油浸式电力变压器绕组温度场的二维仿真分析.pdf

专题综述 油浸式电力变压器绕组温度场的 二维仿真分析 温 波，刘 爽，冯加奇，陈玉红 （沈阳变压器研究院，辽宁 沈阳 110179） 摘要：介绍了用于计算油浸式电力变压器绕组温升的FLUENT模型，对其模拟方案进行了分析，并对油浸式电力 变压器绕组的温度场分布及热点温度进行了研究。 关键词：电力变压器；绕组；温度场；分析 中图分类号：TM4011文献标识码：B文章编号：10018425（2009）09003504 Two Dimensional Simulation Analysis of Winding Temperature Field of Oil-Immersed Power Transformer WEN Bo, LIU Shuang, FENG Jia蛳qi, CHEN Yu蛳hong （Shenyang Transformer Research Institute, Shenyang 110179, China） Abstract：The FLUENT model for winding temperature rise of oil-immersed power transformer is presented. The simulation project is analyzed. The temperature field distribution and the hot spot temperature of winding in oil-immersed power transformer are researched. Key words：Power transformer；Winding；Temperature field；Analysis 1 引言 电力变压器是电网中的主要电气设备， 它对电 能的传输、分配及使用具有重要意义。 变压器运行时，铁心、绕组和金属结构件均要产 生损耗。这些损耗将转变成热量发散于周围介质中， 从而使变压器发热和温度升高。 变压器绕组的热点 温升是衡量变压器设计优劣的一个重要指标。 为了 解变压器内部的油流和温度分布的特点、 绕组温升 与各种流动条件和几何结构的关系， 以及如何准确 计算绕组流量分配和绕组温升， 各变压器制造厂做 了大量研究工作。 变压器在运行中绕组温度分布是不均匀的，如 果绕组出现局部过热， 将直接影响变压器的安全与 寿命， 因此实时监控绕组热点温度 是 必 要 的 。 IEC60076-2 Ed.3已把用光纤传感器测量热点温度 列入其标准规定中。 目前选用光纤测温是在强电磁 环境下变压器的最佳测温方案。 本文中笔者使用FLUENT仿真软件对变压器 绕组内部温度场分布进行了分析研究。 传统温升计 算软件只能计算绕组内部的平均温升和绕组对油的 平均温升，FLUENT仿真软件与传统计算温升的软 件相比，其优越性在于FLUENT云图技术不仅可以 实现传统计算软件的功能， 还可以清晰展示变压器 绕组内部各点流场和温度场的分布情况。 尤其是变 压器绕组温度场分布效果图可为光纤测量变压器绕 组热点温度时的定位提供依据。FLUENT软件适用 于各种油浸式电力变压器冷却方式中的绕组-油温 升计算。 笔者利用FLUENT仿真软件分析、计算了 SZ11-40000/66自冷变压器绕组内部的温度分布。 2 FL UENT模型的建立 2.1物理模型 由于变压器的外形尺寸较大而且结构多样复 杂，在实际运行过程中，其流场呈对称分布，所以使 用FLUENT软件计算变压器绕组温升建立实体模 型时，对其进行了简化处理。所选变压器绕组为三相 对称，每一绕组的每饼呈几何对称，垂直油道是轴对 称结构，垂直于纸面方向上的流速为0，各相关量变 化率也为0， 即绕组温度场的分布沿变压器绕组圆 第 46 卷 第 9 期 2009 年 9 月 TRANSFORMER Vol46 September No9 2009 第 46 卷 周方向没有梯度变化， 可以用二维轴对称圆柱模型 来计算变压器绕组的温度场。 2.2网格剖分 利用FLUENT软件可对流体及热传递等方面 的问题进行研究， 并可用来模拟从高度不可压缩到 可压缩范围内的复杂流动。FLUENT因具有多种求 解方法和多重网格加速收敛技术、 灵活的非结构化 网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型 等优点，使其在诸多方面得到广泛的应用。 FLUENT软件采用完全非结构化网格的有限体 积法，而且具有网格节点和网格单元的梯度算法。划 分网格是FLUENT模拟中的关键，网格质量的好坏 直接关系到模拟能否进行及能否得到正确的结果。 FLUENT软件是用于模拟具有复杂外形的流体流 动以及热传导的计算机程序， 它提供了完全的网格 灵活性，并可以使用非结构网格。 例如，可用二维三 角形或四边形网格、 三维四面体/六面体/金字塔形 网格来解决具有复杂外形的流动， 甚至可以用混合 型非结构网格， 根据解的具体情况对网格进行修改 （细化/粗化）。 对于大梯度区域，如自由剪切层和边 界层，为了比较准确的预测流动，自适应网格是非常 有用的。与结构网格和块结构网格相比，这一特点很 明显地减少了产生“好”网格所需要的时间。 对于给 定精度，适应细化方法使网格细化方法变得很简单， 减少了计算量。 利用FLUENT软件所建立的变压器 模型，应先对规则体进行网格剖分，然后再对不规则 体进行网格剖分。即先对绕组进行网格剖分，再对油 道进行网格剖分。 生成的网格模型如图1所示。 2.3边界条件 设定环境温度为20， 加热面为绕组表面，其 中绕组内部绝缘筒作为绝热边界。 自然冷却方式的 变压器边界条件指定入口压力、 出口压力的值均为 0。 变压器油的主要物理参数如表1所示。 3 计算结果分析 3.1绕组流场分布 图2给出的是SZ11-40000/66高压绕组油流分 布图。从图2中可以看出，在一个油区内水平流速并 不相同， 靠近两端部流速较大， 中部油道流速较缓 慢。油区中两端深色流速表示水平油流速较高，向油 区中部方向颜色渐浅表示水平油流速逐步在降低， 到达中部时水平油流速更低。 这种情况随着油区内 油道数量和油隙尺寸排列的不同而有所差异。 3.2绕组温度场分布 本文中笔者利用FLUENT仿真软件， 对3台 66kV110kV自然油循环冷却变压器的高、 低压绕 组温度场分别做了计算。 图3和图4分别给出了 SZ11-40000/66型产品热平衡状态后高压绕组内部 各点温度分布云图及高压绕组最热点温度及其位置 示意图。 从图3中可以看出线饼温升并不均匀， 对应油 流速度较大的线饼温升较低， 对应流速较小的线饼 温升较高，最热点在绕组高度方向的4/5处，与温升 的理论分析及试验结果相符； 从图3中也可看出最 图1高压绕组端部剖分放大模型 Fig.1Amplified model of end subdivision of HV winding 物理参数拟合公式 密度DEN=894-0.6(T-273) 动力粘度VIS=11.71exp(-0.02T) 表1变压器油物理参数 Table 1Parameters of transformer oil 图2高压绕组相邻两个油区内的油流速度分布 Fig.2Oil flow velocity distribution in the neighbour areas of HV winding 3.72e-02 3.53e-02 3.35e-02 3.16e-02 2.98e-02 2.79e-02 2.60e-02 2.42e-02 2.23e-02 2.05e-02 1.86e-02 1.67e-02 1.49e-02 1.30e-02 1.12e-02 9.30e-03 7.44e-03 5.58e-03 3.72e-03 1.86e-03 7.36e-07 36 温波、 刘爽、 冯加奇等： 油浸式电力变压器绕组温度场的二维仿真分析第 9 期 热点绕组温度为80.5， 低于计算变压器寿命所规 定的参数温度98。 3.3计算值与试验值的比较 表2和表3列出了3台66kV110kV自然油循 环冷却变压器的高、 低压绕组平均温度的计算结果 和试验结果的对比情况。 表2中高压绕组平均温度 的计算值为71.4， 与高压绕组最热点温度为 80.5的差值为9.1K， 低于标准中绕组最热点温升 与绕组平均温升的规定温差值13K； 高压绕组的平 均温升为51.4K， 符合标准中绕组平均温升须小于 65K的规定。 由表2和表3可以看出， 三台产品的计算值与 试验值的误差在5%之内， 模拟计算值低于试验测 量值，这些误差主要由如下原因产生： （1）目前我国电力变压器温升试验的标准依据 GB1094.2-1996,绕组平均温升是利用绕组断电后 电阻的变化回推出断电时刻绕组的电阻， 从而计算 出绕组断电时的平均温升。 在这一过程中得到的测 量温度是间接量，存在下述无法解决的问题：测量 值不是变压器运行时的即时温度。绕组温度是由 绕组电阻推算得到的， 绕组电阻的测量是在断电后 再组建恒流测量电路，待电路磁饱和后方可测量，有 不同程度的时间滞后， 绕组断电时刻热电阻测量存 在许多不可测的推断误差。 （2）FLUENT模型中虽然垫块、撑条等影响因素 可通过乘以系数进行修正， 但此修正值需要多次试 验并与光纤测量结果进行对比。 目前采用光纤测温 在行业上尚属刚刚起步的阶段,现有光纤测量变压 器绕组温度的结果数据很少。 4 结论 本文中笔者用FLUENT软件建立了模型，并计 算了变压器内部绕组温度和油温度， 同时绘制出了 型号相对误差 / SFSZ11-31500/110-4.08 SZ11-40000/66-3.64 SZ11-31500/66-1.98 高压绕组 绕组平均温 度试验值/ 80.9 74.1 75.1 绕组平均温 度计算值/ 77.6 71.4 73.5 绝对误差 / -3.3 -2.7 -1.5 表266kV110kV自冷变压器高压绕组温升计算值 和测量值的对比 Table 2Calculated and measured values of temperature rises of HV winding of 66kV110kV self-cooling transformers 型号相对误差 / SFSZ11-31500/110-3.83 SZ11-40000/66-1.40 SZ11-31500/66-3.94 低压绕组 绕组平均温 度试验值/ 81 71.6 68.6 绕组平均温 度计算值/ 77.9 70.6 65.9 绝对误差 / -3.1 -1 -2.7 表366kV110kV自冷变压器低压绕组温升计算值 和测量值的对比 Table 3Calculated and measured values of temperature rises of LV winding of 66kV110kV self-cooling transformers图3高压绕组温度分布效果图 Fig.3Temperature distribution of HV winding 8.00e+01 7.59e+01 7.18e+01 6.77e+01 6.36e+01 5.95e+01 5.53e+01 5.12e+01 4.71e+01 4.30e+01 3.89e+01 3.48e+01 3.07e+01 图4高压绕组最热点温度及位置 Fig.4Temperature and position of the hottest spot of HV winding 8.00e+01 7.98e+01 7.96e+01 7.94e+01 7.92e+01 7.90e+01 7.88e+01 7.86e+01 7.84e+01 7.82e+01 7.80e+01 37 第 46 卷 变压器绕组内部流场和温度分布效果图。 由对比结 果可以看出， 本文中笔者所建立的热模型是合理可 靠的，模拟计算结果和实际情况比较接近，计算精度 可满足工程上的要求。 该软件为变压器的设计提供 了热性能的参数依据， 可作为设计变压器的辅助软 件，并可对现场运行的变压器进行热性能分析，有效 地减少了用户的使用成本， 并降低了产品绝缘老化 的风险，提高了产品的运行可靠性，为光导纤维测量 变压器绕组热点温度时的定位提供了理论依据。 参考文献： 1王秀春， 陶军普.大型自然油循环导向冷却变压器温度 场研究J.变压器，2008，45（7）：6-10. 2李鹏飞，李国祥，胡玉平.大型油浸自冷变压器冷却系统 CFD分析J.变压器，2008，45（4）：45-48. 3汤焱，刘成远，郝忠言，等.变压器绕组热点温升的计 算与实验研究J.变压器，2001，38（2）：1-5. 4李英，王寿民，张爱军.强油导向变压器的流体的传热 分析J.变压器，2004，41（6）：6-13. 5保定天威保变电气股份有限公司组编.电力变压器手册 M.北京：机械工业出版社，2003. 6路长柏，郭振岩.电力变压器理论与计算M.沈阳：辽宁 科学技术出版社，2007. 7尹克宁.变压器设计原理M.北京：中国电力出版社， 2003. 收稿日期：2009-05-15 作者简介：温 波（1974-）,女，辽宁沈阳人，沈阳变压器研究院高级工程师，主要从事变压器温升方面问题的研究工作； 刘 爽（1980-）,女，辽宁锦州人，沈阳变压器研究院工程师，主要从事变压器短路力方面问题的研究工作。 第 五 届 全 国 变 压 器 技 术 自 主 创 新 研 讨 会 暨 “ 泰 普 杯 ” 有 奖 征 文 活 动 通 知 为了适应我国变压器行业快速发展的需要，展示我 国变压器行业近年来最新的技术成果，进一步促进变压 器行业的技术进步，变压器杂志编辑部在成功举办了 四届全国变压器技术自主创新研讨会的基础上，为满足 广大读者的要求， 拟于2009年11月初召开第五届全 国变压器技术自主创新研讨会暨“泰普杯”有奖征文颁 奖大会。 此次活动由沈阳变压器研究院主办，武汉泰普 变压器开关有限公司协办，变压器杂志编辑部承办。 为此，特征集反映我国变压器行业近年来在变压器 （含互感器、电抗器、调压器及组件）技术领域自主创新 的论文。 一、征文范围 1具有自主知识产权的变压器类新产品的开发设 计； 2变压器类新产品开发中的电场、磁场、温度场、 机械强度、短路力的研究； 3独创的变压器工艺方法和变压器用工装设备； 4国内外领先的变压器试验技术、变压器故障检 测技术及标准动态； 5变压器运行维护的新经验、新技术； 6变压器基础理论研究最新成果； 7新材料在变压器产品中的开发应用； 8变压器企业现代化创新管理； 9有关计算机软、硬件技术在变压器新产品开发 中的应用； 10应用于智能电网建设的变压器新产品开发设计； 11变压器设备国内外发展动态与展望。 二、奖项设置 本次征文活动设一等奖3名、二等奖5名、三等奖 10名。 所有征文作者将获赠精美纪念品一份，并将被邀 请出席本次全国变压器技术自主创新研讨会。 本次所征集的论文将汇编成册，以论文集的形式内 部出版，优秀论文将陆续在变压器杂志上发表。 三、征文要求与联系方式 1征文格式和要求参照“变压器杂志征稿启事”。 2征文截止时间为2009年10月8日。 所有征文 请自留底稿，并请在论文上加注“征文”字样。 联系地址： 沈阳市浑南新区世纪路39号 沈阳变压器研究院 变压器杂志编辑部 联系人：牛惠娟 邮编：110179 电话传真：[phone] （024）23787022-8226 （024）23929376 电子邮件：sti-tp 四、会议具体时间另行通知 ! ! ! ! 38