隔爆型干式變壓器的散熱優化及過載能力分析

趙小龍

（同煤浙能麻家梁煤業有限責任公司信息中心， 山西 朔州 036000）

引言

干式變壓器因容量大、效率高、負載高、適應能力強等優點被煤礦企業大量采用作為井下的變電設備[1]，但在實際使用中，礦用隔爆型變壓器存在占用空間大、過載能力低等問題，因此必須對礦用隔爆型干式變壓器進行散熱優化，提高其熱交換率，增強散熱能力，提高變壓器的可靠性和穩定性，為煤礦安全生產提供保障[2]。

1 礦用隔爆型干式變壓器的散熱過程

目前，煤礦井下采用大隔爆型干式變壓器采用Nomex絕緣紙和浸漬保證變壓器的絕緣性能。變壓器的整體其實是內置于一個具有隔爆能力的密閉金屬箱體內，熱量可以通過熱傳導、對流和輻射三種方式進行傳遞。箱體內部的鐵芯與高低壓繞組會因為工作時存在鐵損等而產生熱量，這些熱量首先通過金屬導熱傳遞到鐵芯和繞組的表面，然后依靠對流和輻射作用將熱量傳遞到箱體內的空氣中，箱體內的熱空氣通過熱傳導、對流和輻射三種方式通過箱體傳遞到巷內的空氣中。

2 礦用隔爆型干式變壓器散熱優化方案

根據熱力學原理，熱量的傳遞有熱傳導、對流和輻射三種方式。因此優化方案可以從增強熱量的傳遞的或增多熱量的途徑考慮[3]。考慮到隔爆型干式變壓器，可進行如下改進，以增強變壓器的散熱能力。

1）在變壓器箱體內的底部安裝一個軸流式冷卻風扇，風扇可以給鐵芯和繞組提供一個向上的風流，增強鐵芯和繞組與箱內空氣的熱交換，保證在變壓器運行時鐵芯和繞組的溫度不會過高，風扇的電源由防爆開關內的電源變壓器提供。在箱體上增設一個可拆卸的鋼化玻璃板，便于檢修人員對變壓器內部進行檢查檢修。

2）在變壓器的防爆開關內增加一個溫度測量及控制系統。在鐵圈熱點上設置一個熱敏電阻，通過該電阻對繞組的溫度進行監測，當繞組的溫度過高時，控制系統就會控制風機啟動或增大轉速。該系統還可根據變壓器的溫度變化發出風機停止、報警和跳閘等指令。

3）在箱體內部表面波谷或波峰上通過焊接安裝上尺寸為Φ20 mm的高壓金屬管，均勻地在內壁上焊接。留有1個進水口和1個出水口。進水口通過高壓管路與井下的靜壓水管連接，出水口也通過另一根高壓水管與靜壓水管連接。溫度較低的靜壓水從靜壓水管中依次流經高壓水管、散熱金屬管。箱體內的熱空氣會通過熱傳導、對流和輻射經過金屬管傳遞到管內的水中。金屬管內水的溫度會升高，但是由于水處于流動狀態，所以高溫度的水會流出金屬管，較低溫度的水會補充進來。如此循環，不僅避免了箱體內溫度的升高，還解決了箱體處于回風流中會向巷道中散發熱量，導致風流溫度升高的問題。

3 礦用隔爆型干式變壓器性能分析

3.1 過載能力

煤礦井下常用的H級絕緣干式變壓器的正常工作的最高溫度為175℃，在采用自然循環時的內部繞組溫升為80℃，變壓器箱體的溫升為45℃。變壓器繞組、箱體的溫升計算公式分別為：

變壓器繞組溫升計算公式：

式中：T1為變壓器繞組的溫升，℃；k為熱點平均溫度系數；Ta為空氣自然循環時繞組的溫升，℃；μ為負載系數。

變壓器箱體的溫升計算公式；

式中：T2為變壓器箱體的溫升，℃；Tb為空氣自然循環時箱體的溫升，℃；ε為額定容量運行倍數。

則繞組的熱點溫度計算公式為：

式中：T為繞組的熱點溫度，℃；Tp為環境溫度，℃，取20℃。

通過比較繞組的熱點溫度與變壓器的允許溫度（175℃），可以判斷改進后的隔爆型干式變壓器的過載能力。

1）當變壓器以1.5倍的額定容量運行時繞組的溫升 T1=1.36×80×1.15=125.1℃；箱體的溫升T2=45×1.5=67.5℃；繞組的熱點溫度T=20+125.1+67.5=212.6℃＞175℃。因此，當變壓器以1.5倍的額定容量運行時，繞組會溫度過高。

2）當變壓器以1.4倍的額定容量運行時繞組的溫升T1=1.36×80×1=108.8℃；箱體的溫升T2=45×1.4=63℃；繞組的熱點溫度T=20+108.8+63=191.8℃＞175℃。因此，當變壓器以1.4倍的額定容量運行時，繞組會溫度過高。

3）當變壓器以1.3倍的額定容量運行時繞組的溫升 T1=1.36×80×0.862=93.8℃；箱體的溫升T2=45×1.3=58.5℃；繞組的熱點溫度T=20+93.8+58.5=172.3℃＜175℃。因此，當變壓器以1.3倍的額定容量運行時，繞組的溫度處于安全溫度范圍內。根據計算結果，當環境溫度為20℃時，改進后的變壓器可以超過容量30%安全運行。

3.2 在額定容量下溫升

當變壓器以額定容量運行時，經過散熱改進的變壓器溫升情況為：

變壓器繞組溫升計算公式同式（1）。

變壓器箱體的溫升計算公式；

則繞組的熱點溫度計算公式同式（3）

當變壓器以額定容量運行時繞組的溫升T1=1.36×80×0.51=55.5℃；箱體的溫升T2=45℃；繞組的熱點溫度T=20+55.5+45=120.5℃。相較于改進前變壓器在工作時繞組的溫度（161℃），經過散熱改進的變壓器在工作時的溫度降低了40.5℃，有效延長了變壓器各部件的使用壽命。

3.3 對比分析

某礦的2 500 kVA、6 kV的變壓器在進行散熱改進后，經現場實測和理論計算得到變壓器兩種散熱方式的相關性能表，如表1所示。由表中可知，經過改進后的變壓器可穩定工作的容量提高到了3 250 kVA。而且變壓器的體積得到控制，一方面減小了在巷道中占用的空間，另一方面可以減少因拉移變壓器對巷道進行擴建所需的人力、物力和時間，提高了生產效率。

表1 變壓器兩種散熱方式的相關性能對比表

4 結論

對隔爆型干式變壓器在箱體底部加裝散熱風扇和箱體內壁散熱水管，以增強變壓器的散熱速率，這種風冷與水冷結合的方式可以使變壓器在超出額定容量30%的負荷下穩定運行。在變壓器內加裝一個溫度測量及控制系統，不僅可以對變壓器的工作溫度進行監控，還可根據繞組的溫度調整散熱風扇的啟停，避免電能的損失。經過改進的變壓器工作時的溫度降低了40.5℃，體積結構也得到了縮小，可靠性與穩定性得到了提高。