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摘要：干式变压器作为电网中至关重要的电力设备之一， 为控制干式变压器温度过高的问题， 确保其安全稳定运行， 从试验角度 研究了影响干式变压器平衡温度的影响因素， 通过在箱变模型内设置 12个温度探头监测温度， 确定变压器室的温度梯度及由排风 系统形成的对流散热路径， 找出箱变热平衡温度控制的重点 。研究通风系统启动温度以及通风模式对热平衡的影响 。通过对实验 温度数据进行对比分析， 发现变压器通风系统的启动温度以及通风对流模式对热平衡温度影响不大，通过通风量计算式发现热平 衡温度与通风量以及进风口温度密切相关， 因此对于干式变压器温度控制还是主要在于把握通风量与进风口温度 。 实验研究干式 变压器热平衡温度影响因素， 分析 4种不同因素对干式变压器热平衡的影响作用， 对优化干式变压器设计与使用具有指导意义 。
关键词 ：干式变压器； 热平衡； 启动温度； 通风模式； 通风量计算
Experimental Study on Influencing Factors of Heat Balance Temperature of Dry Transformer
Zhang Yuanhai1， Duan Peiyi2， Zhang Shuanzhu3
( 1. Guangdong Hydropower No.2 Bureau Co., Ltd., Guangzhou 510341, China; 2. Southeast Guangdong Hydropower Investment Co., Ltd.,
Haikou 570208, China; 3. Binzhou Yuehe Hydropower Energy Co., Ltd., Binzhou, Shandong 256812, China)
Abstract: Dry-type transformer is one of the most important power equipment in the power grid . In order to control the problem of excessive temperature of dry-type transformer and ensure its safe and stable operation, the influencing factors affecting the balance temperature of dry- type transformer from the perspective of experiments were studied . 12 temperature probes were set up in the box transformer model to monitor the temperature, the temperature gradient of the transformer room and the convection heat dissipation path formed by the exhaust system were determined, and the key points of the box transformer heat balance temperature control were found out . the ventilation system start-up temperature and the effect of ventilation mode on the heat balance were studied . By comparing and analyzing the experimental temperature data, it was found that the start-up temperature of the transformer ventilation system and the ventilation convection mode have little effect on the heat balance temperature. It was found that the heat balance temperature was closely related to the ventilation volume and the air inlet temperature through the calculation formula of the ventilation volume . Therefore, for dry-type transformers, the temperature control is still mainly to grasp the ventilation volume and the temperature of the air inlet . The influence factors of dry-type transformer thermal balance temperature were studied experimentally, and the influence of four different factors on the thermal balance of dry-type transformers was analyzed, which had guiding significance for optimizing the design and use of dry-type transformers .
Key words: dry type transformer; heat balance; starting temperature; ventilation mode; ventilation volume calculation
0 引言
干式变压器的使用寿命往往取决于绝缘层的寿命， 而对绝缘材料影响最大的因素是温度， 一旦温度超过其 耐热值， 绝缘层会被破坏， 变压器不能正常工作[1-2] 。运 行温度变化大是干式箱变在使用过程中的一个重要问题， 变压器等电气元器件安设在封闭式箱体内， 随着变压器 等发热器件发热， 如果箱体散热性能不良， 长期过高的 运行温度会降低箱变内部元器件的使用寿命， 甚至会发生火灾等安全事故 。变压器作为关键的电力设备， 电能 若要在电力网中不突然变化地传送就要依靠它， 其可 以保证电能的正常调配 、使用不出现问题， 减少运营 成本[3]。
干式变压器冷却方式为自然空气冷却 ( AN ) 和强迫 空气冷却 ( AF ) [4]， 为了保证变压器安全可靠运行， 大 多数通过干式变压器底部安装风机对其进行强迫风冷散 热[5] 。使用过程中为了降低箱变内的温度， 采用自然通风和机械通风将箱变内的热量及时散发掉， 使温度保持 在标准允许值以内 。机械通风方式是在变压器底部及上 部设置进 、排风口， 使得箱变内外形成空气对流， 通过 内外空气的热交换降低箱变内温度 。风机的风量是箱变 设计中的重要参数， 一定风量下使箱变内形成的散热量 需要与发热量相当， 达到热平衡才能使箱变内的温度保 持在一定数值内。
现有文献对通风散热的研究主要集中在对通风口位 置 、通风口面积等优化对箱变的热平衡的影响， 采用软 件模拟计算方法进行研究 。郭盛等[6]模拟室内变电站送 风口尺寸 、送风口位置 、送风温湿度和送风量对室内环 境的综合控制， 建立多种室内变电站通风方式模型， 并 在 Fluent软件中进行温度和通风走势的模拟， 通过对比 分析得出最优通风布置模式 。赵博文[7]通过 ANSYS CFX 模拟了变压器通风口位置布置方式对通风散热的影响， 发现底部增加进风口对通风散热效果较好 。以上研究均 从软件模型模拟的角度对箱变内的通风散热进行研究， 但是从试验角度出发的较少， 本文对干式变压器热平衡 温度影响因素进行了试验研究， 明确了干式变压器温度 控制的主要因素， 对于干式变压器设计及使用中温度控 制提供一定的参考。
1 试验材料和方法
1.1 试验材料与装置
根据某滨海风电场的 CBW-2200/35 箱变为原型， 根据几何相似原理， 以长度 1 ∶ 3 的比例缩小制作箱变 模型 (尺寸 1.9 m×1.06 m×0.95 m)， 试验现场如图 1 所 示 。箱变模型内分为低压室 、变压器室和高压室 、铝合 金边框及底座 4 个主要部分， 选用 HYY22A 电热炉 (功 率 1 000/1 200/2 200 W) 放置在变压器室启动时产生热 量模拟干式变压器设备散热， 进风口 、排风口分别设置 在变压器室的左下角及右上角， 用百叶窗进行遮挡， 出 风口设置排风扇， 同时， 用空压机 (型号 1500-50-2， 排气量 270 L/min) 代替辐流风机给变压器室底部送风，在变压器室采用 MIK-WZP温度探头 (测温范围 -50 ~ 200 ℃， 精度 A级) 在试验中进行温度监 测， 温 度 探 头 1~ 12位置如图 1 所示， 其中进风口外侧为温度探头3， 排风口外侧为温度探头 4 。试验模型如图2所示。
图1 缩比箱变试验现场
图2 试验测温装置示意图
在试验过程中， 先打开电热炉， 排风扇和空压机保 持关闭状态， 使温度上升至试验目标温度后再开启排风 扇及空压机， 当温度降低达到平衡后， 关闭通风设备， 重复试验调整目标温度 。本次试验的工况如表1所示。
1.2 干式变压器通风量计算方法
根据相关文献 、设计手册[8- 12]中关于干式变压器通 风计算方法以及山东省沾化滨海风电场的 CBW-2200/35 箱变厂家通风量的计算方法， 两者计算方法一致， 通风 量计算公式如下：
式中： L 为变压器室的设计通风量， m3/s； Q 为变压器散 热量， kW； Cp 为空气比热容， 取 Cp=1.01 kJ/( kg·℃ )； D 为空气密度， kg/m3； tin 、tex 分别为进 、排风温度， 对 于直接从室外吸风的， tin 应取当地通风室外计算温度， 对于干式变压器室， tex ≤40 ℃， 进排风温度差不应超过 15 ℃； M 为空气利用系数， 0~ 1； p 为大气压强， Pa。
通过通风量计算公式可以得出， 进排风口温度决定 了通风量的大小， 进风口温度为环境温度， 人为不可控 制进风口的自然温度， 只能通过机械强制通风， 降低排风口温度， 对于干式变压器， 在箱变的设计过程中， 通 常采用人为经验确定排风口温度， 但通过本次试验发现， 这种方法是不可取的， 排风口温度会出现超过人为设计 温度现象， 排风口的温度不仅与发热量有关， 反过来还 与通风量有关。
2 试验结果与讨论
2.1 箱变内温度分布情况
在试验开启后， 箱变内各点的温度变化均分为 3 个 阶段： 温度上升阶段 ( 0~ 18 min)、 温度下降阶段 ( 18~ 24 min) 和温度趋于平衡阶段 ( 24~36 min)， 如图 3 所 示， 在 18 min时刻开启试验排风系统后， 变压器室各点 温度在7 min之内迅速达到平衡温度。
图 3 变压器室温度监测点温度曲线
对于变压器室， 在温度上升 、下降及平衡阶段各点 温度的由大到小依次为6号点 、5 号点 、4 号点 、3 号点、 2 号点 、1 号点， 即靠近发热体的 5 号点和 6 号点的温度 最高， 变压器室内上部温度 ( 3 号点和 4 号点) 高于下部 温度 ( 1 号点和 2 号点)， 因此在变压器室的温度梯度及 由排风系统形成的对流散热路径如图 4所示。
图4 变压器室温度梯度及对流散热路线
对于高压室和低压室， 如图5所示， 除了温度上升和下 降阶段各点的温度有所差异外， 各点的平衡温度没有明显 差异， 说明平衡阶段高压室和低压室内温度均匀分布， 这 是由于高压室和低压室均没有空气对流的原因。高压室和 低压室的温度升高与降低是由变压器室的温度辐射影响的， 因此整体温度都比变压器室的温度低， 低压室由于空间小， 中心点离变压器室较近， 平衡温度比高压室高3 ℃左右。 对于高压室和低压室温度的控制取决于变压器室温度的控 制， 因此变压器室的通风与散热是箱变温度控制的重点。
图5 高压室 、低压室温度监测点温度曲线
2.2 通风系统启动温度对热平衡的影响
通常情况在箱变内温度达到一定值时， 会启动通风 系统进行通风， 箱变内的温度会逐渐降低， 达到平衡值。 在实际运行过程中， 当箱变内温度过高时， 运行人员通 常会降低通风系统启动温度以降低平衡温度， 但是根据 干式变压器通风量计算方法， 平衡温度在进风口温度和 出风口温度之间， 当进风口温度一定时， 出风口温度只 与通风量有关， 因此， 干式变压器平衡温度与通风系统 启动温度关系不大， 这与实验得到的结果一致， 当将通 风系统的启动温度从 40 ℃提高到 50 ℃再到 60 ℃的过程 中， 变压器室内各点的平衡温度基本保持一致， 如图 6 所示， 1 ~ 5 号点的最终的平衡温度分别为 30 ℃ 、34 ℃、 37 ℃ 、41 ℃ 、45 ℃， 与通风系统启动时的温度无必然 联系。
图6 变压器室各点不同启动温度下的温度变化情况
2.3 通风模式对热平衡的影响
部分干式变压器箱变的变压器室， 会在干式变压器 底部设置向上送风的风机， 加强变压器室内空气流动 。 本文通过对干式变压器底部不设风机和设置风机两种情 况进行了对比实验， 如图 7所示， 为干式变压器底部不 设置风机和安设风机时变压器室内温度最高点 5 号点的 温度变化曲线， 在 1 ~ 10 min开启加热器， 当温度上升到 65 ℃时关闭加热器， 当温度降低到35 ℃时同时打开加热 器和通风设备， 干式变压器底部安设风机的试验组同时
图7 不设置底部风机和设置底部风机时箱变的温度变化情况
图8 不设置底部风机和设置底部风机时箱变的热平衡
开启风机 。干式变压器底部设置风机的变压器室内温度 在35 min左右上升到最高温度50 ℃， 而不设置风机的变 压器室内温度在30 min左右就上升到最高温度50 ℃ 。干 式变压器底部设置风机的变压器室内温度上升速度要小 于底部不设置风机的室内温度 。但变压器室内干式变压 器底部设置风机和不设置风机的热平衡温度却逐渐趋于 一致， 如图 8所示， 虽然底部设置风机的箱变内部温度 攀升的速度比底部不设风机的慢， 但是两者的平衡温度最 终都保持在42 ℃左右， 说明干式变压器最终的热平衡不 受通风模式的影响， 只对达到热平衡的过程有一定影响。
3 结束语
本文对干式变压器箱变的热平衡进行了试验研究， 结果表明箱变内的从进风口到出风口有两条温度升高梯 度路线， 同时以变压器为发热中心， 向四周辐射热量， 变压器室的通风与散热是箱变温度控制的重点 。采用控 制单一变量并重复多次试验的方法， 得出以下结论： ( 1 ) 不同温度下启动通风系统， 箱变内部各点的温度变 化趋势保持一致， 随着通风系统的开启， 会逐渐达到热 平衡， 干式变压器热平衡与通风系统的启动温度没有明 显关系； (2 ) 不同通风模式下， 平衡温度最终都保持相 同， 干式变压器热平衡不受通风模式的影响；(3 ) 根据 通风量计算公式， 干式变压器热平衡与箱变的散热与通 风量以及进风口温度有关。
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