750kVA變壓器用水冷裝置的設計與分析

孫之虎，陳　恩，郭　建，崔　哲，湯繼保，楊敏玲，張二新（合肥通用機械研究院，安徽合肥230031）

?

750kVA變壓器用水冷裝置的設計與分析

孫之虎，陳恩，郭建，崔哲，湯繼保，楊敏玲，張二新
（合肥通用機械研究院，安徽合肥230031）

摘要：設計出一種符合某750kVA變壓器使用要求的散熱器，對其設計思路和參數計算進行了詳細闡述。同時借助FLUENT有限元仿真軟件對該散熱器進行仿真分析，論證了該散熱器的結構方案和設計參數。

關鍵詞：散熱器；有限元仿真；流道設計；變壓器

0　引言

近年來，隨著國民經濟的飛速發展，社會用電量與日俱增，電氣設備用電負荷明顯增漲，而變壓器是電氣系統中至關重要的設備，其工作狀態直接影響電氣系統的性能。大功率變壓器工作時會產生大量的熱量，若不將熱量及時消除，將會直接威脅設備的安全運行和絕緣壽命[1～4]。尤其在夏季，散熱條件已然惡劣的情況下，許多變壓器設備長期滿負荷運行，給變壓器的安全可靠帶來了嚴重考驗。因此，為變壓器設備設計出滿足要求的散熱器是保障其正常工作的前提條件，具有重大意義。

就散熱形式而言，目前常用的散熱方式主要有風冷和水冷，二者之中以水冷方式較優[5，6]。因此近年來，水冷散熱器得到廣泛應用。

本文將為某變壓器設備設計出一款水冷散熱器，通過傳熱學理論計算和計算機仿真模擬兩種方式共同論證該散熱器的結構方案和設計參數。

1　結構設計

某750kVA大功率變壓器峰值發熱量約為12kW，為滿足要求，需設計一組水冷散熱器，維持該變壓器平均表面溫度90℃。假定每個散熱器散熱能力為1kW，根據變壓器空間結構，需設計散熱器外形為600mm× 300mm的矩形，水流量為0.333m3/h，進口水溫40℃。

根據使用要求，為了滿足散熱及可靠性等，工程師們設計了一種整體平板型水冷散熱器[7]，其結構如圖1所示。該散熱器在金屬板內部加工數個獨立的圓柱形流道，流道外部通過半圓彎管串聯，冷卻水從入口進入流道后，依次通過每個流道后從出口流出，在此過程中，冷卻水通過與金屬板換熱從而使變壓器的溫度維持穩定。

本文在上述散熱器結構基礎上做出部分改進，設計出如圖2所示的整體平板型散熱器。

該散熱器是由兩塊如圖2所示的金屬板焊接而成，該金屬板為直接注塑成型，板體上設計有截面為矩形的“S”形冷卻水流道。由于流道在金屬板內部已自行連成整體，故無需另接外部彎管，同時，該散熱器增大了冷卻水流道的體積占有率。由于采用上述設計，該散熱器可以有效的節省材料、美化外觀、簡化加工工藝。

根據熱傳導基本原理，導熱材料的導熱系數是影響傳熱效果的關鍵因素。而在使用過程中，金屬材料的耐腐蝕性對于設備的壽命起到重要作用。常用的導熱材料一般有銅、鋁、鈦等金屬材料。其中，鈦的耐腐蝕性最好，但導熱系數最低，僅為15W/（m·K）；鋁的導熱系數為237 W/（m·K），但是其耐腐蝕性較差；而銅的導熱系數為400 W/（m·K），耐腐蝕性也較強，因此綜合考慮換熱性能和防腐要求，設計選擇銅作為散熱器的導熱材料。焊接工藝采用銀條焊，銀條溶化后通過板縫的毛細作用力進入其中可以達到很好的焊接效果。同時，銀條焊可以保證散熱器的強度、防腐、防漏等性能不會下降，通過氣密性和水壓保壓試驗，可以消除漏焊、虛焊的隱患。

2　技術參數與熱力計算

根據使用要求，本文設計出高600mm，寬300mm，厚度為15mm的整體平板型散熱器，如圖3所示。散熱能力為1kW，設計采用淡水作為冷卻介質，每小時的質量流量為333kg（0.0925kg/s）。

根據使用條件，散熱器與變壓器雙面接觸，散熱能力為1kW。冷卻水入口溫度為40℃，質量流速為0.0925kg/s，比熱容4182J/（kg·℃）。冷卻水流經的“S”形流道截面尺寸為：15mm×8mm。散熱器與空氣接觸的面為四個狹小端面，在進行熱力計算時，與空氣的對流傳熱可以忽略不計。

根據流體的吸熱計算公式[8]：

式中 Q—物質吸熱的功率，W；

CP—物質的比熱容，J/（kg·℃）；

G—物質的質量流速，kg/s；

Δt1—物質吸熱過程前后溫差，K或℃。

將已知條件代入公式（1），可得：

即冷卻水出入口溫差為：2.6℃，因此冷卻水出口溫度為42.6℃。由此可知，冷卻水的平均溫度為：41.3℃。

由上所述，冷卻水在流道內與散熱器的換熱方式應為強制對流換熱，水的強制對流換熱系數約為：1000～15000W/（m2·K）。

根據對流換熱公式[9]：

式中 Q—換熱功率，W；

h—對流換熱系數，W/（m2·K）；

S—換熱面積，m2；

Δt2—對流換熱的溫差，K或℃。

根據散熱器設計參數，可算得冷卻水與散熱器的熱交換面積約為0.202m2，換熱功率為1000W，欲求換熱溫差，需算出對流換熱系數[10]：

式中 D—流道當量直徑，m；

k—流體導熱系數，W/m·K；

Nu—努賽爾準數。

根據散熱器的設計參數，流道截面為15mm×8mm的矩形，可以得到流道的當量直徑D為1.04×10-2m。由于冷卻水的平均溫度為41.3℃，可用315K時水的導熱系數[10]（0.598W/m·k）進行計算。

努賽爾數計算公式為[10]：

式中 Pr—普朗特常數，查得水在315K時的普朗特數

為4.16[10]；

Re—雷諾準數。

根據內部流動雷諾數計算公式[10]：

μ—流體的粘度，Pa·s。

根據前述，冷卻水的質量流速為0.0925kg/s，查得冷卻水在315K時的粘度為0.631×10-3Pa·s，帶入公式（5）得：

將雷諾準數和普朗特數代入公式（4）可得：

再將努賽爾數和導熱系數、當量直徑代入公式（3）便可算出對流換熱系數為5134W/m2·K：

根據公式（2），將對流換熱系數、換熱面積和換熱功率代入，可算得散熱器與冷卻水的溫差：

由于冷卻水平均溫度為41.3℃，則散熱器平均溫度約為42.3℃。

3　有限元分析

本文利用FLUENT有限元仿真軟件對該散熱器的換熱過程進行了仿真分析，首先利用三維建模軟件建立了如圖3所示的散熱器三維模型。將該三維模型導入FLUENT軟件后建立了冷卻水三維模型，并在FLUENT軟件中對散熱器銅板和冷卻水域共同劃分網格，網格如圖4所示：圖中左側為散熱器銅板網格劃分示意圖，右側為冷卻水域網格劃分示意圖。網格邊長最小尺寸為0.33mm，最大10mm，網格總數約為1.5×105個。

網格劃分后，利用FLUENT軟件的三維求解器對模型溫度場進行求解。在求解過程中，本文同時遵循能量守恒定律和k-ξ湍流計算模型。

由于散熱器和變壓器是雙面接觸，用散熱器熱負荷（1kW）除以散熱器兩平面面積之和得到散熱器熱流密度為：2777.8W/m2。冷卻水入口邊界設置為質量流入口，質量流量為0.0925kg/s，溫度40℃，冷卻水出口為自由流邊界。

在二階精度求解器下設置速度收斂條件為10-3，連續性收斂條件為10-6，迭代收斂后，得到了散熱器的溫度場云圖，分別如圖5、圖6所示。圖5為整個散熱器中心截面的溫度分布云圖，圖6為冷卻水域中心截面的溫度分布云圖。

由圖5可以看出，散熱器銅板本體的最低溫度出現在冷卻水入口附近，約為41.43℃左右，最高溫度出現在冷卻水入口對角位置，約為44.63℃。

由圖6可以看出，冷卻水出口溫度為42.66℃，與上節理論計算的42.6℃相吻合，說明本文參數選取及熱力計算基本準確無誤。

同時，利用FLUENT軟件的統計平均功能算出了散熱器的平均溫度為416K，即42.85℃，與上一節計算出的42.3℃也基本吻合。

4　結語

本文設計的整體平板型散熱器通過優化流道設計，可以有效的節約材料、美化外觀、簡化加工工藝。通過理論計算與FLUENT仿真分析的相互佐證，可以證明該散熱器設計合理，散熱效果良好，可以滿足750kVA變壓器的使用要求。

參考文獻：

[1]龐營.變壓器發熱與散熱的數學研究[J].中國科技信息，2014，（1）：53，54.

[2]李濤.變壓器鐵芯發熱故障的分析與處理[J].防爆電機，2014，49（5）：41～44.

[3]梁慧成. 220kV變壓器套管發熱成因及處理探討[J].民營科技，2014，（10）：87.

[4]程新燕.電力變壓器熱性故障分析[J].新疆電力技術，2010，（4）：50，51.

[5]李波，孫淑杰.風冷與水冷制冷方案的比較[J].鐵道工程學報，2000，（3）：118～120.

[6]陳華，邸倩倩，李慧玲.家用水冷空調器與風冷空調器運行性能比較[J].建筑熱能通風空調，2010，29（5）：11～15.

[7]陳恩，黃臘根，王坤，等.船用變壓器水冷散熱器設計[J].發電與空調，2014，35（2）：65～68.

[8]沈維道，蔣智敏，童鈞耕.工程熱力學[M]. 3版，北京：高等教育出版社，1982.

[9]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M]. 4版，北京：高等教育出版社，2006.

[10]弗蘭克P.英克魯佩勒，大衛P.德維特.傳熱和傳質基本原理[M].葛新石，葉宏，譯. 6版，北京：化學工業出版社，2009.

修回日期：2016-02-16

Design and Analysis of Water Cooling Device for 750kVA Transformer

SUN Zhi-hu，CHEN En，GUO Jian，CUI Zhe，TANG Ji-bao，YANG Min-ling，ZHANG Er-xin
（Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230031，China）

Abstract：In this paper，a kind of radiator is designed to meet the requirements of a 750kVA marine transformer，the design idea and parameter calculation are described in detail. At the same time，the FLUENT software is used to simulate the water-cooling radiator of the 750kVA marine transformer，the thermal-simulation demonstrate the design.

Key words：radiator；thermal-simulation；passageway-design；transformer

收稿日期：2015-12-31

作者簡介：孫之虎（1986-），男，安徽合肥人，碩士研究生，助理工程師，主要從事電子設備冷卻裝置設計研發工作。

中圖分類號：TM41

文獻標識碼：B

文章編號：2095-3429（2016）01-0091-04

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.021