變壓器油模型油溫

1、問題的提出能測到的溫度有限：環(huán)境溫度、油溫度、箱壁溫度對變壓器各部位溫度分布有個全面的認識找到熱點溫度，保證油處理過程中造成油質(zhì)和絕緣的劣化油浸式電力變壓器自加熱能力分析和溫升油浸式變壓器的內(nèi)部發(fā)熱來源主要有鐵心中通過的磁通在鐵心中產(chǎn)生的損耗（鐵損）繞組中通過的電流在繞組中產(chǎn)生的損耗（銅損）。除此以外，繞組電流引起的漏磁通、鐵心過勵磁時在鐵心外的漏磁通會在各個結(jié)構(gòu)件，如線圈、鐵心結(jié)構(gòu)件、鐵心片、油箱中產(chǎn)生附加損耗。各種損耗都轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，這些熱量作設(shè)計中給變壓器油加熱的熱源。一、熱源分析1.油浸式變壓器的損耗可以表示為下面的形式：式中：PT 為總損耗；PK 為空載損耗；PF 為負載損耗。變壓器在運

2、行時，繞組內(nèi)通過電流，會產(chǎn)生負載損耗，其中包括繞組和引線的直流電阻損耗、導線在漏磁場中產(chǎn)生的渦流損耗、并聯(lián)導線中因漏磁場引起的不平衡電流損耗、漏磁場在結(jié)構(gòu)件(如夾件壓板油箱等)中引起的渦流損耗、漏磁場在鐵心中引起的附加損耗。對于小容量配電變壓器，負載損耗中主要是繞組和引線的直流電阻損耗，漏磁場引起的附加損耗比例很小。負載損耗可以表示為下面的形式式中：IH 為高壓繞組的額定電流；IL 為低壓繞組的額定電流；RH 為高壓繞組的直流電阻；RL 為低壓繞組的直流電阻。對于大容量的電力變壓器，負載損耗中的繞組和引線的直流電阻損耗仍是負載損耗的主要部分，但漏磁場引起的附加損耗比例不可以忽略不計。大容量變壓

3、器運行時，繞組的安匝會產(chǎn)生大的漏磁場，所謂漏磁場是指磁通有一部分通過空氣，一部分磁路是鐵心，此時繞組的導線均處在漏磁場中，漏磁通會在導線中引起損耗。當繞組電流比較大時，為減少渦流損耗，以便于繞制線圈，導線被分成數(shù)根截面積較小的導線并聯(lián)，這時并聯(lián)的導線圈中需要進行換位。因為變壓器內(nèi)有漏磁場，漏磁通在并聯(lián)導線中感應(yīng)電動勢，不同導線在漏磁場中位置不同，此電動勢的大小不同，從而引起不平衡電生不平衡電流損耗。變壓器的引線有損耗，可以用計算直流電阻損耗的方法計算引線的損耗。變壓器結(jié)構(gòu)件包括有油箱、夾件、鐵心拉板、拉螺桿、金屬壓板等，鐵心片在負載電流下的附加損耗也應(yīng)歸入附加損耗。變壓器油箱的損耗占附加損耗的

4、比重較大，可以分為繞組漏磁通引起的損耗，引線漏磁通引起的損耗和套管大電流穿過箱蓋引起的損耗。2.油浸式電力變壓器的空載損耗變壓器工作時，鐵心中通過和電源頻率相同的正弦變化的交變磁通。在鐵心磁性鋼片中通過正弦變化的交變磁通時，在磁性鋼片中有渦流損耗和磁滯損耗?？蛰d損耗的 99%以上是鐵心片中的損耗，空載電流在繞組導線中的損耗可以忽略不計?？蛰d損耗可以用下面的形式表示：式中：PZ 為鐵心中的磁滯損耗；PW 為鐵心中的渦流損耗；h為磁滯損耗系數(shù)；e 為渦流損耗系數(shù)；f 為電流頻率；Bm 為磁通密度的最大值。運行中的變壓器負載變化時，繞組中的電流隨之變化。繞組電流增大時，繞組的電阻損耗和渦流損耗增加，

5、造成繞組熱點溫度的升高。由于磁通飽和的，此時鐵心損耗產(chǎn)生的熱量變化不大。在油循環(huán)過程心散熱油道并不與繞組的散熱油道直接相連，流經(jīng)鐵心散熱油道的熱油首先會進入變壓器油箱頂部，使頂油溫度升高，然后進入散熱器循環(huán)冷卻，再進入到繞組的散熱油道。分析了變壓器的兩種損耗后得出，對頂層油溫產(chǎn)生直接影響的是變壓器的鐵心損耗，它對繞組熱點溫度不產(chǎn)生直接影響；對繞組熱點溫度的產(chǎn)生起決定作用的是繞組導線中的直流電阻損耗和渦流損耗。二、油浸式電力變壓器熱過程和溫升變壓器在運行時產(chǎn)生的損耗(包括空載損耗和負載損耗)以熱的形式通過油、油箱壁和散熱器散發(fā)到周圍的空氣中。變壓器熱量的散發(fā)通過傳導、對流和輻射三種形式。具體地說

6、，繞組和鐵心內(nèi)部的熱量傳遞到表面靠傳導形式傳遞，繞組和鐵心表面的熱量散發(fā)到變壓器油中主要靠對流的形式散發(fā)。散發(fā)到變壓器油中的熱量使油箱中的變壓器油溫上升，密度下降，產(chǎn)生傳遞熱浮力。而變壓器油在熱浮力的推動下從油箱上部進入連接油管，通過油管進入散熱器。在散熱器中的油經(jīng)過和外面空氣的熱交換，油溫降低，油從油箱下部進入連接油臂，通過油管重新進入變壓器油箱，形成自然循環(huán)。在這個循環(huán)中，熱量從變壓器油傳給油箱和散熱器內(nèi)壁，由油箱和散熱器內(nèi)壁傳到外壁，然后主要通過對流和輻射形式散到空氣中。隨著發(fā)熱過程的繼續(xù)，繞組、鐵心等發(fā)熱體本身的溫度上升速度就逐漸減慢，經(jīng)過一段時間后，發(fā)熱體本身的溫度不再升高，他們所產(chǎn)

7、生的熱量將全部散發(fā)到周圍介質(zhì)中，即時間內(nèi)發(fā)熱體產(chǎn)生的熱量等于時間內(nèi)發(fā)熱體向周圍介質(zhì)散發(fā)的熱量，這時，變壓器達到了熱穩(wěn)定狀態(tài)，各部件的溫度不再變化。熱量可以向各個方向傳熱，主要包括水平方向和豎直方向。每個方向的傳熱量是不同的，同一方向不同位置的傳熱量也可能不同，這與油流在變壓器內(nèi)的方向和流速有關(guān)。油流對變壓器的熱傳遞起重要的作用。油速對變壓器溫升的影響穩(wěn)態(tài)時變壓器內(nèi)部的油流速度最大值為 0.2m/s，低于規(guī)定的0.5m/s，產(chǎn)生油流帶電現(xiàn)象。通過加大處的油流量可以提高速度，進而使強油循環(huán)變壓器有更好的冷卻效果。本文在原有模型基礎(chǔ)上計算了左右油速為 3m/s 與 4m/s 時的變壓器溫度場與油流場

8、分布。三種油速下變壓器內(nèi)部油流、高低壓繞組與鐵心平均溫升的對比，可以看出隨著油速的增大各部件的平均溫升在逐漸降低。在熱平衡狀態(tài)下，熱量向外的路徑是很復雜的，以自然風冷油浸式變壓器為例，其熱量的過程如下：1、變壓器繞組、鐵心等發(fā)熱體的熱量，由它們內(nèi)部最熱點以傳導方式傳到被油冷的各自表面；2、熱量由繞組、鐵心等發(fā)熱體的表面通過對流方式向附近的油傳遞，并使油溫逐漸上升；3、熱油經(jīng)對流方式把熱量散發(fā)到油箱或散熱器的內(nèi)表面；4、油箱或散熱器內(nèi)表面的熱量與油箱本身產(chǎn)生的熱量經(jīng)傳導方式向其外表面?zhèn)鬟f；5、最后，所有的熱量均以對流和輻射的方式通過油箱和散熱器外表面向周圍環(huán)境空氣散熱。從熱量過程可知，變壓器內(nèi)部

9、各部位的溫度不僅與繞組、鐵心等發(fā)熱源產(chǎn)生的熱量大小有關(guān)，而且，還與熱源周圍散熱條件有關(guān)由于這兩方面的因素，使得繞組最熱點溫度并非出現(xiàn)在漏磁場及渦流損耗最大的繞組端部，而是在繞組上端部附近，位于繞組高度方向的7580%處。壓器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量和散出的熱量相等時，熱量就達到了平衡狀態(tài)，各部件的溫度不再變化。變壓器內(nèi)部沿水平方向的溫度分布如圖2.3 所示，沿垂直方向的溫度分布如圖 2.4 表示。曲線 1-2 表示熱量由繞組和鐵芯內(nèi)部傳至繞組和鐵芯表面，傳熱方式為傳導，這部分溫差通常只有幾度。曲線2-3 表示熱量由繞組和鐵芯表面通過對流方式傳至變壓器油中，其溫差約為繞組對環(huán)境溫升的 2030%。曲線 4

10、-5 表示熱量由油傳至油箱或散熱器內(nèi)表面，其溫差不大。曲線 5-6 表示熱量由油箱或散熱器內(nèi)表面?zhèn)髦镣獗砻妫錅夭畈怀^ 23。曲線 6-7 表示熱量由油箱或散熱器外表面?zhèn)髦林車諝庵校@部分溫差較大，約占繞組對空氣溫升的 6070%。上所示的是油浸式變壓器沿繞組高度的溫度分布。它的基本思想是假設(shè)繞組的高度引起的發(fā)熱的損耗值不變，因而溫度沿高度按線性增加。各繞組內(nèi)的油溫，從底部到頂部，不論其冷卻方式如何，均是按線性增加。繞組任何位置的溫升，從上到下也呈線性增加。圖2-8 中所示的繞組溫度和油溫度是隨溫度升高而增加且相互平行的兩條直線，左邊的實線是繞組內(nèi)部油的溫度分布，右邊的虛線是繞組的溫度分布

11、，并且不考慮環(huán)境溫度的影響，都以溫升來表示。沿繞組高度的任何一個相同高度的位置上，繞組的溫升直線和油的溫升直線間差值為常數(shù) g。g 為繞組平均溫升與油平均溫升的差。由于散熱條件的不均勻等因素影響，繞組熱點的溫升比繞組頂部的溫升要高，而這個溫升最高的點很難表示在簡化的溫度分布曲線上，因此用一個 Hgr，值來修正熱點溫升，該值是熱點溫升與繞組頂部油的溫升的差值。顯然 Hgr 大于 gr。為了計算上的方便，令H=Hgr/gr，H 稱為熱點系數(shù)，其值與變壓器容量、短路阻抗和繞組結(jié)構(gòu)有關(guān)。其對于配電變壓器，H 為 1:1；中型和大型變壓器取 1:3；一般容量較小和短路阻抗較低的變壓器，H 值較小。這是考

12、慮了變壓器端部幅向漏磁發(fā)熱的影響。對于ON 冷卻方式的變壓器，各繞組之間的差異不明顯，故可認為繞組頂部油溫等于油箱內(nèi)的頂層油溫。對于 OF 和 OD 冷卻方式的變壓器，繞組頂部的油溫等于底部油溫加上該繞組內(nèi)部的平均油溫與底部油溫之間差值的二倍。三、電力變壓器溫升限值四、油浸式電力變壓器的溫升1.暫態(tài)分析油浸式變壓器是由繞組、鐵心、變壓器油及其它結(jié)構(gòu)件共同組成的整體。變壓器溫升分析經(jīng)常用到的時間常數(shù)有三個。一個是反映整臺變壓器包括變壓器油、結(jié)構(gòu)件的時間常數(shù)，一般在 15 小時，較小的適用于結(jié)構(gòu)緊湊的大型強油循環(huán)冷卻的變壓器；較大的適用于自冷式變壓器；第二個是繞組對變壓器油的時間常數(shù)，約在 510

13、 分鐘之間，反映了繞組與油之間的溫差隨著損耗變化的過程；第三個是鐵心對變壓器油的時間常數(shù)，反映了鐵心與油之間的溫差隨著損耗變化的過程。假定在 t=0 時，發(fā)熱過程開始，經(jīng)過時間 t 后，繞組的溫升是1，鐵心的溫升是2，變壓器油的溫升是3。于是可以得到下面三個方程。式中：P 為損耗；A 為對流表面；k 為總傳熱系數(shù)；c 為比熱容；m為重量；Q 為熱量；為熱導率；=x 為溫升；d=dx 為無限小的溫升增量；t 為時間；Dt 為無效小的時間增量；dx/dt=x 為溫升對時間的導數(shù)；為穩(wěn)態(tài)的符號；1、2、3 分別為繞組、鐵心和變壓器油的下標。方程(2.6)表示繞組的發(fā)熱過程，方程的右側(cè)是在時間 dt

14、內(nèi)繞組的發(fā)熱，左側(cè)第一項是繞組增加的熱量，第二項是傳到變壓器油中的熱量。式(2.7)表示鐵心的發(fā)熱過程，其中各項的意義同式(2.6)。式(2.8)表示變壓器油的發(fā)熱過程，右側(cè)第一項表示從繞組接受的熱量，第二項表示從鐵心接受的熱量，第三項表示鋼結(jié)構(gòu)件中附加損耗產(chǎn)生的熱量，左側(cè)第一項表示變壓器油熱量的增量，第二項表示傳到周圍環(huán)境中的熱量。解式(2.6)、(2.7)、(2.8)，得到三種物質(zhì)溫升和冷卻隨時間的變化關(guān)系如下式所示：在知道變壓器的參數(shù)和起始條件后，由式(2.9)、(2.10)、(2.11)可以得到變壓器繞組、鐵心和變壓器油的溫度隨時間變化的關(guān)系如圖2.5 和圖 2.6 所示。圖 2.5

15、和圖 2.6 中：1 為繞組；2 為鐵心；3 為變壓器油。由兩圖得出：變壓器升溫時，繞組溫度最高，因此變壓器的熱點溫度應(yīng)出現(xiàn)于變壓器繞組上。2. 油浸式變壓器溫度分布這是目前油浸式變壓器運行及溫升試驗中測得的接近油箱頂部的油的溫度，也稱上層油溫。變壓器中的油在溫差或油泵驅(qū)動下，從底部經(jīng)各個繞組內(nèi)部和外部的油道，包括鐵芯中的油道，流過頂部，因而頂層油溫反映的是各部分油匯合后的溫度。顯然不同冷卻方式變壓器反映的熱點溫度與頂層油溫的差值不同，而且當負載電流突然增大或強迫冷卻裝置突然停止時，頂層油溫不反映繞組熱點溫度和繞組頂部油溫的變化。繞組頂部油溫度是指變壓器繞組的頂部附近油的溫度。這個部位的油靠近

16、繞組，因而可認為此項頂部油溫更能反映繞組溫度的變化?，F(xiàn)場容易到的溫度有環(huán)境溫度，箱壁溫度，變壓器油溫度。根據(jù)這些測量值怎樣確定油溫和熱點溫度。熱點溫度的經(jīng)驗公式可有頂層油溫得到；而過程用到的油溫選取平均油溫為宜，進出口油溫不能很好地反映平均油溫。平均油溫由頂層油溫得到。因此，落腳到頂層油溫上。長期以來，人們對變壓器中的發(fā)熱和冷卻問題研究較少，知之不多。其，一方面是先前在變壓器容量不是十分大的情況下，熱問題沒有引起人們足夠的重視；另一方面它涉及到傳熱學、流體力學、電磁學的邊緣學科，其復雜性和試驗難度也限制了其自身的發(fā)展。人們對熱點溫升的估計所采用的公式基本上是經(jīng)驗得來的?，F(xiàn)在人們己經(jīng)認識到對變壓

17、器熱的判定是絕緣可承受的最熱點溫度。目前，變壓器熱點溫度的監(jiān)測方法有直接測量法和間接計算法。直接測量法是在變壓器靠近導線部位或?qū)Ь€線餅中安裝溫度傳感器，直接測量繞組的熱點溫度。多數(shù)傳感器可以直接埋入流道的間隙或埋餅間隙以及流道的處。繞組內(nèi)埋設(shè)傳感器可能影響到變壓器的絕緣，對變壓器的正常運行產(chǎn)生影響。并且每臺變壓器熱點溫度的位置是不同的，無法準確確定熱點的位置。傳感器的放置處不一定是熱點溫度處，測量結(jié)果可能并非繞組的熱點溫度。因此，直接測量法監(jiān)測變壓器熱點溫度還需要進一步研究，實際中經(jīng)常使用間接計算法熱點溫度。間接計算法主要包括熱模擬測量法、溫升導則計算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算方法、數(shù)值計算法以及熱路模

18、型方法。溫升導則計算法：自然循環(huán)方式下：熱點溫度環(huán)境溫度額定負荷下頂部溫升熱點對繞組頂部油的溫升強油循環(huán)方式下：熱點溫度環(huán)境溫度額定負荷下底部溫升2（額定負載下油平均溫升額定負荷下頂部溫升）熱點對繞組頂部油的溫升熱點溫度環(huán)境溫度高于環(huán)境溫度的頂部溫升熱點對繞組頂部油的溫升Annex G 給出了不同算法，將瞬時過載時變壓器內(nèi)部的迅速溫升以及在負載周期中的環(huán)境溫度的改變計入公式，對文獻9的公式 7 給出了如下修正：熱點溫度環(huán)境溫度+高于環(huán)境溫度的底層油溫升+熱點區(qū)域高于底層油溫的溫升+熱點區(qū)域高于油溫的熱點溫升。兩種計算方法均可計算變壓器繞組熱點溫度。但這些公式得到的結(jié)果和實測數(shù)據(jù)仍有一定差距，因

19、此應(yīng)對公式進行修正以得到更加精確的結(jié)果?；跓犭婎惐壤碚摰挠徒诫娏ψ儔浩鳠狳c溫度計算模型1、IEEE 模型：溫升模型IEEE C57.91-1995 標準的推薦導則模型是用純熱力學和傳導原埋推出一種較為精確的變壓器頂層油溫升計算公式。式中，為額定負載下頂層油對環(huán)境溫度的溫升；I 為實際負載占額定負載的比率(簡稱負載率)；K 為額定負載下負載損耗占非負載損耗的比率；指數(shù) n 由變壓器的冷卻形式?jīng)Q定。當頂層油對環(huán)境溫度的溫升已知時，頂層油溫可由下式得到：式中，為環(huán)境溫度。2 變壓器頂層油溫模型變壓器頂層油溫升模型因未能準確反映環(huán)境溫度變化對頂層油溫的動態(tài)影響而存在局限性。為更準確地頂層油溫，將環(huán)

20、境溫度直接以變量形式加入變壓器頂層油溫一階微分方程式后可得：此微分方程的解為頂層油溫， 即式中，許多學者為頂層油溫的末態(tài)溫度；，不足提出了改進意見。為頂層油溫的初態(tài)溫度。進而，文章給出了線性化模型。為了使模型更精確，考慮滯后時間變量、熱輻射影響、不同離散方法、熱時間常數(shù)以及油粘滯度隨溫度變結(jié)果的影響。最終得到的模型待定參數(shù)達到 9 個?；瘜δＰ妥儔浩黜攲佑蜏責崮Ｐ陀绊懸蛩胤治黾捌涓倪M基于變壓器頂層油溫的動態(tài)建模劉 輝 1，索南加樂 1，宋國兵 1，羅軍明 2提出用非線性電路模擬變壓器散熱過程，得出變壓器頂層油溫精確的中的試驗結(jié)果顯示在 0.55-1.1 倍負載電流下，得到的計算公式。頂層油溫與

21、測量值誤差在 3以內(nèi)，滿足工程要求。綜合變壓器的對流輻射敞熱并且考慮變壓器的冷卻方式變壓器的熱融實際上并不是線性的。非線性的熱陽可以用r 面的這個等式米描述：Dq = R× qnthR式中RthR 是Rth 的額定值，也就是在q 、q、n 均為額定已知值時求出的Rth 值Dq溫差Coil變壓器油的熱窖，Jqoil變壓器的油溫，RoilR變壓器油在額定狀況下的熱阻qamb環(huán)境溫度，如果我們定義：-負載損耗和空載損耗在額定負載下的比值( I pu = 1.00 )；式中t oil油的時間常數(shù)1toiloilRoil= R×CnIpu負荷電流標么值R下標說明，表示額定負載、穩(wěn)態(tài)、

22、環(huán)境溫度在 30Dqoil = qoil -qambDqoilR在額定負載qoil 與額定環(huán)境溫度的差值I 2 b +1dq pu× (Dq)1 oil + (q)1= t-qnnb +1oilRoiloilambdtDt é I 2 b +1ùn úúûê pu×(Dq) n -(q1)1不難得到差分方程： Dq-q=oiltoilb +1oilRoilambêë上述方程的qoil 的解是關(guān)于 Ipu (t)和qamb (t)隨時間變化的幽數(shù)，這個差分方程是顯式差分方程。新的Dqoil 的值，的值可以直接疊加到前面按照時間每一步已經(jīng)算出的qoil 上。通常我們認為取變壓器頂層油溫來代表整個油溫是最好的，因為變壓器外殼頂部通常都有個非電量測量裝置來顯示變壓器頂層的油溫也有人爭議說用變壓器底部的油溫來代表整個油溫可能會更好一些。同冷卻方式和冷卻介質(zhì)的指數(shù) n 值見表 2MIT 改進的頂層油溫模型與參數(shù)辨識式中，top( i) 為頂層油溫；amp(