油浸式电力变压器内部温度场与流场特性

在油浸式电力变压器运行中，变压器温度过高会引发运行故障，缩短变压器使用寿命，甚至会对整个供电系统造成严重损失。为有效改善变压器温度升高，有必要深入研究影响内部温度场的因素，通过建立起内部温度场模型，分析油的流速与内部温度场之间的关系，以消除变压器温度异常升高的不利因素。

1 油浸式电力变压器的散热机理

当变压器处于正常运行状态时，变压器内部绕组、铁芯和金属夹件产生一定量的损耗，这部分损耗转换成热量散发出去。其中，绕组因损耗产生的热量占比高达 8 0 % 左右，所以变压器的内部热源主要来源于绕组，绕组产生的热量包括电阻损耗与内部涡流损耗两个部分 [1]。传热学理论认为，热传导、热辐射和热对流是自然界中主要的传热方式，按照这一理论，分析油浸式电力变压器的散热机理如下：绕组、铁芯和金属夹产生总损耗，总损耗包括环流、涡流和电阻三项损耗，损耗产生热量，热量通过热传导发散到油箱、油料和散热器等处。这些部分的温度升高，继续发散热量，通过热辐射与热对流的方式，最终将热量发散到变压器内部结构各处，形成变压器内部温度场。

2 油浸式电力变压器内部温度与流场特性分析

2.1 优化温度场模型

为研究油浸式电力变压器内部温度场分布与流场分布特性，本文选择10000kV 容量的自然油循环冷却变压器作为研究对象，采用基于 ICEM 软件的 2D 建模方式确定变压器温度场的计算模型。与油道相比，绕组宽度明显大于其宽度，并且绕组径向温度场和绝缘油流场分布均匀，故此采用简化的 2D 模型计算温度场数值具有一定可行性。本次研究选取的变压器内部结构为呈对称分布状态的三相绕组，选取其中一相绕组进行研究。变压器内部流油体的温度分布均匀，导致流体的密度随着温度的升高而增大，随着温度的降低而减小，促使变压器内部形成自然对流 [2]。由于本文主要研究的是变压器内部温度场和流场分布特性，所以暂不考虑因密度变化形成的自然对流现象。在构建温度场的物理模型时采用 L a m i n a r 模型，对变压器内部结构进行简化处理，获取基础数据，具体包括：高压绕组有线饼共计48 个，每个线饼宽 5 0 m m 、高 1 0 m m ；低压绕组有线饼共计36 个，每个线饼宽 5 0 m m 、高 1 0 m m ；铁芯宽 3 0 0 m m 、高 1 0 0 0 m m ；与绝缘管道相连的竖直油道、上下油道的高分别为 1 0 m m 、6mm ；出入口高为 1 0 0 m m .

2.2 构建网格单元

网格划分是对温度场模型进行离散化处理的关键环节，通过离散化处理能够保证在指定区域内获取准确的计算值。在网格划分中，需考虑到边界层流动对温度场和流场的影响，对绕组、铁芯加密细分网格。同时，还要考虑竖直油道宽度小于其高度的实际情况，对竖直油道也同样进行细分网络。综合上述因素，最终确定网格单元共计 239283 个，节点共计250613 个。

2.3 设定初始计算条件

温度场模型计算需要明确入口边界、出口边界、热源、主要部件物理属性以及其他初始条件，具体如下：

2.3.1 入口与出口边界条件假设。假设油的初始温度为 6 0 % ，初始入口速度为 ​ ；油的出口边界假设为自由出流边界，油处于充分流动状态，其出流量约等于入流量。

2.3.2 热源指标选取。热源主要包括恒温与恒热流两种形式，在确定初始计算条件时，需要确定变压器内部热源属于哪一种形式。因变压器内部热源来源于主要部件的损耗，这种损耗受变压器运行状态影响并非处于恒定状态，即难以保证损耗产生的温度变化处于恒定状态[3]。所以，初始条件下对热源的衡量指标选择恒热流密度。

2.3.3 主要部件物理属性。铁芯密度为 7 5 0 0 k g / m ，热导率为 5 2 W/ （ m⋅ k） ；绝缘挡板密度为 1 4 0 0 k g / m ，热导率为 0 . 5 W/ （ m⋅ k） ；油密度为 8 6 1 . 6 k g / m ，热导率为 0 . 1 2 7 W/ （ m⋅ k） ，比热为 2000W，动力粘度为 5 . 3 2 8 k g / （ m ⋅ a ） 。

2.3.4 其他初始条件。本次研究不考虑变压器内部温度变化对油的密度产生的影响，不考虑变压器外部温度、空气对流等因素对壳体的温度场分布产生的影响；设定竖直油道沿着垂直方向产生重力加速度。

3 结果与分析

3.1 变压器内部温度场分析

根据 ICEM 软件的测试结果显示，变压器中的温度场分布不均匀，具体表现为：铁芯上部左侧温度较高；低压绕组线饼温度最高，绕组靠近上下端部位的温度明确高于其他部位的温度；变压器内部温度场分布规律与漏磁场分布规律基本一致，表明漏磁是引起内部温度场变化的关键之一，低压绕组温度最高区域正处于漏磁最大区域。

3.2 变压器内部流场分布特性

根据ICEM 软件的测试结果显示，变压器中的冷却油流速分布不均匀，具体表现为：铁芯上部和下部呈深色状态，表明冷却油流速接近于0 ；右侧接近外壁的绝缘套筒呈极浅色状态，表明冷却油流速极高；左侧套筒呈较浅层状态，表明冷却油流速较快；高低压绕组的线饼之间呈深色状态，表明油的流速接近于0 ；出入口附近呈浅层状态，表明冷却油流速较快。

3.3 温度场与流场的关系

根据测试结果表明：高低压绕组油的流速极小，但温度却较高，最高温度出现在绕组线圈底部；铁芯的油从低处向高处流动，最高处的温度最高，这与油从顶部流向底部的因素有关；通过测试结果得出结论，当油的流速较低时，可以带走更多的热量，降低变压器内部主要部件温度。

4 结语

综上所述，油浸式电力变压器的流场特性直接对内部温度场分布产生一定程度影响。当油的流速接近于 1 m / s 时，能够带走更多热量，这为变压器运维管理提供了依据。为改善变压器内部散热条件，需优化布置内部油道，利用油的流速降低主要部件的温度，进而有效降低变压力的能源消耗，减少故障发生。

参考文献

[1] 袁发庭 ， 施文菀 ， 姜岚 . 基于多物理场仿真的油浸式变压器温度特性分析及散热器优化 [J]. 高电压技术 ，2024（1）：221-231.

[2] 邵先军 ， 高一冉 ， 李元 . 油浸式变压器内部温度的热 - 流场耦合仿真与特性分析 [J]. 浙江电力 ，2023（12）：36-44.

[3] 王从龙 ， 曾祺 . 油浸式电力变压器内部温度场及其绕组热点的数值计算研究 [J]. 通信电源技术 ，2021（1）：190-192.