基于石墨烯輻射強化散熱的變壓器過載能力提升技術研究

姚 葉，陳 君，程 翔，甘 林，劉 飛，沈 晨

(國網(wǎng)上海市電力公司奉賢供電公司，上海 201499)

配電變壓器由于本身的負載特點，有時會在夏季用電高峰時出現(xiàn)偶發(fā)性過負荷現(xiàn)象，普通變壓器散熱系統(tǒng)的散熱能力，均不會考慮過負荷的特殊工況，這就導致油溫過高而引發(fā)事故[1]。

因此，只有通過一定技術研究，改善現(xiàn)有配電變壓器的過載能力，在負荷波動較大的情況下有效降低油溫，就能大幅提升配電變壓器的運行可靠性。本文提出一種基于石墨烯輻射涂料用于變壓器的運行可靠性方案，可有效提升配電變壓器的工作可靠性。

1 現(xiàn)有配電變壓器存在的問題

配電變壓器的安全穩(wěn)定運行直接關系到電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，配電網(wǎng)絡的負荷日益增加。隨著電動汽車的普及和大功率直流充電樁的興建，短期內(nèi)越來越多的大功率脈沖負載投入運行時，很多地區(qū)的配電變壓器不堪重負出現(xiàn)故障，并且經(jīng)常出現(xiàn)火災發(fā)生的情況。然而，依賴于變壓器擴容和更換變壓器的手段都成本高昂、人力物力消耗巨大。

此外，對于現(xiàn)有的城鄉(xiāng)配電網(wǎng)絡，其負載率極不穩(wěn)定，如在低負載季節(jié)，更換大容量變壓器仍然具有較低的功率利用率、較大的空載損耗以及功率因數(shù)低的問題[2]。

基于這些分析，需要提升變壓器的散熱能力，使之在偶發(fā)的過負荷條件下油溫不越限，才能用最經(jīng)濟的手段解決變壓器短時過負荷帶來的不利影響。

2 石墨烯理化特性

2.1 石墨烯結構

石墨烯是由碳原子組成的單層片狀結構的材料。碳原子通過sp2軌道雜交形成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，這是一種只有一個碳原子厚度的二維材料。

石墨烯材料是一種出色的改性劑，可廣泛應用于各個領域，在新能源領域，比如在電容器和鋰電池方面，由于其高傳導性和高比表面積，適合用作電極材料助劑[3]。

2.2 石墨烯結構特性

石墨烯具有穩(wěn)定的結構，在石墨烯中，碳原子之間的連接非常靈活。當施加外部機械力時，碳原子的表面彎曲并變形，從而不需要重新排列碳原子以適應外力，并且結構保持穩(wěn)定。穩(wěn)定的晶格結構使碳原子具有出色的導電性。

當石墨烯中的電子在軌道中移動時，由于晶格缺陷而不會被散射。因為原子之間的作用力非常強，所以即使周圍的碳原子在常溫下相互碰撞，石墨烯中的電子也幾乎不會受到干擾[4-6]。

2.3 石墨烯導熱特性原理

石墨稀通過蜂窩狀晶格中的sp2碳原子以形成二維單原子層結構。每一個碳原子周圍有3個碳原子形成鍵角為120°的鍵；每一個碳原子均為sp2雜化并有助于剩余的一個p軌道上的電子形成大π鍵。石墨烯中，碳原子連續(xù)振動，其振幅可能超過其厚度。石墨烯晶格振動不僅影響石墨烯的形態(tài)特征，而且影響石墨烯的力學性質(zhì)、傳輸性能、熱性能和光電性能。對于石墨烯熱性能的影響主要是石墨烯晶格振動[7-8]。

石墨烯晶格振動的研究采用價力場方法。石墨烯的所有原子之間有鍵伸縮力和鍵彎曲力兩類相互作用力，與石墨烯薄片熱通量有關的表達式如下：

(1)

式中vhω——一個聲子所帶的能量，熱流中聲子的數(shù)目可由玻爾茲曼方程得出，式中表現(xiàn)為N(q，ω)。

熱導的宏觀定義：

Wα=-καβ(T)βhdxdy

(2)

式(2)中的熱系數(shù)是一個張量，表達式如下：

(3)

式中dx，dy——石墨烯樣品寬度和密度。

由此可寫出導熱系數(shù)對角張量，表達式如下：

(4)

在考慮二維聲子態(tài)密度后可得到標量導熱系數(shù)：

(5)

式(5)理論計算的導熱系數(shù)主要由石墨烯的聲子頻率、聲子支數(shù)和聲子相互作用過程決定。從得出的結果中，可得到不同寬度石墨烯薄片的導熱系數(shù)與溫度關系，如圖1所示。

圖1 對于不同寬度下石墨烯薄片的導熱系數(shù)與溫度的關系

從圖1可知，石墨烯的導熱系數(shù)與溫度呈負相關，即溫度越高導熱系數(shù)越小。在相同溫度下，導熱系數(shù)與石墨烯的寬度呈正相關。隨著溫度升高，晶格振動增強，聲子劇烈運動，并且熱流中的聲子數(shù)目也增加。聲子之間的相互作用和碰撞更加頻繁，原子偏離對平衡位置的振動幅度增大，這導致聲子散射增加，導熱載體的平均自由度降低。這是石墨烯導熱系數(shù)隨溫度升高而降低的主要原因。

對于石墨烯，電子的運動在一定程度上也有助于熱傳導，在高溫下，晶格振動主要有助于石墨烯的熱傳導。

石墨烯導熱系數(shù)的經(jīng)驗公式如下：

(6)

式中Xg——溫度系數(shù)；L——單層石墨烯的中部與散熱片之間的距離；h——單層石墨烯厚度；d——單層石墨烯寬度；δf——G峰位移；δP——樣品熱功率變化。

從式(6)可得出，石墨烯的導熱系數(shù)主要受單層石墨烯尺寸效應、溫度變化以及石墨烯生長基底材料三個因數(shù)的影響。

石墨烯具有很好的導熱性，晶格振動在導熱過程中起著重要的作用。導熱系數(shù)取決于溫度和尺寸。其優(yōu)異的導熱性和力學性能使石墨烯在溫度控制領域具有廣闊的發(fā)展?jié)摿?，但這些性能都難以直接利用，因為它們都是基于微觀的納米尺度。因此，為保持其納米效應將納米的石墨烯宏觀組裝形成薄膜材料或涂料，是石墨烯規(guī)模化應用的重要方法。

表1 采用紅外輻射涂料后的具體參數(shù)

3 變壓器運行可靠性提升方案

3.1 新型紅外輻射散熱涂料的設計

變壓器現(xiàn)有的散熱器是翅片結構金屬，盡管金屬本身的導熱系數(shù)很高，但是金屬散熱器表面的防銹涂料導熱系數(shù)很低，這大大降低了散熱器與空氣間的導熱系數(shù)，另外其熱輻射率也很低。拋光后銅和鋁的輻射率也僅為0.05，即使通過陽極氧化處理之后也不高于0.6，紅外輻射散熱效率依然非常低。由此在變壓器上采用能大幅提升導熱系數(shù)與紅外輻射系數(shù)的石墨烯導熱涂料，有望大幅提升變壓器與環(huán)境空氣的熱交換效率。

石墨烯納米散熱涂料由填料、穩(wěn)定劑、粘結劑、助劑與納米級的石墨烯顆粒組成。它是一種出色的電熱涂料，兼具出色的紅外輻射特性、高導熱率、節(jié)能環(huán)保等顯著優(yōu)勢。

利用石墨烯超高的導熱率和紅外輻射系數(shù)的特性，設計專門的輔助強化散熱器，提升現(xiàn)有變壓器熱交換能力，則有望大幅提升變壓器的偶發(fā)過載承受能力。部分石墨烯散熱涂料的具體參數(shù)如表1所示。

3.2 利用石墨烯輻射涂料設計變壓器強化散熱組件

石墨烯材料基于納米級石墨材料經(jīng)涂料加工工藝制成，涂敷在材料表面后，能極大提升物體表面的紅外輻射效率，傳熱通過對流、輻射與傳導三個途徑，通過變壓器表面臨時增設經(jīng)過納米石墨烯處理過的強化散熱導熱體，能極大提升現(xiàn)有變壓器散熱筋的排熱能力。

為了方便考慮在既有變壓器上加裝，利用鋁型材與軟性導熱材料，設計了可安裝于既有變壓器散熱翅片或散熱筋的強化散熱組件，其結構如圖2所示。

圖2 變壓器強化散熱組件結構

當遇到過載發(fā)熱的變壓器后，將強化散熱組件上的散熱筋插槽對準變壓器的各個散熱筋依次插上[9-10]，軟性導熱體結構夾緊散熱筋，強化散熱組件將變壓器散熱筋上的熱量快速強制輻射對流，起到緊急油溫控制效果。

4 現(xiàn)場試驗結果

通過同一型號變壓器不同負荷下的溫升對比，驗證基于石墨烯輻射強化的輔助散熱組件油溫控制效果，試驗結果如表2所示，試驗環(huán)境溫度20℃。

表2 不同負荷下試驗方案對比

試驗表明，石墨烯輔助散熱組件對于既有變壓器的散熱能力提升效果明顯，只要在變壓器兩邊的散熱器翅片裝設一邊的翅片輔助散熱組件，就能大幅降低溫升。

石墨烯輔助散熱組件降溫效果對比如圖3所示。試驗室數(shù)據(jù)表明當變壓器油溫90℃時，輔助散熱器可降溫10℃以上。

圖3 石墨烯輔助散熱組件降溫效果對比

5 結語

本文分析了現(xiàn)有配電變壓器固有散熱系統(tǒng)的散熱能力不足以應對過負荷現(xiàn)象的情況，以此為基礎提出了一種基于石墨烯輻射涂料的實用型變壓器設計方案，設計了變壓器強化散熱的輔助散熱模塊。

試驗證明這些手段可以有效提高變壓器的輻射傳熱能力和過載能力，對于負荷波動較大的配電變壓器，能非常有效降低油溫，降低了偶發(fā)的過負荷引發(fā)變壓器過熱火災事故概率。