 , 从而保证变压器 的正 常运行 。 配 风机的干 式变压 器在超铭牌容量运行时 , 超铭牌容 弋之佗之八心凡之?之布之佗之佗之叹 义乙佗之佗之八沁 佗 之凡赴厂韶乡写之 洲今?布、之 布之叮洲乙戈之佗之叹泌卢宁巴佗之夕兮之八舒乙凡之戊之分奋巴佗 之卫 几之几之凡之 尸宝之 ? 结论 中长期浸 泡与短期浸泡性能 变化不 大 , 表现 出良好 ? 丙烯酸醋橡胶的耐 变 压器油性能总体上不耐热油老化性能 。 甚理想 , 但不同厂家生 产 的不 同牌号橡胶具有 不 同? ?综合考虑丙烯酸醋橡胶 的各项 力学 性

3、能和 的耐 变压器油特性 。 比较而言 , ? ? 一? ? ?牌号 的丙烯 耐 油特性 , 丙烯酸醋橡胶不适合长期大面积与变压 酸酷橡 胶具有比较良好的耐 油性 。 器 油接触而同时又承受较大应力的密封场合 。 ? 所 有牌号 的丙烯 酸 酷橡胶 在高温变 压 器油 ? ? ? !? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 砚魂? ? ? ? ?介? ? 愁? ? 口 ? ? ?截 ?滩? ? ? ? ?初? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? , ? ? ? ? ? ? , ? ?

4、? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?, 为? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ! ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? , ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? !? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 乃山 理 枷? ? ? ? ? ? ? ? ? ?乙 石 ? ? ? ? ?

5、? ? ? ?众? ? ? ? 收稿日期 ? ?一?一? 作者简介 ? 王彩凤? ? ? 一? , 女 , 河 北唐山人 , 中国航天科技集团四院四十一所橡塑公司总工 , 主 要从事橡胶制品配方及工 艺研究工作不 曹元礼? 一?, 男 , 陕西佳县人 , 国家橡胶密封制品监督检验中心主任 , 主要从事橡胶密封制品性能测试及质 量检验工作 ? 袁江龙 ? ? 一?,男 , 陕西 蓝田人 , 中国航天科技集团四院四十一所橡塑公司工程师 , 主要从事橡胶制品配方及 工艺研究工作 。 第?期 王鹏波 、叶尉敏? 干式电力变压器风机的选型 层流 过渡流 湍流 肠一? ? 一 ? 一一 ? ? 一 ? ?

6、 一 ? 一 ? ? ? 一 。 、 一 川 、 尸犷、叫 侧 ? ?尸 、 扮 卜愁 一 石 ? ? ? ? ? ? ? ? 量运 行 能力的大小主要与风机的性 能及布置方式 紧密相关 。 影响变压器超铭牌容量运行能力的因素 主要有 ? 变 压器绕组 的热时 间常数 、 绕组 风 冷却表 面面积 及绕组 表 面 风 速 。 所以干式变 压器在 运 行 时 , 希望尽可能多的绕组表面被风吹 到 , 并 且希望 风速尽 量大 。 具体到单台风机 , 就是希望单台风机 的风量及 风速尽量高 。 但是由于风机的噪声随风 速 的增 大 而迅 速增大 , 因此受噪声要求的限制 , 风机 的风速不 可能很

7、大 。 要满足 变压器超铭牌容量运行 能力大且 噪声低的要求 , 就要对风机的型式 、 数量 、 噪声 、风量、 风速等各因素进行综合考虑 。 下面就从 风机 的各项性能 的比较中对 风机的选型做一 些论 述 。 几 二井 一 早二 一? 一升 一? 匕 ? ? ? ? ? ?玉 ? ? ? ? ? ? ? ?层流底层 图 ? 气流速度边界层 示意图 ? 绕组散热对风机性能的要求 干式电力 变压 器 进行 风冷却时 , 最 有效的方式 是将冷空 气从绕组下部向上吹 , 使冷空气在 经过绕 组表面时将绕组产生 的热量吸收 。 吸收了热量的热 空气在上 浮力及 风机向上 吹 力 的作用下 向上运行

8、 , 从而带走绕组 产生 的热量 。 下 面就从各个角度分析 绕组 风冷对风机性能 的要求 。 ? ? ?对风速 的要求 根据 对 流散热理论 , 在散热表 面附 近存在一 个 速 度边界薄层 , 在此薄层 内 , 流体速 度在壁面的法 线方 向上 发 生剧烈变化 , 而 在此薄层外 , 流体的速 度就 几乎 为流体的主流速度 。 实验观察同样发现 , 在壁面附近也存在一 个温度边 界薄层 , 在此 边界薄 层内 , 流体温 度在 壁面的法线方向 上发 生剧烈的变 化 , 而在此薄层外 , 流体的温度梯度几乎 为零 。 对于 空气来说 , 这 两个边界薄层 的厚度可以认为是相等 的 。 当气流

9、以一定的 速度掠过平板散热面 时 , 在起 始阶段 , 速度边界层很薄 , 随 二的增加 , 速度边界层 逐渐 增厚 ?见 图 ? , 但在某一距离戈 以前会一直保 持 层 流的性质 , 这时的边界层称为层流边界层 。 层 流边界 层 的速度分布为抛 物线状 。 自? ?处起 , 流动 朝着湍流 过渡 , 最终过渡为旺盛湍流 。 爪由公式 凡 二陇 戈? , 来确定 , 其中 只长为临界雷诺系数 , 人 为流体的 主流速度 , 二 为流体的粘性系数 。 对掠过平 板 的流动 , 尺 仪 根据来流湍流度及 壁面粗糙度的不 同 而取值在 ? ? ? !一 3 x 1 0 “ 范围内 , 一般情况

10、下 可取 r 二= s x 1 ) 。 湍流边界层 的主体核心虽然处于湍流流 动状态 , 但紧靠壁面 处 的一极薄层内仍保留层 流 的 性质 , 这个极薄层称为湍流边界层的层 流底层 。 在 层流底层与湍流核心间存在着过渡性质的缓冲层 。 层流底层的速度梯度较大 , 近 乎直线 , 而在湍流核心 速度变化较为平缓 。 图1显示了流体掠过 平板 时的 边 界层 的发展过程 。 根据对流散热理论 , 当绕组表面附 近的空气处 于层流状态时 , 绕组表面 局部散热效率与绕组表面 热边界层厚度成反比 , 而 热边界层的厚度又与流经 绕组表面的空气主 流流速成反比 , 所以绕组表面局 部散热效率随绕组表

11、面 的空气主流 流速的提高而提 高 。 当绕组表面附近 的空气处于湍流状态 时 , 绕组表 面局部散热效率要高于层 流状态时绕组表面局部散 热效率 , 并且基本与流经绕组表面 的空气 主流流速 无关 。空气 处于什么状态和 空气的雷诺系数有关?当 雷诺系数大于 临界雷诺系数时 , 空气 处于湍流状态 。 根据理论 , 如果风道 的尺寸及空气的粘性 系数已知 时 , 雷诺系数和空气 流速成正比 。 因此 , 当风 机对变 压器进行 冷却时 , 希望绕组表面的流 速尽可 能地大 , 绕组 尽可能多 的表面气流处于湍流状态 , 这样绕组 散热的效果最好 , 变压器超铭牌容量运行能力 最大 。 不过在

12、实际应用 中 由于变压器所 在 系统要求的超铭 牌容量运行能力 有 限 , 过高地 要求风 速意义不大 。 目 前 干式 变压器使用 的风机平 均 风速 一般在8一1 0 111/s 之间 。 如果 风速 大于 10n口s , 则风机的噪声随风速 的 增加而快速增加 , 不 能满足用 户对噪声限定的要求 。 从中小型变压器的试验结果来看 , 当风机出风口平 均 风 速等于sn口s 、 绕 组高度为 lm 时 , 绕组上端部 平均风速等于sn扩s , 变压器的超铭牌容量 运行能力 可达 到 1 40% 。 另外试验也表明 , 当风机出风 口风速 达到 10m /s时 , 风机的送风距离可达6m以

13、上 , 在 zm 处平均 风速等于 511挤s , 在sm处平均风速等于 21 1口s 。 容量1 0 000k va的变压器 , 绕组 的高度大约 1700 , 如果使用 风速为1 0 1 1口s的 风机 , 绕组 上端 部气流 的平均流速大于 51 1亨s , 变压器的超铭牌容量 运行 能 力可达到 14 0% 。 2 . 2 对风量的要求 变压器的负载损耗随着变压器容量的增大而增 大 , 变压器绕组的散热表面积 也随着变压器容量的 增大而增大 。 一般情况下 , 为保证绕组 的温升 , 绕组 表面的热流密度都被控制在某一数值以上 , 并随着 变压器 容量 的增大而减 小 。 当对变压器进

14、行 风冷却 时 , 为了使风机产 生 的风 流 能 最 有效地冷却变 压 器 , 最好使气流 流经 内外绕组尽可能多的表面 , 并 且希望绕组表面 的空气流速 尽可能大 , 空气流速 尽 可能均匀 。 假设气流流过所 有高低压绕组的垂直风 道表面面积 的2乃 , 垂直风道中空气流 速在同一水 平截面内处处均 匀 , 高压绕组外表面垂直风道厚度 为40i nl ll , 于是根据变压 器内外绕组外形尽寸即可 计算出流经绕组 的气流截面积戈 q =3 6005 u 式中q一一变压器所需风 量 , m 3 /1 2 乡气流截面积 , 耐 一 绕组上端部出口处 的空气流速 , 卿污 以容量 1 0o0

15、 0kva的变 压器 为例 , 通过计算得 出s = 1.9x2 /3时 。 若 。 为 sn“s , 根据以上公式算出 q = 1.9x2x5x3 60创3=22 80om 3 /、 。 将此风量除风机 数量 即 为单台风机风 量 。 若1 2 台风机 , 则q 二 2280 0 / 12=1 go 0m 切1 。 若6台风机 , 则q =22 800 / 6=3 800m 3 / 11 。 23 对噪声 的要 求 噪声污染是世界上除了空气污染和水 污染之 外的第三大污染 。 大部分干式电力变压器 安装在靠 近居民区的地方 。 这 些地方对控制噪声的要求比较 高 , 具体控制噪声要求见表1

16、。 表1中国城市环境嗓声标准 . 刹潇第39卷 况下 , 风机噪声主要是气动噪声 。 风机的气动 噪声 属 于偶极子声源 , 其辐射的声功率为 : 俄 二 k . 尸 俨 d z / p 。 式中 尺一系数 v一气流速度 d 出风口直径 p和两 - 气流密度和大气密度 由上式可知 , 风机的声功率与流速 的6次方成 正比 , 与风机尺寸的平方成正比 。 因此从噪声角度考 虑 , 应尽可能地选用叶轮直径较大而气流流 速较小 的风机 。 2 .4 对 外形尺寸 的要 求 风机一般安装在变压 器绕组 的正 下方 , 安装 时 由于要考虑风机进气及 风机与绕组 的绝缘距离 , 因 此风机高度一般不 大

17、于下夹件高度 。 另外冷却气流 流经高压绕组外表面时 , 只有比较靠近外表面的气 体对绕组冷却效果比较明显 , 如果风机出风口外缘 大于高压绕组外缘比较多 , 致使许多冷却气流起不 到冷却效果 , 那么风机的使用 可以认为是 不经济的 。 因而风机 出风口深度一般不大于低压绕组 内径至高 压绕组外径的距离 。 以 i0 00 o k v a变 压器为 例 , 风机 高度应不 大于 400 , 风机出风口深度应 不 大于 300m m o 适适用地区 区 白天/ db(a) ) )夜间/d b(a) ) ) 特特殊住宅区 区45 5 535 5 5 居居民文教区区 50 0 040 0 0 一一

18、类混合区 区55 5 545 5 5 商商业中心区 区60 0 050 0 0 二二类混合区区 60 0 050 0 0 工工业集中区区65 5 555 5 5 交交通干线道路两侧 侧 70 0 055 5 5 当变压 器超铭牌容量运行而启动风机时会产 生很 大的噪声 。 风机噪声和变压器本体的噪声合成 后噪声会很高 。 为了降低变压器超铭牌容量运行的 噪声 , 选 用风机时 , 应考虑在满足变压器冷却要求 的前提下尽 量选 用噪声低的风 机 。 风 机 噪声就其性质及来源 可以分为气动噪声 、 祸合噪声及 机械震动产生的噪声 。 机械震动产生的 噪声主要是 电机及叶轮在运行 中震动产生 的噪

19、声 。 只要采取适当的制造工艺 , 提高制造质 量 , 那么 机 械震动产生的噪声可以小到忽略不计 。 风机的祸合 噪 声是气体与物体之 间的相 互作用产生的噪声 , 在 风机外壳及 叶轮刚性足够时可以忽略不计 。 一般情 3 各种型式风机的比较 目前 , 变压器上使用 的风机主要有 三种型式 :离 心式风机 、轴 流式风机 、 贯流式风机 。 下 面把风机 的 特点和性能参数作一比较 。 3 . 1 风机特点的比较 贯 流式风机有一筒形 的多叶转子 , 气流沿着 与 转子轴线垂直的方向 , 从转子一侧的叶栅进人叶轮 , 然后穿过 叶轮内部 , 通过转子 另一侧 的叶栅将气流 排出 , 其进风

20、口及出风口均为长宽比比较大的矩形 , 它适合安装在各种细长的空 间内 。 当风机气流从 侧 面及底部沿轴向进人风机然后从下向上沿辐向流经 出风口吹向绕组时 , 其进风口及出风口长度可以做 得很长 , 这样可以在 风机深度 、宽度不 大的情况下 在 每相一侧布置单台风机即可提供满足 要求的风量 , 并且 由于风机在长度方向上结构一致 , 故其吹 向绕 组的气流在绕组宽度方向上比较均匀 。 轴流式风机气流从叶轮的一端沿轴线进人 , 从 叶轮的另一端沿轴线流出 。 轴流式风机可分有机壳 与无机壳风机两种 。 无机壳风机的工作轮与空气摩 擦消耗功率大于有机壳风机 , 另外无机壳风机的风 速比有机壳风

21、机低得多 , 并且气流的方向性不 强 , 因 第2期王鹏波 、 叶尉敏 :干式电力变压器风机的选型 此 , 在这 里我们只考虑有机壳风机 。 有机壳轴流风 机其进风口及 出风口均为圆形 , 风机气流的进出 比 较集中 。 当风机气流从下 面沿轴向进人风机 , 然后 向上沿轴向吹向绕组时 , 由于其进风口及 出 风口面 积受变压器 安装空间 的限制 , 在每相一侧布置单台 风机不能提供满足要求的风量 , 必 须在每相 一侧布 置两台风机才能提供满足 要求 的风量 。 当两 台风机 并列安装时 , 由于风机出风口为圆形 , 故其吹向绕 组 的气流在绕组宽度方向上不均匀 。 离心式风机气流从叶轮的一

22、端(或两端)沿轴 线进人 , 从垂直于轴线的方 向流 出 。 其进风口大多 为 圆形 , 出风口为长宽比较小 的矩 形 。 当风机气流 从侧面沿轴向进 入风机然 后 向上沿辐 向流经 出风 口吹 向绕组时 , 由于其进风 口面积受变压器安装空 间 的限制 , 在每相一侧布置单台风机不能满足 要求 的风 量 , 必须在每相 一侧布置两 台风 机才能满足 要 求的风量 。 当两台风机并列安装时 , 其吹向绕组 的 气流在绕组宽度方向上 均匀度介于贯 流式风机与 轴流式风 机之间 。 3 .2 风机 性能参数的 比较 根据1 00o0 k v a 变压 器对风机性 能的要求 , 可 分别对 上述三

23、种风机进行选型 。 现从国内三家工厂 选取了三种风机 , 其各自的性能参数可以参见表2 。 同 时运 行 的合成噪声根据下列噪声计算公式 计算 : 表2三种风机的性能参数 风风 机型式 式 贯流式风机 机轴流式风机机 离心式风机机 叶叶轮直径/ n加 加 2 00 0 0 250 0 0250 0 0 叶叶轮转速口而n n n 1350 0 029 00 0 01000 0 0 风风速/m s一, , 11 1 111 1 111 1 1 风风量/n飞 3. h - , , 3800 0 02 0 ( ) 0 0 02840 0 0 单单台噪声/db(a) ) ) 68 8 8 72 2 2

24、65 5 5 所所需台数 数 6 6 612 2 2 12 2 2 合合成 噪声/db(a) ) ) 75.8 8 882.8 8 875.8 8 8 今寺编 乙琳=10 19( 乙 10 - i , 1 风机所需风机数量最少 , 吹 向绕组 的气流最均 匀 , 合 成噪声也比较低 。 这主要是由于贯 流风机噪声的频 率分布分散 , 噪声峰值不集中 , 使得 贯流风机的噪声 比较低 。 另外贯流式风机内的气流 由于雷诺数较大 以及其有非稳定流动的进气状态 , 使摩擦作用减小 , 使它具有较可观的效率 。 一般情况下 贯流式 风机 的 效率大于轴流式风机和离心式风机的效率 , 因此 , 从 节能 的角度来讲 , 也应尽 可能采用贯流 流式风机 。所 以对干式电力变压器进行 风冷却时 , 作者认为 , 使用 贯流风机是比较理想的选择 。 目前 , 变压器风机的生产厂家生 产 的贯流风机 , 其叶轮均为直叶片等距安装 。 而在许多空 调生产厂 家为降低贯流风机的噪声 , 采用 了 叶轮叶 片分段错 位安装 、 叶轮叶 片不等距安装或叶片倾斜安装等措 施 。 据有关文献报道 , 这些措施可使噪声降低 zd b 。 希望在不久的将来变压器风机的生产厂家也能制造 出采取这些措施的风