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干式變壓器以阻燃性固體絕緣材料和空氣為絕緣介質(zhì)，主要應(yīng)用在對安全環(huán)保要求較高的配電系統(tǒng)中。但由于其繞組一般由環(huán)氧樹脂澆注而成，導(dǎo)熱性能差，容易導(dǎo)致繞組內(nèi)部熱點(diǎn)溫度過高，加速絕緣老化甚至引發(fā)燒毀事故。因此，對干式變壓器溫度分布情況和熱點(diǎn)溫度的預(yù)測在設(shè)計(jì)和運(yùn)行階段都是至關(guān)重要的。

目前，對干式變壓器溫度場的計(jì)算有兩類方法：一類是數(shù)值分析方法；另一類是熱網(wǎng)絡(luò)模型。數(shù)值分析方法注重求解偏微分方程的近似解。數(shù)值分析方法已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者的重要研究手段，但是該方法要進(jìn)行密集的計(jì)算，通常需要較長的執(zhí)行時間和較大的計(jì)算機(jī)內(nèi)存，并且一般只用于穩(wěn)態(tài)計(jì)算，不同時間尺度下的多物理場耦合仿真也存在收斂困難的問題。

基于熱電類比的熱路模型具有計(jì)算量小、計(jì)算時間短以及所需資源少等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于干式變壓器的熱點(diǎn)溫度預(yù)測。但是熱路模型由于大量簡化干式變壓器的實(shí)際結(jié)構(gòu)，其計(jì)算精度較低。進(jìn)一步地，為了得到溫度分布情況，需要同時考慮徑向傳熱和軸向傳熱，此時根據(jù)徑向熱阻和軸向熱阻的劃分可將熱路模型擴(kuò)展為熱網(wǎng)絡(luò)模型，熱網(wǎng)絡(luò)模型更加符合干式變壓器的實(shí)際傳熱過程。

但是，熱網(wǎng)絡(luò)模型不能反映出干式變壓器空氣域的流體動力學(xué)特征，使得難以準(zhǔn)確計(jì)算對流傳熱熱阻，溫度分布和熱點(diǎn)溫度的計(jì)算誤差也將隨之增大。根據(jù)國際大電網(wǎng)會議關(guān)于變壓器熱建模的報(bào)告，計(jì)算流體動力學(xué)是提高熱網(wǎng)絡(luò)模型精度的最佳途徑，但是目前尚無用流體動力學(xué)去修正干式變壓器熱網(wǎng)絡(luò)模型的先例。

為分析干式變壓器在典型過載情況下繞組的軸向溫度分布和熱點(diǎn)溫度，西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院、中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司的唐釗、劉軒東、陳銘，在2022年第18期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，提出一種考慮流體動力學(xué)的熱網(wǎng)絡(luò)模型。該模型克服了傳統(tǒng)熱路模型計(jì)算精度較低的問題和有限元模型計(jì)算時間長的缺點(diǎn)，對干式變壓器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行評估具有較好的指導(dǎo)作用。

他們在考慮了溫度對材料損耗特性的影響下，建立了干式變壓器三維磁-熱-流耦合仿真模型，精確模擬了干式變壓器強(qiáng)迫散熱過程，實(shí)現(xiàn)了不同負(fù)載系數(shù)下干式變壓器繞組的溫升計(jì)算和熱點(diǎn)溫度預(yù)測，高壓繞組、低壓繞組最熱點(diǎn)溫度的仿真結(jié)果與出廠溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差分別為4.1%和9.0%。

在此基礎(chǔ)上，他們結(jié)合有限元模型的流體場仿真結(jié)果，對熱網(wǎng)絡(luò)模型中的對流傳熱熱阻進(jìn)行修正。結(jié)果表明，熱網(wǎng)絡(luò)模型在進(jìn)行對流傳熱熱阻修正后，高壓繞組、低壓繞組的最熱點(diǎn)溫度的仿真結(jié)果與出廠溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差分別為2.9%和10.7%，軸向溫度分布規(guī)律吻合度較高。

圖1 考慮軸向和徑向熱流的熱網(wǎng)絡(luò)模型

研究人員指出，考慮磁-熱-流多物理場耦合下的損耗計(jì)算和溫度分布更加符合干式變壓器的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。有限元模型仿真結(jié)果顯示在額定狀態(tài)下，最熱點(diǎn)溫度位于低壓繞組內(nèi)層的導(dǎo)體上，低壓繞組沿軸向溫度逐漸增大，溫差小于6K；高壓繞組溫度出現(xiàn)分段梯度現(xiàn)象，各段之內(nèi)溫差小于1K，各段之間溫差在6～10K。通過與出廠溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證了有限元模型的合理性和準(zhǔn)確性。

他們表示，熱網(wǎng)絡(luò)模型可將干式變壓器的傳導(dǎo)、對流和輻射三種傳熱方式考慮到熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中，但通過研究變壓器內(nèi)部空氣流速對對流傳熱熱阻的影響，發(fā)現(xiàn)需要利用有限元模型的內(nèi)部流體場仿真結(jié)果對熱網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行修正。

他們進(jìn)一步指出，將修正前、后的熱網(wǎng)絡(luò)模型得到的繞組最熱點(diǎn)溫度與有限元模型仿真結(jié)果相比，高壓繞組、低壓繞組外層、低壓繞組內(nèi)層的誤差分別從7.35K、21.06K、17.29K減小為6.16K、4.59K、2.92K，計(jì)算精度大幅提高。將修正后的熱網(wǎng)絡(luò)模型得到的繞組溫度分布曲線與有限元模型仿真結(jié)果相比，總體變化趨勢接近，但難以表征一些溫度變化細(xì)節(jié)，具有一定的有效性。下一步將通過增加熱網(wǎng)絡(luò)模型的軸向方向的分層數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)熱網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型。

本文編自2022年第18期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“考慮流體動力學(xué)的干式變壓器熱網(wǎng)絡(luò)模型仿真分析”。本課題得到國家電網(wǎng)有限公司科技項(xiàng)目“關(guān)鍵電力裝備狀態(tài)復(fù)合感知技術(shù)研究”的支持。