油浸式變壓器內流場和溫度場的數(shù)值模擬研究
1引言 變壓器在輸配電系統(tǒng)中起著很重要的作用，因 此其應安全、可靠地運行|【I：油浸式變壓器由于具有 散熱好、損耗低、容量大及價格低等特點，在戶外成 為主要的產品．目前電網上運行的變壓器大部分仍 是油漫式變壓器。變壓器運行時繞組和鐵心是主要 熱源，它們產生的熱量被絕緣油吸收，從而使變壓器 和油的溫度升高．其熱量通過油箱和散熱管散發(fā)到 環(huán)境中去，從而達到熱平衡。當繞組的熱點溫度過高 時．將會影響變壓器壽命．引起故障j所以．研究變壓 器的溫度場分布對變壓器的安全運行很重要。 目前．變壓器的熱設計一般是根據多年的實踐 經驗和試驗結果而設計的。由于試驗的誤差較大，測溫度場進行數(shù)值模擬，二以往的模型一般是模擬繞組 內部的溫度場．忽略了環(huán)境溫度的影響．并且很少研 究油箱內部溫度場的分布：本文中筆者利用¨．U ENT軟件模擬了穩(wěn)態(tài)的油箱溫度場．然后把油箱內 的底油溫度和頂油溫度作為繞組模型的初值和邊界 條件，模擬了繞組的溫度場，從而確定了繞組熱點溫 度和位置。
2油箱熱環(huán)境的模擬2．1 油箱的幾何模型及網格劃分 本文中以容量為lOOkV．,4t的小型三相電力變壓 器為例，建立了油箱模型。模型的基本參數(shù)如下： 空截損耗：Po=540W 負載損耗：一=2 lOOW 油箱尺寸：850minx8 1 0mmx305mm 散熱管排布：雙層圓管，共20組，尺=1 25ram。 用gambit建立了油箱的三維實體模型，采用 Tgrid混合形網格劃分油箱．采用Cooper方式劃分 散熱管，網格總數(shù)為807 282個，生成的網格如圖l 所示。2_2邊界條件 變壓器油箱的換熱綜合了導熱、對流、輻射換熱 過程，是復合換熱過程：本文中模擬的是小型油浸式 變壓器，其對流換熱只考慮自然對流。由于油箱的幾 何形狀比較規(guī)則．自然對流換熱系數(shù)h采取均值．對 計算結果影響不大。^由下式得到㈦：2．3計算結果分析 本文中模擬了變壓器在同一負載不同環(huán)境溫度 下．油箱溫度場及流場的分布：同一環(huán)境溫度不同負載下的油箱溫度場及流場的分布：圖2和圖3為額 定負載下變壓器油箱內油流的溫度場及流場：繞組、鐵心及油流之間的溫度 梯度很明顯，其中繞組的溫度分布很均勻．溫度梯度 不明顯．溫升也較大．這與銅的導熱系數(shù)與油的對流 換熱系數(shù)相比較大有關。所以當繞組溫升較高時，會 引起絕緣油的老化。從流場分布圖可以看出．自然油循環(huán)在浮生力 作用下，從油箱底部流至油箱頂部，進入肋片流至油 箱底部，如此循環(huán)：項層油流速****，且形成渦流，增 強了換熱。 當環(huán)境溫度一定時(300K)．頂層油溫度和熱點 溫度隨著負載的增大而升高．如圖4所示．兩者呈現(xiàn) 某種線性關系，因此，可以從頂層油溫度推斷出熱點 溫度，從而為預測熱點溫度找到一種簡便的方法．， 當負載一定時．頂層油溫、熱點溫度隨著環(huán)境溫 度的增加而升高，如表2所示。可見環(huán)境溫度對熱點 溫升有一定的影響．
3．3計算結果及分析 由變壓器油箱模型可以得到繞組的熱點值，但 不能確定其位置j繞組模型可以展現(xiàn)出繞組周圍油 流的溫度場和速度場，從而確定了熱點的位置。圖 6～圖8為負載為額定時繞組溫度場及**熱點位置。， 從圖6～圖8可以看出．**熱點的位置位于低壓 繞組頂部98％的位置。，本文中模擬了不同負載下繞 組的溫度場，**熱點位置都在繞組頂部98％左右： 由于低壓繞組靠近鐵心，且單位熱負荷大于高壓繞 組．所以散熱相對于高壓繞組差．熱點應該在低壓繞 組附近。由于繞組頂部的油；I盎lL條件優(yōu)于繞組通道，故 熱點應該在低于繞組頂部的位置．：由此可看出，數(shù)值 模擬符合實際情況。境溫度過高時應該附加一定的；令卻條件．確保熱點 不超過其規(guī)定的范圍，以免引發(fā)故障。同樣地，當環(huán)境溫度一定時，不同負載下頂層油溫及熱點溫度的 　變化趨勢也相似．當超截運行時．溫度變化的幅度較 大，所以變壓器在超載運行時也應采取保護措施。 由于頂層油溫和熱點溫升的變化成規(guī)律性．因 此可以通過頂層油溫預測熱點溫度．為熱點預報提 供了一種新的思路。 繞組模型可以較準確地確定熱點的位置．從而 為測量熱點溫度提供了依據，并且模擬的結果符合 實際情況．因此．也驗證了FLUENT軟件模擬流場 的準確性．5問題與局限性 由于模型的建立是在假設和簡化的基礎上，模 擬的結果較實際有一定的誤差：變壓器內部熱源和熱過程隨運行條件的變化．具有許多不確定性．這也 是造成誤差的另一個原因。 FT．I_JENT軟件只能針對某一特定的模型在一定 的幾何條件和邊界條件下模擬，不具有普遍性意義。