油浸式變壓器的冷卻結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

張成名

（大唐國際發(fā)電股份有限公司張家口發(fā)電廠設(shè)備部電氣點(diǎn)檢,075121）

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油浸式變壓器的冷卻結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

張成名

（大唐國際發(fā)電股份有限公司張家口發(fā)電廠設(shè)備部電氣點(diǎn)檢,075121）

摘要：油浸式變壓器以其散熱好、損耗低、容量大、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)在電力行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，然而其散熱效果不理想的弊端也越發(fā)的凸顯。本文簡單闡述了油浸式變壓器的發(fā)熱及散熱原理，提出了優(yōu)化冷卻結(jié)構(gòu)的方法。

關(guān)鍵詞：油浸式變壓器；冷卻結(jié)構(gòu)；原理；方法

1　油浸式變壓器發(fā)熱和冷卻原理

科學(xué)技術(shù)的日新月異使得變壓器的技術(shù)逐步成熟，變壓器的類型也在不斷的增多，固體絕緣變壓器、高溫超導(dǎo)變壓器等新型的變壓器在工業(yè)領(lǐng)域中得到了應(yīng)用和發(fā)展。相較于其他類型的變壓器，油浸式變壓器以其噪音低、容量大、耗損低的優(yōu)勢成為目前電網(wǎng)運(yùn)行中使用最多的產(chǎn)品。

油浸式變壓器主要由鐵心、繞組、油箱及絕緣套管這四部分組成，鐵心上纏繞著由導(dǎo)線繞制而成的線圈，線圈和繞組共同組成變壓器的器身，變壓器器身放置在充滿著變壓器油的油箱內(nèi)。變壓器油既是冷卻介質(zhì)，同時(shí)也起絕緣作用。變壓器在運(yùn)行的過程中，鐵心和繞組在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中不可避免的會產(chǎn)生能量的損耗，這些損耗的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑥蔫F心和繞組的內(nèi)部傳遞到器身表面，再由器身表面?zhèn)鬟f到油箱中的變壓器油，會使得整個變壓器的溫度升高。變壓器熱量以傳導(dǎo)、對流和輻射的方式進(jìn)行超導(dǎo)，散熱時(shí)器身的溫度通過溫差從內(nèi)部傳到油箱,再由油箱或散熱裝置通過對流散到周圍的空氣中去。近年來,由于人們的環(huán)保意識不斷增強(qiáng),對噪音限制提出了更高的要求,很多變壓器廠商正努力在大型變壓器上使用自然油循環(huán)自然風(fēng)冷卻的冷卻方式以減小噪聲、控制油流帶電、降低運(yùn)行成本。

隨著電力需求量的不斷增加和對供電可靠性的要求不斷的提高，對油浸式變壓器冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造以實(shí)現(xiàn)減少損耗，節(jié)約成本成為國內(nèi)外變壓器行業(yè)面臨的一個迫切問題。

2　冷卻結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

油浸式變壓器由于油的循環(huán)方式不同，其冷卻方式也各有差異，冷卻結(jié)構(gòu)的改進(jìn)也有著很大的差別，本文對油浸自冷式冷卻結(jié)構(gòu)的變壓器的冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

2.1變壓器油流對散熱功能的影響

油浸式自冷變壓器的冷卻流程是當(dāng)變壓器油箱中的油升高到一定溫度時(shí)，變壓器油的密度會降低，經(jīng)油管流入散熱裝置，通過散熱裝置和油箱壁將熱量傳遞出去，熱量傳遞出去后，變壓器油的密度就回相應(yīng)的增加。經(jīng)過散熱裝置散熱后的油再次進(jìn)入變壓器繞組中，然后又被器身加熱，如此循環(huán)。

研究發(fā)現(xiàn)，單位面積所散發(fā)的熱量與冷卻介質(zhì)的性質(zhì)、冷卻表面的溫度、形狀和位置有關(guān)，除此之外以液體冷卻介質(zhì)的散熱結(jié)構(gòu)，其散熱量的大小還與液體的密度、熱容量和對流散熱系數(shù)有關(guān)。

式中字母h表示的是對流換熱系數(shù)，S代表的是對流散熱面積，tw表示的作為冷卻介質(zhì)的流體，tf為避免的溫度。

式中qλ代表溫差為1攝氏度時(shí)，輻射體單位表明輻射出的熱量，T1表示的是輻射體的絕對溫度，T2表示的是空氣的絕對溫度，C表示的是輻射體的散發(fā)的熱量常數(shù)。

由于沖擊射流的傳熱系數(shù)要比橫向流對流冷卻的傳熱系數(shù)高很多，因此在設(shè)計(jì)中引入縱向控制流，在不改變冷氣流量和溫度的前提下提升冷卻效果。

2.2繞組對換熱的影響

油浸式變壓器中，繞組和鐵心為發(fā)熱體之一，繞組內(nèi)油流自下向上運(yùn)動,繞組表面對流換熱滿足以下準(zhǔn)則方程：

式中Nu代表的是奴賽爾數(shù)，Gr代表的是格拉曉夫數(shù)，Pr代表的是定性溫度下油的普朗特?cái)?shù)。在溫度變化時(shí)，變壓器油的粘度隨溫度的升高而下降，空氣的粘度隨溫度的升高而升高。而且液體的流動速度也在變化。為了提升冷卻的效果，可以在繞組中增加擋板，或者減少繞組匝數(shù)增加導(dǎo)線截面積，這樣油流在熱浮力的作用下將沿著規(guī)定的路線流動，使得油與繞組的換熱增強(qiáng)，從而降低負(fù)載損耗。

2.3絕緣材料的等級及其耐溫能力對換熱的影響

變壓器所使用的絕緣材料的種類是多種多樣的，不同的材料有著不同的耐溫能力，當(dāng)前油浸式變壓器中用的材料都是A級絕

緣，耐溫限制為105℃，溫度達(dá)到105℃以上時(shí)，絕緣材料的力學(xué)性能就會變得脆弱，甚至后失去絕緣能力，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，變壓器內(nèi)用的絕緣材料的的使用壽命可以用經(jīng)驗(yàn)公式來表示：T=Ae一α θ （4）

式中T表示的是絕緣材料的使用壽命，A代表的是油浸式變壓器的常數(shù)7.15 x 104，α代表的系數(shù)，為0.088 ; θ 表示的絕緣的溫度。由式中可以發(fā)現(xiàn)，為了使絕緣正常損壞時(shí)期為20年左右，則絕緣的長期耐受的溫度不宜超過90-95℃;同時(shí)溫度每增加8℃左右，絕緣材料的使用壽命也將減少一半。

變壓器內(nèi)部的材料壽命受溫度影響最敏感的部分是繞組的絕緣紙，當(dāng)繞組最高溫度超過 98℃時(shí)，絕緣紙將老化，從而威脅變壓器的使用壽命。為了保證變壓器的正常運(yùn)行，就要把變壓器的溫升穩(wěn)定在許可的范圍內(nèi)，通過改善變壓器的冷卻條件來控制變壓器的溫升范圍。

2.4散熱器位置對換熱的影響

由于自然油循環(huán)變壓器內(nèi)冷卻油的流動動力是熱浮升力,所以冷卻中心和散熱中心的高度差對熱浮升力的大小有影響。散熱中心和發(fā)熱中心的高度差越大,則熱浮升力越大,油的流動性和油流量越大,散熱性能越好,則變器的溫升越低。反之散熱中心的高度差越小,則熱浮升力越小,油的流動性和汕流量越小,散熱性能越差,變壓器的溫升值越高。為了提高冷卻效果可將散熱中心和發(fā)熱中心的高度增大。

3　結(jié)語

變壓器是電力系統(tǒng)中最重要的電氣設(shè)備之一，它將電壓由低變高或由高變低。熱性能作為影響變壓器性能的一個重要因素，由于變壓器單臺容量的不斷增大，變壓器熱故障也頻繁發(fā)生，這對變壓器的壽命產(chǎn)生了極惡劣的影響，同時(shí)也影響了電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此有必要對變壓器的熱特性進(jìn)行深入細(xì)致的研究，找出影響變壓器熱性能的因素，對這些關(guān)鍵因素進(jìn)行控制，用以指導(dǎo)變壓器產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高變壓器的效率，延長變壓器的壽命，這不僅節(jié)約了能源，而且減少了故障的發(fā)生，確保了變壓器的合理、經(jīng)濟(jì)、安全的運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]辛亞楠. 燃?xì)鉁u輪復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.

[2]魏月剛. 高壓變頻移相整流干式變壓器冷卻結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[J].變壓器,2010,04:16-17.

[3]唐志平,史建平. 一種新型變壓器冷卻系統(tǒng)智能監(jiān)控裝置的研究[J]. 變壓器,2007,03:67-69.

Oil-immersed transformer cooling structure improvement research

Zhang Chengming
(The electrical inspection of Zhangjiakou power plant equipment department of Datang International Power Generation Co,075121)

Abstract：The oil-immersed transformer with good heat dissipation,low loss,large capacity,low price advantage has been widely used in electric power industry,however,the disadvantages of its cooling effect is not ideal also increasingly highlighted.This article simply expounds the principle of heating and cooling of oil-immersed transformer,this paper proposes the methods of optimizing the structure of cooling.

Keywords：Oil-immersed transformer;The cooling structure;The principle; methods