1 簡介

 變壓器熱設計的目的是在用戶提供的技術規范范圍內估算熱點溫度的高低和位置。因此，變壓器熱性能的確定是主要對酯油變壓器進行工廠見證試驗的關鍵。然而近年來，酯油在變壓器上的應用受到了廣泛的關注，因此對酯液與礦物油變壓器的熱性能進行比較是十分必要的。對變壓器運行過程中的價值管理也有重要意義。

 一般情況下，油的粘度(mm2/s)、密度(kg/dm3)、比熱容(J/kg^oC)和導熱系數(W/m^oC)是決定變壓器冷卻性能的主要熱參數。此外，在現場運行期間，外部和內部冷卻組件如何協同工作也很重要。由于酯類油比礦物油更具粘性，會導致油的流速降低。在油自然冷卻模式下，粘度系數使情況惡化。如果變壓器公司有興趣利用酯液在變電站中環保和提高消防安全方面的優點，然后，變壓器制造商在進行熱設計時，需要了解變壓器用酯液的熱特性，以便通過工廠的溫升試驗，證明酯液變壓器能按延長的保證壽命運行。

 本文的目的是估算天然酯液和合成酯液變壓器在大氣溫度以上的熱性能參數(油流量、油溫升、繞組溫升和熱點溫度)，這是由于散熱器上使用12.5/16MVA，132/11kV變壓器的冷卻風扇布置不同。并與16MVA基礎下礦物油的熱性能參數進行了比較。此外，基于THNM模型估算了熱設計階段的溫度分布及熱點溫度位置，并與溫升試驗結果進行了比較。

2 考慮進行熱分析的變壓器油

 礦物油是從原油中通過不同的蒸餾和精煉方法得到的液態烴分子的混合物，具有石蠟、環烷和芳香族等多種結構。研究人員、變壓器制造商和用戶在了解礦物油的物理、化學和熱特性方面獲得了重要的經驗。礦物油具有傳熱性能好、氧化穩定性好、斷裂強度高、成本低、適用性廣等優點。但礦物油的生物降解性和燃點較低，無法為變電站變壓器提供消防安全和環保性能的關鍵結合。因此，近年來變壓器制造商和用戶已開始使用酯液填充變壓器作為消防安全和生物降解產品。

 天然酯液主要來源于菜籽油、大豆和葵花籽等再生菜籽油。與礦物油相比，它具有非常低的碳足跡和更高的水分飽和度。根據油的粘稠性，天然酯液可以有三種不同的C18脂肪酸基鏈(甘油主鏈結合)，并含有兩種甚至三種雙鍵化學結構。在一定溫度下，天然酯液對以絕緣紙為主的固體絕緣材料的保護時間可達礦物油的5-8倍。由于天然酯液具有獨特的吸收絕緣紙水分的能力，有助于延長變壓器的使用壽命。合成酯液主要是由酸基反應合成而成。合成酯液在寒冷氣候地區是非常有效的解決方案，因為它的傾點比天然酯液低(-56℃)。

 由于酯類油的特性與眾所周知的礦物油的特性不同，重要的是要了解酯類油具有足夠的和可接受的熱特性，而不是在雷電沖擊電壓和工頻耐受電壓下的介電強度預測。因此，礦物油、天然酯類油和合成酯類油的熱性能隨溫度的變化都是從不同的油品生產廠家獲得的。采用線性分段法定義變壓器油的密度、粘度、比熱容和導熱系數隨溫度的變化。根據油生產商提供的熱特性數據，對12.5/16MVA、132/11kV變壓器的幾何形狀和不同類型的酯液進行了熱分析，以估計變壓器使用的冷卻風扇的最佳位置。

3 變壓器中的熱量轉移

 變壓器的傳熱原理是通過傳導、對流和輻射來實現的。變壓器內部換熱路徑如圖1所示。

圖1 變壓器中熱量轉移路徑

這里：

         H₁– 通過繞組和鐵心的傳導準則  

        H₂– 通過牛皮紙或熱改性紙的傳導準則 

         H₃– 從導體絕緣到油的對流原理

         H₄– 從油到油箱的對流原理

         H₅– 通過油箱/散熱器的對流/輻射原理  

         δ_hs– 熱點溫度  

         δ_oil– 頂部油溫升

         δ_A– 大氣溫度 

 一般來說，鐵心(磁特性)和繞組內部的傳熱原理主要是由傳導過程控制的傅立葉定律，它在本質上是一個線性的基于熱導率的銅(大約380 Wm^-1k^-1)，鐵心和溫差的表面接觸熱傳導。銅導體的導熱系數高于熱升級的牛皮紙作為導體絕緣(約0.2Wm^-1K^-1)。因此，可以忽略銅導體內部的溫度梯度。由于熱升級后的牛皮紙在導體上的厚度將非常小(毫米)，因此在紙的導體絕緣上的溫度變化通常也被忽略了。 

 油介質內的傳熱主要是基于對流過程和流體在油中的傳導。對流過程通常是一個非常復雜的現象，因為它是基于密度和粘度、油的熱阻、被加熱表面與冷卻液之間的溫差等因素，對流換熱速率一般用牛頓冷卻定律來表示。油中對流的流量也取決于油的粘性。如果油在自然冷卻中由于粘性較小而運動較快，則對流換熱模式也會較快。由于礦物油具有高粘性，因此不會出現像礦物油無粘性時那樣多的對流換熱方式。因此，由于使用天然酯液和合成酯液，會減少流體的對流，導致酯液變壓器的溫度分布高于礦物油變壓器。因此，了解變壓器熱設計階段的溫度分布是變壓器制造商的興趣所在。

 油箱表面到大氣的傳熱是通過傳熱(空氣)的對流原理和輻射原理(油箱向大氣輻射熱量)進行的。在變壓器中，輻射在大多數情況下不會發生，它伴隨著對流。變壓器油箱的表面向大氣散發熱量。

4 考慮進行熱分析的變壓器  

 可靠的熱模型對于熱設計人員在變壓器制造前的設計階段滿足客戶的保證值特別有用。為了研究冷卻油道內的對流換熱，預測熱點溫值及其位置，需要對變壓器進行精確的熱建模。本文采用THNM模型預測變壓器頂油溫升、繞組溫升和熱點溫度，評價變壓器的溫度分布。

A. 變壓器模型

 為了獲得更精確的結果，需要詳細的變壓器幾何形狀作為熱建模的輸入參數來計算熱性能。用于熱模擬的變壓器內部主要部件是鐵芯和繞組。12.5/16MVA, 132/11kV變壓器的低壓(LV)，高壓(HV)和調壓繞組制造成餅式繞組。線餅之間的徑向冷卻油道(墊塊間隔)、軸向油道的厚度(繞組內外直徑處)對繞組的散熱起著至關重要的作用。本變壓器采用高壓繞組4.2mm(平均值)的餅間冷卻油道，低壓繞組2.8mm(平均值)的餅間冷卻油道。垂直冷卻油道放置在鐵心、低壓繞組、高壓繞組和調壓繞組之間，以這樣的方式創造一個高效的油流分布，以更好地冷卻每個組件。因此，對于給定的油的粘度，根據徑向和軸向冷卻油道的尺寸以及繞組的幾何布置，油從底部流動到頂部。

 熱改性紙用于導體絕緣。熱改性紙會降低水解效果，增強熱阻，降低老化速率。因此，盡管酯液的溫升限制較高，但在導體紙絕緣中，變壓器的壽命不會受到影響。變壓器繞組幾何形狀，如匝間絕緣、餅間絕緣、徑向撐條間隔、軸向冷卻油道、相間絕緣、高低壓繞組間絕緣、上下端絕緣等，均考慮了纖維素基絕緣(牛皮紙、紙板、木材)經過干燥和浸漬的變壓器。

B. 損耗計算

 使用THNM模型對變壓器繞組進行熱分析的第一步是計算功率損耗(空載和負載損耗)的大小和分布輪廓。變壓器運行過程中的溫升主要是由于空載損耗(電壓相關效應)和負載損耗(電流相關損耗)的綜合作用造成的。在運行過程中，變壓器本體上的功率損耗標量函數轉化為熱量，在變壓器內部產生熱應力。

 變壓器鐵芯產生的熱量(W/m³)是根據鐵芯損耗與鐵芯體積的比值計算出來的。沿著繞組高度的電阻損耗(焦耳定律)將是均勻的，因為電流均勻地通過繞組。由于徑向漏磁場比軸向漏磁場大，而繞組中部漏磁場較小，因此根據導線尺寸，繞組渦流損耗更集中在繞組頂部和底部。因此，繞組頂部和底部的渦流損耗分布并不均勻。在本研究中，基于有限元技術和實驗結果計算了繞組渦流損耗和導磁結構中的雜散損耗的復雜性，而并非經驗方法，基于16MVA的結果如圖2所示。

圖2 基于16MVA下繞組中的損耗分布

5 散熱器中冷卻風扇的布置  

變壓器制造商一般有興趣根據酯液變壓器散熱器上不同的冷卻風扇安裝方式來估算熱參數，并將熱參數結果與礦物油進行比較。各廠家在電力變壓器散熱器上常用的散熱風扇安裝配置(圖3、圖4)分為水平安裝(安裝在散熱器的兩側)和垂直安裝(安裝在散熱器的底部)。

該變壓器采用熱鍍鋅散熱器，將油箱頂部因功率損耗而產生的熱量抽出，并通過外置散熱器和冷卻風扇將冷卻后的油重新循環回油箱底。油箱內安裝4個散熱器，寬520mm，高2200mm，每個散熱器23片。該截面的冷卻表面積為2.64m², 50^oC時每個截面的散熱面積為851W。采用3相，50Hz, 900RPM, 500W，直徑610mm，風量10450m³ /hr冷卻風機。r₃和r₄與r₁和r₂之間的距離為150mm。R₂、R₃散熱器距離為100mm。冷卻風扇安裝方式的組合見表1和表2。

圖3  4個散熱器的不同位置3個散熱器上的冷卻風扇配置。 

圖4  4個散熱器的不同位置4個散熱器上的冷卻風扇配置

6 變壓器熱分析結果

 礦物油的熱運行限值在本文中是根據客戶的技術規格來使用的。環境溫度最大值為50℃，根據現場環境溫度根據客戶要求進行考慮。最高油頂溫升、繞組平均溫升限值分別為50℃、55℃。

表1  4個散熱器布置3個冷卻風扇

表1  4個散熱器布置4個冷卻風扇

功率損耗會導致繞組絕緣退化，從而降低導體絕緣的抗拉強度和介電性能。對于變壓器設計工程師來說，由于絕緣材料的熱老化問題非常重要，因此預測變壓器不同線餅或線匝處的溫度分布是一個很有意義的問題。因此，在空氣自然冷卻(AN)和空氣強迫冷卻(AF)模式下，預測了變壓器LV、HV和分接繞組每個線餅內部的匝與匝間的溫度分布，如圖5所示。從圖5中可以看出，由于繞組內部功率損耗分布不均勻(主要是由于繞組渦流損耗)，繞組內部的溫度分布并不均勻。酯液的底油溫度比礦物油低。同時，在ONAN(礦物油)/ KNAN(酯液)和ONAF(礦物油)/ KNAF(酯液)條件下，酯液的頂油溫度高于礦物油。結果表明，酯類油的總體進油流量較低，導致低壓繞組和高壓繞組的熱點溫度升高。

在油浸自然冷卻模式下，油的流動主要受浮力和熱動力學的影響。由于壓力系統和熱力系統相互連通，因此無需分別考慮，因此在變壓器油自然冷卻模式下的油流量和傳熱的預測比油導向繞組更具有挑戰性。油體流動、溫度分布和熱點溫度主要受雷諾數(Pr，慣性與粘滯力之比)、普朗特數(Pp，動量與熱擴散系數之比)和格拉肖夫數(Pg，慣性與粘滯力之比)的無量綱參數控制。浮力與粘性力的比值)和雷諾數的平方，Pg/Pr2。在油自然冷卻模式下，Pg/Pr2是油液流動和溫度分布的主導因素，因為它提供了浮力與慣性力的比值。由于在油自然冷卻模式下，油流與換熱是強耦合的，Pr比Pp對估算繞組和油的油流和溫度分布更有影響。

圖5  變壓器冷卻風機水平布置H₅下的溫度分布。  

冷卻風扇在散熱器上的布置

冷卻風扇在散熱器上的布置

圖6 酯液和礦物油的油流量、頂油溫度、繞組溫升、熱點溫度因冷卻風扇的不同布置而不同

圖6為冷卻風扇不同布置方式下的酯液和礦物油的油流量、頂油溫升、繞組溫升和熱點溫度。圖6中，油自然冷卻模式下的油流量一般受繞組結構內部的熱虹吸壓力誘導力(熱虹吸力)影響，總壓力損失將基于變壓器內部的液壓回路。天然酯液和合成酯液的流量分布基本一致，均在6.5 ~ 7.3 m3 /hr之間，而礦物油的流量分布較為均勻，通頂冷卻管道的流量較大。在酯液中，在相同的液體流動分布下，合成酯液比天然酯液具有更高的流動速率。

頂油溫升越低，熱性能越好，熱點溫度越低。酯液的最高油溫比礦物油高10%。由于溫度分布不均勻，繞組頂部的熱點溫度一般較大。礦物油、天然酯液和合成酯液的最高溫度位于高壓繞組的上部(第79餅)。研究發現，在兩種冷卻模式下，合成酯液變壓器油由于具有較高的粘度，其溫度高于天然酯液變壓器油。天然酯液和合成酯液的區別小于酯液和礦物油的區別。

在油自然冷卻模式下，油流入口速度越低，銅損耗越高，導致油流畸變越大，從而導致繞組頂部熱點溫度較高。因此，增大油流入口速度有助于改善油流分布，避免在繞組底部油流處的油滯留。油的粘度會影響壓力降隨繞組幾何形狀的變化，進而影響油流入口速度。如果變壓器填充酯液，為了比較酯液與礦物油的性能，應事先估計到油流通過入口速度的降低。

7  試驗分析

變壓器的熱性能可以通過THNM模型的熱建模和光纖傳感器測量的熱運行試驗來評估，其中熱點溫度是最重要的熱參數。根據IEC標準，傳統的變壓器熱性能評定主要是依靠廠內溫升試驗作為型式試驗，其中整體溫度參數(頂部油溫升、在不同的負載條件下，測量了底部油溫升和平均繞組溫升)與環境溫度的關系。變壓器的熱性能越好，頂油溫度越低，繞組溫升越低，熱點溫度越低。為驗證THNM結果，對一臺12.5/16MVA、132/33kV變壓器進行了天然酯液變壓器的熱運行試驗(圖7)。表3顯示了用天然酯液進行實驗驗證時使用的冷卻風扇不同的安裝方式。

實驗研究發現，在所有風扇安裝方式下，THNM值與實驗結果相差在1.5^oC-3^oC之間。在大多數安裝方式下，THNM的結果都高于實驗數據。在水平布置的實驗分析中，配置6的效率高于配置4和配置7，THNM的結果相同。同樣，在THNM和實驗研究中，結構4的垂直布置均優于結構2和結構3。

圖7  12.5/16MVA132/11kV變壓器散熱扇布置位置(H4)在散熱器4側(R4)  

表3  實驗分析的測試配置  

8 冷卻風扇的最佳配置

變壓器的熱性能主要取決于油溫和繞組溫升；熱運行試驗溫升值越低，熱性能越好，達到變壓器壽命的保證值。銅導體的機械強度高于固體絕緣(牛皮紙和紙板)和液體絕緣(油)，最高可達幾百攝氏度。礦物油在140℃以下不會明顯失去絕緣性能，但當溫度超過90℃時，牛皮紙的導體絕緣會開始嚴重惡化。絕緣失效會導致繞組不受控制的過熱，導致導體絕緣劣化，最終造成變壓器的熱失效。因此，使用散熱器散熱以及散熱器上風扇的正確布置是影響變壓器壽命的主要因素之一。因此，在對12.5/16 MVA 132/11kV變壓器進行熱分析的基礎上，圖8和圖9給出了所有散熱風扇安裝方式組合的散熱系數排序。

由圖8和圖9可知，對于12.5/16MVA 132/11kV變壓器，給定的繞組幾何形狀，給定的散熱器配置和給定的變壓器繞組功率損耗，使用冷卻風扇散熱的趨勢不會發生變化。

圖8  4個散熱器布置3個風機的散熱結果  

圖9  4個散熱器布置4個風機的散熱結果  

9  結 論

溫度分布的預測是熱設計階段利用不同類型的酯液進行變壓器應用的主要依據之一。本文采用12.5/16MVA 132/11kV變壓器，研究了礦物油、天然酯液和合成酯液三種不同油對油流分布和溫度分布的影響。比較了在固定功率損耗條件下，變壓器填充酯液和填充礦物油的性能差異。本研究將有助于變壓器制造商和電力公司了解酯液變壓器散熱器的散熱風扇不同安裝方式下的熱性能。利用THNM模型預測油溫、繞組溫度隨油流的分布和熱點溫度，并將其結果與12.5/16MVA、132/11kV典型電力變壓器的實驗分析結果進行對比。