太陽(yáng)輻射對(duì)變壓器繞組熱點(diǎn)溫度的影響

趙振剛 劉 暢 張長(zhǎng)勝

（昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，變壓器在電網(wǎng)系統(tǒng)中的比重越來(lái)越大，變壓器的安全運(yùn)行變得十分重要［1］。昆明市地處我國(guó)西南方，每年4月用電需求量大，變壓器負(fù)荷往往較大，且同時(shí)期處于一年之中太陽(yáng)輻射最為強(qiáng)烈的干季［2］，有可能導(dǎo)致受太陽(yáng)直射的變壓器繞組的熱點(diǎn)溫度過(guò)高，進(jìn)而影響變壓器絕緣系統(tǒng)的壽命［3］。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)者不僅采用公式計(jì)算得到熱點(diǎn)溫度，而且建立溫度分布模型來(lái)探究變壓器溫升的情況，但這些研究大都沒(méi)有考慮外部熱源對(duì)內(nèi)部溫度的影響，一般都只考慮到環(huán)境溫度［4］。簡(jiǎn)化的外部環(huán)境比較適用于室內(nèi)變壓器、太陽(yáng)輻射不強(qiáng)且變化不大的區(qū)域，但在昆明市這樣太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈的地區(qū)，忽略外部熱源的影響會(huì)導(dǎo)致溫度計(jì)算模型不夠準(zhǔn)確。

筆者依據(jù)昆明氣象局觀測(cè)到的太陽(yáng)輻射量，建立變壓器溫度場(chǎng)計(jì)算模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式比較太陽(yáng)輻射對(duì)變壓器繞組溫度分布的影響。

1 變壓器的熱源和熱量傳遞

變壓器內(nèi)部熱源主要為繞組產(chǎn)生的電阻損耗、鐵芯產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗。 仿真中的熱源只考慮繞組與鐵芯的負(fù)載損耗PL和空載損耗PC，則總損耗PT的計(jì)算式為：

油浸式變壓器運(yùn)行時(shí)，鐵芯和繞組作為內(nèi)部熱源產(chǎn)生損耗并將熱量傳遞到冷卻介質(zhì)變壓器油中，在熱傳遞的過(guò)程中，熱量會(huì)以熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流為主、熱輻射為輔的方式傳遞。 在變壓器內(nèi)部進(jìn)行熱交換時(shí)，鐵芯與繞組溫度迅速升高，將熱量傳遞至表面，與變壓器油之間產(chǎn)生溫差，并以熱對(duì)流的形式向變壓器油傳遞熱量。 變壓器油的熱量一方面通過(guò)箱壁以熱輻射的方式直接向空氣傳遞少量熱量，另一方面變壓器油流經(jīng)散熱器進(jìn)行換熱，冷卻后從進(jìn)油口重新進(jìn)入油箱，形成外部油循環(huán)，通過(guò)散熱片和油箱壁與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，將大部分的熱量傳遞至空氣中。

外部熱源即通過(guò)太陽(yáng)輻射輸入的熱量，會(huì)快速提高變壓器表面的溫度，在油箱內(nèi)部會(huì)與變壓器油進(jìn)行對(duì)流換熱，在外部與空氣對(duì)流和輻射進(jìn)行散熱。 當(dāng)油流速度穩(wěn)定后，變壓器內(nèi)部達(dá)到熱平衡狀態(tài)。

油浸式變壓器熱量傳遞途徑如圖1所示。

圖1 變壓器熱量傳遞途徑示意圖

2 仿真模型的建立和測(cè)溫實(shí)驗(yàn)

以云南某公司生產(chǎn)的10 000kVA、35kV油浸式變壓器為研究對(duì)象， 運(yùn)用流體力學(xué)仿真軟件ANSYS CFX對(duì)變壓器進(jìn)行流固耦合仿真計(jì)算，通過(guò)對(duì)變壓器進(jìn)行室內(nèi)直接測(cè)溫實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證仿真模型的有效性。

以該型號(hào)變壓器的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行三維建模，根據(jù)鐵芯和繞組實(shí)際尺寸將鐵芯定義為圓柱體，低壓繞組圍在鐵芯外面處于鐵芯和高壓繞組之間，油箱和絕緣紙簡(jiǎn)化為無(wú)厚度面。

變壓器繞組區(qū)域的結(jié)構(gòu)和溫度分布如圖2所示。

圖2 變壓器繞組區(qū)域結(jié)構(gòu)和溫度分布

圖3 變壓器測(cè)溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

為了驗(yàn)證仿真模型的有效性，針對(duì)該油浸式變壓器進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)（圖3），將光纖Bragg光柵溫度傳感器安裝在繞組油道的墊塊中以便精確測(cè)量繞組溫升，水平墊塊安裝在測(cè)點(diǎn)位置墊起以確保繞組散熱。 傳感器布設(shè)在墊塊內(nèi)并留出傳感器尾纖出口。 從上至下在繞組中共布設(shè)了5支溫度傳感器。

實(shí)驗(yàn)對(duì)不同高度的繞組進(jìn)行了溫度檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。

由于仿真計(jì)算的參數(shù)設(shè)置與實(shí)際變壓器所處環(huán)境有一定差距，以實(shí)際變壓器參數(shù)為模型的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在±2K的誤差， 并且仿真得到的繞組溫度整體分布趨勢(shì)與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，證明了該模型的有效性。

表1 繞組溫升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)

3 考慮太陽(yáng)輻射的仿真分析

運(yùn)行中的電力變壓器長(zhǎng)期暴露在室外，受到由太陽(yáng)輻射等帶來(lái)的季節(jié)性溫度變化以及局部溫差的影響［5］。昆明市坐落在云貴高原中部，屬于低緯度高原季風(fēng)氣候，日照時(shí)間長(zhǎng)，根據(jù)昆明市1993～2016年各月太陽(yáng)輻射量變化， 太陽(yáng)輻射量最多出現(xiàn)在4月， 達(dá)到604.75MJ/m2， 之后慢慢減小；12 月 最 低， 只 有361.01MJ/m2， 二 者 相 差243.74MJ/m2，因此有必要在變壓器熱點(diǎn)計(jì)算模型中考慮熱輻射的影響， 從而提高模型的預(yù)測(cè)精度。

到達(dá)變壓器表面的太陽(yáng)輻射功率是一個(gè)變化量，隨季節(jié)和時(shí)間的變化而變化，并且太陽(yáng)的輻射角度和輻射面也在不斷變化。 對(duì)環(huán)境因素做簡(jiǎn)化， 假設(shè)變壓器處于正午12點(diǎn)太陽(yáng)直射下，太陽(yáng)輻射的表達(dá)式為：

其中，Pt為到達(dá)變壓器表面的輻射功率，ε為輻射系數(shù)，A為變壓器輻射吸收面的面積，Ps為正午時(shí)分太陽(yáng)輻射功率。

有效輻射面積A為變壓器頂部面積（長(zhǎng)（m）×寬（m））。輻射系數(shù)ε取決于表面材料和顏色，其同時(shí)影響輻射被吸收量和發(fā)射量，油箱外表面一般都是較深的顏色， 比較接近于理想化的黑體，同時(shí)相較于外部環(huán)境溫度很高，因此對(duì)于變壓器取值0.95。

以正午時(shí)分太陽(yáng)輻射量最高的4月、 最低的12月和平均水平時(shí)的值為外部熱源進(jìn)行仿真分析，得到不同太陽(yáng)輻射功率對(duì)繞組熱點(diǎn)溫度的影響，如圖4所示。

圖4 不同太陽(yáng)輻射功率下繞組熱點(diǎn)溫度

由圖4可以看出太陽(yáng)輻射功率與熱點(diǎn)溫度成線性關(guān)系，熱點(diǎn)溫度預(yù)測(cè)擬合公式為：

無(wú)太陽(yáng)照射時(shí)不存在因太陽(yáng)輻射效應(yīng)所引起的熱點(diǎn)溫度升高； 當(dāng)加入太陽(yáng)輻射影響之后，有太陽(yáng)輻射模型的熱點(diǎn)溫度較無(wú)太陽(yáng)輻射模型急劇升高，最高可達(dá)347.02K。 這在夏季變壓器熱點(diǎn)溫度本已較高的情況下很容易出現(xiàn)超過(guò)允許溫升的情況，對(duì)油浸式變壓器的絕緣系統(tǒng)構(gòu)成威脅。

在本項(xiàng)目研究的變壓器熱點(diǎn)溫度最大變化為3.92K， 但是如果太陽(yáng)輻射功率繼續(xù)增加會(huì)使熱點(diǎn)溫度變得更高，對(duì)小容量變壓器的絕緣系統(tǒng)影響會(huì)更大。

4 結(jié)束語(yǔ)

在沒(méi)有太陽(yáng)輻射的室內(nèi)，變壓器在額定功率正常運(yùn)行狀態(tài)下繞組熱點(diǎn)溫度為343.1K；在考慮外部輸入太陽(yáng)輻射時(shí)， 當(dāng)太陽(yáng)輻射功率達(dá)到766.54W/m2時(shí)，熱點(diǎn)溫度達(dá)到347.02K，較無(wú)太陽(yáng)輻射時(shí)的熱點(diǎn)溫度高出3.92K。 同時(shí)通過(guò)不同太陽(yáng)輻射功率下的繞組溫度可知， 隨著功率的增加，熱點(diǎn)溫度隨之線性增長(zhǎng)。 熱點(diǎn)溫度的升高將會(huì)影響絕緣系統(tǒng)的環(huán)境，進(jìn)而減少油浸式變壓器的使用壽命，因此太陽(yáng)輻射對(duì)變壓器溫升的影響不可忽視。