变压器温度场的有限元分析
华北科技学院
机制B091班
220 kV大容量油浸式电力变压器温度场的有限元分析
随着电力建设的不断发展，电力设备朝着大型化方向发展，但大型变压器在内部温升控制方面一直是近年来困扰变压器制造企业的技术难题之一。
如何开发合适的温度场计算技术，准确地计算变压器在各种运行状态下内部线圈、结构件及铁芯等部位的温度，控制内部热点温度不超过其内部绝缘材料的许用温度，从而保证变压器的热寿命，提高变压器的安全可靠性，是企业急需解决的问题。
本课题采用有限元技术对大容量变压器的温度场进行数值模拟与分析。
主要研究内容有：1)了解和掌握大型变压器的结构与工作状况；2)建立典型的220 kV变压器的有限元分析模型；3)分析与计算变压器的温度场分布；
表1 该变压器主要参数
定义油和所有线圈的相对磁导率为1，油箱的磁导率为300，屏蔽材料的磁导率为2000。
表2 变压器结构参数
(1)变压器几何尺寸在宽度方向与x轴对称:铁心窗口上、下边距绕组高度中心线相等油箱上、下盖的内侧距绕组高度中心线相等。
(2)忽略励磁电流和环流，一、二次侧绕组安匝平衡。
(3)油箱磁屏蔽的μ→∞，可作为边界而处理。
(4)旁扼截面可看成矩形截面。
电力变压器是电力网中的主要设备，其总容量达到发电设备总容量的5～6 倍。
电力变压器的技术性能、经济指标直接影响着电力系统的安全性、可靠性和经济性。
随着科学技术的发展、生产技术的进步以及新型电工材料的开发应用，变压器的各项性能指标不断刷新，单机容量越来越大，变压器中的漏磁场也随之增大，引起了人们的关注。
在额定运行情况下，漏磁场的增强引起的变压器附加损耗的增加将直接影响变压器的行效率和产品的竞争力。
严重的是，由于漏磁场在一定范围内的金属结构件中产生的涡流损耗不均匀，有可能造成这些结构件的局部过热现象。
变压器的容量越大，漏磁场就越强，从而使稳态漏磁场引起的各种附加损耗增加，如设计不当它将造成变压器的局部过热，使变压器的热性能变坏最终导致绝缘材料的热老化与击穿。
在电力系统发生短路时，暂态短路电流产生的漏磁场还可能产生巨大的机械力，对其绝缘和机械结构造成致命威胁。
为了避免此种事故发生，必须对漏磁进行全面的分析。
为此，对变压器运行的效率、寿命和可靠性提出了越来越高的要求。
目前普遍认为漏磁场包括纵向漏磁和横向漏磁两个分量（实际上，还存在环形漏磁，因其太小，通常忽略不计）。
变压器的横向漏磁通远小于纵向漏磁通。
俯视图
侧视图
绕组和铁心
变压器模型剖分图
漏磁场分布
三维温度场模型
Z=0 平面温度场分布
X=0 平面温度场分布
X=0 平面气流速度矢量分布
铁心温度场分布
低压绕组温度场分布油箱外表面温度场分布
变压器温度场云图分布图
a 绕组底部
b 绕组端部
各部件平均温升对比
铁心低压绕组高压绕组仿真值/K135.3130.9138.9解析值/K119.1115.7115.8绝对误差16.215.223.1相对误差13.6%13.1%19.95%
低压绕组二维温度场模型
•低压绕组温度场分布图
计算结果与分析
我分析了变压器的三维与二维温度场，高低压绕组都随着轴向高度的增大而上升，最热点靠近端部位置。
高压绕组温升要高于低压绕组，这是因为铝导线的散热差并且高压单层体积大于低压单层体积。
铁心温升要轴向高度增加，中间心柱要略高于旁轭。
油箱顶部温升较高，与实际分布相符。
利用程序模拟计算了室温在29.0 ℃下,额定容量为200 kV图的温度云图表示了变压器绕组高低压线圈温度的分布情况,温度单位为℃。
可以看出:不论是低压绕组还是高压绕组,温度分布是不均匀的,下部温度低,上部温度高;绕组的最低温度位于整个绕组的底端;最高温度位于整个绕组的上半部分,其中低压绕组的最高温度偏离径向向右,轴向距底端约17/ 20 处,其值为83.65 ℃;高压绕组的最高温度偏离径向约1/ 3 ,轴向距底端约16/ 20 处,其值为81.33 ℃,计算值均低于F 级绝缘限制的极限温升100℃。
用传热学理论分析可知,热流从绕组最热的内层向内外两个气道方向传递,因而在热流的沿途方向温度逐渐降低。
空气在高低压绕组之间形成的气道中流动,由于受热后温度升高,体积膨胀,空气沿着气道向上自由流动。
流动时受粘性和壁面摩擦的影响,在靠近壁面附近的地方流体速度逐渐减小,在壁面处完全被滞止不动,形成换热薄层。
由于壁面粘滞力的影响逐渐向流体内部传递,边界层逐渐增厚。
与此相对应,换热热阻也逐渐增加,致使局部换热系数随高度的增加而减小,因此
高低压绕组上半部的散热效果比下半部散热效果差,绕组温度沿轴向升高。
高压绕组的平均温度比低压绕组的平均温度低是由于高压绕组位于整个变压器的最外部,其外侧的对流散热和辐射散热的条件优于低压绕组,而低压绕组位于铁心和高压绕组之间,铁心和高压绕组在正常工作时均发热,使低压绕组的换热条件变差。
的变压器在100 %负荷下运行时的温度场分布情况。
计算所得的二维稳态温度场等温线如图所示。
低压线圈温度场云图高压线圈温度场云图。