變壓器結構參數對其換熱效果的影響研究

李 菁

（晉能控股煤業集團四臺礦，山西 大同 037001）

引言

干式變壓器是礦井供電系統中的重要設備，礦用干式變壓器作為低壓設備的供電電源，具有重量輕、易燃性低、安全性高的特點，并且在使用過程中防塵性好、維護方便，在煤礦井下的環境中具有廣泛的應用[1]。隨著煤礦開采自動化程度的提高，井下作業對電力供應的要求逐漸提高，電力需求及消耗量不斷增加，對變壓器設備的要求也逐漸提高。在干式變壓器的使用過程中，熱應力引起的熱擊穿現象是造成變壓器故障的主要原因，這是由于變壓器的超載或者局部的溫度過高造成的[2]。針對變壓器使用中的溫升問題，采用Fluent 軟件進行有限元建模及分析，通過改變變壓器的結構，優化變壓器的換熱條件，降低變壓器的溫升，從而提高容量[3]，保證煤礦穩定開采的電力需求。

1 變壓器換熱分析模型的建立

在礦井干式變壓器使用過程中，變壓器的熱點溫升會對變壓器的使用壽命及安全性造成嚴重的影響，在變壓器的設計使用中，應盡量降低變壓器的熱點溫度，從而保證使用的安全及穩定。干式變壓器的結構截面為對稱性圓形[4]，取其1/4 截面作為研究對象進行分析。變壓器的結構組成包括鐵芯、低壓繞組、高壓繞組、風機系統以及保護外殼，在繞組之間及繞組與鐵芯之間設置有相應的氣道，從而改善變壓器的散熱條件[5]。

依據礦井開采中使用的某型號的干式變壓器，其低壓繞組在鐵芯及高壓繞組之間，相互之間設置相應的散熱氣道，變壓的結構采用撐條的形式進行固定及支撐，建立變壓器的結構模型如圖1 所示，圖中M、N、P 為三層低壓繞組，X、Y 為兩層高壓繞組[6]，撐條的結構及分布對變壓器繞組的換熱條件具有重要的影響，針對撐條的結構及分布進行建模分析。

圖1 變壓器結構模型

對模型進行數值分析的前處理，將模型分為鐵芯域、低壓繞組域、高壓繞組域、繞組間流體域及繞組外流體域共5 個部分，繞組外流體域采用非結構化網格，其余域采用結構化網格進行網格劃分處理。對網格進行無關性驗證[7]，選取進口壓力為0、進口溫度為293 K，經網格無關性驗證確定模型的網格數量為388 348。

采用Fluent 軟件對變壓器的溫度變化進行分析，由于變壓器的結構復雜，內部的溫度場變化較多，采用RNG 湍流模型，流動介質為空氣[8]。進口域的條件選擇壓力進口，進口壓力為0、壁面溫度為293 K，出口域邊界條件選擇為壓力出口，壓力設置為自由壓力，出口溫度為273 K，溫度為自由邊界溫度，出口湍流定義為湍流強度和水力直徑[9]。

2 變壓器不同撐條結構對換熱效果的影響分析

變壓器的結構中，撐條的數量及結構尺寸對變壓器的結構組成及換熱效果具有重要的影響，針對撐條的影響作用，對不同數量及不同長度的撐條變壓器的溫度變化進行分析。

2.1 改變撐條數量對變壓器換熱效果的影響

在圖1 所示的變壓器結構組成中，在1/4 氣道內分別設置2～6 條不同的撐條，建立變壓器的模型，對其溫度場進行分析。經過分析并進行數據處理，得到變壓器低壓繞組軸向的溫度分布如下頁圖2 所示。從圖2 中可以看出，在變壓器自然對流的工況下，隨著撐條數量n 由2 增加到6 的過程中，低壓繞組軸向溫度分布變化的趨勢保持一致，均呈現出先增加然后下降的趨勢。在撐條數量增加的過程中，變壓器的溫度呈現出逐漸增加的趨勢，這是由于撐條數量的增加，使得氣道內換熱面積減小，從而造成變壓器的換熱效果不佳，使得整體的溫度上升。

圖2 不同撐條數量低壓繞組軸向溫度的對比曲線

在自然對流的工況下，隨著撐條數量的增加，變壓器的換熱效果有所下降，在進行變壓器設計的過程中，應減小撐條的數量[10]，采用較少的撐條數量從而改善變壓器的換熱。同樣較多的撐條數量能夠保持變壓器結構的穩定性，會減小耦合流域的接觸面積，增加空氣流動的阻力，變壓器熱點溫度上升，容易造成熱損傷，應選擇合理的撐條數量。

2.2 改變撐條長度對變壓器換熱效果的影響

在上頁圖1 所示的變壓器結構組成中，在1/4 氣道內分別設置4 條撐條，分析不同撐條的長度對換熱效果的影響。變壓器使用的撐條的結構如圖3 所示，Lc是放置在氣道內的撐條長度，氣道的間距為0.014 m，撐條的寬度為0.006 m，設定撐條的長度分別為0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m 及0.83 m，建立變壓器的模型，對其溫度場進行分析。

圖3 變壓器撐條的長度示意圖

經過分析并進行數據處理，得到變壓器低壓繞組軸向的溫度分布如圖4 所示。從圖4 中可以看出，在變壓器自然對流的工況下，在撐條的長度由0.1 m 增加到0.3 m 的過程中，變壓器低壓繞組軸向溫度的變化趨勢保持不變，撐條長度的增加對繞組底端溫度變化的影響較小，頂端溫度的變化也不大；在撐條的長度由0.3 m 增加到0.83 m 的過程中，低壓繞組的溫度上升較多，變化趨勢保持一致。

圖4 不同撐條長度低壓繞組軸向溫度的對比曲線

撐條的數量一定時，變壓器撐條的長度增加，變壓器的熱點溫度升高，不利于變壓器的換熱；同樣，改變撐條的長度對變壓器結構的穩定性具有一定的影響，應合理選擇撐條的長度，在保證結構穩定的前提下，盡量減小撐條的長度，以提高變壓器的換熱效果。

3 結語

礦用干式變壓器是煤礦開采中使用的重要的電源設備，隨著煤礦開采自動化程度的提高，對變壓器的容量及穩定性提出了更高的要求。變壓器使用過程中的溫升是影響變壓器使用壽命及穩定性的主要問題，針對影響溫升的變壓器撐條結構參數進行分析。對不同撐條數量及撐條長度的變壓器溫升進行建模分析，結果表明，在自然對流的工況下，隨著撐條數量的增加，變壓器溫度整體趨勢保持不變，整體的溫度逐漸升高；隨著撐條長度的增加，變壓器的溫度變化趨勢保持不變，隨著撐條長度變化在0.3 m 以上時，溫度上升的變化較大。撐條的數量及長度較大時，均不利于變壓器的換熱，在保持變壓器結構穩定的前提下，應選擇合理的撐條數量及長度，從而提高變壓器的換熱性，保證變壓器在煤礦開采過程中的使用壽命及穩定性，保證煤礦的穩定開采。