基于電磁感應的變壓器油加熱設備設計與研究

張耘溢，劉 博，楊 鑫，劉 焱，胡 錕，張 磊，張佳偉，曾翔君

(1.國網寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750001；2.銀川中節能聯合電力有限公司，寧夏 銀川 750001； 3.西安交通大學，陜西 西安 710049)

大型油浸式變壓器是電力系統極為重要的設備，變壓器在存放、安裝和運行過程中由于受潮、老化等原因導致絕緣油的含水量增加，嚴重影響其壽命和可靠性[1]。因此變壓器在運行和檢修過程中需要對絕緣油進行加熱干燥處理。目前，大型油浸式變壓器主要采用濾油機熱油真空干燥法進行加熱和干燥[2]，加熱方式主要有電阻內熱式和電阻外熱式[3]兩種。電阻內熱式的熱源與變壓器油直接接觸，加熱效率高，但加熱面積小容易導致局部油溫過高；電阻外熱式熱源不與變壓器油直接接觸，不會出現局部過熱的情況，但熱阻高、加熱效率低[4]。針對目前變熱器油加熱過程中存在的問題，本文設計了一種基于電磁感應的變壓器油加熱設備，該加熱設備主要由電磁線圈、功率電路、控制電路以及加熱油管組成。功率電路在控制電路的作用下，將工頻380 V交流電變換成高頻交流電，高頻交流電流經纏繞在加熱油管表面的電磁線圈產生交變磁場，加熱油管內部產生渦流，利用渦流效應使鐵質管道發熱，從而實現加熱變壓器油的目的。由于管壁和變壓器油直接接觸，因此熱阻很低，加熱效率高。本設備在加熱過程中，金屬管壁發熱而電磁線圈基本不發熱，設備可靠性得到大大提高。控制電路對變壓器油溫度進行實時監測，可有效保證油溫得到準確控制。

根據上述分析，本文利用ANSYS MAXWELL電磁場有限元仿真軟件建立了電磁線圈渦流場數值模型，推導了電磁線圈電感值與匝數之間的函數關系，觀察了加熱油管渦流密度分布狀況；搭建了變壓器油加熱設備實驗平臺，分析了加熱設備輸出功率隨工作頻率及溫度的變化關系。

1 加熱油管模型的建立與分析

1.1 加熱油管的確定

本加熱設備的功率電路工作在諧振狀態時，輸出功率達到最大，利用鐵質油管的渦流效應達到加熱變壓器油的目的。諧振電容的電氣參數已知，本節主要對加熱油管及纏繞在油管表面的電磁線圈(見圖1)進行建模分析。

圖1 加熱油管及電磁線圈示意圖

溫度較低的變壓器油流經溫度較高的油管被加熱，對于管內換熱來說，在相同的流速和功率下，換熱面積越大，油管壁面溫度越低，由于變壓器油在加熱過程有溫度限制，因此油管的加熱面積應大一些。但加熱設備的空間有限，因此不能通過增大油管直徑的方法來增大加熱面積，而是應該選擇小管徑的鋼管作為加熱油管，并通過增加油管長度來增大加熱面積，因此選擇4根長度為1 m、管徑為DN25(外徑34 mm，壁厚3 mm)的鋼管作為本設備的加熱油管。

本設備的加熱油管為20#低碳鋼，鐵的低電阻率可以形成較大的感應渦流，從而減少功率損失。管道之間采用金屬軟管串聯連接。加熱區域為直管道部分，直管道由里到外分別是鐵質油管、保溫層以及電磁線圈。

1.2 電磁線圈模型的建立與分析

本設備將諧振電容和繞線在加熱油管表面的電磁線圈串聯作為功率電路的等效負載(以下簡稱等效負載)，開機加熱時，功率電路在控制電路的作用下，輸出高頻交流電的頻率與等效負載的固有諧振頻率相等，使諧振電容和電磁線圈工作在諧振狀態，加熱設備輸出功率達到最大。若要確保諧振電容和電磁線圈工作在諧振狀態，諧振電容的相關電氣參數已知，確定電磁線圈的電氣參數顯得至關重要。

本文利用ANSYS MAXWELL建立電磁線圈的渦流場數值模型。電磁線圈采用2.5 mm2的銅導線繞制而成，每根加熱油管纏繞260匝，4根加熱油管共計纏繞1 040匝線圈。當油管過長、線圈匝數過多時，模型建立困難，ANSYS MAXWELL仿真時間過長，因此本文選取4匝至30匝線圈建立3D仿真模型，加熱油管3D模型如圖2(a)所示，通過局部建模推導出4根加熱油管纏繞1 040匝線圈時的相關電氣參數。電磁線圈自感值隨匝數的變化趨勢如圖2(b)所示。

圖2 電磁線圈模型

由局部建模推導出電磁線圈自感值與匝數之間的函數關系式為

L=0.005 3n2+0.348 8n-0.206 6

根據上式可知，當匝數n為260匝時，此時單根油管電磁線圈的自感值為448.761 4 μH，四根加熱油管電磁線圈自感值為1 795.045 6 μH，加熱油管安裝距離為14 mm，忽略互感的影響，當諧振電容取2 μF時，等效負載的固有諧振頻率為2.66 kHz。

高頻交流電流經纏繞在加熱油管表面的電磁線圈產生交變磁場，加熱油管內部產生渦流。激勵源電流頻率設為2.66 kHz，油管周圍空間磁場分布如圖3所示，油管截面渦流分布如圖4所示，在2.66 kHz電流源的激勵下，油管周圍會感應出相應的磁場，管壁趨膚效應并不明顯，管壁內部渦流密度分布均勻，渦流方向相同，渦流效應可將流經油管內部的變壓器油均勻加熱。

圖3 油管周圍空間磁場分布圖

圖4 截面渦流

2 加熱設備與控制策略研究

根據上文分析研究，本設備的加熱油管由4根直管道串聯組成，每根直管道長1 m，纏繞260匝線圈，4根直管道共計纏繞1 040匝線圈，諧振電容取2 μF，本加熱設備等效負載的固有諧振頻率為2.66 kHz。本節主要討論基于等效負載設計研究電磁感應變壓器油加熱設備工作電路及其控制策略。

2.1 加熱設備工作電路設計與研究

工作電路為本加熱設備的核心部分，加熱設備工作電路如圖5所示，主要包括以下部分：DSP控制器、功率電路、隔離電路、諧振電容、加熱油管、溫度傳感器、保護系統以及通信系統。

圖5 加熱設備工作電路圖

本加熱設備的功率電路采用三相橋式不可控整流電路對380 V工頻交流電進行整流，采用單相全橋逆變電路將直流變換成高頻交流電。DSP控制器生成的PWM波控制信號經隔離電路以后驅動單相全橋逆變電路工作。將諧振電容和繞繞在加熱油管表面的電磁線圈串聯作為功率電路的等效負載，開機加熱時，功率電路在DSP控制器的作用下，輸出高頻交流電的頻率與等效負載的固有諧振頻率相等，使諧振電容和電磁線圈工作在諧振狀態，加熱設備輸出功率達到最大。

本加熱設備采用溫度傳感器實時監測溫度。將電壓傳感器并聯在諧振電容的兩端，將電流傳感器串聯在等效負載回路中，將采集到的電壓電流值傳送到DSP控制器中，若電壓電流值超過設定的上限值，DSP控制器將采取保護措施，將加熱設備輸出功率調為零。DSP控制器通過光纖接收器接收來自上位機發送的變壓器油期望溫度值，并將變壓器油實際溫度值、電壓電流值以及當前功率值等信號通過光纖發送器傳輸到上位機中以供顯示監測。

本加熱設備具有極強的擴展性，根據工作現場實際需求，可將若干個加熱設備級聯使用，以達到成倍增加輸出功率的目的。

2.2 溫度保護控制策略研究

本加熱設備的單相全橋逆變電路的兩個橋臂各產生一路極性相反、相位相差90°、占空比為50%的方波電壓，采用移相方式調節加熱設備的輸出功率。采用K型熱電偶作為加熱設備的溫度傳感器，將K型熱電偶分別安裝在加熱油管管壁外側以及油桶內部。

溫度保護控制策略流程如圖6所示，開機啟動加熱設備，DSP控制器讀取上位機設定的變壓器油期望溫度值tH，然后讀取K型熱電偶傳來的溫度值，并將管壁最高溫度作為實時溫度tL進行控制，DSP控制器根據變壓器油期望溫度值tH和實際溫度值tL的差值Δt，通過PID調節確定移相角δ的大小；當變壓器油實際溫度值tL和期望溫度值tH相差較大時，移相角δ為零，以最大輸出功率加熱；當變壓器油實際溫度值tL不斷逼近期望溫度值tH時，移相角δ逐漸增大，輸出功率隨之減小直至為零。

圖6 溫度保護控制策略流程圖

3 實驗結果與討論

3.1 加熱設備輸出功率與工作頻率特性分析

為了驗證電磁線圈渦流場數值模型的準確性以及測試本加熱設備的工作性能，本文搭建了變壓器油加熱設備模擬實驗平臺。

實驗過程中，變壓器油由油泵驅動循環，油的流量由流量計進行監測。加熱設備輸出功率隨工作頻率變化關系如圖7所示，當輸出側工作頻率與等效負載的固有諧振頻率相等，加熱設備輸出功率達到最大，本加熱設備最大輸出功率為7.45 kW。輸出側工作頻率低于或高于等效負載的固有諧振頻率時，加熱設備輸出功率均有所下降，且工作頻率偏離等效負載的固有諧振頻率越大，輸出功率越小。

圖7 輸出功率隨工作頻率變化關系

本加熱設備輸入側為工頻380 V三相交流電，輸出側工作波形如圖8所示，為呈諧振狀態的方波電壓和類正弦波電流。本實驗中諧振電容取2 μF，此時加熱設備輸出側電壓電流呈諧振狀態，且工作頻率為2.5 kHz，諧振頻率與第一章仿真計算得到的等效負載固有諧振頻率接近。

圖8 加熱設備輸出側電壓電流波形圖

3.2 加熱設備輸出功率與管壁最高溫度特性分析

本加熱設備最大輸出功率為7.45 kW，油桶內的變壓器油從室溫20 ℃開始被加熱。為防油品發生變質，整個加熱過程中管壁最高溫度不超過70 ℃。

加熱設備輸出功率隨管壁最高溫度變化關系如圖9所示，當管壁最高溫度低于65 ℃時，加熱設備以最大輸出功率7.45 kW進行工作；當管壁最高溫度高于65 ℃時，DSP控制器啟動溫度保護措施，加熱設備的輸出功率隨溫度的升高而不斷減小，直至為零。

圖9 加熱設備輸出功率隨油溫變化關系

3.3 溫度與加熱時間特性分析

本實驗中，共計加熱KI45X型變壓器油100 L，加熱過程中，變壓器油流量設定為2.5 m3/h，平均1.8 min記錄一次實驗數據。

溫度隨加熱時間變化如圖10所示，開機加熱5 min內，管壁最高溫度即可上升至65 ℃附近，此時溫度保護措施發生作用，管壁最高溫度最終穩定在67 ℃左右；油桶內油溫隨加熱時間線性升高，最終穩定在62 ℃左右。

實驗過程中，35 min即可將100 L的 KI45X型變壓器油從20 ℃加熱并穩定至62 ℃，實驗結果表明，本加熱設備油管內部換熱特性良好，油管能夠將流經內部的變壓器油進行可靠加熱，而且能夠準確控制油溫，不會造成油品變質。

4 結 語

本文建立了電磁線圈的渦流場數值模型，設計了加熱設備工作電路及其溫度保護控制策略，搭建了變壓器油加熱設備模擬實驗平臺，并對實驗結果進行了分析，得到如下結論：

(1)利用ANSYS MAXWELL局部建模推導出當匝數較多時電磁線圈的數值模型，諧振電容取2 μF時，構成由電磁線圈和諧振電容組成的固有諧振頻率為2.66 kHz的等效負載。

(2)針對固有諧振頻率為2.66 kHz的等效負載設計加熱設備的工作電路，加熱設備工作波形為呈諧振狀態的2.5 kHz方波電壓和類正弦波電流，實驗結果與建模仿真接近。

(3)加熱設備最大輸出功率為7.45 kW，溫度保護控制策略能夠準確控制變壓器油加熱溫度，35 min即可將100 L的 KI45X型變壓器油從20 ℃加熱并穩定至62 ℃，可有效預防因溫度過高導致變壓器油品變質，與現有設備相比本加熱設備具有升溫速度快、加熱效果均勻和溫度控制準確等優點。