干式电力变压器风机的选型.pdf

第 3 9 卷第2期 2 0 0 2年 2月 多 9 3 r R J 人气 FY J R 孕 石 E 尸 V o l 3 9 F e b r u a ryN o .22 0 0 2 干式电力变压器风机的选型 里 目 1 - 十 王鸿波， 叶时教 ( 上海通用电气广电有限公司。上海 2 0 1 4 0 0 ) 摘要: 通过对三种类型风机特性的比 较， 选出了比较适合干式电 力变 压器冷却的 风机的类型 关键词: 干式变压器; 风机; 选择 中国分类号: T M4 0文献标识码 ; B文章编号: 1 0 0 1 - 8 4 2 5 ( 2 0 0 2 ) 0 2 - 0 0 2 6 - 0 4 前言 当干式电力变压器超铭牌容量运行时， 通过空 气的自然对流及热辐射无法满足其散热要求。因 此， 通常情况下， 生产厂家在干式电力变压器上配置 有风机。 当风机启动时， 通过风机产生的强制空气对 流使热量散发出去， 从而保证变压器的正常运行。 配 风机的干式变压器在超铭牌容量运行时超铭牌容 佗之月书乡 亏之之心 卜 、 之佗之 之心 之心 之佗之八沁2 它 之产 宝之心 之心 心 夕 亏 之产 宝 之2 兮 之/ 兮 e佗 之佗 之佗心戈 戒 少宁 今 兮 迎心 理尸 1乙 写 之门 廿厂 嘴 口 产 常 口 叹 之产 二 r . ; c 6 结论中 长期浸泡与短期浸泡性能变化不大 表现出良 好 ( 1 ) 丙烯酸酷橡胶的耐变压器油性能总体上不耐热油老化性能。 甚理想， 但不同厂 家生产的不同牌号橡胶具有不同( 3 ) 综合考虑丙烯酸酷橡胶的各项力学性能和 的耐变压器油特性。比 较而言， A R - 5 3 L 牌号的丙 烯耐油特性， 丙烯酸醋橡胶不适合长期大面积与 变压 酸酷橡胶具有比 较良 好的耐油性。器油接触而同时又 承受较大应力的密封场合 ( 2 ) 所有牌号的丙烯酸F3 fl 橡胶在高温变压器油 T e s t a n d R e s e a r c h o n T r a n s f o r m e r O il R e s is t iv it y o f A c r y la t e R u b b e r W A N G C a t f e n g 勺C A O Y u a n 矶Y U A N J i a n g a o n g ( L T h e N o . 4 1 I n s t i t u t e o f C o r p o r a t i o n , X i an o f R u b b e r S e a li n g 7 1 0 0 2 5 , the Ch i F o u rt h A c a d e m y o f C h i n a A e ros p a c e S c i e n c e and T e c h n o l o g y Q u a l i t y S u r v e r l l a n c e a n d I n s p e c t i o n C e n t e r P r o d u c t s , Many a n g Ch i n a Na t i o n a l 7 1 2 0 2 3 , C h i n a ) A b s t r a c t : T h e c h a r a c t e r i s t i c s o f a c y l a t e r u b b e r a t h o m e a n d a b r o a d a r e i n t r o d u c e d . T h e a c ryl a t e r u b b e r re s i s t i v i ty t o t r ans f o r m e r o i l a re t e s t e d and re s e a r c h e d d e e p l y . K e y w o r d s : T r a r rs f o r m e r o i l ; A c r y l a t e r u b b e r ; C h a r a c t e r is t i c ; T e s t 收藕日期: 3 0 0 1 - 1 1 - 0 5 作者简介: 王彩凤( 1 9 6 4 - ) . 女 艺研究工作; 曹元礼( 1 9 6 0 - ) . 男 量检验工作 袁江龙( 1 9 7 6 - ) , 男 工艺研究工作 ， 河北唐山人， 中国航天科技集团四院四十一所橡塑公司总工， 主要从事橡胶制品配方及工 ， 陕西佳县人， 国家橡胶密封制品监督检验中心主任， 主要从事橡胶密封制品性能测试及质 ， 陕西蓝田人， 中国肮天科技集团四院四十一所橡塑公司工程师， 主要从事橡胶制品配方及 万方数据 第 2期王鹏波、 叶r 敏: 不式电力变压器风机的选型 量运行能力的大小主要与风机的性能及布置方式 紧密相关。影响变压器超铭牌容量运行能力的因素 主要有: 变压器绕组的热时间常数、 绕组风冷却表 面面积及绕组表面风速。所以干式变压器在运行 时， 希望尽可能多的绕组表面被风吹到， 并且希望 风速尽量大。具体到单台风机 就是希望单台风机 的风量及风速尽量高。但是由于风机的噪声随风速 的增大而迅速增大， 因此受噪声要求的限制， 风机 的风速不可能很大。要满足变压器超铭牌容量运行 能力大巨噪声低的要求， 就要对风机的型式、 数量、 噪声、 风量、 风速等各因素进行综合考虑。下面就从 风机的各项性能的比较中对风机的选型做一些论 述 _ 讨 渡 流 $k,6 m 流 . I y 层流 U曰 产 ， ， 层流底层 图 1 气流速度边界层示意图 2 绕组散热对风机性能的要求 千式电力变压器进行风冷却时， 最有效的方式 是将冷空气从绕组下部向上吹， 使冷空气在经过绕 组表面时将绕组产生的热量吸收。吸收了热量的热 空气在上浮力及风机向上吹力的作用下向上运行， 从而带走绕组产生的热量。下面就从各个角度分析 绕组风冷对风机性能的要求。 2 1对风速的要求 根据对流散热理论， 在散热表面附近存在一个 速度边界薄层， 在此薄层内， 流体速度在壁面的法 线方向上发生剧烈变化， 而在此薄层外， 流体的速 度就几乎为流体的主流速度。实验观察同样发现， 在壁面附近也存在一个温度边界薄层， 在此边界薄 层内， 流体温度在壁面的法线方向上发生剧烈的变 化， 而在此薄层外， 流体的温度梯度几乎为零。 对于 空气来说， 这两个边界薄层的厚度可以认为是相等 的 当气流以一定的速度掠过平板散热面时， 在起 始阶段， 速度边界层很薄， 随二 的增加， 速度边界层 逐渐增厚( 见图1 ) ， 但在某一距离x 以前会一直保 持 层流的性质， 这时的边界层称为层流边界层。层 流边界层的速度分布为抛物线状。自x 处起， 流动 朝着湍流过渡，最终过渡为旺盛湍流。x 由公式 2,.=u- x , / 。 来确定， 其中尺 二 为临界雷诺系数， Z 7 - 为流体的主流速度， 二 为流体的粘性系数。 对掠过平 板的流动, R , 根据来流湍流度及壁面粗糙度的不同 而取值在2 x 1 0 5 - 3 x 1 0 “ 范围内，一般情况下可取 R , - 5 x 工 。 。 湍流边界层的主体核心虽然处于湍流流 动状态， 但紧靠壁面处的一极薄层内仍保留层流的 It 质， 这个极薄层称为湍流边界层的层流底层。在 层流底层与湍流核心间存在着过渡性质的缓冲层 层流底层的速度梯度较大， 近乎直线， 而在湍流核心 速度变化较为平缓。图1 显示了流体掠过平板时的 边界层的发展过程。 根据对流散热理论，当绕组表面附近的空气处 于层流状态时，绕组表面局部散热效率与绕组表面 热边界层厚度成反比，而热边界层的厚度又与流经 绕组表面的空气主流流速成反比，所以绕组表面局 部散热效率随绕组表面的空气主流流速的提高而提 高。 当绕组表面附近的空气处于湍流状态时， 绕组表 面局部散热效率要高于层流状态时绕组表面局部散 热效率， 并且基本与流经绕组表面的空气主流流速 无关。 空气处于什么状态和空气的雷诺系数有关? 当 雷诺系数大于临界雷诺系数时， 空气处于湍流状态 根据理论，如果风道的尺寸及空气的粘性系数已知 时， 雷诺系数和空气流速成正比。因此， 当风机对变 压器进行冷却时， 希望绕组表面的流速尽可能地大， 绕组尽可能多的表面气流处于湍流状态， 这样绕组 散热的效果最好， 变压器超铭牌容量运行能力最大。 不过在实际应用中由于变压器所在系统要求的超铭 牌容量运行能力有限， 过高地要求风速意义不大。 目 前干式变压器使用的风机平均风速一般在8 - - 1 0 m / s 之间。 如果风速大于 1 0 n V s ， 则风机的噪声随风速的 增加而快速增加， 不能满足用户对噪声限定的要求。 从中小型变压器的试验结果来看，当风机出风口 平 均风速等于8 m / s , 绕组高度为 1 m时， 绕组上端部 平均风速等于5 m / s ， 变压器的超铭牌容量运行能力 可达到 1 4 0 % 。另外试验也表明， 当风机出风口 风速 达到 l O m / s 日 寸 ，风机的送风距离可达6 m以上， 在 2 m处平均风速等于 5 m / s ，在5 m处平均风速等于 2 m / s 。容量 1 0 O O O k V A的变压器， 绕组的高度大约 1 7 0 。 二 ， 如果使用风速为l o n i/ s 的风机， 绕组上端 部气流的平均流速大于5 1 n / s , 变压器的超铭牌容量 运行能力可达到1 4 0 % 2 .2 对风量的要求 变压器的负载损耗随着变压器容量的增大而增 大，变压器绕组的散热表面积也随着变压器容量的 增大而增大。一般情况下， 为保证绕组的温升， 绕组 表面的热流密度都被控制在某一数值以上，并随着 万方数据 2 8 变压器容量的增大而减小。当对变压器进行风冷却 盛落 第 3 9卷 时，为了使风机产生的风流能最有效地冷却变压 器最好使气流流经内外绕组尽可能多的表面， 并 且希望绕组表面的空气流速尽可能大， 空气流速尽 可能均匀。假设气流流过所有高低压绕组的垂直风 道表面面积的2/3 ,垂直风道中空气流速在同一水 平截面内处处均匀. 高压绕组外表面垂直风道厚度 为4 0 n u n ，于是根据变压器内外绕组外形尽寸即可 计算出流经绕组的气流截面积S , Q = 3 6 0 0 S u 式中Q- 一 一变压器所需风量， m 3 / h .Y - 一 - 气流截面积， n 1 2 一绕组上端部出口处的空气流速， m / s 以 容量1 0 O O O k V A的变压器为例， 通过计算得 出S = 1 . 9 x 2 / 3 m 。若 。 为5 m / s ， 根据以上公式算出 于 1 .9 x 2 x 5 x 3 6 0 0 / 3 = 2 2 8 0 0 m / h 。 将此风量除风机 数量即为单台风机风量。若 1 2台风机，则 Q = 2 2 8 0 0 / 1 2 = 1 9 0 0 n i / h 。若 6台风机， 则 口= 2 2 8 0 0 / 6 = 3 8 0 0 m / h o 2 3 对噪声的要求 噪声污染是世界上除了空气污染和水污染之 外的第三大污染。大部分干式电力变压器安装在靠 近居民区的地方。这些地方对控制噪声的要求比较 高， 具体控制噪声要求见表 1 0 表 t 中国城市环境噪声标准 况下， 风机噪声主要是气动噪声 风机的气动噪声属 于偶极子声源， 其辐射的声功率为: W a K p z - l 刀2 / p 式中K 一系数 T 一气流速度 D 出风口直径 p和P o - -气流密度和大气密度 由上式可知， 风机的声功率与流速的6 次方成 正比， 与风机尺寸的平方成正比 因此从噪声角度考 虑，应尽可能地选用叶轮直径较大而气流流速较小 的风机 。 2 . 4 对外形尺寸的要求 风机一般安装在变压器绕组的正 卜 方，安装时 由于要考虑风机进气及风机与绕组的绝缘距离， 因 此风机高度一般不大于下夹件高度。另外冷却气流 流经高压绕组外表面时，只有比较靠近外表面的气 体对绕组冷却效果比较明显，如果风机出风口外缘 大于高压绕组外缘比较多，致使许多冷却气流起不 到冷却效果， 那么风机的使用可以认为是不 经济的 因而风机出风口深度一般不大于低压绕组内径至高 压绕组外径的距离。 以1 0 O O O k V A变压器为例， 风机 高度应不大于 4 0 0 m m，风机出风1 1 深度应不大于 3 以) i n mo 适用地区白天/ d B( A)夜间/ d B( A ) 特殊住宅区 45 居民文教 区 5 04 0 一类混合 区 一5 5 4 5 商业中心区 6 0 5 0 二类混合区6 0 一 5 0 工 业 集 中 区一 5 5 交 通 干 线 ， 路 两 侧 5 5 当变压器超铭牌容量运行而启动风机时会产 生很大的噪声。风机噪声和变压器本体的噪声合成 后噪声会很高。为了降低变压器超铭牌容量运行的 噪声， 选用风机时， 应考虑在满足变压器冷却要求 的前提下尽量选用噪声低的风机。 风机噪声就其性质及来源可以分为气动噪声、 祸合噪声及机械震动产生的噪声。机械震动产生的 噪声主要是电机及叶轮在运行中震动产生的噪声。 只要采取适当的制造工艺， 提高制造质量， 那么机 械震动产生的噪声可以小到忽略不计。 风机的祸合 噪声是气体与物体之间的相互作用产生的噪声， 在 风机外壳及叶轮刚性足够时可以忽略不计。一般情 3 各种型式风机的比较 目 前， 变压器上使用的风机主要有三种型式 离 心式风机、 轴流式风机、 贯流式风机。 卜 面把风机的 特点和性能参数作一比较 3 . 1 风机特点的比较 贯流式风机有一筒形的多叶转子，气流沿着与 转子轴线垂直的方向， 从转子一侧的叶栅进人叶轮， 然后穿过叶轮内部，通过转子另一侧的叶栅将气流 排出， 其进风口及出风口均为长宽比比较大的矩形. 它适合安装在各种细长的空间内。当风机气流从侧 面及底部沿轴向进人风机然后从下向上沿辐向流经 出风口吹向绕组时，其进风口及出风口长度可以做 得很长， 这样可以在风机深度、 宽度不大的情况下在 每相一侧布置单台风机即可提供满足要求的风量. 并且由于风机在长度方向上结构一致，故其吹向绕 组的气流在绕组宽度方向上比较均匀 轴流式风机气流从叶轮的一端沿轴线进人、 从 叶轮的另一端沿轴线流出。轴流式风机可分有机壳 与无机壳风机两种。无机壳风机的工作轮与空气摩 擦消耗功率大于有机壳风机，另外无机壳风机的风 速比有机壳风机低得多， 并且气流的方向胜不强， 因 万方数据 第 2期 王鹏波、 叶尉敏: 干式电力变压器风机的选型 此， 在这里我们只考虑有机壳风机。有机壳轴流风 机 其进风口及出 风口 均为圆形， 风机气流的进出比 较集中当风机气流从下面沿轴向进人风机 ， 然后 向L 沿轴向吹向绕组时， 由于其进风口及出风口面 积受变压器安装空间的限制， 在每相一侧布置单台 风机不能提供满足要求的风量， 必须在每相一侧布 置两台风机才能提供满足要求的风量。当两台风机 并列安装时 。 由于风机 出风 口为圆形 ， 故其吹向绕 组的气流在绕组宽度方向上不均匀 离心式风机气流从叶轮的一端( 或两端) 沿轴 线进人， 从垂直于轴线的方向流出。其进风口大多 为圆形， 出风口为长宽比较小的矩形。当风机气流 从侧面沿轴向进人风机然后向上沿辐向流经出风 口吹向绕组时， 由于其进风11面积受变压器安装空 间的限制， 在每相一侧布置单台风机不能满足要求 的风量， 必须在每相一侧布置两台风机才能满足要 求的风量当两台风机并列安装时， 其吹向绕组的 气流在绕组宽度方向上均匀度介于贯流式风机与 轴流式风机之间 3 2 风机性能参数的比较 根据 1 0 000kV A变压器对风机性能的要求， 可 分别对 上 述三种风机进行选型。现从国内三家工厂 选取了长种风机， 其各自的性能参数可以参见表 2 。 同时运行的合成噪声根据下列噪声计算公式 计算: 表 2 三种风机的性能参数 风机型式 一贯流式风机 抽 流 式 风 机一 离二 风 机 叶抡直径/ . 2 00 一2 孔 叶轮转速r/lo n 一一一一 2研! 七I f 旧I J 一 1 11 1 一 风速/ m 引 风量/ m ， h， 一 1 1 38 t K ) 一 不丽J 一赢 7 2/ 5 : 厂一 1口 单台噪声/ d B 戈 A ) 一 一6 吕 所需 台数 7:， 一 合成噪声 / d B ( A ) 标= 1 0 19 ( 艺: 0 斋乌 风机所需风机数量最少， 吹向绕组的气流最均匀， 合 成噪声也比较低。这主要是由于贯流风机噪声的频 率分布分散， 噪声峰值不集中， 使得贯流风机的噪声 比较低。另外贯流式风机内的气流由于雷诺数较大 以及其有非稳定流动的进气状态， 使摩擦作用减小， 使它具有较可观的效率。一般情况下贯流式风机的 效率大于轴流式风机和离心式风机的效率， 因此， 从 节能的角度来讲， 也应尽可能采用贯流流式风机 所 以对干式电力变压器进行风冷却时， 作者认为， 使用 贯流风机是比较理想的选择。 目 前， 变压器风机的生产厂家生产的贯流风机， 其叶轮均为直叶片等距安装。而在许多空调生产了 家为降低贯流风机的噪声，采用了叶轮叶片分段错 位安装、叶轮叶片不等距安装或叶片倾斜安装等措 施。据有关文献报道， 这些措施可使噪声降低ZdB 希望在不久的将来变压器风机的月产厂家也能制造 出采取这些措施的风机。 参考文献: 式中2 件 风机运行总的噪声 乙 p 、 单台风机运行的噪声 4结论 根据以上对这三家工厂的三种风机的比较分 析可以看出， 当变压器容量 比较大时 ， 使用贯流式 【 1 陈 沛， 区颖达 贯流风机的噪声研究_! 噪声与振动 控制 2 0 00， ( 2 36一 38. 下转第 扣 页 2 王泰宇 倾斜叶片贯流风机的降噪机理 家用电器 科技 2 0 0 0 ， ( 5 ) : 4 3 一 J S 【 3扬世铭 传热学【 M北京 高等教育出版社 1 ， 9 8 C h o i c eo fF a ns i nD r y 一 T y P eP o w e rT r a nsfor me r s W4 N GPeng去 o， YE I 叭 于 1 杭in ( S h a n g h a i G EG u a n 目i a nC o Lt d ”S h a n g h a i Z O 1 4 00， C h i n a ) A b st r a ct: B a s e do nc o m p a 眺o na m o n gthle etyPe s o f 几 n s ， th efa n ， w 卜 I c hl s t ll em o s t s u i t a b l efo r d 厅一 ty p cp o w e rt r a n s fo rme r ， h asb e e nc h o s e n - K 灯 w o r ds: D 尽一 即et 朋n sfo溯e r ; Fan ; Cho i c e 收稿日期:200卜1 卜13 作者简介: 王鹏波( 1 9 67一 ) . 男， 河南林洲人， 上海通用电气广电有限公司工程师， 主要从事产品设1工作 叶尉橄( 1963一 ) ， 男， 上海人 上海通用电气广电有限公司工程师. 主要从事产品工艺工作 万方数据