酯液变压器冷却风扇不同布置下的散热特性

1 简介

 变压器热设计的目的是在用户提供的技术规范范围内估算热点温度的高低和位置。因此，变压器热性能的确定是主要对酯油变压器进行工厂见证试验的关键。然而近年来，酯油在变压器上的应用受到了广泛的关注，因此对酯液与矿物油变压器的热性能进行比较是十分必要的。对变压器运行过程中的价值管理也有重要意义。

 一般情况下，油的粘度(mm²/s)、密度(kg/dm³)、比热容(J/kg^oC)和导热系数(W/m^oC)是决定变压器冷却性能的主要热参数。此外，在现场运行期间，外部和内部冷却组件如何协同工作也很重要。由于酯类油比矿物油更具粘性，会导致油的流速降低。在油自然冷却模式下，粘度系数使情况恶化。如果变压器公司有兴趣利用酯液在变电站中环保和提高消防安全方面的优点，然后，变压器制造商在进行热设计时，需要了解变压器用酯液的热特性，以便通过工厂的温升试验，证明酯液变压器能按延长的保证寿命运行。

 本文的目的是估算天然酯液和合成酯液变压器在大气温度以上的热性能参数(油流量、油温升、绕组温升和热点温度)，这是由于散热器上使用12.5/16MVA，132/11kV变压器的冷却风扇布置不同。并与16MVA基础下矿物油的热性能参数进行了比较。此外，基于THNM模型估算了热设计阶段的温度分布及热点温度位置，并与温升试验结果进行了比较。

2 考虑进行热分析的变压器油

 矿物油是从原油中通过不同的蒸馏和精炼方法得到的液态烃分子的混合物，具有石蜡、环烷和芳香族等多种结构。研究人员、变压器制造商和用户在了解矿物油的物理、化学和热特性方面获得了重要的经验。矿物油具有传热性能好、氧化稳定性好、断裂强度高、成本低、适用性广等优点。但矿物油的生物降解性和燃点较低，无法为变电站变压器提供消防安全和环保性能的关键结合。因此，近年来变压器制造商和用户已开始使用酯液填充变压器作为消防安全和生物降解产品。

 天然酯液主要来源于菜籽油、大豆和葵花籽等再生菜籽油。与矿物油相比，它具有非常低的碳足迹和更高的水分饱和度。根据油的粘稠性，天然酯液可以有三种不同的C18脂肪酸基链(甘油主链结合)，并含有两种甚至三种双键化学结构。在一定温度下，天然酯液对以绝缘纸为主的固体绝缘材料的保护时间可达矿物油的5-8倍。由于天然酯液具有独特的吸收绝缘纸水分的能力，有助于延长变压器的使用寿命。合成酯液主要是由酸基反应合成而成。合成酯液在寒冷气候地区是非常有效的解决方案，因为它的倾点比天然酯液低(-56℃)。

 由于酯类油的特性与众所周知的矿物油的特性不同，重要的是要了解酯类油具有足够的和可接受的热特性，而不是在雷电冲击电压和工频耐受电压下的介电强度预测。因此，矿物油、天然酯类油和合成酯类油的热性能随温度的变化都是从不同的油品生产厂家获得的。采用线性分段法定义变压器油的密度、粘度、比热容和导热系数随温度的变化。根据油生产商提供的热特性数据，对12.5/16MVA、132/11kV变压器的几何形状和不同类型的酯液进行了热分析，以估计变压器使用的冷却风扇的最佳位置。

3 变压器中的热量转移

 变压器的传热原理是通过传导、对流和辐射来实现的。变压器内部换热路径如图1所示。

图1 变压器中热量转移路径

这里：

         H₁– 通过绕组和铁心的传导准则  

        H₂– 通过牛皮纸或热改性纸的传导准则 

         H₃– 从导体绝缘到油的对流原理

         H₄– 从油到油箱的对流原理

         H₅– 通过油箱/散热器的对流/辐射原理  

         δ_hs– 热点温度  

         δ_oil– 顶部油温升

         δ_A– 大气温度 

 一般来说，铁心(磁特性)和绕组内部的传热原理主要是由传导过程控制的傅立叶定律，它在本质上是一个线性的基于热导率的铜(大约380 Wm^-1k^-1)，铁心和温差的表面接触热传导。铜导体的导热系数高于热升级的牛皮纸作为导体绝缘(约0.2Wm^-1K^-1)。因此，可以忽略铜导体内部的温度梯度。由于热升级后的牛皮纸在导体上的厚度将非常小(毫米)，因此在纸的导体绝缘上的温度变化通常也被忽略了。 

 油介质内的传热主要是基于对流过程和流体在油中的传导。对流过程通常是一个非常复杂的现象，因为它是基于密度和粘度、油的热阻、被加热表面与冷却液之间的温差等因素，对流换热速率一般用牛顿冷却定律来表示。油中对流的流量也取决于油的粘性。如果油在自然冷却中由于粘性较小而运动较快，则对流换热模式也会较快。由于矿物油具有高粘性，因此不会出现像矿物油无粘性时那样多的对流换热方式。因此，由于使用天然酯液和合成酯液，会减少流体的对流，导致酯液变压器的温度分布高于矿物油变压器。因此，了解变压器热设计阶段的温度分布是变压器制造商的兴趣所在。

 油箱表面到大气的传热是通过传热(空气)的对流原理和辐射原理(油箱向大气辐射热量)进行的。在变压器中，辐射在大多数情况下不会发生，它伴随着对流。变压器油箱的表面向大气散发热量。

4 考虑进行热分析的变压器  

 可靠的热模型对于热设计人员在变压器制造前的设计阶段满足客户的保证值特别有用。为了研究冷却油道内的对流换热，预测热点温值及其位置，需要对变压器进行精确的热建模。本文采用THNM模型预测变压器顶油温升、绕组温升和热点温度，评价变压器的温度分布。

A. 变压器模型

 为了获得更精确的结果，需要详细的变压器几何形状作为热建模的输入参数来计算热性能。用于热模拟的变压器内部主要部件是铁芯和绕组。12.5/16MVA, 132/11kV变压器的低压(LV)，高压(HV)和调压绕组制造成饼式绕组。线饼之间的径向冷却油道(垫块间隔)、轴向油道的厚度(绕组内外直径处)对绕组的散热起着至关重要的作用。本变压器采用高压绕组4.2mm(平均值)的饼间冷却油道，低压绕组2.8mm(平均值)的饼间冷却油道。垂直冷却油道放置在铁心、低压绕组、高压绕组和调压绕组之间，以这样的方式创造一个高效的油流分布，以更好地冷却每个组件。因此，对于给定的油的粘度，根据径向和轴向冷却油道的尺寸以及绕组的几何布置，油从底部流动到顶部。

 热改性纸用于导体绝缘。热改性纸会降低水解效果，增强热阻，降低老化速率。因此，尽管酯液的温升限制较高，但在导体纸绝缘中，变压器的寿命不会受到影响。变压器绕组几何形状，如匝间绝缘、饼间绝缘、径向撑条间隔、轴向冷却油道、相间绝缘、高低压绕组间绝缘、上下端绝缘等，均考虑了纤维素基绝缘(牛皮纸、纸板、木材)经过干燥和浸渍的变压器。

B. 损耗计算

 使用THNM模型对变压器绕组进行热分析的第一步是计算功率损耗(空载和负载损耗)的大小和分布轮廓。变压器运行过程中的温升主要是由于空载损耗(电压相关效应)和负载损耗(电流相关损耗)的综合作用造成的。在运行过程中，变压器本体上的功率损耗标量函数转化为热量，在变压器内部产生热应力。

 变压器铁芯产生的热量(W/m³)是根据铁芯损耗与铁芯体积的比值计算出来的。沿着绕组高度的电阻损耗(焦耳定律)将是均匀的，因为电流均匀地通过绕组。由于径向漏磁场比轴向漏磁场大，而绕组中部漏磁场较小，因此根据导线尺寸，绕组涡流损耗更集中在绕组顶部和底部。因此，绕组顶部和底部的涡流损耗分布并不均匀。在本研究中，基于有限元技术和实验结果计算了绕组涡流损耗和导磁结构中的杂散损耗的复杂性，而并非经验方法，基于16MVA的结果如图2所示。

图2 基于16MVA下绕组中的损耗分布

5 散热器中冷却风扇的布置  

变压器制造商一般有兴趣根据酯液变压器散热器上不同的冷却风扇安装方式来估算热参数，并将热参数结果与矿物油进行比较。各厂家在电力变压器散热器上常用的散热风扇安装配置(图3、图4)分为水平安装(安装在散热器的两侧)和垂直安装(安装在散热器的底部)。

该变压器采用热镀锌散热器，将油箱顶部因功率损耗而产生的热量抽出，并通过外置散热器和冷却风扇将冷却后的油重新循环回油箱底。油箱内安装4个散热器，宽520mm，高2200mm，每个散热器23片。该截面的冷却表面积为2.64m², 50^oC时每个截面的散热面积为851W。采用3相，50Hz, 900RPM, 500W，直径610mm，风量10450m³ /hr冷却风机。r₃和r₄与r₁和r₂之间的距离为150mm。R₂、R₃散热器距离为100mm。冷却风扇安装方式的组合见表1和表2。

图3  4个散热器的不同位置3个散热器上的冷却风扇配置。 

图4  4个散热器的不同位置4个散热器上的冷却风扇配置

6 变压器热分析结果

 矿物油的热运行限值在本文中是根据客户的技术规格来使用的。环境温度最大值为50℃，根据现场环境温度根据客户要求进行考虑。最高油顶温升、绕组平均温升限值分别为50℃、55℃。

表1  4个散热器布置3个冷却风扇

表1  4个散热器布置4个冷却风扇

功率损耗会导致绕组绝缘退化，从而降低导体绝缘的抗拉强度和介电性能。对于变压器设计工程师来说，由于绝缘材料的热老化问题非常重要，因此预测变压器不同线饼或线匝处的温度分布是一个很有意义的问题。因此，在空气自然冷却(AN)和空气强迫冷却(AF)模式下，预测了变压器LV、HV和分接绕组每个线饼内部的匝与匝间的温度分布，如图5所示。从图5中可以看出，由于绕组内部功率损耗分布不均匀(主要是由于绕组涡流损耗)，绕组内部的温度分布并不均匀。酯液的底油温度比矿物油低。同时，在ONAN(矿物油)/ KNAN(酯液)和ONAF(矿物油)/ KNAF(酯液)条件下，酯液的顶油温度高于矿物油。结果表明，酯类油的总体进油流量较低，导致低压绕组和高压绕组的热点温度升高。

在油浸自然冷却模式下，油的流动主要受浮力和热动力学的影响。由于压力系统和热力系统相互连通，因此无需分别考虑，因此在变压器油自然冷却模式下的油流量和传热的预测比油导向绕组更具有挑战性。油体流动、温度分布和热点温度主要受雷诺数(Pr，惯性与粘滞力之比)、普朗特数(Pp，动量与热扩散系数之比)和格拉肖夫数(Pg，惯性与粘滞力之比)的无量纲参数控制。浮力与粘性力的比值)和雷诺数的平方，Pg/Pr2。在油自然冷却模式下，Pg/Pr2是油液流动和温度分布的主导因素，因为它提供了浮力与惯性力的比值。由于在油自然冷却模式下，油流与换热是强耦合的，Pr比Pp对估算绕组和油的油流和温度分布更有影响。

图5  变压器冷却风机水平布置H₅下的温度分布。  

冷却风扇在散热器上的布置

冷却风扇在散热器上的布置

图6 酯液和矿物油的油流量、顶油温度、绕组温升、热点温度因冷却风扇的不同布置而不同

图6为冷却风扇不同布置方式下的酯液和矿物油的油流量、顶油温升、绕组温升和热点温度。图6中，油自然冷却模式下的油流量一般受绕组结构内部的热虹吸压力诱导力(热虹吸力)影响，总压力损失将基于变压器内部的液压回路。天然酯液和合成酯液的流量分布基本一致，均在6.5 ~ 7.3 m3 /hr之间，而矿物油的流量分布较为均匀，通顶冷却管道的流量较大。在酯液中，在相同的液体流动分布下，合成酯液比天然酯液具有更高的流动速率。

顶油温升越低，热性能越好，热点温度越低。酯液的最高油温比矿物油高10%。由于温度分布不均匀，绕组顶部的热点温度一般较大。矿物油、天然酯液和合成酯液的最高温度位于高压绕组的上部(第79饼)。研究发现，在两种冷却模式下，合成酯液变压器油由于具有较高的粘度，其温度高于天然酯液变压器油。天然酯液和合成酯液的区别小于酯液和矿物油的区别。

在油自然冷却模式下，油流入口速度越低，铜损耗越高，导致油流畸变越大，从而导致绕组顶部热点温度较高。因此，增大油流入口速度有助于改善油流分布，避免在绕组底部油流处的油滞留。油的粘度会影响压力降随绕组几何形状的变化，进而影响油流入口速度。如果变压器填充酯液，为了比较酯液与矿物油的性能，应事先估计到油流通过入口速度的降低。

7  试验分析

变压器的热性能可以通过THNM模型的热建模和光纤传感器测量的热运行试验来评估，其中热点温度是最重要的热参数。根据IEC标准，传统的变压器热性能评定主要是依靠厂内温升试验作为型式试验，其中整体温度参数(顶部油温升、在不同的负载条件下，测量了底部油温升和平均绕组温升)与环境温度的关系。变压器的热性能越好，顶油温度越低，绕组温升越低，热点温度越低。为验证THNM结果，对一台12.5/16MVA、132/33kV变压器进行了天然酯液变压器的热运行试验(图7)。表3显示了用天然酯液进行实验验证时使用的冷却风扇不同的安装方式。

实验研究发现，在所有风扇安装方式下，THNM值与实验结果相差在1.5^oC-3^oC之间。在大多数安装方式下，THNM的结果都高于实验数据。在水平布置的实验分析中，配置6的效率高于配置4和配置7，THNM的结果相同。同样，在THNM和实验研究中，结构4的垂直布置均优于结构2和结构3。

图7  12.5/16MVA132/11kV变压器散热扇布置位置(H4)在散热器4侧(R4)  

表3  实验分析的测试配置  

8 冷却风扇的最佳配置

变压器的热性能主要取决于油温和绕组温升；热运行试验温升值越低，热性能越好，达到变压器寿命的保证值。铜导体的机械强度高于固体绝缘(牛皮纸和纸板)和液体绝缘(油)，最高可达几百摄氏度。矿物油在140℃以下不会明显失去绝缘性能，但当温度超过90℃时，牛皮纸的导体绝缘会开始严重恶化。绝缘失效会导致绕组不受控制的过热，导致导体绝缘劣化，最终造成变压器的热失效。因此，使用散热器散热以及散热器上风扇的正确布置是影响变压器寿命的主要因素之一。因此，在对12.5/16 MVA 132/11kV变压器进行热分析的基础上，图8和图9给出了所有散热风扇安装方式组合的散热系数排序。

由图8和图9可知，对于12.5/16MVA 132/11kV变压器，给定的绕组几何形状，给定的散热器配置和给定的变压器绕组功率损耗，使用冷却风扇散热的趋势不会发生变化。

图8  4个散热器布置3个风机的散热结果  

图9  4个散热器布置4个风机的散热结果  

9  结 论

温度分布的预测是热设计阶段利用不同类型的酯液进行变压器应用的主要依据之一。本文采用12.5/16MVA 132/11kV变压器，研究了矿物油、天然酯液和合成酯液三种不同油对油流分布和温度分布的影响。比较了在固定功率损耗条件下，变压器填充酯液和填充矿物油的性能差异。本研究将有助于变压器制造商和电力公司了解酯液变压器散热器的散热风扇不同安装方式下的热性能。利用THNM模型预测油温、绕组温度随油流的分布和热点温度，并将其结果与12.5/16MVA、132/11kV典型电力变压器的实验分析结果进行对比。