一類強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷變壓器冷卻系統(tǒng)有限元三維建模

侯 瑞，安 東，趙建利

（1.內(nèi)蒙古電力集團(tuán)綜合能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

目前，強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷卻方式在容量較大的變壓器冷卻系統(tǒng)中被廣泛采用。而變壓器冷卻系統(tǒng)溫升是衡量變壓器熱特性的重要參考，溫升過高會使絕緣材料加速老化，降低絕緣性能，縮短使用壽命，進(jìn)而影響電力變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，準(zhǔn)確定量計(jì)算變壓器冷卻系統(tǒng)溫升分布并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行變壓器設(shè)計(jì)是非常必要的。目前，油浸式變壓器冷卻系統(tǒng)溫升計(jì)算方法主要包括經(jīng)驗(yàn)公式法[1]、[7]、熱路模型法[2]和數(shù)值模擬法[3-6]。經(jīng)驗(yàn)公式法與熱路模型法，雖然能夠較為快速地獲得變壓器冷卻系統(tǒng)溫升，但是這兩種方法均無法給出變壓器內(nèi)部油流速度及溫度場分布，存在一定的局限性。基于流體力學(xué)和傳熱學(xué)方程的數(shù)值模擬法，可通過建立變壓器冷卻系統(tǒng)三維實(shí)體模型進(jìn)行溫度場求解分析。基于此，文中在對變壓器冷卻系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，對一類強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷變壓器冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了有限元三維建模。

1 強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷變壓器冷卻系統(tǒng)分析及劃分

基于流體網(wǎng)絡(luò)理論，強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷變壓器冷卻系統(tǒng)包括冷卻設(shè)備（冷卻器及散熱器）、導(dǎo)油系統(tǒng)（進(jìn)油管路及儲油管路）和繞組區(qū)域冷卻油路，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可以看出，強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷變壓器冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包含了多個(gè)子系統(tǒng)的串聯(lián)和并聯(lián)。

圖1 強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷變壓器冷卻系統(tǒng)劃分示意圖

由于強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷變壓器冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算模型非常復(fù)雜，計(jì)算量非常大。目前，計(jì)算機(jī)的硬件水平很難對于變壓器冷卻系統(tǒng)進(jìn)行三維仿真計(jì)算，因此需要將冷卻系統(tǒng)整體計(jì)算通過流體網(wǎng)絡(luò)理論劃分為幾個(gè)部分進(jìn)行有限體積計(jì)算。

結(jié)合圖1所示冷卻系統(tǒng)劃分，根據(jù)強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷變壓器整體冷卻油流系統(tǒng)分解原則，強(qiáng)油風(fēng)冷卻系統(tǒng)中油流壓力損失集中于器身、導(dǎo)油盒、冷卻器中，可忽略導(dǎo)油管的壓力損失量。因此，圖2所示強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷變壓器整體冷卻油流系統(tǒng)可簡化分為強(qiáng)油風(fēng)冷散熱器系統(tǒng)、入口管道配流系統(tǒng)、主副導(dǎo)油區(qū)繞組系統(tǒng)等油路流阻的串聯(lián)，如圖3所示。其中，強(qiáng)油導(dǎo)向冷卻系統(tǒng)的油流路徑包括：冷卻器—油箱下部進(jìn)油管道（油箱導(dǎo)油盒）—繞組區(qū)域油道—油箱上部出油管道（A路徑）；冷卻器—油箱下部進(jìn)油管道（夾件、箱側(cè)導(dǎo)油）—繞組區(qū)域油道—油箱上部出油管道（B路徑）。A路徑中，泵中的流量直接打入器身下部的導(dǎo)油盒中，在導(dǎo)油盒中經(jīng)過流量分配，大量的油流導(dǎo)入高壓與低壓繞組中；B路徑中，在調(diào)壓線圈中主要依靠油的熱升力作為動力進(jìn)行油流導(dǎo)熱。

圖2 強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷變壓器整體結(jié)構(gòu)

圖3 強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷變壓器冷卻油路系統(tǒng)劃分

2 強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷變壓器冷卻系統(tǒng)有限元三維建模

2.1 冷卻油路入口管道配流有限元三維建模

導(dǎo)油盒將冷卻器組中泵排出的油打入繞組中，其入口輸入量為潛油泵輸出油量與壓強(qiáng)，其有限元三維簡化模型如圖4所示。

圖4 油路管道配流系統(tǒng)三維模型

2.2 強(qiáng)油風(fēng)冷散熱器系統(tǒng)有限元三維建模

繞組中的高溫變壓器油經(jīng)過導(dǎo)油管輸入到風(fēng)冷卻器中，每一個(gè)風(fēng)冷卻器為獨(dú)立冷卻的，冷卻參數(shù)較為簡單，因此只需采用數(shù)值分析的方法，通過對進(jìn)出口的流量、壓強(qiáng)差與散熱的功率進(jìn)行數(shù)值迭代，得到穩(wěn)定狀態(tài)下的工作情況。為此，利用廠家所做試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到Y(jié)F5-200散熱器系統(tǒng)壓力損失量與油流量的大小和冷卻的效果分析，其三維模型如圖5所示。

圖5 風(fēng)冷散熱器有限元三維模型

2.3 導(dǎo)油區(qū)繞組系統(tǒng)有限元三維建模

依據(jù)實(shí)際變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)，搭建1:1變壓器導(dǎo)油區(qū)繞組模型。導(dǎo)油區(qū)繞組參數(shù)詳見表1。在強(qiáng)油風(fēng)冷變壓器中，繞組入口處模型如圖6所示，其進(jìn)油口中的油在撐條與墊塊等絕緣結(jié)構(gòu)的影響下在繞組中進(jìn)行油流分配。

表1 導(dǎo)油區(qū)繞組參數(shù)表

圖6 繞組入口處模型

穩(wěn)定線圈采用無氧銅導(dǎo)線，采用雙螺旋繞制，共49匝，加上出頭處多出的兩段共100段，有99個(gè)4.5 mm的油道，下線圈端圈高度為27.5 mm，上線圈端圈高度為27.5 mm，上絕緣端圈高度為30 mm，下絕緣端圈高度為70 mm，則穩(wěn)定線圈不壓縮前的高度為1 900.5 mm。油道墊塊的壓縮率選為10%，油道高度縮減4.05 mm，高度偏差在上部端圈中補(bǔ)回，保證整體高度是1 855 mm。穩(wěn)定線圈模型如圖7所示。

圖7 穩(wěn)定線圈三維模型圖

低壓線圈采用單螺旋繞制，共103匝，存在換位，實(shí)際線餅高度會增加，因此模型中線餅數(shù)為106餅，線餅高度13 mm。根據(jù)圖紙所示，分布油道，共有94個(gè)3 mm油道、6個(gè)4.5 mm油道、5個(gè)6 mm油道，下線圈端圈高度為30 mm，上線圈端圈高度為25 mm，上絕緣端圈高度為30 mm，下絕緣端圈高度為67.5 mm，則低壓線圈不壓縮前的高度為1 869.5 mm。油道墊塊的壓縮率選為4%，則3 mm油道高度縮減至2.88 mm，4.5 mm油道高度縮減至4.32 mm，6 mm油道高度縮減至5.76mm。高度偏差在上部端圈中補(bǔ)回，保證整體高度是1 855 mm。另外，建模時(shí)采用加大線餅內(nèi)外徑來模擬繞組內(nèi)外擋油環(huán)。低壓線圈三維模型如圖8所示。

圖8 低壓線圈三維模型圖

高壓線圈采用糾結(jié)連續(xù)式繞制，共84段，線段高度16 mm，根據(jù)圖紙分布油道，其共有60個(gè)4.5 mm油道、18個(gè)6 mm油道、4個(gè)7 mm油道、下線圈端圈高度為30 mm，上線圈端圈高度為25.5 mm，上絕緣端圈高度為29 mm，下絕緣端圈高度為67.5 mm，高壓線圈不壓縮前的高度為1 902 mm。油道墊塊的壓縮率選為10%，則4.5 mm油道高度縮減至4.05mm，6 mm油道高度縮減至5.4 mm，7 mm油道高度縮減至6.3 mm，線圈高度變成1 700.7 mm。高壓線圈三維模型如圖9所示。

圖9 高壓線圈三維模型圖

調(diào)壓線圈采用4螺旋繞制，采用中部進(jìn)線，共60段。由于調(diào)壓線圈存在換位與端部的出線處理，需要上下兩部分各增加4段。換位處采用12 mm油道，共10個(gè)，56個(gè)4 mm油道，中部端圈高度為560 mm，下線圈端圈高度為22 mm，上線圈端圈高度為22 mm，上絕緣端圈高度為60 mm，下絕緣端圈高度為106 mm，則調(diào)壓線圈不壓縮前的高度為1 896 mm。油道墊塊的壓縮率選為10%，則12 mm油道高度縮減至10.8 mm，4 mm油道高度縮減至3.6 mm。調(diào)壓線圈三維模型如圖10所示。

圖10 調(diào)壓線圈三維模型

3 結(jié)語

文中在對強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷變壓器冷卻系統(tǒng)分析及結(jié)構(gòu)劃分的基礎(chǔ)上，充分考慮油道墊塊的壓縮率，創(chuàng)新性地完成了強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷變壓器整體冷卻油流系統(tǒng)中強(qiáng)油風(fēng)冷散熱器系統(tǒng)、入口管道配流系統(tǒng)、主副導(dǎo)油區(qū)繞組系統(tǒng)三個(gè)部份的有限元三維建模。