第1章 緒論 

1.1 本研究課題的背景和意義
隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)用電和國(guó)民用電的需求逐年提高，電力系統(tǒng)作為先行行業(yè)，近年來(lái)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。主要表現(xiàn)為電網(wǎng)輸電量不斷提高，并有向超高電壓，特大容量方向發(fā)展的趨勢(shì)。電力變壓器是電力系統(tǒng)主要的電氣設(shè)備之一，其能否安全可靠運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)整體的安全性和穩(wěn)定性影響巨大[1-3]。 目前，我國(guó)的電力變壓器市場(chǎng)，民營(yíng)企業(yè)份額在 50%左右，外企占 30%，國(guó)企占 20%�？鐕�(guó)企業(yè)如 ABB、阿�，m、西門(mén)子、東芝等在我國(guó)均已建廠，并且常州東芝變壓器有限公司、重慶 ABB 變壓器有限公司等均有能力生產(chǎn) 500KV級(jí)大型電力變壓器。所以，目前國(guó)內(nèi)變壓器市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，如何在保證變壓器質(zhì)量的前提下降低生產(chǎn)成本就顯得意義重大[4]。降低成本的主要方法有：（1）縮小變壓器體積，降低結(jié)構(gòu)鋼和冷卻油的使用量；（2）提高繞組的利用率，減少銅的使用量；（3）提高鐵心平均磁密，降低硅鋼片使用量。但以上做法無(wú)疑對(duì)變壓器熱承載能力又產(chǎn)生了新的要求。 大型電力變壓器一般為強(qiáng)迫油循環(huán)結(jié)構(gòu)，通過(guò)油泵強(qiáng)迫冷卻油內(nèi)部循環(huán)，帶出繞組和鐵心熱量。該冷卻回路主要包括冷卻器、冷卻回路連接結(jié)構(gòu)和繞組油路，整體油路所占體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜[5]。一般說(shuō)來(lái)，變壓器繞組平均溫度每降低 6°C，絕緣乃至變壓器壽命就可延長(zhǎng)一倍。因此，研究如何優(yōu)化變壓器散熱性能，降低繞組溫度，在經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)際應(yīng)用等方面，都有著極其重要的意義。 目前變壓器繞組溫度計(jì)算主要使用解析法和數(shù)值分析法。在具體應(yīng)用中，前者多采用經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算誤差大，溫度預(yù)測(cè)結(jié)果常不準(zhǔn)確。而后者建模困難，計(jì)算量大，邊界條件不易確定。 本文以大容量油浸式電力變壓器為例，提出了一種基于流體網(wǎng)絡(luò)的繞組溫度計(jì)算方法。該方法局部進(jìn)行流體場(chǎng)數(shù)值分析，整體通過(guò)全域流體網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算，在保證計(jì)算準(zhǔn)確的前提下，降低了建模難度，減少計(jì)算量，有著較大的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
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1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 
根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，很多變壓器短路事故都是由絕緣老化引起的，而絕緣壽命與繞組熱點(diǎn)溫度關(guān)系密切。《油浸式變壓器負(fù)載導(dǎo)則》中指出：“繞組最熱區(qū)域內(nèi)達(dá)到的溫度，是變壓器負(fù)載值的最主要限制因素”，變壓器所能達(dá)到的最大壽命，往往取決于繞組最熱點(diǎn)的絕緣壽命[6]。繞組熱點(diǎn)溫度計(jì)算的意義，就在于通過(guò)此類(lèi)計(jì)算，達(dá)到變壓器安全長(zhǎng)期運(yùn)行和節(jié)約制造材料之間的最優(yōu)平衡點(diǎn)，并對(duì)變壓器在不同條件下的工作壽命和安全指標(biāo)有正確的評(píng)估。 一般說(shuō)來(lái)，變壓器熱點(diǎn)溫度計(jì)算的主要方法包括解析法和數(shù)值分析方法。解析法又分為熱路法和國(guó)標(biāo)模型計(jì)算方法。 熱路法是用電路的模型來(lái)模擬變壓器內(nèi)熱傳導(dǎo)的過(guò)程，如 SWIFT 提出頂層油溫計(jì)算模型[7-8]和繼而出現(xiàn)的改進(jìn)溫度計(jì)算模型。此類(lèi)方法能夠較為精確直觀的表現(xiàn)變壓器內(nèi)部傳熱散熱過(guò)程，但整體計(jì)算準(zhǔn)確性依賴(lài)于能否正確確定熱阻和油流量。 國(guó)標(biāo)計(jì)算方法一般采用 IEEE  Std  C57.91-1995 和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB  1094.2-1996《電力變壓器，溫升》（等效采用 IEC 76.2-1993）中給出的油浸式電力變壓器內(nèi)部溫度計(jì)算模型。在該模型中，有如下假設(shè)： 1．繞組油路中油溫從底部到頂部線性升高。 2．繞組沿高度任何位置上的溫升，從底部到頂部線性增加，此變化線為直線，且與繞組油路油溫溫升直線平行，兩平行線之間的差值為常數(shù) g,g 為用電阻法測(cè)出的繞組平均溫升和油平均溫升之間的差值。 根據(jù)以上假設(shè)，頂層油溫可由其相對(duì)于環(huán)境溫度的溫升計(jì)算得到；同樣，繞組熱點(diǎn)溫度可以通過(guò)其相對(duì)于頂層油溫的溫升計(jì)算得到。這種簡(jiǎn)化的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式應(yīng)用簡(jiǎn)單，總的來(lái)說(shuō)可以表現(xiàn)繞組油路和繞組的平均溫升，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。但由于變壓器冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而這種線性溫升模型本身過(guò)于簡(jiǎn)化，基本假設(shè)過(guò)于理想，因此不能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)繞組熱點(diǎn)溫度。關(guān)于此點(diǎn)，結(jié)合本文提出的公式，在后文會(huì)有進(jìn)一步的說(shuō)明。 
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第2章 流體網(wǎng)絡(luò)模型及熱源計(jì)算 

電力變壓器是電力網(wǎng)中的主要電氣設(shè)備，如升高發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的交流電壓，向電力網(wǎng)輸出電能的升壓變壓器、供火力發(fā)電廠啟動(dòng)機(jī)組用的廠用電變壓器、降低電壓，輸入電器設(shè)備的配電變壓器、以及聯(lián)絡(luò)不同電壓網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)絡(luò)變壓器等。 因此，電力變壓器的正常穩(wěn)定工作，與電網(wǎng)安全運(yùn)行密切相關(guān)。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)對(duì)變壓器運(yùn)行事故的統(tǒng)計(jì)，有相當(dāng)比例的變壓器事故的原因是繞組熱點(diǎn)熱升超標(biāo)，燒損絕緣，最終導(dǎo)致短路。因此，準(zhǔn)確分析變壓器熱性能，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)減少熱事故，具有重要的實(shí)際意義[33-35]。下文即對(duì)變壓器油路結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，建立相應(yīng)的流體網(wǎng)絡(luò)模型，并初步計(jì)算網(wǎng)絡(luò)熱源參數(shù)。 

2.1 油路結(jié)構(gòu) 
大型電力變壓器損耗巨大，發(fā)熱嚴(yán)重，工作時(shí)需要將大量熱量傳至空氣中，因此一般采用體積較大的冷卻器進(jìn)行散熱。并且常在冷卻回路中安裝變壓器油泵，利用油泵來(lái)提高變壓器油回路中油的流速，并克服提高油的流速后增加的油的阻力，以提高變壓器內(nèi)部油路熱交換和冷卻器側(cè)散熱的能力。如圖 2-1 所示，在繞組中被加熱的油沿著路徑 a 與順著油箱壁未被加熱的并聯(lián)油路 b 的油流混合，進(jìn)入冷卻器將熱量散入空氣。此時(shí)器身的傳熱仍以自然循環(huán)為主，傳熱性能受油泵的影響較小，且傳熱量遠(yuǎn)低于冷卻器散熱量[36]。
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2.2網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

在油浸式變壓器流體網(wǎng)絡(luò)中，熱結(jié)構(gòu)為繞組和冷卻器。其中，ABC 三相繞組互為并聯(lián)。單相繞組油路包含并聯(lián)的高中低壓繞組，相互間有不利于散熱的圍屏結(jié)構(gòu)，因此也采取并聯(lián)的構(gòu)建方式。由于 ABC 三相繞組的結(jié)構(gòu)完全相同，故僅需對(duì)一相繞組油路進(jìn)行分析，即可得到繞組油路整體的流體和熱特性。整體網(wǎng)絡(luò)如圖 2-5 所示，由于繞組沿垂直方向損耗密度分布不均勻，故將繞組線餅作為發(fā)熱單元，在網(wǎng)絡(luò)中予以體現(xiàn)。 冷卻油從繞組油路流出，帶走繞組熱量后流入冷卻部分。對(duì)于本文所用樣機(jī)，其冷卻部分由四組 YFZL3-315 冷卻器構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)中作為熱源的繞組損耗，在后文通過(guò)三維電磁仿真得出，計(jì)算中考慮鐵心及結(jié)構(gòu)件所產(chǎn)生的的漏磁對(duì)繞組損耗的影響。作為網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)變量的油流量以場(chǎng)路耦合的方法得到，根據(jù)樣機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，將整體油路分段建模，進(jìn)行局部三維流體有限元仿真，結(jié)果代入流體網(wǎng)絡(luò)。最終根據(jù)以上數(shù)據(jù)，結(jié)合繞組結(jié)構(gòu)重復(fù)性，確定變壓器繞組熱點(diǎn)溫度及位置。  

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第 3 章 油路流量計(jì)算 ...... 17 
3.1 油路結(jié)構(gòu)模型 ..... 17 
3.2 油路分段流阻計(jì)算 ....... 19 
3.2.1 數(shù)學(xué)模型建立 .... 20 
3.2.2 流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算 .... 21 
3.3 本章小結(jié) ............. 28 
第 4 章 繞組溫度場(chǎng)計(jì)算 ............ 29 
4.1 繞組冷卻過(guò)程 ..... 29 
4.2 單段繞組溫度場(chǎng)計(jì)算 ............. 30 
4.2.1 基本假設(shè) ............ 32 
4.2.2 求解條件 ............ 32 
4.2.3 溫度場(chǎng)求解 ........ 33 
4.3 流體網(wǎng)絡(luò)計(jì)算 ..... 36 
4.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析 ....... 38 
4.5 本章小結(jié) ............. 41 

第4章 繞組溫度場(chǎng)計(jì)算 

變壓器內(nèi)發(fā)熱部件多，熱交換過(guò)程復(fù)雜，常有多重冷卻方式并行存在。一般說(shuō)來(lái)，變壓器熱特性與流體動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)和制造工藝等均有相關(guān)。尤其對(duì)于大型電力變壓器，其熱校核是一個(gè)重要的問(wèn)題，但又常常難于準(zhǔn)確計(jì)算。目前常用研究方法主要包括 IEEE 線性溫度模型、熱網(wǎng)絡(luò)法和電磁-熱耦合有限元計(jì)算。前文已經(jīng)討論過(guò) IEEE 溫度模型關(guān)于線性假設(shè)的缺陷，此類(lèi)模型僅適用于廠用溫度粗略估計(jì)；熱網(wǎng)絡(luò)法準(zhǔn)確度依托于是否能準(zhǔn)確估計(jì)網(wǎng)絡(luò)熱阻，而熱阻又依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)公式，因此熱網(wǎng)絡(luò)法精度有限；耦合有限元計(jì)算顯然可靠度最高，但該可靠性建立在模型準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，且計(jì)算耗時(shí)大，設(shè)備要求高，計(jì)算過(guò)程繁雜。 在通常的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算中，由章節(jié) 2 中的式（2-1）可以算出網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)繞組線餅兩端截面的平均油溫。但在計(jì)算繞組溫度時(shí)，需要得到式（2-2）中的每個(gè)線餅上的平均換熱系數(shù)k 和散熱面積ΔA 。換熱系數(shù)由油流速，流固材料，散熱面形狀決定，而變壓器循環(huán)油路中，油流動(dòng)復(fù)雜，換熱面形狀不規(guī)則， k 值很難采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。本文結(jié)合熱網(wǎng)絡(luò)法和有限元計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，采取繞組分段建模、數(shù)值分析的方法計(jì)算換熱系數(shù)，得到準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)熱阻，即解決了網(wǎng)絡(luò)計(jì)算中過(guò)于依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)公式的問(wèn)題，又避免了仿真模型過(guò)大引起的計(jì)算困難。 

4.1 繞組冷卻過(guò)程 
變壓器繞組中熱源主要分為兩個(gè)部分，第一部分是電流流經(jīng)繞組時(shí)，由銅導(dǎo)線電阻引起的電阻損耗，這是變壓器熱量的主要來(lái)源。第二部分是漏磁場(chǎng)在繞組內(nèi)部產(chǎn)生的渦流損耗，雖然渦流損耗所占比例較小，但同樣會(huì)影響到繞組的溫升。繞組產(chǎn)生的熱量一部分提高自身溫度，一部分散發(fā)出去。 繞組主要散熱形式為熱傳導(dǎo)和對(duì)流散熱[44]。當(dāng)兩個(gè)溫度不同物體相接觸或者一個(gè)物體的兩端溫度不同時(shí)，熱量就會(huì)從高溫側(cè)沿物體向低溫側(cè)傳遞，這種傳熱方式叫做熱傳導(dǎo)。熱量傳導(dǎo)的速率與材料的物理性質(zhì)和溫差大小有關(guān)，材料傳熱系數(shù)和溫度差越大，熱傳導(dǎo)越快。該過(guò)程在變壓器內(nèi)主要表現(xiàn)為繞組線餅與絕緣、絕緣與墊塊間的接觸傳熱。 
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結(jié)論 

以往變壓器內(nèi)溫度場(chǎng)及熱點(diǎn)計(jì)算中，解析法過(guò)分依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算誤差大，溫度預(yù)測(cè)結(jié)果常不準(zhǔn)確；數(shù)值分析法在具體應(yīng)用中建模困難，計(jì)算量大，邊界條件不易確定。本文針對(duì)這些實(shí)際問(wèn)題，提出了基于流體網(wǎng)絡(luò)的繞組溫度計(jì)算方法。將局部有限元分析與流體網(wǎng)路結(jié)合起來(lái)，對(duì)變壓器內(nèi)流體場(chǎng)及溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究，闡述了全域流體場(chǎng)與其溫度分布之間的內(nèi)在關(guān)系，給出了詳細(xì)的計(jì)算公式，并得到以下結(jié)論： 
1．根據(jù)大型電力變壓器冷卻油路結(jié)構(gòu)，采用流體網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)其繞組溫度進(jìn)行了計(jì)算。將冷卻油路分為繞組油路，冷卻器和連接結(jié)構(gòu)三部分，局部進(jìn)行流體場(chǎng)數(shù)值分析，整體通過(guò)全域流體網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算，降低了建模難度，減少計(jì)算量。以一臺(tái) 330k V，容量為 240000k VA 的油浸式電力變壓器高壓繞組為例，三維有限元模型可減少 3/4，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最大相對(duì)誤差為 3.57%，，計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證準(zhǔn)確。 
2．繞組溫度場(chǎng)建模分析時(shí)，僅對(duì)典型繞組結(jié)構(gòu)部分建模計(jì)算，其他繞組段考慮其軸向油路的重復(fù)性，在油流的作用下通過(guò)流體網(wǎng)絡(luò)予以求解，場(chǎng)路耦合計(jì)算繞組全域溫度分布。繞組表面換熱系數(shù)通過(guò)溫度場(chǎng)分析動(dòng)態(tài)確定，保證了計(jì)算的準(zhǔn)確性。 
3．采用的全域流體網(wǎng)絡(luò)的耦合變量是變壓器油的流量。通過(guò)對(duì)冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和有限元計(jì)算，分析了各處流阻特性及對(duì)油流的作用，確定了油流對(duì)整體溫度分布的影響。采用這種油路分段有限元計(jì)算，局部流阻與油泵揚(yáng)程通過(guò)流體網(wǎng)絡(luò)聯(lián)立確定油流量的方法，改變?nèi)我舛斡吐方Y(jié)構(gòu)模型，便可反映局部設(shè)計(jì)變化對(duì)全域流場(chǎng)狀態(tài)的影響，而不需要對(duì)油路整體重新建模，有利于變壓器冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 
4．在電磁計(jì)算中，考慮了拉板和夾件等結(jié)構(gòu)件對(duì)漏磁分布和繞組損耗的影響，依照樣機(jī)結(jié)構(gòu)建立了切合實(shí)際的電磁仿真模型。避免了以往計(jì)算中，由二維模型和過(guò)分粗糙的三維模型導(dǎo)致的計(jì)算精度降低。同樣，在繞組油路計(jì)算中，考慮了撐條、墊塊和絕緣紙等結(jié)構(gòu)對(duì)流體場(chǎng)和溫度分布的影響，給出了詳細(xì)的邊界條件，提出了一系列合理的假設(shè)，對(duì)單段繞組油路 1/16 流場(chǎng)進(jìn)行了分析計(jì)算。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：86173