談配電變壓器負荷狀態對繞組熱點溫升影響

作者/李燕、孫巧玲，國網山東省電力公司寧津縣供電公司；官清，國網山東省電力公司夏津縣供電公司

談配電變壓器負荷狀態對繞組熱點溫升影響

作者/李燕、孫巧玲，國網山東省電力公司寧津縣供電公司；官清，國網山東省電力公司夏津縣供電公司

使用Gambit能建立出變壓器二維模型，將變壓器二維模型導入到Fluent進行計算，就能對在各種穩態負荷的變壓器繞組熱點溫升進行計算，并研究了階躍負荷和連續沖擊負荷下變壓器繞組熱點溫升特性，以便更好地評估絕緣老化狀態。

配電變壓器；負荷狀態分析；繞組熱點溫升；壓器二維模型；建模；供電企業；連續沖擊負荷

引言

配電變壓器有著絕緣性能強、散熱性能高以及性價比高的特點，因此油浸式變壓器廣泛應用到了電力系統運行中，但是隨著配電變壓器的負荷逐漸增長，發熱冷卻問題也就隨之變得更加嚴重。配電變壓器負荷狀態會直接影響到繞組熱點溫升，并且繞組熱點溫升還會加劇絕緣發生老化的速率，這就會極大減少配電變壓器具有的絕緣性能和壽命。只有對配電變壓器負荷狀態進行全面分析和研究，才能對絕緣老化狀態進行合理評估，對配電變壓器的絕緣壽命進行準確的估計。

1.對自然油循環變壓器建模的分析

■1.1 對自然油循環相關理論的分析

當前，我國電網中使用的配電變壓器主要就是油浸式變壓器，并且百分之八十以上油浸式變壓器使用的冷卻方式為自然油循環冷卻方式。傳統的冷卻方式有著“噪音擾民”、“油流帶電”的問題，因此，當前的大型變壓器也逐漸使用了自然油循環冷卻方式，本文的主要內容就是對自然油循環配電變壓器負荷狀態對繞組熱點溫升影響的分析。

在自然油循環過程中，配電變壓器油的循環過程主要通過對分別放置在配電變壓器加熱器和散熱器中的油進行加熱和散熱，循環驅動力和循環阻力將會影響到自然油循環的進行。熱脹冷縮會影響到油流的進行，隨著密度的變化，就會造成較大的浮力差，熱油上升，冷油降低，驅動油流流動就形成了自然油循環的主要動力；油受到物理構造、油的物理性質和流動速度將會影響油循環過程中的阻力，當油循環中的阻力同驅動油循環的動力相同時，就能達到穩定的自然油循環狀態；如果油循環中的阻力同驅動油循環的動力不相等時，油流的溫度和速度就會發生變化，這種變化就會將循環驅動力與循環阻力逐漸趨于一致，最終達到穩定的自然油循環狀態。

■1.2 對配電變壓器建模的分析

配電變壓器有著結構復雜、三相繞組均勻、三維模型計算量巨大的特點，因此在建模過程中可以將不重要的結構原件放棄，將配電變壓器抽象為簡單的二維軸對稱模型。工作人員還要注意在自然有循環過程中的熱升浮力，熱升浮力會對自然油循環有直接影響。通過Boussinesq模式就能降低收斂速度，在計算過程中使用SIM-PLE方法，差分格式為二階迎風，再進行1000次的迭代，將殘差收斂標準設定為0.00001，外界溫度設定為20攝氏度，就能得出圖1額定負載損耗下溫度場與油流場分布云圖。因為使用了層流模型，所以然油循環變壓器內部溫度場分層現象較為明顯，熱點區域將會集中在繞組端部，此時在變壓器中縱向油道中的油流動的速度就會遠遠大于橫向油道中的油流動的速度，這也保證油流的流動更加充分。繞組熱點溫升將會受到負荷狀態的直接影響，并且油流的流動狀態也會受到繞組在發熱的直接影響，同時油流的流動狀態還會對繞組熱點溫升造成直接的影響，這些因素導致了繞組熱點溫升過程變得非常復雜。

圖1 穩態溫度場與油流場分布云圖

圖2 繞組熱點溫度隨負荷系數變化曲線圖

2.關于配電變壓器負荷狀態對繞組溫升影響的分析

■2.1 對穩態負荷下繞組溫升研究的分析

配電變壓器的負荷狀態具有不確定性，這就造成了配電變壓器在正常運行時會有不同的穩態，在不同穩態下繞組損耗也有非常大的不同。負荷系數發生變化時，負載系數的平方同高低壓繞組的損耗數據呈現正相關的變化；在空載情況下，損耗屬于勵磁損耗，勵磁損耗同負載沒有直接關系，在負載發生變化時也不會發生變化。具有各種負荷系數所對應的繞組熱點溫度如圖2所示。當處于空載損耗狀態時，繞組熱點溫升就會很低；隨著負荷系數變大，繞組熱點溫升速率也將隨之增加。設計人員在對配電變壓器進行設計時會預留一定的裕度，發生短暫的輕過載也不會對配電變壓器的安全運行造成影響，但是隨著負載的增加，就會增加發生繞組絕緣燒毀故障的概率，配電變壓器在這種情況下運行時間過長，還會加劇絕緣老化現象的發生，最終導致繞組絕緣壽命的減少。

■2.2 關于階躍負荷下繞組熱點溫升研究的分析

當配電變壓器運行出現問題或需要檢修時，此時就需要事先準備的備用配電變壓器投入運行，從備用狀態變成負載狀態，發生問題或進行檢修的配電變壓器就會從先前的負載狀態轉變成為空載狀態。在狀態轉換的過程中，組熱點溫升情況與穩態時差別較大，相關人員必須對轉換過程的繞組熱點溫升情況進行充分的研究。

在階躍負荷狀態下，繞組熱點溫升曲線如圖3所示。在階躍負荷開始發生作用時，繞組熱點溫度就會急速增加，一旦熱點溫度達到了一定的數值時，繞組熱點溫度上升速度就會減緩，最終達到較為穩定的狀態；當負荷階躍開始下降時，繞組熱點溫度就會急劇降低，直至熱點溫升降低到一定的數值之后，繞組熱點溫度的下降速度就發有所減緩，最終達到較為穩定的狀態。

圖3 階躍負荷下繞組熱點溫升曲線圖

■2.3 在連續沖擊負荷下對繞組溫升研究的分析

由于負荷具有較強的不確定性，這就會影響變壓器在使用過程中無法達到比較穩定的狀態，一直保持在不斷變化的狀態。在牽引工況過程中，變壓器的負荷狀態會隨著機車的運行狀態的變化發生改變，造成負荷狀態具有連續沖擊性，此時繞組熱點溫升也無法保持比較穩定的狀態來真實表示繞組熱點溫升的狀態，因此，研究人員必須加大對連續沖擊負荷下的繞組熱點溫升的研究力度。繞組熱點的溫度不僅會受到負荷狀態以及負荷連續作用時間的影響，還會受到前期溫度場和油流場的直接影響，工作人員就能使用不同的沖擊間隔來產生不同的溫度場與油流場。

在連續沖擊負荷下繞組熱點溫升曲線如圖4所示，沖擊負荷發生作用時，繞組的溫度就會急速上升，并且由于沖擊負荷發生作用的時間較短，這就造成繞組熱點的溫度無法達到一個比較穩定的狀態；隨著沖擊負荷的降低，繞組熱點溫度的下降速度就會急劇降低。但是沖擊負荷是連續性的，這就會導致繞組熱點溫度的上升速度較為緩慢。除此之外，繞組熱點溫度必須同油流平均溫度保持一個較為穩定的狀態，因此，進行連續沖擊負荷前，使用的油流的溫度只能對繞組熱點溫度的絕對值造成直接影響，但是無法對繞組內部銅油溫差造成較大的影響。

圖4 連續沖擊負荷下繞組熱點溫升曲線圖

3.結束語

綜上所述，繞組熱點溫升會受到變壓器的負荷狀態的直接影響。穩態時不同負荷狀態對應著特定的繞組熱點溫升；階躍負荷時繞組熱點溫升有個快速變化的過程，當變化到一定程度時，變化趨緩，直至趨于穩態；連續沖擊負荷時繞組熱點溫升不僅受負荷狀態影響還受負荷持續作用時間影響。因此，在計算繞組熱點溫升時應結合負荷狀態、負荷持續作用時間、繞組初始溫度等綜合考慮。

隨著我國經濟的飛速發展，人們的生活水平在逐漸上升，人們希望供電公司能提供更加穩定、安全的電能。供電企業只有對配電變壓器負荷狀態對繞組熱點溫升影響進行全面研究，才能提供更加優質的供電服務。

＊ ［1］王永強，馬倫，律方成，蔡定國，等．基于有限差分和有限體積法相結合的油浸式變壓器三維溫度場計算[J].高電壓技術，2014，40（10）：3179-3185.

＊ ［2］姚育成，蔡定國．干式變壓器溫度場數值模擬[J].變壓器，2012，49（8）：31-33

＊ ［3］蘇小平，陳偉根，胡啟元，蔡定國，等．基于解析－數值技術的變壓器繞組溫度分布計算[J].高電壓技術，2014，40（10）：3164-3170