天然酯油与矿物油配电变压器温升特性仿真分析论文

 

　　摘要：目前，采用天然酯油来替代传统的矿物油电力变压器是设计天然酯油变压器的思路之一。但由于天然酯油的高黏度等特点，若将其直接应用于矿物油变压器中很难达到理想的散热效果。采用有限元法对油浸式变压器的温度-流体场特性分布进行仿真设计分析，为提升仿真过程中的收敛性及减少计算量，提出通过设置变压器内外温差的方法即第一类边界条件来模拟变压器内部热量传递过程，以此对比天然酯油和矿物质绝缘油在变压器内温度分布和油流速差异。仿真结果表明，在同一模型及仿真平台下，天然酯油平均流速较矿物油低9.363 mm/s，变压器内部热对流性差，从其温升分布图上可明显观察到矿物油相比天然酯油可更快达到热平衡状态。研究成果能够为天然酯油替换矿物油配电变压器的散热结构设计、天然酯油理化特性的改善等提供依据，具有重要的工程意义。

 

　　关键词：天然酯油；变压器；有限元法；温度-流体场

 

 

　　Guo Xianqing，Sun Wenyi，Wu Hongju

 

　　(Guangdong Mingyang Electric Co.,Ltd.,Zhongshan,Guangdong 528451,China)

 

　　Abstract:At present,using natural ester oil to replace the traditional mineral oil power transformer is one of the ideas of designing natural ester oil transformer.However,due to the high viscosity of natural ester oil,it is difficult to achieve ideal heat dissipation effect if it is directly applied to mineral oil transformer.The finite element method was used to simulate the design and analysis of the temperature fluid field characteristic distribution of oil immersed transformer.In order to improve the convergence and reduce the calculation amount in the simulation process,the method of setting the temperature difference between the inside and outside of the transformer,i.e.the first type boundary condition,was proposed to simulate the heat transfer process inside the transformer,so as to compare the temperature distribution and oil flow velocity difference of natural ester oil and mineral insulating oil in the transformer.The simulation results show that under the same model and simulation platform,the average flow rate of natural ester oil is 9.363 mm/s lower than that of mineral oil,and the thermal convection in transformer is poor.From its temperature rise distribution diagram,it can be clearly observed that mineral oil can reach the thermal equilibrium state faster than natural ester oil.The research results can provide basis for the design of heat dissipation structure of natural ester oil replacing mineral oil distribution transformer and the improvement of physical and chemical properties of natural ester oil,which has important engineering significance.

 

　　Key words:natural ester oil;distribution transformer;finite element method;temperature fluid field

 

 

　　矿物质油作为变压器用绝缘油约占油浸式变压器总量的99%，是目前油浸式配电变压器中最广泛采用的绝缘材料。矿物绝缘油具有绝缘性能优异、稳定性好以及成本低等特点，但其降解时间长，环保性能差。相关研究表明，矿物质绝缘油的生物降解率仅有30%左右，一旦发生泄漏，矿物质绝缘油会长期存留在土壤中，引发土壤结构变化，对周围环境造成不可逆的伤害，而且随着石油资源的过度开发，终将面临能源紧缺和枯竭，这些问题将会制约未来油浸式变压器的发展。随着人们环保意识的增强和环境承载的饱和，业内对绝缘油的性能提出了更高的要求。天然酯油来源于植物油料，原料可重复再生，产量可人为调节，自然降解时间短，生物降解率高，相比于矿物油变压器具有更长的寿命和更强的过负载能力，是矿物绝缘油的理想迭代产品，但天然酯油与传统矿物绝缘油相比，其导热系数较大、黏度大，直接将矿物绝缘油替换为天然酯绝缘油会对变压器整个绝缘系统的散热产生重大影响。因此开展天然酯油配电变压器的温度-流体场仿真研究，分析并对比矿物油与天然酯油在变压器内温度分布和油流速差异，可以为天然酯绝缘油变压器的设计与改进、天然酯油理化特性的改善等提供依据，具有重要的工程意义。

 

　　随着以有限元法为代表的仿真计算的发展，国内外多采用仿真分析电气设备的温升特性及流体场分布等[1]。目前，研究绝缘油在变压器内温度和流场分布多采用温度-流体场耦合的仿真方式。丁仁杰、方福歆等[2-3]分别对极寒条件下和考虑铁损分布情况下变压器温度-流场进行了仿真分析，但其搭建的变压器模型均为二维模型，在一定程度上会影响温度场求解结果的精度。宋友，阮江军等[4]对不同绝缘油的电力变压器进行仿真分析，但是没有将天然酯油与矿物油因黏度差异而引起流速不同的因素加以考虑。Mechkov E等[5]对160 kVA的油浸式配电变压器进行温度场分布研究，得到了随温度变化的热场分布，但绝缘油的动力黏度等参数并不是一个常量，而是随温度非线性变化，因此其油流速与温度之间的耦合关系并不能完全忽略。韦玮、李鑫等[1]利用有限元仿真软件对天然酯油电力变压器运行时的温度场分布进行了研究分析，并得到配电变压器的整体温度分布趋势及最热点温升，但温度－流体场的耦合模型对于计算机的硬件消耗十分巨大，特别在三维下，对于内存的要求更是极高。

 

　　本文以矿物质绝缘油配电变压器为例，建立其三维有限元仿真模型，在充分考虑绝缘油材料参数随温度非线性变化等因素的基础上搭建温度-流体场多物理场耦合仿真平台进行分析，并利用变压器内外温度差模拟变压器运行中产生的热量传递现象。经仿真试验，该方法在保证求解精度的同时可以大大缩短仿真时间，减少计算量，提高仿真过程中的收敛性。

 

 

　　2.1变压器温度场与流场数学模型

 

　　在变压器的实际运行中，变压器铁心、绕组产生的热量将使铁心和绕组的温度逐步升高。最初，温度上升很快，但随着铁心和绕组温度的升高，它们与周围的冷却介质就会有一定的温差，这时绕组和铁心就会将部分热量传递到周围的介质中去，从而使周围的介质温度升高。此时，由于绕组及铁心有一部分热量传给周围介质，因此本身温度的上升速度就会逐渐减慢，经过一段时间，绕组和铁心温度最终达到稳定状态，此时温度不再继续升高，产生的热量将全部传递到周围的介质中，达到热平衡状态[6]。

 

　　结合变压器产生热量的传递方式，在进行变压器温度-流体场仿真的过程中，需要对传热场和层流场进行耦合，其核心控制方程为质量守恒方程、动量守恒方程及能量守恒方程。笛卡尔坐标系下的控制方程如下所示。

 

　　(1)质量守恒方程

 

　　式中：ρ为流体的密度；u、v、w分别为x、y、z方向上的速度分量。

 

　　(2)动量守恒方程

 

　　式中：p为表面压力；ρgx、ρgy、ρg为体积力；μ为动力黏度；t为时间。

 

　　(3)能量守恒方程

 

　　ρcp V·grad(T)=grad(λgrad(T))+S(3)

 

　　式中：V为速度；λ为导热系数；cp为比热容；T为温度；S为广义源项。

 

　　2.2变压器温度场与流场物理模型

 

　　2.2.1配电变压器简化模型

 

　　本文以油浸式配电变压器为原型，依据变压器的实际结构，考虑在进行变压器三维流体-温度场仿真过程中，流体场在进行迭代计算时，其收敛性对模型网格质量要求较高，且在模型网格数量较多时，仿真计算量较大，过程复杂，因此对实际的变压器三维模型进行简化，建立了如图1(a)所示的三维变压器简化模型，其内部结构图如图1(b)所示，变压器主要参数为：绕组内半径为145 mm，外半径为220.2 mm，绕组高为192 mm；变压器铁心为硅钢片叠压而成；夹件尺寸为600 mm×230 mm×1 700 mm的弓形钢结构，其厚度为10 mm上下夹件拉杆尺寸为630 mm×112 mm×70 mm的U字形钢结构，其厚度为15 mm。基座尺寸为170 mm×60 mm×30 mm，变压器油箱尺寸为2 000 mm×1200 mm×1 800 mm，箱体厚度为10 mm。

 

　　2.2.2配电变压器绝缘油物性参数设置

 

　　对于油浸式配电变压器，热浮力是导致变压器油流动进而将热量传递的主要因素[3]。热浮力的大小以及油流的发展同变压器油本身的参数密切相关，而这些参数会随着温度的改变而发生变化，因此，对变压器进行温度-流体场耦合分析时，需要对变压器油比热容、导热系数、密度、黏度等热性能参数进行设定，其具体参数如表1所示。

 

　　2.2.3配电变压器边界条件设置

 

　　本文采用有限元方法计算油浸式变压器温度和油流分布，计算前需确定初始条件及边界条件。

 

　　(1)在油浸式变压器温度-流体场仿真过程中，本文采用设置变压器内外温度的方法体现变压器内部热量传递过程。因此，该过程满足第一类边界条件，即狄利克雷边界条件。其变压器绕组温度设置为363 K，变压器壁温度设置为293.15 K。

 

　　(2)初始温度与环境温度均为293.15 K。

 

　　(3)变压器流场计算设置初始条件为：变压器油的初始速度设置为0 m/s，变压器油的重力加速度为9.8 m/s2，方向为沿Z轴负方向。

 

　　(4)油箱壁、变压器铁心、高低压绕组等固体部分边界条件设定为无滑移。

 

 

　　利用第2章所搭建的配电变压器仿真模型和仿真平台进行仿真计算，其天然酯油和矿物油变压器内部温度分布云图如图2所示，从图中可以看出，在相同时间内，矿物油变压器中热量传递速度会更快，这是由于天然酯油动力黏度过大，在变压器内油流速较慢，因此其热对流性差。

  

 

　　图3所示为天然酯油和矿物油变压器yz截面的温度分布图，从图中可明显观察到变压器内最高温度在绕组的顶部区域。这是因为变压器油在温度和重力的影响下，绕组附近的油被加热，密度降低，使得温度较高的油向上流动，温度较低的油向下流动，从而出现变压器顶部温度整体大于底部温度。由于本文采用设置变压器内外温度差的方法模拟变压器内热量的传递过程，因此会极大缩减变压器内温度达到热平衡状态的时间，但对于不同类型的变压器绝缘油，其达到热平衡状态的时间及温度大小仍有细微的差别。

 

　　图4所示为矿物质油和天然酯油分别在变压器内部其平均温度达到热平衡状态时的温升，从图中可以观察到，矿物油相较于天然酯油可以更快地达到热平衡状态，且矿物油的平均温度比天然酯油高0.2 K。

 

　　由于变压器油在黏度等参数上的差异造成变压器油的流动速度也各有不同，油流速将直接影响配变的散热从而影响温升。图5所示为yz截面矿物油与天然酯油的油流速分布图，根据流体力学可知，流体一般是从低温处流向高温处，从密度大的区域流向密度小的区域。仿真结果表明，绕组及铁心端部的平均油流速度大于绕组及铁心底部，绝缘油从油道从下往上流动，由于绝缘油与油箱壁及变压器内部结构表面有摩擦力的存在，使得绝缘油流动速度明显下降。其在绕组上方油流动速度最大，各时间段下变压器yz截面的最大流速如表3所示。

 

 

　　由表3可看出，变压器油流速大小随时间下降，这是因为变压器油的动力黏度随温度呈非线性变化，导致油流速下降。且天然酯绝缘油流动速度明显低于矿物油流动速度，其中矿物绝缘油平均流速为133.501 mm/s，天然酯绝缘油平均油流速大小为124.138 mm/s。因此，矿物油直接替换为天然酯油时由于其动力黏度大的原因将会导致天然酯油在变压器内平均流速下降，进而影响变压器的散热能力。

 

 

　　本文采用有限元法对矿物油和天然酯油在变压器内的温度-流体场分布进行仿真分析，其结论如下。

 

　　(1)在同一个变压器模型及仿真平台下，天然酯油的温度场与矿物油温度场分布大体一致，均呈现变压器顶部温度偏高于底部温度。

 

　　(2)相较于矿物油，天然酯油的动力黏度较高，油流速较慢，经仿真分析，天然酯油平均流速较矿物油低9.363 mm/s，导致变压器内部的热对流性差，因此在使用天然酯变压器油替换矿物油时需要改善散热系统。

 

　　(3)由仿真可看出，虽然由于天然酯油的动力黏度大于矿物油，导致其油流速较慢影响变压器散热，但天然酯油在环保、防火性方面要远远优于矿物绝缘油，若进一步改进油浸式变压器散热结构和天然酯油的部分理化性能，提升天然酯油变压器的散热能力，天然酯油作为矿物绝缘油良好的替代品，在未来具有良好的发展前景。

 

　　参考文献：

 

　　[1]韦玮,李鑫,徐晓刚,等.基于Fluent的植物绝缘油配电变压器温度场有限元仿真分析[J].广东电力,2016,29(10):121-126.

 

　　[2]丁仁杰,段炼,罗子秋,等.极寒条件下油浸式变压器冷启动过程温度场和流场仿真分析[J].科学技术与工程,2021,21(35):15043-15051.

 

　　[3]方福歆.考虑铁损分布的35 kV变压器温升特性仿真研究[D].武汉:武汉大学,2017.

 

　　[4]宋友,阮江军,王珊珊,等.油浸式变压器绝缘油热特性的仿真分析[J].绝缘材料,2015,48(4):21-24.

 

　　[5]E Mechkov,R Tzeneva,V Mateev,et al.Thermal analysis using 3D FEM model of oil-immersed distribution transformer,"2016 19th International Symposium on Electrical Apparatus and Tech⁃nologies(SIELA),2016:1-3.

 

　　[6]单东雷.大型变压器绕组温度场的研究[D].保定:华北电力大学,2012.

 

　　[7]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[J].变压器,2009,46(9):35-38.