基于ANSYS CFX的变压器绕组温度场监测研究*

姚 鑫， 张长胜， 李英娜， 赵振刚， 段朝磊， 李 川

(昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500)

0 引 言

在电力系统的正常工作运行中，电力变压器占有着很重要的地位[1～4]。从现有的统计可以发现，国内外每年都会出现一定数量的变压器事故，事故严重影响了居民的日常生活以及国民经济的健康发展。其从1998 年2月到2001年10月间整个电力系统中35 kV变压器到750 kV变压器的故障以及事故总数达到了689次，其中，绕组的故障比例为17 %[5]，因此有效地对绕组温度进行监测可以一定程度上避免由变压器故障引起的经济财产损失。近年来，国内外众多学者对绕组温度监测做了大量研究[6～16]。石碧薇分析了谐波情况下的绕组损耗以及迟滞损耗，通过对损耗的分析得出所产生的热量，即利用有限元分析法对变压器内部的热量进行仿真分析,得出绕组的最热点在绕组上方大约1/4的位置处[17]。文献[18]对变压器的绕组的温升影响因素进行了研究，通过110 kV油浸式变压器的模型，利用ANSYS软件对变压器的热流场进行分析，得出了绕组中油道的大小以及散热面的面积均会影响绕组的最热点温度的高低。

本文将利用Maxwell电磁仿真软件计算变压器在稳定满载运行过程中各部分损耗情况，将得出的损耗数据转换为发热载荷输入ANSYS CFX中对该35 kV油浸式变压器热油的流动分布情况进行研究。从60，120 min两个时间段对绕组的温度分布进行仿真分析，找出最热点分布以及相应的温度值，并对实际测得数据进行比较。

1 变压器绕组发热与传导原理

绕组在变压器内部的作用主要是产生磁通量以及感应电动势，是变压器内部电流的载体。绕组分为高压绕组和低压绕组2部分，接入到高压电网的部分称为高压绕组，接入到低压电网的部分称为低压绕组。由于变压器内部的油具有流动性，绕组温度受其影响。

热分析满足能量守恒定律，即一个非开放系统有

Q-W=ΔU+ΔKE+ΔPE

(1)

式中Q为热量；W为做功；ΔU为系统内能；ΔKE为系统动能；ΔPE为系统势能。

热传导满足以下定律

(2)

式中qn为热流密度；k为导热系数；“-”为热量温降方向。

热对流包含自然对流和强制对流。满足

qn=h(TS-TB)

(3)

式中h为对流换热系数；TS为固体表面的温度;TB为固体附近流体的温度。

绕组和变压器油以及铁芯和变压器油之间均存在一定的温度差，则铁芯以及绕组的表面与变压器油进行热传递。

2 35 kV油浸式变压器绕组模型建立

35 kV油浸式变压器的型号为S13—12500/35型油浸式无励磁调压电力变压器，额定容量为12 500 kVA，高压为35 kV，低压为5.3 kV。绕组连接方式采用的是YNd11,如图1所示。连接组别中“Y”为高压侧为星形接线；“d” 为低压侧为三角形接线；“N”为一次带中线；“11”为一次的UAB的向量指向时钟的12点,而二次的Uab的向量指向时钟的11点钟方向,即变压器低压侧的线电压Uab滞后高压侧线电压UAB330°(或超前30°)。高压线电压35 kV正弦电压，低压线电压5.3 kV正弦电压，电压变比为6.6︰1，高低压同相绕组电压相位差为11点钟方向。

图1 变压器绕组YNd11接线

使用ANSYS Workbench进行几何建模，针对变压器绕组的模型进行建模绘制工作，在绘制过程中将模型对称于XZ平面与YZ平面，如图2所示。

图2 变压器绕组模型仿真

3 分 析

为分析高低压绕组内部最热点分布情况，对高低压绕组进行了剖切，通过高低压绕组的分布云图，确定变压器的热点分布。在仿真中，分别选取了60,120 min两个时间段分析绕组铁芯的温度分布情况,如图3。

本文所研究的变压器为三相油浸式变压器，所以在分析时对变压器的A，B，C三相的高低压绕组均进行了仿真。结果如变压器工作60 min时，可以看出：低压绕组热点位于C相绕组的右侧外表面中部位置，其最热点温度值为319.6 K。变压器工作120 min时，可以看出：最热点温度分别位于B相绕组以及C相绕组，最热点的温度值为348.5 K。在B相绕组中，其最热点位于左侧外表面的中部；在C相绕组中，其最热点位于右侧外表面的中部。

图3 60 min和120 min时低压绕组温度分布云图

分别对高压绕组的整体模型以及切面模型进行仿真。如图4所示。变压器工作60 min时，可以看出：A相高压绕组的内表面温度最高，最热点温度值为311.8 K。从其切面图可以看出：A相高压绕组的热点集中在左侧。因此，60 min时，变压器的高压绕组的最热点位置在A相高压绕组的左侧中部的内表面。变压器工作120 min时，可以看出， B与C相高压绕组均具有最热点的分布，其中，B相高压绕组的左右侧以及内外表面均具有最热点分布，且分布于中部的位置；C相高压绕组的最热点位于右侧外表面的中部，最热点的温度值为337.5 K。

图4 60 min和120 min时高压绕组温度分布云图

为了测试光纤光栅传感器的测温性能，运用光纤光栅传感器测温。为获得变压器内部组件的温度分布，尤其是准确获取绕组热点温度，在35 kV变压器样机绕组布置了4只耦合器，共34支光纤光栅传感器。本文在绕组中埋置传感器时有两种方式，即段间埋设和匝间埋设，其中绕组中在3#称条中2～55段间埋设了8只传感器，7#称条埋设了6只传感器，并且在5#～6#撑条间第7段匝间埋设1只传感器，在6#～7#撑条间第9段匝间埋设1只传感器。

为确保光纤光栅传感器在变压器制造过程中不被损坏并具有良好的测温性能，进行如下设计：1)在线圈绕制阶段中预埋光纤光栅传感器的聚四氟乙烯薄片，聚四氟乙烯钻孔面均处于内径侧，以避免光纤受到较大拉力，甚至引起光栅损坏；2)保证聚四氟乙烯钻孔的尺寸能够满足光纤在槽中的伸缩裕度，以避免产生光纤的弯曲损耗；3)所开孔位于电磁线宽面中央，避开线饼间边角最大的场强畸变区域；4)所开小槽面积占电磁线截面面积的4.5 %，电磁线截面积减小引起载流能力和机械强度略微降低，可通过适当增大该电磁线截面尺寸进行弥补。

实验分60，120 min两个时间段进行数据监测，并对数据进行后期整理，绕组在光纤传感器的实时监控下第一次被采集的数据如图5。

图5 60 min和120 min低压绕组高压绕组温度曲线

由图5可知：60 min变压器低压绕组最热点位于C相绕组，为46.6 ℃，高压绕组最热点温度位于A相绕组，为38.8 ℃；120 min变压器低压绕组最热点位于B相绕组，为75.5 ℃，高压绕组最热点温度位于C相绕组，为65.4 ℃；变压器绕组中部温度整体较上部和下部高，且随着变压器工作时间延长，变压器整体温度升高；变压器整体低压绕组温度较高压绕组温度高。实际测得温度数据和仿真数据相仿，该实验成立。

4 结 论

1)变压器工作室时间为120 min时，为变压器最热点温度时刻，低压绕组最热点位于B相绕组，为75.5 ℃，高压绕组最热点温度位于C相绕组，为65.4 ℃；

2)变压器绕组中部温度整体较上部和下部高，且随着变压器工作时间延长，变压器整体温度升高；

3)变压器整体低压绕组温度较高压绕组温度高。

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