變壓器升高座局部過熱的機(jī)理及分析

　　摘要：本文中作者對(duì)一臺(tái) 63MVA/10.5KV 的產(chǎn)品出現(xiàn)的局部過熱問題從原理上闡明其過熱機(jī)理，結(jié)合仿真驗(yàn)證過熱現(xiàn)象，最后給出改進(jìn)措施，成功通過溫升試驗(yàn)證明改進(jìn)方案的可靠性。

　　鄧如應(yīng); 李林達(dá); 王仁， 變壓器 發(fā)表時(shí)間：2021-09-25

　　關(guān)鍵詞：變壓器;局部過熱;磁熱耦合;渦流;大電流引線

　　1 引言

　　在電力變壓器的設(shè)計(jì)生產(chǎn)中， 溫升問題是必須考慮的，一臺(tái)合格的產(chǎn)品必須滿足溫升限值的要求。對(duì)于大電流產(chǎn)品，其漏磁場(chǎng)的分布更為復(fù)雜，如果漏磁產(chǎn)生的雜損集中在金屬結(jié)構(gòu)件散熱條件不足的區(qū)域，會(huì)造成這些金屬結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)局部過熱問題，影響產(chǎn)品的安全運(yùn)行。

　　研究變壓器的熱點(diǎn)溫升產(chǎn)生的機(jī)理及有效的應(yīng)對(duì)措施對(duì)于變壓器的安全運(yùn)行很有必要。 本文中筆者基于一臺(tái) 63MVA/10.5KV 的變壓器產(chǎn)品， 闡明了其升高座產(chǎn)生過熱現(xiàn)象的機(jī)理， 通過磁熱耦合分析復(fù)現(xiàn)了溫升試驗(yàn)結(jié)果，給出了可行的改進(jìn)方案，并通過溫升試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的有效性， 為大電流變壓器產(chǎn)品升高座的設(shè)計(jì)提供了理論和工程指引。

　　2 故障概述

　　本文分析的產(chǎn)品主要參數(shù)如表 1 所示。 在溫升試驗(yàn)階段， 高壓側(cè)施加電流 3646A， 低壓側(cè)三相短接，試驗(yàn) 6 小時(shí)后，高壓升高座 A 相和 B 相下方的法蘭區(qū)域出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象，如圖 1 所示，溫升熱點(diǎn)結(jié)果見表 2。

　　3 過熱機(jī)理分析

　　該產(chǎn)品高壓側(cè)引線一次電流大， 產(chǎn)生較強(qiáng)的漏磁場(chǎng)，由于升高座區(qū)域采用的是導(dǎo)磁鋼材料，因此引起較大雜散損耗，包括渦流損耗和磁滯損耗，法蘭區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，小特征多，所以容易產(chǎn)生過熱。 由于已知熱點(diǎn)位置在高壓升高座，故建立局部模型進(jìn)行分析，如圖 2 所示。

　　引線周圍的漏磁場(chǎng)是三維開域、 非線性渦流場(chǎng)的求解問題，選定局部模型體積的 4 倍~5 倍作為求解邊界，材料屬性如表 3 所示。

　　3.1 控制方程

　　本文基于 T-Ω 位組的有限元方法進(jìn)行磁場(chǎng)計(jì)算，T 是電流矢量位，Ω 是磁標(biāo)量位。 采用庫倫規(guī)范，引入罰函數(shù)，渦流區(qū)的控制方為： J=塄×T (1) H=T-塄Ω (2)塄× 1 σ ×T- 塄( 1 σ 塄 塄 塄·T) + 鄣鄣t μ(T-塄Ω)=0 (3)塄·μ(T-塄Ω)=0 (4)式中，J 為感應(yīng)渦流密度;H 為磁場(chǎng)強(qiáng)度;σ 為電導(dǎo)率;μ 為磁導(dǎo)率。 3.2 雜散損耗的計(jì)算導(dǎo)磁鋼結(jié)構(gòu)渦流損耗 Pe 為： Pe= V 乙 J 2 σ dv (5)式中，V 為單元體積。導(dǎo)磁鋼板的磁滯損耗 Wh 通常認(rèn)為是磁通密度峰值 Bm 的函數(shù)： Wh= Ne e = 1 ΣWh (e)(Bm (e))ρV(e) (6)式中，Wh (e)為單元磁滯損耗，Bm (e)為單元磁密峰值，ρ 為屏蔽結(jié)構(gòu)密度，V(e)為單元體積，Ne 是單元總數(shù)。

　　該產(chǎn)品在 0 時(shí)刻的磁場(chǎng)密度矢量分布如圖 3 所示， 0 時(shí)刻 B 相相電流相角為 0， 電流大小達(dá)到幅值，A 相相角為 120°，C 相相電流相角為-120°，引線采用三角形接法，根據(jù)相、線電流矢量合成關(guān)系，此時(shí) A、B 相間的磁密達(dá)到幅值， 所以升高座 A、B 及相間導(dǎo)磁鋼區(qū)域漏磁分布集中，強(qiáng)度大。

　　該產(chǎn)品的渦流密度分布如圖 4 所示， 引線周圍的升高座導(dǎo)磁鋼結(jié)構(gòu)渦流密度較大， 而低磁結(jié)構(gòu)渦流密度很小。

　　以上漏磁場(chǎng)及其產(chǎn)生的渦流分布的規(guī)律， 可以印證關(guān)于該產(chǎn)品升高座局部過熱的機(jī)理闡述， 即大電流引線的漏磁場(chǎng)在升高座相間集中導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)的渦流較大，引起過熱。

　　3.3 熱場(chǎng)計(jì)算

　　熱分析過程中，根據(jù)傳熱學(xué)理論：塄·λ塄T=-Q+ρc 鄣T 鄣t (7)式中，T 為溫度;λ 為熱導(dǎo)率;Q 為單位時(shí)間內(nèi)熱源在單位體積中產(chǎn)生的熱量;ρ 為材料密度;c 為比熱容。上式在全局直角坐標(biāo)系中表示為：鄣鄣x (λxx 鄣T 鄣x )+ 鄣鄣y (λyy 鄣T 鄣y )+ 鄣鄣z(mì) (λzz 鄣T 鄣z(mì) )+Q=ρc 鄣T 鄣t (8)變壓器溫升試驗(yàn)結(jié)果是穩(wěn)態(tài)的傳熱性能，忽略溫度對(duì)結(jié)構(gòu)件材料屬性的影響，上式簡(jiǎn)化為：鄣2 T 鄣2 x + 鄣2 T 鄣2 y + 鄣2 T 鄣2 z +Q λ =0 (9)求解邊界： -λ( 鄣T 鄣n )w=h(tw-te) (10)式中，h 為邊界處結(jié)構(gòu)件表面?zhèn)鳠嵯禂?shù);tw 為結(jié)構(gòu)件表面溫度;te 為冷卻介質(zhì)溫度;n 為邊界的外法向矢量。

　　變壓器的溫升可進(jìn)一步表示為： -(λ塄T)·n=q+qc+qr (11)式中，q 為通過邊界的熱量;qc 為對(duì)流換熱的熱量;qr 為輻射的熱通量，分別按式(12)、式(13)計(jì)算。 qc=hc*(T-Te) (12) qr=hr*(T4 -T4 e) (13)式中，hc 是結(jié)構(gòu)件表面對(duì)流換熱系數(shù);hr 是油箱輻射換熱系數(shù)，與變壓器整體換熱相比，油箱的輻射熱量可忽略不記，hr 為 0;Te 是環(huán)境溫度。

　　對(duì)流換熱系數(shù)與結(jié)構(gòu)幾何形狀和材料有關(guān)：hr= Nu·λ l (14)式中，Nu 為努塞爾數(shù)，按式(15)計(jì)算，l 為對(duì)流特征長(zhǎng)度。 Nu=C(G·r Pr)n (15)式中，Gr 為格拉曉夫數(shù)，按式(16)計(jì)算;Pr 為普朗特?cái)?shù);常數(shù) C 和指數(shù) n 的取值如表 4 所示，取值為經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)。

　　式中，α 為冷卻介質(zhì)體積熱膨脹系數(shù);g 為重力加速度;v 為流體運(yùn)動(dòng)粘度。本文利用以上公式計(jì)算得到模型中結(jié)構(gòu)件各表面的對(duì)流換熱系數(shù)如表 5 所示。

　　試驗(yàn)環(huán)境溫度為 27.8℃， 變壓器油面溫度為 73.4℃，仿真得到溫度場(chǎng)分布如圖 5 所示。

　　熱點(diǎn)位于升高座底部法蘭近相間局部區(qū)域，與試驗(yàn)結(jié)果相符。熱點(diǎn)溫度為 117.8℃，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，局部模型的熱點(diǎn)溫升比全模型的熱點(diǎn)溫升小 2K， 所以，實(shí)際溫度為 119.8℃，溫升為 92K，與試驗(yàn)值 91.7K 符合，仿真結(jié)果復(fù)現(xiàn)了試驗(yàn)過熱現(xiàn)象，證明仿真方法的有效性。

　　4 改進(jìn)措施及結(jié)果

　　變壓器防止過熱的措施通常有：(1) 加屏蔽結(jié)構(gòu)，包括電屏和磁屏;(2)改進(jìn)過熱結(jié)構(gòu)，增加散熱性;(3)改用低磁材料。 本文采用第三種方法，將高壓升高座底部及其法蘭改為低磁材料，去掉高壓升高座底部支撐肋板，相間分割漏磁槽，用低磁材料填充，如圖 6 所示，圖中青色部分代表低磁鋼材料。既能削弱升高座的渦流現(xiàn)象， 又能增大相間磁阻，從根本上解決引線電流的漏磁引起的渦流過熱問題。

　　應(yīng)用改進(jìn)措施前后的溫升試驗(yàn)和改善的仿真對(duì)比結(jié)果如圖 7 所示，數(shù)據(jù)對(duì)比見表 7。 改進(jìn)前溫升試驗(yàn)熱點(diǎn)位置分別在 A 相和 B 相，熱點(diǎn)溫升分別為 91.5K 和 91.7K，將三相升高座材料更改為無磁鋼材料后，熱點(diǎn)只存在于 A 相，且降低為 74.7K，熱點(diǎn)溫升仿真值為 72.85K，加上 2K 的局部模型誤差，實(shí)際為 74.85K。 改進(jìn)后的溫升試驗(yàn)熱點(diǎn)位置與仿真有差別，因?yàn)椴捎檬殖质綔厣龗呙鑳x獲取 A 相升高座熱點(diǎn)分布時(shí)，部分區(qū)域被 B 相升高座遮擋，但是并不影響結(jié)果的有效性。 改進(jìn)后的熱點(diǎn)位于 A 相升高座安裝法蘭上，這是因?yàn)榕c升高座筒壁相比，法蘭突出且厚度更大。 從仿真和試驗(yàn)結(jié)果來看，改進(jìn)方案完全滿足鐵件熱點(diǎn)溫升限值要求。

　　5 結(jié)論

　　本文基于實(shí)際變壓器產(chǎn)品的升高座過熱現(xiàn)象，闡述了過熱機(jī)理，分析了變壓器磁場(chǎng)及溫升計(jì)算的原理，通過仿真復(fù)現(xiàn)了試驗(yàn)結(jié)果，給出了應(yīng)對(duì)變壓器升高座局部過熱的方法，并利用試驗(yàn)和仿真驗(yàn)證了方法的有效性。 本文的分析方法及結(jié)論對(duì)于大電流引線引起的變壓器升高座過熱問題具有理論和工程指導(dǎo)意義。