風冷變壓器油溫的動態影響分析*

粱仕斌, 彭慶軍, 張　欣, 陳曉云, 陳興畢, 李　川

(1.云南電力試驗研究院(集團)有限公司,云南 昆明650051；2.云南電網有限責任公司 電力科學研究院,云南 昆明 650217；3.昆明理工大學 信息工程與自動化學院,云南 昆明 650500)

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風冷變壓器油溫的動態影響分析*

粱仕斌1, 彭慶軍2, 張欣3, 陳曉云2, 陳興畢3, 李川3

(1.云南電力試驗研究院(集團)有限公司,云南 昆明650051；2.云南電網有限責任公司 電力科學研究院,云南 昆明 650217；3.昆明理工大學 信息工程與自動化學院,云南 昆明 650500)

根據油流自下而上循環的特點,將三只光纖Bragg光柵(FBG)溫度傳感器A,B,C安裝在油箱內固定支架的三個位置處,分別用來測量變壓器的頂、中、底層油溫。光柵中心波長隨溫度變化而變化,通過FBG中心波長的變化量可實現對油溫變化的測量。實驗得出變壓器的頂、中、底層最高油溫分別為73,66.5,52.2 ℃,打開風機后依次經14,5,3 min后開始降溫,對應的降溫時間常數為4 364,3 236,1 527 s,約25 min后溫度穩定在64,52,45 ℃。分析表明：開風扇后頂、中、底層油溫降低存在依次減小的延時,且降溫速率依次增高。

油浸式變壓器； 風冷； 油溫； 光纖Bragg光柵溫度傳感器

0　引　言

近年來,電力系統容量不斷的增大,電壓等級不斷的提高,電力變壓器的單臺容量也不斷地增加,由此帶來的熱量損耗更加嚴重。因此,大型油浸式變壓器多采用強迫油循環的方式來冷卻內部溫度。在80～140 ℃范圍內油浸紙絕緣的熱點溫度每升高6K絕緣老化率將增加1倍。溫升過高會使絕緣材料老化,從而降低絕緣性能、縮短使用壽命,進而影響電力變壓器的效率和正常運行[1]。油浸式變壓器中80 %以上采用的是自然油循環的冷卻方式,為此定量準確地測量變壓器內部溫度是非常必要的[2]。在油浸式變壓器油溫的研究中,岳國良等人在油浸風冷變壓器測溫研究中最熱點位置隨環境溫度的升高而上升,隨熱點溫度值的升高也在上升,更加靠近繞組頂端[3]；Black W Z等人對一個強風冷卻油浸變壓器各部分溫度進行了計算,計算溫度與試驗溫度吻合較好[4]；王秀春等人在對油浸式變壓器的熱流場以及溫度場的研究中得出油箱的頂層的熱油的流速最大,換熱能力強[5]。

本文在已有的油溫溫度場分析基礎上,使用光纖Bragg光柵(FBG)溫度傳感器直接測量風冷對變壓器油溫度的動態影響,根據實驗數據分析可得出,開風扇后頂、中、底層油溫降低存在不同延時且降溫速率依次增高。

1　變壓器風冷散熱結構與原理

在變壓器運行中,鐵芯和繞組發熱,與其接觸表面附近的油被加熱,密度降低,在浮升力作用下上升到油箱上部,并從油箱出口流向散熱器。油流經散熱器時,將吸收的熱量以對流換熱形式傳給散熱片壁,被加熱的散熱片壁通過熱福射和與周圍空氣的對流換熱將熱量散出。油在散熱器內部溫度下降,密度增大,冷卻油靠自重而下沉,從變壓器進口處進入變壓器,這樣油箱內的發熱與箱外散熱器的冷卻兩種力量(浮升力和下沉力)推動變壓器油周而復始連續不斷進行循環。散熱器外部的空氣靠動力循環,熱空氣被風扇吹走,冷空氣隨之補充進來形成冷熱空氣交換流動,變壓器的熱量不斷地傳給空氣,形成一種動態平衡[6,7]。維持變壓器各部(鐵芯、繞組、油等)溫升在標準規定的范圍以內,從而保障變壓器的正常運行。圖 1為變壓器風冷散熱結構和油循環散熱原理圖,圖中帶箭頭的虛線為變壓器油循環路徑。

圖1　變壓器風冷散熱結構和油循環散熱原理圖Fig 1　Structure of transformer air cooling heat radiation and principle diagram of oil circulation heat radiation

變壓器鐵芯、繞組、油之間的傳熱過程如圖2所示。

圖2　風冷油浸式變壓器傳熱過程Fig 2　Heat transfer process of air-cooled oil immersed transformer

2　35 kV變壓器的油溫測試

對型號為S13-12500/35型的油浸式無勵磁調壓電力變壓器進行測試,根據變壓器油自下而上循環路徑,將A,B,C三只FBG溫度傳感器分別安裝在油箱內固定支架的三個位置上,通過耦合器與連接在變壓器頂部的貫通器把箱內溫度采集傳輸出來,后端經過通信光纖接到光波長解調儀。

圖3　變壓器頂中底層油溫測試原理圖Fig 3　Test principle diagram of oil temperature in top,middle and bottom layer of transformer

FBG溫度傳感器測量變壓器油溫的原理是：當油溫發生變化時,與其接觸的FBG有效折射率和有效柵距也會隨之改變,最終導致光纖光柵中心波長移位,其中波長變化信號由光纖傳出,然后傳輸至信號處理器進行處理,通過測量光柵中心波長的變化量從而實現對變壓器油溫的測量。

3　油溫數據分析

16:00開始測溫實驗,變壓器帶1.3倍額定功率開始升溫,運行2h 36 min時后開風扇對其風冷持續至次日01:00,在開風扇時變壓器頂、中、低層油溫分別為73,66.5,52.2 ℃,分別經過14,5,3 min后均會達到最高溫度依次為74.8,67.5,52.4 ℃。如圖4為實驗測得的油溫隨時間的變化曲線。

圖4　油溫變化曲線圖Fig 4　Curve of oil temperature variation

在開風機前,各點油溫均呈上升趨勢。其原因為變壓器的發熱功率大于散熱功率。在開機后,油在變壓器和散熱器內循環流動。油每循環一次,都會吸收來自鐵芯和繞組的熱量,而散發出去的熱量小于吸收的熱量,所以測試點的溫度都呈上升趨勢。由圖1可知油浸式變壓器的油流動方向,在變壓器內部為自下往上,而在散熱片內是自上而下。經過散熱片后,油溫降低,由散熱器底部流出,再從變壓器底部進入,依次經過C,B,A測試點,而在此過程中油吸收變壓器散發的熱量而升溫。經過C,B,A測試點過程中油溫在不斷升高,所以,頂、中、底層油溫依次升高。

當開風機后,頂、中、底層油溫先繼續升溫分別經過14,5,3 min后開始降溫。各點降溫都存在不同延時，是因為開風扇后油在變壓器內流動相對緩慢,因此,開風機后變壓器內部油溫依舊上升,而散熱器中的油開始降溫,直到散熱器中低溫油流到變壓器底部,底層油溫才開始下降,中層和頂層則隨后依次開始下降。頂、中、低層油溫下降速率依次增加是因為低溫油經過底、中、層時在不端吸收熱量,因此，油溫上升,其余變壓器的溫差減小,單位時間內吸收的熱量降低,因此，溫度降低速率逐漸降低,底層溫差最大,其溫度降低速率最快。風機持續運行一段時間后,頂、中、底層油溫均趨近平穩，是因為物體發熱功率等于其散熱功率時,達到熱平衡狀態。變壓器溫度隨著油溫的降低而降低,變壓器和油的溫差達到一定值,散熱器散熱功率也將降到一定值,此時變壓器的發熱功率就可以等于散熱器散熱功率,測試的各點溫度趨近平穩。

對開風扇后頂、中、底層油的油溫數據進行指數擬合,各層油溫曲線呈指數衰減,擬合結果如圖5。

圖5　油溫數據擬合圖Fig 5　Fitting chart of oil temperature data

(1)

式中ΔT為溫度變化量,τ為時間常數,T0為穩定值。頂、中、底層油溫擬合參數值,如表1。

表1　頂、中、底層油溫擬合數據

由擬合度時間常數τ的值可知,頂、中、底層油溫的下降速度越來越快,符合變壓器降溫油經過散熱片后,油溫降低,由散熱器底部流出,再從變壓器底部進入到頂部的事實,變壓器底、中、頂時間常數依次增大與實測數據的變化趨勢一致；t=0時,ΔT+T0為頂、中、底層最高溫度,分別約為77.7,68.8,51.3 ℃,接近實測數據的74.8,67.5,52.4 ℃；擬合結果與實測數據完全吻合,由此可以得出,開風機后,變壓器內部油溫將呈現指數下降,直至達到平穩。

4　結　論

本文對型號為S13—12500/35型的油浸式變壓器進行測試,分析了開風扇后風冷對油浸式變壓器的油溫的影響。打開風機后頂、中、底層依次經14,5,3 min后達到各自的最高溫74.8,67.5,52.4 ℃并開始降溫,約25 min后溫度分別穩定在64,52,45 ℃。并對其進行擬合,擬合結果與實測數據完全吻合。分析表明:開風扇后,頂、中、底層油溫降低存在依次減小的延時且降溫速率依次增高。

[1]井永騰,李巖.基于Fluent油流模型的油浸式變壓器繞組溫升計算[J].變壓器,2010(4):28-31.

[2]王秀春,劉偉軍.油浸式變壓器層式繞組溫度場研究[J].變壓器,2010(10):23-25.

[3]岳國良,王永強,崔歡歡,等.基于FVM 的油浸風冷變壓器測溫研究[J].電測與儀表,2015,52 (5):98-103.

[4]Black W Z.Real-time thermal model for an oil-immersed forced-air cooled transformer[J]．IEEE Transactions on Power Delivery,1990,5(2):l.

[5]李迎春,劉建敏,施祖烈.主變壓器油浸自循環風冷改強油循環風冷[J].水電站機電技術,2004(6):46-48.

[6]張植保.變壓器原理與應用[M].北京:化學工業出版社,2007．

[7]韓燕國.環境溫度對變壓器溫升影響分析[C]∥2012全國發電企業設備優化檢修技術交流研討會,2012:44-45．

[8]李川,張以謨,趙永貴,等.光纖光柵:原理、技術于應用[M].北京:科學出版社,2005.

Analysis on dynamic effects of air-cooled transformer oil temperature*

LIANG Shi-bin1, PENG Qing-jun2, ZHANG Xin3, CHEN Xiao-yun2, CHEN Xing-bi3, LI Chuan3

(1.Yunnan Electric Power Research Institute (Group) Co Ltd,Kunming 650051,China；2.Yunnan Power Grid Limited Liability Company Corporation,EPRI ,Kunming 650217 China；3.Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

According to oil flow cycling characteristics from bottom to up,three fiber Bragg grating (FBG) temperature sensors,A,B,C are installed in fuel tank bracket is fixed in three locations which are used to measure oil temperature of top,middle and bottom layer of transformer.The grating center wavelength varies with temperature,by variation of FBG center wavelength can realize measurement of oil temperature change.Experimental results show that the highest oil temperature at top,middle and bottom of transformer are 73,66.5,52.2 ℃ respectively,open the blower in turn after 14,5,3 min began to cool,corresponding cooling time constant are 4 364,3 236,1 527 s,about after 25 min,temperature is stable at 64,52,45 ℃.The analysis shows that,in top,middle,bottom layers,oil temperature decreases after opening fan and cooling rate increased.

oil immersed transformer; air cooling; oil temperature; fiber Bragg grating(FBG) temperature sensor

2015—11—09

國家自然科學基金資助項目(51567013)

TP 212

A

1000—9787(2016)08—0027—03

梁仕斌(1974-),男,四川內江人,高級工程師,主要從事互感器試驗與研究工作。

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)08—0027—03