平行坐標(biāo)技術(shù)在干式變壓器溫度場(chǎng)可視化分析中的應(yīng)用

潘必超，俞天波，徐林峰

(杭州錢江電氣集團(tuán)股份有限公司，杭州 311243)

干式變壓器是配電網(wǎng)的核心設(shè)備，但變壓器荷載運(yùn)行過程中，繞組與鐵芯會(huì)產(chǎn)生熱量，令其溫度上升，通過熱傳導(dǎo)與輻射，會(huì)使熱量散開，導(dǎo)致周邊絕緣體溫度回升，尤其是局部溫度過高，容易令絕緣材料性能流失加速，導(dǎo)致變壓器使用壽命大大縮短。隨著負(fù)荷需求的提升，其容量逐漸提高，散熱問題更加顯著，因此有效迅速地散熱對(duì)于干式變壓器運(yùn)行的穩(wěn)定性具有重要影響?；诟墒阶儔浩鞯慕Y(jié)構(gòu)特性，對(duì)發(fā)熱源與傳熱原理進(jìn)行分析，在滿荷載下對(duì)礦用牽引式變壓器展開升溫檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)高低壓繞組和鐵芯升溫狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)記錄，通過平行坐標(biāo)技術(shù)綜合干式變壓器的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)多維可視化，對(duì)各類干式變壓器運(yùn)行存在的不足進(jìn)行分析，為溫度檢測(cè)監(jiān)控提供了參考，以防出現(xiàn)絕緣不良事故。

1 干式變壓器結(jié)構(gòu)模型

構(gòu)建干式變壓器結(jié)構(gòu)模型需進(jìn)行以下假設(shè)：忽視機(jī)械結(jié)構(gòu)，如各個(gè)部件與螺栓等。假設(shè)干式變壓器由高壓繞組、低壓繞組、鐵芯、絕緣、散熱氣道與周邊冷卻氣體等構(gòu)成；干式變壓器中的漏磁場(chǎng)與溫度場(chǎng)為對(duì)稱分布；把鐵芯當(dāng)作圓柱體。按照干式變壓器具體結(jié)構(gòu)構(gòu)建二維結(jié)構(gòu)模型，運(yùn)用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方式對(duì)其展開網(wǎng)格劃分。

2 變壓器熱源分析與傳熱原理

干式變壓器由高低壓繞組、鐵心與緊固件構(gòu)成，全部電磁部件由于自身消耗轉(zhuǎn)化成熱源，而繞組與鐵芯是最核心的熱源，形成的熱量基于熱傳遞、輻射或?qū)α鞯刃问綌U(kuò)到周邊。在達(dá)到熱平衡的情況下，變壓器的溫度逐漸平穩(wěn)。但因結(jié)構(gòu)、荷載與位置不同，造成穩(wěn)態(tài)時(shí)繞組均衡溫升和溫度最高點(diǎn)溫升存在差別[1]。

2.1 變壓器熱源分析

空負(fù)載損耗通過鐵心磁通，分為磁滯消耗與渦流消耗，空負(fù)載損耗的公式為：

式中，Pc、Pe、PH分別代表空負(fù)載損耗、渦流損耗、磁滯損耗，單位都是W；k1、k2代表鐵心磁滯指數(shù)與渦流損耗指數(shù)；f表示頻率；Bmax代表最大磁通密度；V表示鐵心體積；d表示硅鋼片厚度；n是斯坦梅茨常數(shù)，熱軋疊片1.7～2.0，冷軋疊片超過2.0。

2.2 傳熱原理

變壓器散熱是鐵心與繞組通過損耗熱量傳導(dǎo)傳輸至表層，周邊空氣通過輻射或?qū)α鞯男问竭M(jìn)行散熱，繞組通道內(nèi)輻射與對(duì)流相比，輻射較低。變壓器在熱量散發(fā)時(shí)涉及流體動(dòng)力學(xué)與傳熱耦合，空氣受熱能影響在各個(gè)部件附近移動(dòng)，密度受溫度影響。靜態(tài)傳熱公式為：ρCPT+·(-kT)=Q，式中，ρ是材料密度，CP是比熱容，k是導(dǎo)熱系數(shù)，Q是體積熱流密度。

3 變壓器溫升測(cè)試

礦用采煤機(jī)運(yùn)用牽引變壓器，聯(lián)結(jié)組別是Yd11，高壓和低壓繞組額定電壓分別為1.14 kV和380 V，各繞組都采用銅線繞線，通過單層聚酰亞胺薄膜，繞組之間運(yùn)用適當(dāng)厚度的DMD 紙進(jìn)行絕緣，鐵心利用指定型號(hào)硅鋼片進(jìn)行堆積。實(shí)驗(yàn)過程中，電源通過外接斷路設(shè)備連接調(diào)壓器，調(diào)壓完成后銜接礦用變壓器，通過三相線路短接，同時(shí)展開絕緣[2]。經(jīng)過轉(zhuǎn)變調(diào)壓器電壓做到對(duì)變壓器電流的有效控制，對(duì)變壓器各個(gè)荷載進(jìn)行模擬運(yùn)行。滿載運(yùn)行狀態(tài)下，高壓電流為32 A，低壓側(cè)電流為90 A。低壓繞組中裝有溫度傳感器，繞組外部利用防高溫膠布和傳感器進(jìn)行連接，放在三相繞組間，溫度記錄設(shè)備展開反復(fù)記錄，滿荷載運(yùn)行12 h，每半小時(shí)進(jìn)行1次記錄，分別對(duì)繞組傳感設(shè)備溫度進(jìn)行記錄，采用測(cè)溫槍對(duì)變壓器外層、鐵心頂層的溫度進(jìn)行記錄，過程大概要5 min。

4 以平行坐標(biāo)技術(shù)多維可視化

對(duì)礦用采煤機(jī)變壓器、環(huán)氧繞注三相干式變壓器等進(jìn)行分析，采用平行坐標(biāo)技術(shù)，將不同變壓器多元化溫度有關(guān)數(shù)據(jù)體現(xiàn)在N條平行線間的折線，說明各種變壓器溫度轉(zhuǎn)變與各變量間的互相關(guān)聯(lián)，從而探究各干式變壓器間的變化規(guī)律[3]。

4.1 運(yùn)行溫升隨時(shí)間轉(zhuǎn)變的特征

針對(duì)產(chǎn)品1展開溫升實(shí)驗(yàn)，按照檢測(cè)記錄，綜合相關(guān)資料數(shù)據(jù)展開可視化分析，見圖1。TScA、TScB、TScC 是低壓繞組溫度，TPrA、TPrB、TPrC是高壓繞組溫度，TFe是鐵心溫度，To是環(huán)境溫度。為充分了解溫升過程，通過平行坐標(biāo)技術(shù)進(jìn)行選擇，產(chǎn)品1與2溫升可視化見圖2、3。

由圖2與圖3可知，隨時(shí)間延長，變壓器高低壓繞組和鐵心溫升，且鐵心溫度最低、高壓繞組溫度其次、低壓繞組最高。由于低壓繞組介于高壓繞組與鐵心間，缺少良好的散熱條件，造成溫度最高。圖3的鐵心溫度高、升溫較慢，這是因?yàn)樵诳蛰d實(shí)驗(yàn)中鐵心溫度并沒有充分降溫。變壓器結(jié)構(gòu)差異造成高低壓繞組出現(xiàn)一定的溫差，所以對(duì)變壓器溫度檢測(cè)需要重點(diǎn)考量低壓繞組。變壓器熱源并不是均衡散熱，所以分析最高溫升點(diǎn)還需對(duì)其縱向溫度分布進(jìn)行研究。

圖1 產(chǎn)品1與2溫升多維數(shù)據(jù)可視化圖Fig.1 Visualization of multidimensional data of temperature increase of product 1 and 2

圖2 產(chǎn)品1溫升可視化圖Fig.2 Visualization of temperature increase of product 1

圖3 產(chǎn)品2溫升可視化圖Fig.3 Visualization of temperature increase of product 2

4.2 變壓器諧波分析

電網(wǎng)內(nèi)存在諧波，會(huì)造成繞組電阻損耗、渦流損耗與雜散消耗提升，熱量過高，從而造成高低壓繞組絕緣材質(zhì)溫度逐漸上升，且承載電氣應(yīng)力過高，容易出現(xiàn)局部過熱，加劇絕緣老化速度，令變壓器使用壽命顯著下降。對(duì)干式變壓器在諧波下的溫升狀況展開可視化分析，見圖4所示。其中，THD為諧波總量，運(yùn)用百分?jǐn)?shù)代表；PR代表繞組電阻損耗、PEC代表渦流損耗、POSL代表雜散損耗、PLL代表變壓器總損耗；TPr、TSe代表高、低壓繞組溫度；ILmax代表最大荷載電流。平行坐標(biāo)技術(shù)是在諧波運(yùn)行基礎(chǔ)上對(duì)各種數(shù)據(jù)展開比較，有效分析其對(duì)變壓器造成的影響。諧波含量提高，損耗和繞組溫度也會(huì)隨之上升，為確保變壓器運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性，需進(jìn)行降額運(yùn)行或添加濾波裝置，以降低諧波含量[4]。諧波會(huì)對(duì)干式變壓器造成諧波損耗，而諧波損耗產(chǎn)生的熱量會(huì)令干式變壓器內(nèi)溫度場(chǎng)溫度上升，溫升數(shù)值隨諧波頻率的上升而上升，同時(shí)漸漸趨于平穩(wěn)，諧波過高則會(huì)造成絕緣老化、局部過熱等問題，對(duì)變壓器的可靠性與使用壽命造成極大影響。所以，應(yīng)用裝置消除諧波，從而減少電網(wǎng)中的諧波含量，可提升變壓器使用率，延長使用壽命。

圖4 諧波運(yùn)行多維可視化圖Fig.4 Visualization of multidimensional data of harmonic wave operation

5 結(jié)束語

對(duì)變壓器熱源與散熱原理進(jìn)行分析，對(duì)礦用采煤機(jī)變壓器滿荷載狀態(tài)下進(jìn)行溫升測(cè)試實(shí)驗(yàn)與穩(wěn)定狀態(tài)的縱向溫度分布檢測(cè)，綜合檢測(cè)記錄與相關(guān)資料，對(duì)變壓器數(shù)據(jù)展開平行坐標(biāo)技術(shù)可視化分析，證明干式變壓器的低壓繞組溫度顯著超過高壓繞組溫度，范圍為23℃～33℃。高低壓繞組溫度縱向分布由底層至縱向高度位置溫度不斷上升，但在縱向高度位置到頂層，由于變壓器結(jié)構(gòu)與運(yùn)行條件的差異，溫升具有明顯區(qū)別，但此范疇內(nèi)溫差較小，在3℃之內(nèi)。此外，利用多維可視化技術(shù)可呈現(xiàn)諧波對(duì)變壓器造成的影響，干式變壓器諧波的溫升隨諧波頻率的提升而升高，同時(shí)逐漸平穩(wěn)，但隨諧波電流頻率的提升而迅速升高，電流波形形變更加明顯。諧波對(duì)變壓器產(chǎn)生的不利影響更為顯著，會(huì)造成絕緣老化、局部過熱等情況，甚至對(duì)變壓器使用年限與穩(wěn)定性造成影響。此研究結(jié)果可為熱點(diǎn)溫度傳感器與監(jiān)測(cè)單元的裝置提供數(shù)據(jù)支持，為制作設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供一定的數(shù)據(jù)參考。