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类型油浸式变压器绕组饼间热阻的稳态热流法.doc

  • 上传人:无敌
  • 文档编号:165821
  • 上传时间:2018-03-22
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    1、油浸式变压器绕组饼间热阻的稳态热流法 文贺敏 赵振刚 李川 李英娜 昆明理工大学信息工程与自动化学院 摘 要: 油浸式变压器的热点温度是影响变压器负载的关键因素。当变压器正常运行时, 绕组产生的热量部分传递至饼间水平油道的油流。在根据变压器内部热分布建立热路模型时, 绕组饼间的热阻特性尚未考虑, 因此忽略水平油道的流动状态, 基于稳态热流法提出模拟油浸式变压器绕组饼间环境的构想, 搭建实验平台, 利用实验测得的数据计算出绕组饼间的单位面积热阻, 并对计算结果进行分析, 为建立更精准的分布式参数热路模型做基础。关键词: 油浸式变压器; 热路模型; 热阻; 水平油道; 稳态热流法; 作者简介:文贺

    2、敏, 女, 河南驻马店人, 从事光纤解调仪技术研究。收稿日期:2017-07-31基金:国家自然科学基金资助项目 (5166070076) Steady state heat flow methods experimental study on thermal resistance between oil-immersed transformer windings discsWEN Hemin ZHAO Zhengang LI Chuan LI Yingna College of Information Engineering and Automation, Kunming Universit

    3、y of Science and Technology; Abstract: The hot temperature of oil-immersed transformer is a key factor about influencing transformers load.When a transformer has normal operation, the past of heat winding produces transmit to the oil stream of horizontal oil channel between windings discs. When buil

    4、ding thermal circuit model based on the thermal distribution in transformer, thermal resistance characteristics between windings discs are not still considered, so ignoring horizontal oil channels flow state, putting forward the concept of simulating environment between oil-immersed transformer wind

    5、ing s discs basing on steady state heat flow method, building experimental platform, using data experiment measured to calculate unit area thermal resistance between wingdings discs, then analyzing the calculating consequences, doing foundation for building more accurate distributed parameter therma

    6、l circuit model.Keyword: oil-immersed transformer; thermal circuit model; thermal resistance; horizontal oil channel; steady state heat flow method; Received: 2017-07-31油浸式变压器是电力系统中最重要的设备之一, 它的老化绝缘程度关系着整个电网的正常运行。变压器内部绝缘区域内的最高温度值, 即热点温度, 是影响变压器绕组绝缘程度的最重要因素, 也是影响变压器负载值的关键因素1-2, 因此对热点温度的监测具有重要意义。目前, 油浸

    7、式变压器热点温度的监测方法主要有两种, 一种是直接把光纤温度传感器置入在预测的变压器绕组热点温度点, 但预测的温度点可能并非变压器的真正热点温度, 会有直接误差。另一种是通过数值计算和热路模型法间接得到热点温度, 热路模型法复杂程度低, 计算简单, 精确度高, 在实际中经常采用3。2001 年, Swift 等人根据热传递和电荷转移类比提出热电类比法, 在此基础上建立模拟变压器内部热分布的模型4。2009 年, 江淘沙等人根据 IEEE Std C 57.91 提出可改进计算精度的热点温度组成关系, 建立基于底层油温的等效热路模型5。2012 年陈伟根等人考虑非线性热阻、油黏滞度以及绕组损耗随

    8、温度的变化, 引入关于温度变化的修正因子, 提出基于顶层油温的变压器绕组热点温度模型6。2015 年, 王丰华等人明确定义热点温度的等效热源并考虑变压器油黏度及铜损的温度特性, 提出基于底层油温的改进的变压器热点温度模型7。油浸式变压器损耗包含空载损耗 (铁损) 和负载损耗 (铜损) , 而负载损耗是产生绕组温升的最主要原因6, 绝缘油通过自然循环带走热量, 当油流循环趋于稳定, 线圈的温度不再升高, 每饼绕组产生的热量传递到水平油道和附近的变压器油。目前已有文献在建立热路模型时忽视了热量传递到水平油道时产生的热阻。本文在已有的研究基础上, 通过搭建基于稳态热流法的实验平台, 模拟油浸式变压器

    9、绕组饼间的环境, 着重分析油浸式变压器绕组饼间的热阻特性, 得到较为精确的热阻值, 为建立计算精度更高的分布式参数热路模型8做基础。1 实验平台的搭建1.1 油浸式变压器绕组油浸式变压器绕组是由铜线绕制在中间铁芯而成, 绕组间有垫块, 垫块的高度形成了水平油道的高度, 水平油道是扇形的柱状通道, 如图 1 所示, 可简化为矩形结构对它进行分析。当水平油道比较窄时, 附近流速较慢的油流从两侧竖直油道流至水平油道深处, 从而形成贯通的水平流动9, 如图 2 所示。当变压器正常运行产热与散热时, 绕组线饼发出的热量部分可传递到饼间油流, 经过散热系统传递到外部环境中。1.2 稳态装置的原理当两个物质

    10、存在温度梯度时, 将导致能量传递, 其能量传递的速率10为图 1 油浸式变压器绕组结构的简示图 Fig.1Simple drawing of oil-immersed transformer windings structure 下载原图图 2 变压器绕组饼间水平油流 Fig.2Transformer windings discshorizontal oil flow 下载原图式 (1) 中负号表示热能传递的方向与温度升高的方向相反;q n为等温面法线方向的热流密度;a 是待测样品两端物体的导热系数; 表示等温面法线方向的温度变化率, 即温度在 n 方向上的导数10, 如图 3 所示。对于一维

    11、、稳态、无内热源的导热过程, 单位面积热阻的定义10为图 3 稳态法原理示意图 Fig.3 Diagram of steady state theory 下载原图当传热达到稳态时, 待测样品上下表面的温度 1, 2趋于稳定, 忽略柱体侧面积的散热, 经过待测样品的热流密度取为通过上下柱体的热流密度 q1, q2的平均值。对于 (2) 式, T 是样品上下表面的温度差 1- 2, q 是通过样品的热流密度1.3 稳态装置本文研究的油浸式变压器共有 55 饼绕组, 线饼间的距离为 2mm。当绕组温度不再变化后, 因变压器绕组饼间的油流流速很慢, 暂且忽略流速, 着重研究饼间的热阻特性。基于稳态热流

    12、法, 提出模拟油浸式变压器绕组饼间环境的构想, 选取与变压器绕组具有相同物理性质的紫铜 (导热系数已知) 作为热流计, 在每个热流计内等间距选取 4 个温度测试点, 并根据紫铜横截面积的大小制作一个 2mm 厚的成份为聚四氟乙烯的方框。在紫铜 1 的下端与紫铜 2 的上端贴上与油浸式变压器所用材质和厚度相同的浸过油的绝缘纸, 再在紫铜 2 的顶端制作一个凹型槽, 槽边向外少许倾斜, 把方框放在盛满变压器油的凹槽内, 盖上紫铜 1, 所制装置如图 4 所示。为减少热量的横向散失, 在紫铜侧面包裹一层厚度为 2cm 的保温隔热棉。图 4 稳态装置简示图 Fig.4 Diagram of stead

    13、y state device 下载原图1.4 实验平台如图 5 所示是整个实验平台, 由接触调压器、温度巡检仪、稳态装置、上位机、导热板等组成, 紫铜 1 的顶部紧挨着导热板, 在导热板两端接入电压产生热流计所需热量, 接触调压器调节对导热板的输出电压, 控制流向稳态装置的热量, 紫铜 1 与紫铜 2 间的变压器油温度随之变化, 相当于变压器绕组不同位置时饼间油的温度。选取 8 只 K 型热电偶, 将其探针插进稳态装置的温度测试点, 热电偶另一端与温度巡检仪相连, 上位机安装数据采集软件, 记录并显示每分钟的数据变化, 使用水泵在稳态装置的底部制成水流循环系统, 带走底部多余热量。图 5 实验

    14、平台简示图 Fig.5 Diagram of experiment platform 下载原图2 实验结果与分析2.1 待测温度点选取油浸式变压器在额定负载下正常运行时, 当油流循环趋于稳定后, 线圈和铁芯等部件的温度不再升高, 其产生的热量全部经由作为冷却介质的绝缘油传递到周围环境中9, 此时, 变压器内部产热散热达到热平衡。在现实工况中, 利用光纤温度传感器与 FBG 解调仪测得变压器绕组测点位置的温度, 因饼间流油与绕组接触密切, 测得温度也可作为绕组饼间油的温度, 温度范围为 5080。取温度范围内部分间隔温度点作为实验平台采集数据的温度点, 因实验环境、人为误差等, 实验过程中调控的

    15、温度与原定的待测温度有所偏差, 最后得到的温度点如表 1 所示。2.2 实验数据处理因制作热电偶的工艺等因素, 热电偶间具有测量误差, 在稳态装置的某个温度稳定时, 以第 1 只热电偶所测温度为基准, 再用第 2 只到第 8 只热电偶分别测第 1 只热电偶所测的内部温度, 所得温度值与第 1 只热电偶所测温度值的差值即为第 2 只到第 8 只热电偶的温度测量误差。采集完所有的实验数据后, 对数据进行误差处理, 以温度点 T1为例, 利用origin 软件对该温度点对应的实验数据进行线性拟合, 所得拟合结果如图 6 与图 7 所示。表 1 实验待测温度点 Tab.1 Experimental t

    16、emperatures to be measured 下载原表 图 6 T1 温度点下紫铜 1 对应所测数据的线性拟合 Fig.6Linear fit of red copper 1 corresponding measure data when T1 下载原图图 7 T1 温度点下紫铜 2 对应所测数据的线性拟合 Fig.7Linear fit of red copper 2 corresponding measure data when T1 下载原图由图 6 与图 7 可知, 在温度点 T1下, 紫铜 1 与紫铜 2 热流量方向的温度变化率分别为-17.7 和-19.375。油上下表面的

    17、温度分别为 70.42和33.157 5 (与导热板距离分别为 0.1m 和 0.102m 处的温度) 。已知紫铜的导热系数为 398W/ (mK) , 再利用式 (1) 与式 (2) 求得单位面积热阻 R=0.013 77K/W。用此方法分别求出温度点 T2T10对应的单位面积热阻, 经过整理如图 8所示。2.3 实验结果分析油浸式变压器内部油粘度随温度的变化比油的其他物理参数随温度的变化更大, 因此, 除了油粘度, 所有关于油的物理参数都可被认为是一个常数11。 是随温度变化的油粘度11, 可表示为图 8 温度点 T1T10 对应的单位面积热阻 Fig.8Thermal resistanc

    18、es per unit area when T1T10 下载原图根据传热理论, 由经验公式 N =CGrPr可得导热系数11在油浸式变压器正常运行时, 当内部温度超过 40, 参数 C1趋于常数。随着温度的升高, 油黏度 逐渐变小, 油的导热系数增大, 同等条件下, 单位面积热阻逐渐减小。随着温度的升高, 绝缘纸会发生化学变化。当待测温度逐渐升高后, 绝缘纸发生的变化对饼间热阻的影响比油黏度逐渐降低的影响更显著。绝缘纸的主要成分是天然的纤维素, 在实验初期, 水分子在 H 的催化作用下对纤维素进行水解, 消耗水分子12-13, 而绝缘纸变化时生成的水分向绝缘油中转移, 绝缘纸含水量逐渐降低。当

    19、材料的孔隙中有水分 (包括水蒸汽) , 孔隙中蒸汽的扩散和水分子的热传导将起主要传热作用14, 所以当绝缘纸含水量逐渐降低时, 变压器绕组饼间的导热系数逐渐减小, 同等条件下, 其单位面积热阻逐渐变大。如图 8 所示, 在温度为 65之后, 单位面积热阻开始呈现波动状态, 因为随着绝缘纸酸性水解的进行, 纤维素水解生成的单糖内部开始降解, 生成酸类化合物的同时也会生成水分, 绝缘油的水分值很容易达到饱和, 油中的水分又会向外部环境转移, 绝缘纸与绝缘油之间的水分子发生动态转移15, 所以在实验中后期, 绝缘纸含水量呈现波动状态, 随之, 绕组饼间的热阻也呈现波动状态。2.4 实验结果验证在所有

    20、关于油浸式变压器热路模型的文献中, 对热阻的计算均来于经验公式8, A 为等效对流散热面积, h 为导热系数 (如式 (4) 所示) 。由于变压器绕组的结构与环境, 以及变压器油的温度特性等复杂因素, 计算热阻时, 很多参数只能靠估算或经验, 温度点 T1T10对应的理论计算单位面积热阻值如图 9 所示。图 9 温度点 T1T10 的理论单位面积热阻值 Fig.9Thermal resistances per unit area on theory when T1T10 下载原图对图 8 与图 9 作比较可知, 二者的单位面积热阻值范围几乎相同, 证明了实验方案的可行性。再对温度点的值作比较,

    21、 可得到差值范围很小的结论, 证明采取此方法可以计算饼间热阻。3 结语由于变压器的复杂内部结构, 绝缘油随温度变化的物理性质以及线饼间水平油道内对流换热的复杂性, 绕组饼间的热阻不易直接计算出, 传统理论计算有很多经验值与估计值, 而此方法参数值不多于 3 个, 降低因为参数取值误差而产生不准确性的概率。本文基于稳态热流法模拟油浸式变压器绕组饼间的环境, 经对计算结果的分析, 证明了实验构想的可行性, 为变压器绕组饼间的热阻计算提供一种方法。参考文献1滕黎, 陈伟根, 孙才新.油浸式电力变压器动态热路改进模型J.电网技术, 2012, 36 (4) :237-241. 2江淘沙.基于底层油温的

    22、油浸式变压器热点估计方法研究D.重庆:重庆大学, 2009. 3李剑, 刘兴鹏, 王元有, 等.以箱壁温度为判据的油浸式变压器绕组热点温度计算模型及试验分析J.高电压技术, 2011, 37 (10) :2344-2349. 4SWIFT G, M OLINSKI T S, LEHN W.A fundamental approach to transformer thermal modeling, part I:Theory and equivalent cir cuitJ.IEEE Transactions on Power Delivery, 2001, 16 (2) :171-175.

    23、5江淘沙, 李剑, 陈伟根, 等.油浸式变压器绕组热点温度计算的热路模型J.高电压技术, 2009, 35 (7) :1635-1640. 6陈伟根, 苏小平, 周渠, 等.基于顶层油温的变压器绕组热点温度计算改进模型J.重庆大学学报, 2012, 35 (5) :69-75. 7王丰华, 周翔, 高沛, 等.基于绕组热分布的改进油浸式变压器绕组热点温度计算模型J.高电压技术, 2015, 41 (3) :895-901. 8赵振刚, 高丽慧, 李川, 等.基于 FBG 测温与热路模型的绕组热点温度研究J.仪器仪表学报, 2016, 37 (2) :294-300. 9苏小平.油浸式变压器绕组

    24、热点温度计算模型及预测方法研究D.重庆:重庆大学, 2012. 10王保国, 刘淑艳, 王新泉, 等.传热学M.北京:机械工业出版社, 2010:13-21. 11SUSA D, LEHTONENE M, NORDMAN H.Dynamic thermal modelling of power transformersJ.IEEE Transactions on power delivery, 2005, 20 (1) :197-204. 12LUNDGAARD L E, HANSEN W, LINHJELL D, et al.Aging of oil-impregnated paper in power transformersJ.Power Delivery IEEE Transactions on, 2004, 19 (1) :230-239. 13田苗.水分及酸对油浸绝缘纸微观特性影响的分子模拟研究D.重庆:重庆大学, 2014. 14杨世铭, 陶文铨.传热学M.北京:高等教育出版社, 1998:22-23. 15廖瑞金, 汪可, 尹建国, 等.初始水分含量对油纸绝缘热老化特性的影响J.高电压技术, 2012, 38 (5) :1172-1178.

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