變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其換熱效果的影響研究

李 菁

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四臺(tái)礦，山西 大同 037001）

引言

干式變壓器是礦井供電系統(tǒng)中的重要設(shè)備，礦用干式變壓器作為低壓設(shè)備的供電電源，具有重量輕、易燃性低、安全性高的特點(diǎn)，并且在使用過(guò)程中防塵性好、維護(hù)方便，在煤礦井下的環(huán)境中具有廣泛的應(yīng)用[1]。隨著煤礦開(kāi)采自動(dòng)化程度的提高，井下作業(yè)對(duì)電力供應(yīng)的要求逐漸提高，電力需求及消耗量不斷增加，對(duì)變壓器設(shè)備的要求也逐漸提高。在干式變壓器的使用過(guò)程中，熱應(yīng)力引起的熱擊穿現(xiàn)象是造成變壓器故障的主要原因，這是由于變壓器的超載或者局部的溫度過(guò)高造成的[2]。針對(duì)變壓器使用中的溫升問(wèn)題，采用Fluent 軟件進(jìn)行有限元建模及分析，通過(guò)改變變壓器的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化變壓器的換熱條件，降低變壓器的溫升，從而提高容量[3]，保證煤礦穩(wěn)定開(kāi)采的電力需求。

1 變壓器換熱分析模型的建立

在礦井干式變壓器使用過(guò)程中，變壓器的熱點(diǎn)溫升會(huì)對(duì)變壓器的使用壽命及安全性造成嚴(yán)重的影響，在變壓器的設(shè)計(jì)使用中，應(yīng)盡量降低變壓器的熱點(diǎn)溫度，從而保證使用的安全及穩(wěn)定。干式變壓器的結(jié)構(gòu)截面為對(duì)稱性圓形[4]，取其1/4 截面作為研究對(duì)象進(jìn)行分析。變壓器的結(jié)構(gòu)組成包括鐵芯、低壓繞組、高壓繞組、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)以及保護(hù)外殼，在繞組之間及繞組與鐵芯之間設(shè)置有相應(yīng)的氣道，從而改善變壓器的散熱條件[5]。

依據(jù)礦井開(kāi)采中使用的某型號(hào)的干式變壓器，其低壓繞組在鐵芯及高壓繞組之間，相互之間設(shè)置相應(yīng)的散熱氣道，變壓的結(jié)構(gòu)采用撐條的形式進(jìn)行固定及支撐，建立變壓器的結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示，圖中M、N、P 為三層低壓繞組，X、Y 為兩層高壓繞組[6]，撐條的結(jié)構(gòu)及分布對(duì)變壓器繞組的換熱條件具有重要的影響，針對(duì)撐條的結(jié)構(gòu)及分布進(jìn)行建模分析。

圖1 變壓器結(jié)構(gòu)模型

對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值分析的前處理，將模型分為鐵芯域、低壓繞組域、高壓繞組域、繞組間流體域及繞組外流體域共5 個(gè)部分，繞組外流體域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理。對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證[7]，選取進(jìn)口壓力為0、進(jìn)口溫度為293 K，經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證確定模型的網(wǎng)格數(shù)量為388 348。

采用Fluent 軟件對(duì)變壓器的溫度變化進(jìn)行分析，由于變壓器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部的溫度場(chǎng)變化較多，采用RNG 湍流模型，流動(dòng)介質(zhì)為空氣[8]。進(jìn)口域的條件選擇壓力進(jìn)口，進(jìn)口壓力為0、壁面溫度為293 K，出口域邊界條件選擇為壓力出口，壓力設(shè)置為自由壓力，出口溫度為273 K，溫度為自由邊界溫度，出口湍流定義為湍流強(qiáng)度和水力直徑[9]。

2 變壓器不同撐條結(jié)構(gòu)對(duì)換熱效果的影響分析

變壓器的結(jié)構(gòu)中，撐條的數(shù)量及結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)變壓器的結(jié)構(gòu)組成及換熱效果具有重要的影響，針對(duì)撐條的影響作用，對(duì)不同數(shù)量及不同長(zhǎng)度的撐條變壓器的溫度變化進(jìn)行分析。

2.1 改變撐條數(shù)量對(duì)變壓器換熱效果的影響

在圖1 所示的變壓器結(jié)構(gòu)組成中，在1/4 氣道內(nèi)分別設(shè)置2～6 條不同的撐條，建立變壓器的模型，對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)分析并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到變壓器低壓繞組軸向的溫度分布如下頁(yè)圖2 所示。從圖2 中可以看出，在變壓器自然對(duì)流的工況下，隨著撐條數(shù)量n 由2 增加到6 的過(guò)程中，低壓繞組軸向溫度分布變化的趨勢(shì)保持一致，均呈現(xiàn)出先增加然后下降的趨勢(shì)。在撐條數(shù)量增加的過(guò)程中，變壓器的溫度呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，這是由于撐條數(shù)量的增加，使得氣道內(nèi)換熱面積減小，從而造成變壓器的換熱效果不佳，使得整體的溫度上升。

圖2 不同撐條數(shù)量低壓繞組軸向溫度的對(duì)比曲線

在自然對(duì)流的工況下，隨著撐條數(shù)量的增加，變壓器的換熱效果有所下降，在進(jìn)行變壓器設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)減小撐條的數(shù)量[10]，采用較少的撐條數(shù)量從而改善變壓器的換熱。同樣較多的撐條數(shù)量能夠保持變壓器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，會(huì)減小耦合流域的接觸面積，增加空氣流動(dòng)的阻力，變壓器熱點(diǎn)溫度上升，容易造成熱損傷，應(yīng)選擇合理的撐條數(shù)量。

2.2 改變撐條長(zhǎng)度對(duì)變壓器換熱效果的影響

在上頁(yè)圖1 所示的變壓器結(jié)構(gòu)組成中，在1/4 氣道內(nèi)分別設(shè)置4 條撐條，分析不同撐條的長(zhǎng)度對(duì)換熱效果的影響。變壓器使用的撐條的結(jié)構(gòu)如圖3 所示，Lc是放置在氣道內(nèi)的撐條長(zhǎng)度，氣道的間距為0.014 m，撐條的寬度為0.006 m，設(shè)定撐條的長(zhǎng)度分別為0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m 及0.83 m，建立變壓器的模型，對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。

圖3 變壓器撐條的長(zhǎng)度示意圖

經(jīng)過(guò)分析并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到變壓器低壓繞組軸向的溫度分布如圖4 所示。從圖4 中可以看出，在變壓器自然對(duì)流的工況下，在撐條的長(zhǎng)度由0.1 m 增加到0.3 m 的過(guò)程中，變壓器低壓繞組軸向溫度的變化趨勢(shì)保持不變，撐條長(zhǎng)度的增加對(duì)繞組底端溫度變化的影響較小，頂端溫度的變化也不大；在撐條的長(zhǎng)度由0.3 m 增加到0.83 m 的過(guò)程中，低壓繞組的溫度上升較多，變化趨勢(shì)保持一致。

圖4 不同撐條長(zhǎng)度低壓繞組軸向溫度的對(duì)比曲線

撐條的數(shù)量一定時(shí)，變壓器撐條的長(zhǎng)度增加，變壓器的熱點(diǎn)溫度升高，不利于變壓器的換熱；同樣，改變撐條的長(zhǎng)度對(duì)變壓器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有一定的影響，應(yīng)合理選擇撐條的長(zhǎng)度，在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，盡量減小撐條的長(zhǎng)度，以提高變壓器的換熱效果。

3 結(jié)語(yǔ)

礦用干式變壓器是煤礦開(kāi)采中使用的重要的電源設(shè)備，隨著煤礦開(kāi)采自動(dòng)化程度的提高，對(duì)變壓器的容量及穩(wěn)定性提出了更高的要求。變壓器使用過(guò)程中的溫升是影響變壓器使用壽命及穩(wěn)定性的主要問(wèn)題，針對(duì)影響溫升的變壓器撐條結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析。對(duì)不同撐條數(shù)量及撐條長(zhǎng)度的變壓器溫升進(jìn)行建模分析，結(jié)果表明，在自然對(duì)流的工況下，隨著撐條數(shù)量的增加，變壓器溫度整體趨勢(shì)保持不變，整體的溫度逐漸升高；隨著撐條長(zhǎng)度的增加，變壓器的溫度變化趨勢(shì)保持不變，隨著撐條長(zhǎng)度變化在0.3 m 以上時(shí)，溫度上升的變化較大。撐條的數(shù)量及長(zhǎng)度較大時(shí)，均不利于變壓器的換熱，在保持變壓器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，應(yīng)選擇合理的撐條數(shù)量及長(zhǎng)度，從而提高變壓器的換熱性，保證變壓器在煤礦開(kāi)采過(guò)程中的使用壽命及穩(wěn)定性，保證煤礦的穩(wěn)定開(kāi)采。