冷却方式对干式变压器流场和温度场的影响研究1前言由于干式变压器可以深入负载中心，从而得到快速的发展，而用户对其安全可靠性的要求也越来越高。变压器的温升特别是热点温升对变压器的安全可靠运行至关重要。因此，必须使变压器在额定负载时各部分的温度不超过绝缘材料的允许值。本文中笔者针对目前国内干式变压器制造企业在变压器设计中的冷却结构和冷却方式对温升的影响进行了研究。2冷却方式和冷却结构简介2.1冷却方式目前干式变压器的冷却方式有空气自冷和强迫风冷两种。强迫风冷方式根据风机安装的不同形式分为底吹方式、顶抽方式和底吹顶抽方式。干式变压器进行强迫风冷时，较有效的方式是底吹顶抽方式，即冷空气在经过绕组表面时将绕组产生的热量吸收，吸收了热量的热空气在浮升力及底部风机向上吹力和顶部风机向上抽力的相互作用下向上运行，从而带走绕组产生的热量。2.2冷却结构根据对流散热理论，当绕组表面附近的空气处于层流状态时，绕组表面局部散热效率与绕组表面热边界层厚度成反比，而热边界层的厚度又与流经绕组表面空气的主流流速成反比，所以绕组表面局部散热效率随绕组表面的空气的主流流速的提高而提高。当绕组表面的空气处于湍流状态时，绕组表面局部散热效率要高于层流状态时绕组表面局部散热效率，并且基本与流经绕组表面的空气主流流速无关。因此，绕组表面的流速要尽可能的大，绕组尽可能多的表面气流处于湍流状态，这样绕组的散热效果最好，变压器超铭牌运行能力最大。而在实际应用中由于变压器所在的系统要求的超铭牌容量运行能力有限，过高的要求风速意义不大，而且风机的噪声随风速的增大而快速增加，因此不能满足用户对噪声限定的要求。所以，笔者尝试采用油浸式变压器中的方法，在垂直气道内增设挡板，研究挡板的位置对温升的影响。通过大量的数值模拟并根据变压器的特殊结构，将挡板的位置总结为以下几种冷却结构：（1）挡板在绕组的顶端。（2）挡板在最大水平气道的上端。（3）在低压绕组外侧同时加绝缘筒和挡板。3计算模型及传热分析3.1计算模型以ZTSFG-2500/10干式电力变压器为研究对象，将三维的温度场分布转化为二维温度场计算。由于绕组中径向位置相同时等高度各点的热交换条件不存在太大的差别，即可忽略圆周方向的微小的温度变化。通过该假定可以简化计算过程的复杂性，并且对计算结果的精度不会产生太大的影响。3.2干式变压器的散热分析变压器运行时，铁心及绕组中有能量损耗，这些能量损耗影响变压器运行时的效率与发热。当变压器内部产生热量时，变压器的温度升高。当变压器的温度高于冷却介质的温度时，就开始向冷却介质散发出热量。散热的快慢取决于变压器温度与冷却介质的温度之差和变压器的散热能力。在一定条件下，温度差愈大，散热愈快。因此，在一定的负载下，变压器的温度将逐渐升高，直到散出去的热量等于产生的热量时，温度就不再升高，此时达到热平衡。干式变压器的散热方式包括热传导、对流和辐射三种方式。变压器的低压绕组和高压绕组内部依靠热传导方式,暴露在空气中的各表面部分以自然对流和辐射的方式来传递热流。3.3网格划分网格划分对分析结果的影响较大，网格划分越精细，分析结果误差就越小，但越精细的网格计算速度越慢。对于容量较大的干式变压器，相应的结构尺寸也较大。因此，一定要控制好网格划分，太粗会导致结果误差较大，太细又可能会超过软件的计算能力。为了控制误差，同时保证软件能顺利计算，笔者对流体区域采用每2mm划分一个网格，而对于温度梯度较大的固体区域网格划分则越细越好，如铁心、低压绕组和高压绕组等部分采用每1mm划分一个网格，以保证计算结果精确。由于基本图形在GAMBIT中绘制时，基本单位是mm，而把模型导入到FLUENT中进行模拟计算时，FLUENT中默认的基本单位是m，所以要将FLUENT中的单位由m转换为mm，并且要对网格进行光顺和交换单元面操作，以改善网格质量，从而提高计算精度和准确度3.4边界条件本文研究的干式电力变压器ZTSFG-2500/10，底部选用6台型号为GFDD582-155的风机，顶部选用4台型号为R4D400-AB04-05的风机。由相关的风机手册可以查得风机的风量和出口面积，从而计算出风机的风速，作为计算的速度边界条件。由于底部风机的吹风方向是以45°方向吹向绕组，所以在设置速度入口时不能忽略设置吹风方向。4计算结果空气入口底部风机进风口，低压绕组，高压绕组流体区域顶部风机风口铁心绝缘筒端圈，高、低压绕组温度分布规律为：高、低压绕组的温度分布沿高度方向出现六个峰值。由于高、低压绕组都采用饼式结构，根据线饼间水平气道尺寸的不同，将高、低压绕组沿高度方向分为六段，每一段线饼间的水平气道尺寸相同。根据线饼分布的独特性，温度也呈现出独特的分布趋势。高压绕组和低压绕组沿高度方向（从下而上）的温