西安交大等单位学者提出考虑流体动力学的干式变压器热网络模型

干式变压器以阻燃性固体绝缘材料和空气为绝缘介质，主要应用在对安全环保要求较高的配电系统中。但由于其绕组一般由环氧树脂浇注而成，导热性能差，容易导致绕组内部热点温度过高，加速绝缘老化甚至引发烧毁事故。因此，对干式变压器温度分布情况和热点温度的预测在设计和运行阶段都是至关重要的。本文编自2022年第18期《电工技术学报》，论文标题为“考虑流体动力学的干式变压器热网络模型仿真分析”。
西安交大等单位学者提出考虑流体动力学的干式变压器热网络模型
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干式变压器以阻燃性固体绝缘材料和空气为绝缘介质，主要应用在对安全环保要求较高的配电系统中。但由于其绕组一般由环氧树脂浇注而成，导热性能差，容易导致绕组内部热点温度过高，加速绝缘老化甚至引发烧毁事故。因此，对干式变压器温度分布情况和热点温度的预测在设计和运行阶段都是至关重要的。

       

                               
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铸树脂变压器Cast resin transformer
目前，对干式变压器温度场的计算有两类方法：一类是数值分析方法；另一类是热网络模型。数值分析方法注重求解偏微分方程的近似解。数值分析方法已经成为国内外学者的重要研究手段，但是该方法要进行密集的计算，通常需要较长的执行时间和较大的计算机内存，并且一般只用于稳态计算，不同时间尺度下的多物理场耦合仿真也存在收敛困难的问题。
基于热电类比的热路模型具有计算量小、计算时间短以及所需资源少等优点，已广泛应用于干式变压器的热点温度预测。但是热路模型由于大量简化干式变压器的实际结构，其计算精度较低。进一步地，为了得到温度分布情况，需要同时考虑径向传热和轴向传热，此时根据径向热阻和轴向热阻的划分可将热路模型扩展为热网络模型，热网络模型更加符合干式变压器的实际传热过程。
但是，热网络模型不能反映出干式变压器空气域的流体动力学特征，使得难以准确计算对流传热热阻，温度分布和热点温度的计算误差也将随之增大。根据国际大电网会议关于变压器热建模的报告，计算流体动力学是提高热网络模型精度的最佳途径，但是目前尚无用流体动力学去修正干式变压器热网络模型的先例。
为分析干式变压器在典型过载情况下绕组的轴向温度分布和热点温度，西安交通大学电气工程学院、中铁第一勘察设计院集团有限公司的唐钊、刘轩东、陈铭，在2022年第18期《电工技术学报》上撰文，提出一种考虑流体动力学的热网络模型。该模型克服了传统热路模型计算精度较低的问题和有限元模型计算时间长的缺点，对干式变压器的设计和运行评估具有较好的指导作用。
他们在考虑了温度对材料损耗特性的影响下，建立了干式变压器三维磁-热-流耦合仿真模型，精确模拟了干式变压器强迫散热过程，实现了不同负载系数下干式变压器绕组的温升计算和热点温度预测，高压绕组、低压绕组最热点温度的仿真结果与出厂温升试验数据的误差分别为4.1%和9.0%。
在此基础上，他们结合有限元模型的流体场仿真结果，对热网络模型中的对流传热热阻进行修正。结果表明，热网络模型在进行对流传热热阻修正后，高压绕组、低压绕组的最热点温度的仿真结果与出厂温升试验数据的误差分别为2.9%和10.7%，轴向温度分布规律吻合度较高。

       

                               
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图1 考虑轴向和径向热流的热网络模型
研究人员指出，考虑磁-热-流多物理场耦合下的损耗计算和温度分布更加符合干式变压器的实际运行状态。有限元模型仿真结果显示在额定状态下，最热点温度位于低压绕组内层的导体上，低压绕组沿轴向温度逐渐增大，温差小于6K；高压绕组温度出现分段梯度现象，各段之内温差小于1K，各段之间温差在6～10K。通过与出厂温升试验数据对比，验证了有限元模型的合理性和准确性。
他们表示，热网络模型可将干式变压器的传导、对流和辐射三种传热方式考虑到热网络参数中，但通过研究变压器内部空气流速对对流传热热阻的影响，发现需要利用有限元模型的内部流体场仿真结果对热网络模型进行修正。
他们进一步指出，将修正前、后的热网络模型得到的绕组最热点温度与有限元模型仿真结果相比，高压绕组、低压绕组外层、低压绕组内层的误差分别从7.35K、21.06K、17.29K减小为6.16K、4.59K、2.92K，计算精度大幅提高。将修正后的热网络模型得到的绕组温度分布曲线与有限元模型仿真结果相比，总体变化趋势接近，但难以表征一些温度变化细节，具有一定的有效性。下一步将通过增加热网络模型的轴向方向的分层数，进一步优化改进热网络计算模型。
本文编自2022年第18期《电工技术学报》，论文标题为“考虑流体动力学的干式变压器热网络模型仿真分析”。本课题得到国家电网有限公司科技项目“关键电力装备状态复合感知技术研究”的支持。
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