自然油循环电力变压器温升计算方法的研究

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山东大学硕士学位论文自然油循环电カ变压器温升计算方法的研究姓名:邸双奎申请学位级别:硕士专业:高电压与绝缘技术指导教师：李庆民20060920

1摘要油浸式电カ变压器具有散热好、损耗低、容量大、价格低等特点,虽然其有环保上的缺点,目前绝大多数的电カ变压器仍使用变压器油作为绝缘和冷却介质。其中80%以上采用自然油循环的冷却方式。目前,变压器在电カ工程的各个领域获得了广泛的应用，社会生活对电气的依赖程度大大提高,对供电设备的质量要求也比过去更加严格,许多变压器用户越来越倾向于大容量自然油冷却的产品。比如现在有用户要求我们的180000kVh产品采用全自冷结构。如何提高这种产品的冷却能力,就成为当务之急。在国内产品中,普遍采用在绕组中设置导向隔板的结构。在绕组中设置导向隔板，有效地消除了绕组中的油流死角，从整体上改善了绕组表面的对流换热，使各线饼得到较充分的冷却,从而使绕组的平均温升、铜油温差比无导向时降低。采用这种结构时,由于油流量的原因，绕组内、外径侧第一个垂直油道幅向尺寸须加大,从而导致其耐电强度降低，为了保证变压器的主绝缘，不得不加大主绝缘距离。也因此加大了器身尺寸,从而使变压器总体尺寸加大。国外某些公司产品则采用在绕组中加轴向油隙的结构。其避免了加大绕组内、外径侧第一个垂直油道幅向尺寸,但对于大容量产品，绕组中要放置多个轴向油隙，从而加大了绕组幅向尺寸,增加了绕制难度。本课题主要针对110kV和220k丫级自然油循环电カ变压器绕组的温升展开研究,将布置导向隔板与轴向油隙相结合,发展出导向与轴向油隙相配合的结构。在该种结构中,不需要加大绕组内、外径侧第一个垂直油道幅向尺寸,从而不会影响变压器绝缘能力;在绕组中设置ー个轴向油隙，加入导向隔板，提高冷却能力。本论文以热工学理论为基础,推导、计算出该种结构的计算公式。计算绕组温升关键是计算绕组铜油温差,这ー温度梯度由两部分组成，即绕组绝缘中的温度降和绝缘外表面与绕组周围油之间表面温度降之和。其中,绕组绝缘中的温度降是较容易计算的，而绝缘外表面与绕组周围油之间表面温度降计算中用到的对流换热系数口，与很多因素有关,除根据热工学原理推导计算外,还不得不由试验或经验得到。本文以多台实际变压器产品做实验,将理论与实验数据相结合,确定对流换热系数的计算方法,从而得到这种冷却结构的绕组温升计算方法。之后将该冷却方法应用于生产实践,进行实际产品的制造,缩小产品体积,提高可靠性，从而带来经济和社会效益。

2关键词:电カ变压器,温升。自然油循环

3ABSTRACT0i1immersedtransformerhasmanyadvantages.suchasgoodeffectofcooling,1ow1osses,highcapabi1ityandlowprice.Evenithassomefaultsforenvironmentprotection,mostofthepowertransformersareusingoi1asinsu1ationandcoolingmediumatpresent.80/^ofthemusenaturaloileirculation.Transformersareusedwidelyinelectricpowersystem.Social1lyingdependsone1ectrica1powermoreandmore.Therequirementofqua1ityofe1ectrica1powerisbecomingmuchstricter.MoreandmorecustomersarewiI1ingtousenaturaloiIcirculationonhighcapabiIitytransformers.Forexamp1e,nowsomecustomersareaskingUStouse0NAN(oilNaturalAirNatura1)onl80000kVA/220kVtransformer.So,•howtoimprovethecoo1ingcapacityofthiskindofproductbecomeIntheloca1products,oiIbarriersinwindingsarewidelyused.WiththeoiIbarriers,thedeadangleofoiIflowiseliminated.Theeffectofconvectionexchangeofheatingisimproved.So,alldiscsofwindingcanbecooledeffective1x.Theaveragetemperatureriseofwindingandtemperaturegradientcoppertooi1wi11be1owerthanwithoutbarriers.WiththiSstructure,becauseofoi1f1ow,thewidthofthefirstverticaloilductinsideandoutsideofwindinghastobeen1arged.Theinsulationstresswasdecreased.Inordertoaureinsulationofthetransformer.themainndingshastobeenlarged.Itcausargedtoo.Someforeigneompanieoi1ductindeandoutsideofwindingisavoided.Butfor1argepowertransformers,severaloi1ductshavetobearrangedinwindingItenlargesthedimensionofwinding.increasethedifficu1tyforwinding.

4emperatureriseofONANInthiSproject,researchofwindingt110kVand220kYtransformerwasperformed.Anewc〇〇1ingstructurewhichcombinestheOiIbarriersandaxialoiIductSwasdeveloped.InthiSstructure,itiSnotnecessarytoenlargethefirstvertica10i1ductinsideandoutsideofwinding.Sotheinsulationwou1dnotbeeffected.Oneaxia1oiIdiictandOilbarrierswerearrangedinwindingtoimprovethecoolingeffect.Basedonpyrologytheory,ca1cu1ationequationswi11begained.Themainissuefortemperatureriseofwindingistemperaturegradientcoppertooi1.ThistemperaturegradientconsiststwopartstemperaturegradIentininsuIationandtemperaturegradientsurfaceofinsuieasytoca1cuIausedforiSrelatedneedsex1productingthetheoproductdationt〇ote.ButthecCaICU1attomanyitperiencesweretesryandtess.Itwi11i1.TheonvectioiOnOftems.Beandexpted.Act.Thenimprovtemperanheatexchemperatsidesacerimenta1cu1atthiSc〇oethere1turegrangeindeuregracordin.Inthiionmet1ingmeiabi1iadientixロ・whichidientingtopyroSinvesthodwasdthodwi1tyofourninsu1assu1atioiogytheigationeve1ope1beusedtransfotionibnt〇oi1,ory,it,severadcombinforrmersanKeywords：electrica1powertransformer,temperaturerise,natura1oilcirculation

5符号说明T热力学温度,K。〜ー…ー温度,℃热流量,W6~ーー…厚度,mA一面积,皿2A…・一热导率,w/m.℃q……ー〜ー热流密度,Wロm2…ー对流换热系数,W/mm2.℃雷诺数国一流体流动速度,=ISpー运动粘度,m2/sNH一努塞尔(Nusse1t)数Gr格拉晓夫(Grash。f)数〃一……一流体的体积膨胀系数,咖3包や一重カカ口速度,mP于今一…——普朗特(Placnt1)数体的比热容，J/

6度,原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签族于学位论J用授目^^本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保,留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。（保密论文在解密后应遵守此规定）

7论文作者签名:校熬垒导师签a名:纽XI日期:第一章绪论1.1本课题研究的目的和意义电カ变压器是电カ系统中的ー种重要设备。它对电能的经济传输、灵活分配、安全使用具有重要意义。目前,电カ变压器在电カ工程的各个领域中获得了广泛的应用。油浸式电カ变压器具有散热好、损耗低、容量大、价格低等特点,虽然其有环保上的缺点,目前绝大多数的电カ变压器仍使用变压器油作为绝缘和冷却介质。目前,社会生活对电气的依赖程度大大提高，对供电设备的质量要求也比过去更加严格…,许多变压器用户越来越倾向于大容量自然油冷却的产品。比如现在有用户要求我们的180000kVh产品采用全自冷结构。如何提高这种产品的冷却能力，就成为当务之急。在国内产品中，普遍采用在绕组中设置导向隔板的结构。在绕组中设置导向隔板，有效地消除了绕组中的油流死角，从整体上改善了绕组表面的对流换热，使各线饼得到较充分的冷却，从而使绕组的平均温升、铜油温差比无导向时降低'’1。采用这种结构时,由于油流量的原因，绕组内、外径侧第一个垂直油道幅向尺寸须加大。根据绝缘中的薄纸板小油隙理论，加大油隙尺寸,将使它能够耐受的电场强度降低，从而导致整个主绝缘的耐电强度降低，为了保证变压器的主绝缘性能，不得不加大主绝缘距离来弥补单个油隙绝缘强度的降低。也因此加大了器身尺寸,从而使变压器总体尺寸加大。国外有些公司产品则采用在绕组布置轴向油隙的结构。其避免了加大绕组内、外径侧第一个垂直油道I蝠向尺寸,但对于大容量产品,绕组中要放置多个轴向油隙，从而加大了绕组幅向尺寸，增加了绕制难度,降低了绕组的填充系数,增加了成本。本课题主要针对1】〇kV和220kV级自然油循环电カ变压器绕组的温升展开研究，在多台产上进行对比试验，将布置导向隔板与轴向油隙相结合,发展出导向与轴向油隙相配合的结构。在这种结构中，不需要加大绕组内、外径侧第一个垂直油道幅向尺寸,从而不会影响变压器绝缘能力;在绕组中只设置ー个轴向油隙,然后加入导向隔板，提高冷却能カ。本论文以热工学理论为基础，推导出该种结构对流换热系数的计算公式,从而得到绕组铜油温差的计算公式,再根据多台实际变压器产品做实验的结果对计算公式中的经验系数进行校正,将理论与实践相结合,最终确定这种冷却结构的绕组温升计算方法。之后将该冷却方法应用于生产实践,缩小产品体积,提高可靠性，从而带来经济和社会效益。

81.2国内外的研究现状和存在的问题电カ变压器发明于19世纪末,为现代远距离恒定电压交流供电系统的发展奠定了基础。经过ー个多世纪的发展,现代输变电系统地域广阔,而变压器做为电カ系统中的ー种重要设备，也得到了长足发展。我国的电カ变压器制造エ业，从建国以来，随着国民经济建设的发展，特别是随着电カ工业的大规模发展而不断发展。电カ变压器单台容量和安装容量迅速增长,电压等级也相继提高。变压器做为动カ装置,用于交换电压或联络不同电压的电网与系统，也用于电カ拖动、电カ牵引、电加热和电カ工程的其它领域。随着信息化社会的到来，社会生活对电气的依赖程度大大提高,对供电设备的质量要求也比过去严格。电カ变压器向高电压、大容量方向发展的同时,各种产品都向高可靠性、节能型、环保型、紧凑型、个性化方向发展”1。各变压器生产厂商,在研发高电压、大容量产品的同时，也在对现有产品性能进行提高。电カ变压器在运行时,有一部分电磁能量将转变为热量。也就是说，在变压器运行时，在铁心、绕组和钢结构件中均要产生损耗。这些损耗将转变为热量发散到周围介质中去,从而引起变压器发热和温度升高。随着绕组及铁心温度的升高，它们与周围的变压器油就产生了一定的温度差,从而将一部分热量传给变压器油，使油的温度升高。变压器油通过散热器将热量传递给外部冷却介质（空气、水等）。经过一段时间后,绕组、铁心和油的温度上升达到平衡状态。此时,绕组和铁心产生的热量全部散发到周围介质中,各部位温度达到稳定。一般来讲,由于产生的损耗不同，变压器内部各部分的温度也不同,绕组最高,其次为铁心和变压器油’'1。油浸式变压器绝缘主要是绝缘纸、绝缘纸板和变压器油,绝缘纸和绝缘纸板受温度和氧的作用引起老化，而老化的程度决定于温度和氧的持续作用时间。为保证变压器的使用寿命,对变压器的温升有一定限值。变压器工作的允许温升值取决于所采用的绝缘等级。绝缘等级越高,允许温升越大,同时绝缘材料的费用也越高。按标准（GB1094.2—1996电カ变压器第二部分温升》,连续额定容量下的正常温升限值为:1）油浸式变压器顶层油温升:油不与大气直接接触的变压器为60K;油与大气直接接触的变压器为55Ko2）绕组平均温升为65Ko3）对于铁心、绕组外部的电气连接线或油箱中的结构件,不规定温升限值,但仍要求温升不能过高,通常不超过80K,以免使与其相邻的部件受到热损坏或使油过度老化”,。为使变压器各部分温升不超过规定的限值,应采取有效的冷却措施。世界上最早的变压器冷却方式是19世纪后期出现的以空气作为冷却和绝缘介质的变压器”1。由于加工技术的限制以及缺乏适当的绝缘材料，这种变压器很难向大型发展。变压器油的耐电强度、传热性比空气好得多,热容量也比空气大得多。为了有效的冷却变压器，采用油代替空气,

9这样可在变压器几何尺寸不增大的情况下提高变压器的容量。油浸式变压器由于冷却能力大,绕组、铁心温度分布均匀,是变压器的主要冷却方式。下图1.2-1为油浸式变压器的结构简图。油浸式变压器根据油的循环方式,可分为自然循环式（ON）、强迫循环式（OF）和强油导向式（0D）;根据散热器冷却方式的不同，又可分为自然风冷（AN）、强迫风冷（AF）和强迫水冷（WF）等。这几种油循环和冷却方式之间可形成多种组合”1。目前，大多从对冷却油路设计和散热器的优化方面来改善油浸式变压器的散热能力”1。图1.2—1油浸式变压器的结构简图由于变压器油具有易燃性,因此不宜用在具有防火要求的场所。干式变压器与油浸式变压器结构类似,只是把绝缘油换成固体或气体绝缘材料。固体绝缘的干式变压器可分为树脂型（包封）和非树脂型（非包封）两类。气体绝缘目前主要使用SF。气体。由于固体和气体绝缘材料的换热能力较差,不适用于大型变压器的冷却,目前主要应用于容量在50000kra以下的电カ及配电变压器。且其绝缘材料成本较高,同样规格的产品,干式变压器价格要高得多。1。蒸发冷却和制冷设备在变压器エ的应用是近年来发展起来的新技术。目前国外变压器制造厂已研制出应用氟化有机物液体与不然性气体（SF。）的混合物进行变压器冷却。国外已有使用合成有机物液体作为变压器绝缘和冷却介质的变压器产品”…。此外,超导技术也己应用于变压器冷却中。尽管干式变压器、蒸发冷却变压器及超导技术等已逐渐得到发展和应用,油浸式变压器由于具有散热好、损耗低、容量大、价格低等优点,在户外场所仍为主要产品,特别是大容量、高电压产品。目前电网上运行的电カ变压器大部分仍为油浸式,且其中80%以上采用自然油循环的冷却方式。3。由于数量巨大,改进自然油循环冷却变压器的冷却结构、提高其冷却效率,不论从节能降耗,还是延长变压器的使用寿命、减少热事故方面，都将带来巨大的社会效益。而且强迫油循环变压器在运行时也有可能出现冷却系统发生故障以至冷却系统动カ全停的情况,此时变压器内

10的油在热浮升力的作用下形成自然循环。因此，如何合理改进自然油循环变压器的冷却结构，就成为当前变压器行业面临的ー个迫切问题。近年来，国内外对自然油循环变压器的冷却结构进行了各种改进。目前国内普遍采用在绕组中设置油流导向隔板的结构。无导向隔板的绕组,如图1.2-2（a）所示。当绕组幅向尺寸较大时,油流透入深度b不能达到线饼幅向的中部,在从两侧散热的水平油道中会产生死油区，在此区域内油几乎不循环,这对降低绕组温升是十分不利的,因而产生绕组局部过热,严重时会产生局部烧毁而导致变压器报废。若在绕组内设置导向隔板，使油流在热浮升カ的推动下定向流过绕组，如图1.2-2（b）所示,则有可能消除死油区,加强绕组的散热,降低绕组的温升。这种在绕组中设置导向隔板的结构,是改善变压器内部冷却、提高容量和负载能力的ー种有效措施。但此时，油流由一个导向区流向另ー个导向区时，全部油流要通过绕组内径侧或外径侧的油道，为了限制油流速度,减少压カ损失，就需要加大这一油道的幅向尺寸。而从绝缘性能考虑,则是这一油道幅向尺寸越小越好。油道越小，其能耐受的场强越高。则在一定耐受电压要求下,需要的总油道尺寸之和越小，从而高低压绕组之间的总距离越小，变压器器身尺寸也越小，成本会更经济。但此时，我们不得不加大这一油道尺寸,而其能耐受的场强降低，为了保证总耐受电压,我们不得不加大高低压绕组之间的距离,从而使变压器总体尺寸加大,成本上升。囊冤電巍聪缀b骞零惫聪援图1.2—2绕组中的油流国外有些公司则采用另外一.种方式来改善变压器的内部冷却。如图1.2—3所示,在绕组中增加轴向油隙,从而使油流仍按轴向流动，且能透入到线饼幅向的所有部位““。实验结果表明,这种方式的冷却效果是非常好的。并且它也避免了加大绕组内外径侧油道,因此,其主绝缘距离不用作任何变动。但是,显而易见,使用这种冷却方式,不得不加大绕组幅向尺寸，从而降低了绕组的填充系数，加大了变压器器身尺寸，成本上升。

11田III田田III田匝田图1.2—3绕组中的车臓田inn!田田in田in田田!n田叮自然油循环变压器内油流速度较低,影响甌动用赧用人用杂。为改善自然油循环变压器的冷却性能,研す用丿賤内循环油流量及绕组内油流分布等油流特性和绕组温升是非常重要的问题。对变压器热性能的研究工作也多集中在这些方面。这些研究工作一般是建立在实验基础上。近年来，计算机的广泛使用则使对变压器热特性的数值研究得到很大发展“…。国内外研究者对变压器热特性及冷却条件改善进行了广泛研究。其中，对自然油循环变压器的油流和温升特性的研究多局限于传统的无导向绕组结构“‘这些研究为进ー步进行自然油循环电カ变压器改进冷却结构的热性能研究提供了理论和实验依据。到目前为止，变压器生产厂家一般是根据实际经验和一些实验研究结果来进行热设计。国内厂家的计算方法，基本上是来源于原沈阳变压器厂出版的变压器设计手册““。各厂家根据自己的生产经验,对计算公式中的系数有些调整“'Linden.W.Pierce对自然油循环和强迫油循环变压器的绕组热特性进行了稳态和过载实验研究““,考虑了油粘度和变压器负载变化对温升的影响;发现沿绕组高度方向的温度分布并不像以往所认为的在趋势上呈线性，而是非线性不规则的““。Yamaguchi提出了油浸自冷变压器中循环油流率的计算方法，当参量改变时这种方法不需要附加的试验结果,并提供油浸自冷变压器的油流率特性曲线,这些曲线是用激光一多普勒流

12速记在模型中测得的“'Ta1。ry等人曾就线段式绕组以发热量和绕组髙度等为参数测量了绕组温升。日本的久世等人也以发热量和线段厚度为参数实测了线段上部和下部的传热系数,并将实测结果作了整理“…。Kunes测量了变压器内的油温分布,提出了最高油温与平均油温之比和绕组中心与冷却器中心高度差的关系，，…。山口雅教等人对自冷式变压器饼式绕组内的油流分布利用激光流速仪进行了测量，并对自然油循环变压的油流分布进行了数值研究”“。Yamazaki等人对油浸自冷式变压器的油流和绕组冷却特性进了实验研究。Radak〇vic等人对不同型号变压油对绕组冷却的影响进行了实验和理论研究"''。由此可见，对自然油循环电カ变压器绕组加导向结构时变压器绕组温升和油流状况等方面还需要进ー步研究。特别是本文提出的将加导向隔板与轴向油隙相结合的新型冷却方式，其绕组温升的计算与实验更需进ー步探讨和研究。这将是本课题的中心任务。1.3本课题拟进行的主要研究工作阅读大量的国内外相关技术研究文献，对当前本课题研究的最新状况进行比较全面、深入的调研，总结有关油浸式电カ变压器各类冷却方法的优点,指出存在地问题,并重点对油浸式电カ变压器自然油循环冷却方式进行实验研究。本课题将给出一种融合了上述两种冷却方式优点的新方法。如图1.3—:I所示,在绕组中部设置ー个轴向油隙，利用这个轴向油隙与绕组内外径侧油道形成导向油流。tUa■■■«・・E・E目・封・イウ・♦Wtlつ申即軻•利ヤ4・■■■■■-t#幅:川国・Sユ郦臨靄,年即哈立FIIユパ相・晶ぜ#"・・・■■»■■■—■■■■■・工听好・—•*Jig.t■M・ヤ瞿#醮・チ啊屮。i

13■；——《※・■■・辅•CQ...g.3-1导向隔板与轴向油隙结合的绕组以多台实际变压器产品做实验,将理论与实验数据相结合,确定这种冷却结构的绕组温升计算方法。之后将该冷却方法应用于生产实践,缩小产品体积,提高可靠性,从而带来经济和社会效益。

14第二章油浸式电カ变压器的温升2.1油浸式电カ变压器的温升和温度电カ变压器在运行时,有一部分电磁能量将转变为热量。也就是说,在变压器运行时,在铁心、绕组和钢结构件中均要产生损耗。这些损耗将转变为热量发散到周围介质中去,从而引起变压器发热和温度升高。随着绕组及铁心温度的升高,它们与周围的变压器油就产生了一定的温度差，从而将一部分热量传给变压器油,使油的温度升高。变压器油通过散热器将热量传递给外部冷却介质（空气、水等）。经过一段时间后,绕组、铁心和油的温度上升达到平衡状态。此时，绕组和铁心产生的热量全部散发到周围介质中,各部位温度达到稳定，这种状态称为热平衡状态”1。在热平衡状态下,“热流”所经过的路径是相当复杂的,在油浸式变压器中一般有:1）绕组、铁心所产生的热量，将由他们内部热点借传导方式传到与油接触的外表面。2）当绕组、铁心内部的热量传到外表面后,他们的表面温度与周围介质（变压器油）产生温差,通过对流作用将部分热量イ专给附近的油，从而使油温逐渐上升。3）当绕组、铁心附近的油温升高后,热油向上流动与油箱相接触部分放出部分热量后，再向下流动,冷油重新流入绕组，形成闭合的对流路线,从而使整个油箱中的油温度升高。4）由于对流作用,当热油碰到箱壁或油管壁时，将一部分热量传给他们,使箱壁或油管壁温度升高:又通过传导方式,热量从壁的内侧传导到外侧（壁的内侧和外侧温差不大,因为钢为良传导体）,与周围的介质（空气）产生温差:再通过对流和辐射作用，将热量散发到周围的空气中。可以看出,将铁心、绕组所产生的热量散发到周围介质中,要经过许多部分。热流每通过一部分均要产生温差,而温差大小与损耗和介质的物理特性有关。变压器的温升计算就是要计算各部分的温差，其中有绕组对油的温差、铁心对油的温差、绕组对空气的平均温升、铁心对空气的平均温升、油对空气的平均温升以及油顶层最高温度与周围空气温度的差值。2.2油浸式电カ变压器绝缘材料的老化油浸式变压器绝缘主要是绝缘纸、绝缘纸板和变压器油,绝缘纸和绝缘纸板受温度和氧的作用引起老化,而老化的程度决定于温度和氧的持续作用时间”“。绝缘纸和绝缘纸板的最初电气、机械和化学性质随老化程度而改变,尽管由于老化引起的绝缘强度的降低不很明显,但由于老化引起的机械強度（耐摺度和撕裂强度）的改变，使得变压器绕组对短路电动カ作用下引起的绕组位移非常敏感,因为绝缘已经老化的变压器,可能在变压器发生短路时出现匝间绝缘损坏而发生短路。稍微老化的绝缘材料的破

15裂强度（由抗拉强度表示）会降到最初值得几分之一。在化学上用聚合度（DP值）表示,用聚合度（DP值）下降表示纤维素的分子链长度减小。变压器持续运行到绝缘材料劣化到危险点时，称为运行寿命或预期寿命。绝缘材料的寿命用阿伦涅斯（Arrhenius）定律表示:E：Ceハ号（2—1）=r（-1）式中c=1年A,Bーー常数Tーー热力学温度变压器温度在80—140℃范围内，采用蒙特辛格（Montsinger）预寿命奥E=Deー印（2-2）式中D一ー常数（a）Pーー常数（1/ヒ）e一温度（℃）在公式（2—2）中,设在温度。（C）时的寿命是E,则（〇+6）（℃）时的寿命是E/2,从而得到p=0.1155/C”1。2.3油浸式电カ变压器的温升限值为保证变压器的使用寿命，对变压器的温升有一定限值。变压器エ作的允许温升值取决于所采用的绝缘等级。绝缘等级越高，允许温升越大,同时绝缘材料的费用也越高。按标准（GB1094.2-1996电カ变压器第二部分温升》,连续额定容量下的正常温升限值为:1）油浸式变压器顶层油温升:油不与大气直接接触的变压器为60K；油与大气直接接触的变压器为55Ko2）绕组平均温升为65K.3）对于铁心、绕组外部的电气连接线或油箱中的结构件,不规定温升限值,但仍要求温升不能过髙,通常不超过80K,以免使与其相邻的部件受到热损坏或使油过度老化”1。同时,标准（GB1094.1-1996电カ变压器第1部分总则》中规定了电カ变压器的正常使用

16条件的环境温度和冷却介质温度为:1）最高气温+40℃»2）最热月平均气温+30℃〇3）最热年平均气温+20℃〇4）最低气温一25℃（适用于户外式变压器）。5）最低气温ー5ヒ（适用于户内式变压器）。6）水冷却器入水口处的冷却水最高温度+25匕““。

17第三章油浸式电カ变压器的冷却3.1油浸式电カ变压器的散热方式油浸式电カ变压器的热量均以传导、对流或辐射的方式传到冷却介质中去。各种散热方式,均有其固有的物理规律。4.1.1热传导一个物体的高温部分向低温部分传热,或彼此互相紧密接触的两个物体间的热量传递就是通过热传导方式进行的。其热传递的基本规律可以通过傅立叶定律。’’来解释,基本公式如下:Q：五毕A(3—1)其中:Qー传导的热流量,碧t1一高温侧壁温,K或C：t2ー低温侧壁温,K或C；6ー壁厚,m；A一平壁的面积,m2〇五ー热导率,W/m.℃；傅立叶定律公式也可以写为ロ:兒生量(3—2)4J其中:qー传导的热流密度,w/m2；图3.卜1为单层平壁导热示意图。图3.卜1单层平壁导热

183.1.2对流这种散热形式在变压器冷却中起主导作用。流体与固体直接接触时,它们之间的热交换过程称为对流换热。对流散热冷却过程可以描述如下:如果发热体周围是液体或气体介质,那么附在发热体表面的那层介质,由于热传导而被加热,其密度降低,而介质上升,介质离去的地方,新介质补充进去,这就形成了冷却介质的循环。介质循环的方向与介质和物体表面的温差有关,当介质温度高于物体表面温度（例如变压器油箱内油和箱壁内侧之间）时,则介质将热量散给物体，介质被冷却,温度下降,则对流循环方向与前述相反。加入对流过程的冷却介质都不厚,在稳定温升下油对流层约为3mm,空气对流层约为12~15mm。在冷却表面处介质的运动速度等于零,这是由于介质与发热体之间存在摩擦的缘故。虽说这层不运动的冷却介质很薄，但发热体与冷却介质之间的温差主要出现在该层中。如果这个不运动层被破坏,则温差将急剧下降。例如用油泵加速油的流动，就可以减少绕组表面油的不动层的厚度,从而减小温差,提高冷却效果。单位面积靠自然对流形式散出的热量,与冷却介质的性质、冷却表面的温度、形状和位置有关。若采用液体作冷却介质时,则冷却效果与液体的密度、热容量、热传导和粘度有关。单位面积靠自然对流形式散发的热量可以由下式计算:竜2ロr.W1mm2其中:口一与冷却介质的性质及冷却表面温度、形状和位置有关的对流系数,W/mm2.℃；fー发热体与对流区以外介质的温差,℃。对流散热系数a。与流体的热导率和热容量、粘度、流速、被冷却物体的形状和位置有关。在不同的条件下,有不同的数据。由于n和许多参数有关,使得在很多情况下,不得不由试验或经验得到。流体的流动有层流和紊流两种。当流体枯性较大而流速较慢时，它易分层作平行于壁面的有规则运动,这种流动叫层流。在这种情况下,流体的换热主要以热传导方式来进行,因此其值很小。如果流体枯性较

19小而流速较快时,则除间还发生不断的扰动与ン流动ス徹^^流a交换主要依靠对流方式E眦,换热强度较大,但在紊流情况下,有沿着主流ブN!的流动以外,流体内部各层之情况下,热的靠近壁面的流体总有一薄层维持层流状态，这ー薄层称为“层流边界层”。在层流边界层中,热的交换只能借助热传导，因此‘"流情况下,换热的强度在很大程度卜.取决于层流边％实验表明，流体的流动状态与无因次数Re有关，其定"义如卜ーRe:丝（3—其中:Rcー雷诺数:，§）।国一流体流动速度,m/s；d一流道的几何尺寸,m；当流体在管道中流动时,若ReV2300时,•流体为层流:Re>10000时为紊流,Re=2300〜100*0之间为过渡阶段。▲图3.卜2为层流与紊流示意图君睾i由邕藁弱（a）层流（b）紊流趟エ‘三引入与。r"福美!乐・ナ无量癞是努塞方EAisse理意翅ルf流和热传导的比，综合考虑了对流和热传导的作用，u：堕(3-4)式中ロ一与冷却介质妣し皮及2阳し发而弟度、形状和位置有关的对流系数,W/mm2.℃_I1一特征长度,蚂;二［ヽ■一冷却介质的热导湾承弓版n.十T另ー个无量纲数是格拉晓夫（"ぬ!

20g一重力加速度,；yー运动粘度,m2/s〇另ー个无量纲数是普朗特(Plant1)数Pr,有Pr:一cpv一p(3一6)Z式中。,一流体的比热容:yー运动粘度;A一流体的热导率:P一流体密度。3.1.2热辐射从物质微观结构来看,组成物质的分子或原子中包含电子，物质总是处在不停地运动状态，电子无疑也是在不停地运动，由于分子的碰撞和原子的振动,会引起电子运动轨道的变化,于是在周围产生变化的电场,通过电磁感应相应产生变化的磁场,这种电磁场的交替形成电磁波,以电磁波载运能量向外发射的过程叫做辐射。由于热的原因,引起微粒振动所激发的电磁波而产生的辐射叫热辐射。在热辐射过程中，物体把它的热能不断的转换为辐射能向外放射。当物体温度升高或降低时，辐射能也相应的增加或减少。因此,热辐射的大小与该物体的热力学温度有关。如有辐射能Q由高温物体辐射到某ー低温物体上,如图3.卜3所示。其中一部分Qロ进入表面并被吸收而转换为热能，一部分绑被反射,另ー部分Qr穿透该物体。根据能量守恒定律有Q=Q〇+Q〇+Qr(3—7)令冬:ロ,要:穿透率P则，娶:f，将ロ、p、f分别叫吸收率、反射率、QQ，Q，□+P+f=I(3-8)一般物体,特别是工程材料的穿透率等于零,所以D+Pnl。可以看出，吸收能力强的物体，它的反射率就比较小。如物体的吸收率等于1«即对于周围物体投来的辐射能量百分之百的吸收,这样的物体称为全辐射体(黑体)»全辐射体在自然界中是不存在的,但可以用人工的方法近似的获得它。

21图3.卜3物体对热辐射的反射、吸收和穿透单位时间内从物体单位表面积上发射出去的辐射能叫做物体的辐射カ。用符号E表示。如辐射面积为A(m2),热辐射的总能量为Q(W),则辐射カ为层:垒W1mo(3-9)A辐射力的数值决定于物体的物性和温度。任意物体的辐射力与同温度下全辐射体(黑体)的辐射力％。的比值定义为物体的黑度,用符号s表示，即占:旦(3—10)毛式中占ー一物体的黑度:E一物体的辐射カ;磊一同温度下全辐射体(黑体)的辐射カ。3.2油浸式电カ变压器的冷却方式油浸式电カ变压器的热量均以传导、对流或辐射的方式传到冷却介质中去。为使变压器各部分温升不超过规定的限值，应采取有效的冷却措施。油浸式变压器根据油的循环方式,可分为自然循环式（ON）、强迫循环式（OF）和强油导向式（OD）;根据散热器冷却方式的不同,又可分为自然风冷（AN）、强迫风冷（AF）和强迫水冷（WF）等。这儿种油循环和冷却方式之间可形成多种组合。3.2.1油浸自冷式（ONAN）容量6300kVA及以下的变压器一般采用自然油循环、自然空气冷却方式。但有些地方为了降低噪声，如城市电网改造中所需的中型变压器,有时110kV级50000kVA以下的主变也采用自冷式。现在,有些用户甚至要求220kV级180000kVA的变压器也采用自冷式。其油箱结构主要有:（1）平板油箱,用于50kVA以下的小型变压器，油箱壁没有采取增大散热能力的措施。（2）管（片）式及波纹油箱,用于容量为50~2500kVA的变压器，变压器油箱壁上焊（装）有冷却用的油管（圆管或扁管）或散热片及波纹箱壁以增加散热面积。（3）自冷式扁管（片式）散热器油箱，用于3150〜50000kVA（也有用于180000kVA）的变压器,这种散热器可以从油箱上拆卸下来,安装运输方便。仲”3.2.2油浸风冷式（。NAF）容量8000~240000kVA或电压11〇〜220kV级的变压器一般采油循果隣I

22冷却方式。它是在自冷式散热器上,再加上吹风装置,强迫空气在散热器的外表面循环,以提高散热能力（一般在维持油和空气温差不变的情况下可使散热能力增加约45%左右）。但该冷却方式噪音大,.不适合在建筑物内使用。3.2.3强迫油循环式（OF）对于大容量变压器,在相似变压器中（即相应的线性尺寸成比例的变压器系列中）,当铁心磁密和绕组电流密度均相同时，损耗的增长与线性尺寸的三次方成正比,而散热面积的增长却与线性尺寸的二次方成正比。因此，把器身简单的浸入油中是不够的。容量大于63000kVA的大型变压器油箱上装有散热效率高的强油循环冷却器。这时油的流速增加,换热系数增大。这种冷却器的冷却效果虽然高,但由于绕组的辐向尺寸大,绝缘结构复杂，致使油箱内部的油路狭窄,不能发挥这种冷却器应有的效果。为了解决这个矛盾，可采用导向冷却方式（0D）,使油强迫流入绕组中。强迫油循环冷却方式变压器所采用的冷却器一般有强油风冷（0FAF）、强油水冷（0FWF）、导向风冷（0DAF）等形式…1。3.3本课题研究的油浸式电カ变压器的冷却方式近年来,国内外对自然油循环变压器的冷却结构进行了各种改进。目前国内普遍采用在绕组中设置油流导向隔板的结构。但此时,油流由ー个导向区流向另ー个导向区时,全部油流要通过绕组内径侧或外径侧的油道，为了限制油流速度，减少压カ损失，就需要加大这一油道的幅向尺寸。而从绝缘性能考虑，则是这一油道幅向尺寸越小越好。油道越小,其能耐受的场强越髙。则在一定耐受电压要求下，需要的总油道尺寸之和越小，从而高低压绕组之间的总距离越小，变压器器身尺寸也越小,成本会更经济。但此时,我们不得不加大这一油道尺寸,而其能耐受的场强降低，为了保证总耐受电压,我们不得不加大高低压绕组之间的距离，从而使变压器总体尺寸加大，成本上升。国外有些公司则采用另外一种方式来改善变压器的内部冷却。在绕组中增加轴向油隙，从而使油流仍按轴向流动,且能透入到线饼幅向的所有部位。实验结果表明,这种方式的冷却效果是非常好的。并且它也避免了加大绕组内外径侧油道，因此，其主绝缘距离不用作任何变动。但是，显而易见，使用这种冷却方式,不得不加大绕组幅向尺寸，从而降低了绕组的填充系数，加大了变压器器身尺寸，成本上升。根据现有的冷却方式,融合以上两种方式的优点,本课题给出了导向油流的自然油循环冷却方式,并将其应用于多台产品。但本质上,这种冷却方式仍为自然油冷却方式。

23第四章油浸式电カ变压器绕组的温升油浸式电カ变压器绕组与周围介质（空气）之间的温差为绕组和油之间的温差及油和空气间的温差之和。因此在计算绕组对周围介质的平均温升时,ー殷先计算绕组表面对油的平均温升,然后计算油对周围介质的温升。3.1油浸式电カ变压器的温升根据国标｛GB1094.1-1996电カ变压器第1部分总则》规定，空气冷却时环境年平均温度是20"C»空气的温度用％表示。绕组最上部的平均温度指变压器在额定负载时绕组最上部线饼的平均温度,用〃ー表示,温升用△札表示,则绕组最上部的平均温度是轧=眈世+争（41）式中△以。是绕组入口和出口油温差，△吼是变压器绕组的平均温升。绕组最热点的温度是绕组最上部线饼内最热层的温度，以％表示。对A级绝缘材料来说,IEC标准规定的绕组热点温度为98C,这ー温度是对应于环境温度眈=20。C时,变压器绕组的平均温升是△以=65。C,绕组入口和出口油温差△巩0=22"C,加上另外的2c温差得到的,即见:吃+△以+华+2：20可卜假6从纟晶丿ホ进ル壳纟加油2的麻盘解尧组后;流8路径长度成正比上升。在自然油循环时，可以从最高油温升中减去绕组入口和出口油温差的一半得到有的平均温升。绕组出口油温等于油温最大值，用％一表示,有眈。,=9〇油平均温升用％。一表示,被冷却的油和冷却空气间的对数平均温差是％w,用散热器冷却时,对数平均温差有两部分组成,即空气侧和油侧温度降（在散热器壁发生的温度降略去不计）。环境温度加上通过冷却器的空气平均温升再加上油与冷却空气间的对数平均温差,得出冷却器中油的平均温度％'‘，即

24气。=见+等+峨。（4在自然油循环情况下,这ー,S4尧组内油流的平均温度稍有不同:e。兰9。。在强油循环情况下,E!于变压器油箱中油的混合,绕组中油流的平均温度高于冷却器中油的平均温度:P。〇>眈。从绕组平均温升中减去油的平均温升得到了绕组平均温度对油的平均温度的温度梯度,即铜ー油温差。这ー温度梯度由两部分组成，即绕组绝缘中的温度降和绝缘外表面与绕组周围油之间表面温度降之和,即以ー。=△乱一△见。（4—3）吼。2△巳+△见(4-4)计算绕组的温升要从计算上述温度降开始,图4.卜1和表4.卜1给出了所用的符号和说明。门厂ー?tL.峭降}f卜△日。。I1表4.卜i图4.卜1中出现的表示温度、温差和温升值的符号及其意义符弓说孵符号诅墻

25—・德亳膏丁・环孽蕾度曲粉%。膏丁・牟境・童艘片却嚣袖平均・L丹五耳總車芷。+■•毫太值・•一・ロ空.E胜童如焉,:库墟雌箍谷•崎太I厶室・件均叠癣・ヽ’‘钎坪麓誓嚣曲奠蛆11琦・丹・〇出口壹气臧.._・上弗城饼埒’’均畦.•千均垃鼻瑞做I1就蝴曲为点事虞.矶拉却曩中空气帕I｝井.出口空气和人q奎气鳞蠢粥囊•鮒§壤嫡梦鼻4升鮭•I“RILA.ロmi11.i：…’一,.4tH。奠曩平均薯班翱・平琦墨痢鹼畑ギ均麓量。纬龟擎嘩I螂・度降k麓坦出口锚鸽“飽量囊珥瓣•鹤・廃・如齟中矗乎拜瞿置度翦柏牛均量丹.4“、翻辟螭量痔珊帽蝙空气ー蛔对奠平均叠t凡ー烧嘏建I曲鱒灑!!裏月琦却鼻申千蜗空.【置崖k舟却•出口鞠置"％。培囊ー曩崖・4.2导向油流的自然油循环电カ变压器绕组的温升计算由式（4ーー3）、（4ーー4）知,要计算铜一油温差,只要计算两部分温度梯度:绕组绝缘中的温度降和绝缘外表面与绕组周围油之间温度降即可。4.2.1绕组绝缘中的温度降绕组绝缘中的温度降数值较小,其以热传导方式散热,此温度降计算公式为△纬=留・％0（d5）式中△口。•绕组绝缘中的温度降,K；gー绕组表面热负荷,W/mm。;%。ー绕组绝缘部分的热阻,mmz-Z/Wo热阻1塀的计算公式为%。=鲁（4—6）式中％一绕组绝缘部分的热阻,mmz.K/w〇

26z,ー绕组导线双边绝缘厚度,mm；Aー绕组绝缘纸的电导率,W/mm•K〇4.2.2绝缘外表面与绕组周围油之间温度降绝缘外表面与绕组周围油之间以对流换热方式散热,此温度降计算公式为zx0,=q4%(4—7)式中△只一绝缘外表面与绕组周围油之间表面温度降,K；ロー绕组表面热负荷,W/mm2；%ー绝缘外表面与绕组周围油之间的热阻,intO2+K热阻％的台噴公式为%=-Jt(4-8)II式中％。ー绝缘外表面与绕组周围油之间的热阻,mm。K/W。ロー绝缘外表面与绕组周围油之间的对流换热系数，W/mm20K,

27第五章导向油流的自然油循环油浸式电カ变压器绕组温升的计算采用导向油流的自然油循环电カ变压器绕组的结构形式如图5—1所不。(a)绕组不带轴向油隙(b)绕组带轴向油隙图5—1导向油流的自然油循环电カ变压器绕组的结构形式示意图根据公式(4—5)、(4—6)、(4—7),(4—8),计算该类绕组的温升,只要计算两部分的温度降即可。其中,绕组绝缘中的温度降是较容易计算的，而绝缘外表面与绕组周围油之间表面温度降计算中用到的对流换热系数口,与很多因素有关,除根据热工学原理推导计算外,还不得不由试验或经验得到。5.1对流换热系数口5.1.1公式的得出在油路中，油压的产生可由以下一般公式表示…1向0pr〇dzf船咖础(5—1)其中P〜油密度(kg/m3)；g一重力加速度(9.81m/s2)s—油路长度P・里カ加速度与水平线间的夹角对于使用片散来冷却的自冷变压器,可以利用下式计算“''△pP»t*p〇g；B幽△8(5—2)A!P・〇一zCAHA0(5—3)

28%0心"胡毛其中岛ー在基准点的油密度（kg/m3）：口一体积膨胀系数（1/K）AH一片散中心与绕组中心的高度差（m）AO一片散进出口油温差（K）C、C，ー常数Pー绕组中的有功损耗（W）Q〇一・油流量（m3/s）在层流状态下,单位长度的压カ损失可以由下式计算84锄=磅譬{2面”旦v,p#,土di譬ニ署其中正…〃咋卸,〜寸2万〃咋“ー油速pー油密塞。ー雷诺数IVー动力学粘度对于带导向隔板的绕组,其压カ损失可以按下式计算却=Apt1=丽3…，其中W一幅向油隙磐以告（蝦）nー并行的幅向油隙数

29m--通过幅向油隙的油路数（油流改变方向的次数）L一幅向油隙的长度由于油压基本等于压カ损失,即卸之卸III根据上述公式,有丽32〃mL）第嘏去（5则一10）见“2恤IC，P酒ー…幅向油隙中的油流速胡トガ・算关^（2ヽ1”2や〃盟…・ア峰一PA"'则有H—1—（2w）2(5—13)Re：—vp2—W：P由公式（3—4）有ロ:丝（5—14）2w在自然油循环形式下,按管内层流散热，可采用以下公式计算努塞尔数…

30（碧i将式"-0在呵寿哮15)Pr、...bロ=去C（鲫卅ー(5—16)，/£坐2/ヽPr)”“％q()ロ2石噺霞2、『32/(5-18)整理式(5—18),得.Z•,•••□=!芋c争竽c孑ー齬孚rip中=k1（旦），：r3（砒）（5-20）下レし，般1-5〃5.1.2公式中系数的求取式（5—20）中,有5个常数K1、置2、K,、甄、毛。这5个常数需要试验来确定。

31首先根据以前的经验公式及类似产品的试验结果,给出5个常数的初值。然后,对产品进行计算,先按没有油流导向隔板计算（计算公式已较成熟）,然后根据预测，加油流导向隔板产品温升会降低。为了保证试验产品的可靠性,应用同型号产品进行试验,产品计算均按无油流导向隔板方式进行，然后根据各绕组不同的物理参数,对试验值进行比较,以确定公式中的常数。过程如下:(1)首先根据产品的各项设计参数,求得热负荷、绝缘纸中的热阻;(2)然后根据试验结果得到铜油温差:(3)第三,由公式(4—7)可反推热阻如下%o=A肌。,(5—21)则,对流换热系数为ロ=一％(5-22)(4)最后,将求得的岱值带入公式(5—20),方程联立,求得常数置1、置2、置3、置.、置5・利用数学计算软件工具MathCAD对上述参数进行计算,过程如下:

32懈—疆撑Enwromemtempee—第十3胪m诩GI娜聴恵碱Td《弗?洲「mi〇n硝thei瞿静料は龜ガ嶷咖ザキtheiI群》3也udb酗。&a]tcQnQufdUCtflF就ゆ。ゆBW®移akbetweenr托機而W,%栉レ。鯉五脚包。「砌累鹹I0翻l'iC鱼托啪t（X陀糟瘦蠢1N卜、£,ceUl^lsolagono尊用赞@e国昌vX做,b姊出PQ,}r.體1mern瘫diarn亨姐艾西嚣将嵋缸用酗鱸哆譽Eぐ皿b£_蜗園嬲㈣》蝌相mmbtesr醇嘲betwe辩〇秘》?.SniD.[1霹ゆutnMセ蝎嘲QaillgdUct（叫l&幼,4）IPresffleyI:她辟附!O>Th妞甑噺orttlea吐目犒躱p弹噌嘲d蜩ゆ嘲麒eiが细峨ft1樓翘畦棚,羸Qi岫上ルcC.rtodS,和攒ぐ）口州移パ,强r,1#Covenngofth量・細刻棚e硯脆》〇f抛州i£l/Ln；drwithepoxy7]yes,O=no蝴螂

33Qoo幽栅〇〇触拍K)轡吶晒財fflp。,科川ユ酬耦歸,鞠m・掷》•墨T・石冉亍;・瑚掰s妁弗郡,ロー8掰郭范耀彈ー舟軍一旭.噺辱量霉,1,3"就.与、破00,盼啪4嗣0T'KUE雕Lへ1盯,〇翻〇)〇〇ingmode"〇へr恥P饼屯雾轴撇f4m她窓缸理f瞄p手"賢賢nE辅Oe栩I缓ncopp細評A哪礴ロ孵韶倒叽協(1Ieif［猷叠审新仙般嚼メノ臟尹?the鞭"确8"c〇n翻触＜丁询睇穆af嚣Ie妇蛆曩1i〇〇日ロD,11m扎(DHOD-O■。孤脚び脚孚司s3,B(3TNT+NTzIr+盈,Bi’》3卫0T)B)IKO7D§_Jせ啊T：-3,HI'•2朱»麒「砚洋e由口向他3且od+丑•1マ。室+亚+毎»輙|廿.(Moo<1睢,j£j板Rpa2'2j0,疗.j。心Jjl十・型科西レ翔,蓝j.殉N龜ボwO/-0K襲,0H时,噫军ビ3,0j,D〇蕾（吏3。DoI娥NK-aL嘲“M-2

34驴鬻矶朝蟀2白尊誉制義t,J2oof1+三1ゝ、1〇〇»H%iロー31一;【一嵩Jz肋+耶•4-ooH-1〇〇:二===11}IV一位口，(e弹口一寸j.0II!护P"可嘉萄4P可寮簪葛陆丸雋金画.+H、刚p,之・年ー俎〇#1r*肿懈2。I驴黔矗&一秘城审冀辨1矿i曼。2j14x：鮒比8搬.%。1+1拶鞠,j.箱a触M1〇〇〇一・‘粥将上述过程应用于不同产品，得方程组n.(2614.10习职3キ3〇〇〇,4〇,42彤:74瑟,

35nbI枷5,K'23.严0341(4n〃5：SSmK”6圳牛Iu5,1K2.J.o.o1691(4.041严=79心紛幺鑽1弱麓:名勖疵1〃蝴前百郷潮1矿曩尹毗iP乱/:衆解救耀组,解得各常数如下表5.卜1表5.卜1计算对流换热系数的常数coefficmnt團蜀蜀丘,托va1ucO25380359013094—o254710504得到对流换热系数的计算公式为ロ:0.2538(马〇.359W13094/(mL)_0o5”△日1055.2产品设泄盘十算5.2.1程序的建立将上述公式编入公司温升计算程序,运用于产品设计。5.2.2产品设计(其中三台到目前为止,已将该种方法应用于5台产品的7个绕组产品只用于低压绕组，两台产品的高、低压绕组均采用)。产品的技术要求如下:ロ”容量:50000krA电压比:110±8xl.25%/10.5森/50Hz联结组:YNd11短路阻抗：16%负载损耗:180kW空载损耗:25kW其它:按国标GB1094.GB6451各绕组铜油温差的计算结果见下表5,2-1：

36表5.2—1绕组铜油温差的计算结果,铜油温差计算结果绕组号不带导向隔板带导向隔板1#绕组19.916.92#绕组20.616.63#绕组17.112.14#绕组20.616.65#绕组13.810.06#绕组20.616.67#绕组13.89.2其中,1#、2#、3#、4#、6#绕组为低压绕组,其结构形式如图5.2-所示。1舶哪田田田亩（a）低压绕组层的布置（b）低压绕组段间油道的布置（c）低压绕组导向隔板的布置图5.2-I低压绕组结构形式5#、7#绕组为高压绕组,其结构形式如图5.2—2所示。

37褥(a)5#高压绕组的布置(b)6井高压绕组的布置图5.2-2高压绕组结构形式对不同产品的绕组,其线规尺寸、绕组内外径、绕组高度、绕组饼数略有不同。5.2.3经济效益使用该种冷却方式,降低了绕组温升,提高了产品可靠性。同时,也带来经济效益。以一台150000kVA两绕组变压器为例。产品的技术要求如下:…1容量:150000kVA1电压比：220±。x2.5%/37kVl频率:50Hz联结组：YNd11短路阻抗:14%负载损耗：390kW空载损耗：80kW其它:按国标GB1094,GB645将原有结构与新结构计算进行比较如下表5.2-20表5.2—2两种结构计算结果比较项目原有结构计算结果新结构计算结果差值空载损耗73.4kW70.7kW—2.7kW负载损耗368kW368.6kW0.6kW短路阻抗14.07%14.12%〇.05%低压绕组铜油温差19.9K18.4K-1.5K

38高压绕组铜油温差19.9K13.9K—6.0K产品总成本节约〇.〇元69853元69853元可以看出,应用新的冷却方式,不但产品性能有所提高（损耗降低、温升降低）,还节约了成本,创造了经济效益。

39第六章导向油流的自然油循环油浸式电カ变压器的生产与试验6.1产品生产2005年下半年开始第一台应用该种冷却结构产品的生产。除绕组中增加导向隔板外,其它与原有结构相同。因此,我们重点关注了导向隔板的制造与放置。其中，外导向隔板仅为ー纸圈,制作简单。而内导向隔板需在对应绕组撑条位置开槽,各槽的尺寸及槽间距公差的控制比较困难,经过几次试制,オ达到了要求。内导向隔板如下图6.1—1所示。图6.卜1内导向隔板绕制过程中遇到了一定的困难,即内导向隔板的放置。最初,用内导向隔板进行撑条等分,将导向隔板按整圆使用,结果由于配模时裏纸筒,纸筒表面不光滑平整，造成无法放置导向隔板。于是,将隔板剪开四等分使用。并对垫块开槽尺寸进行了修改。放置完毕的导向隔板如下图12所示。6.2产品试验对该产品的试验按照国标GB1094.2温升部分的要求进行。011根据测得的温度值得到各绕组的铜油温差如下表6.2—1。

40表6.2-1绕组铜油温差的测量结果铜油温差计算结果（K）铜油温差绕组号偏差（K）不带导向隔板带导向隔板试验结果（K）1#绕组19.916.916.40.5616.61112.11616.62810.01616.6189.29.2井绕组2〇.3#绕组17.4#绕组20.5#绕组13.6#绕组2〇.7n绕组13.9.5—2.93.0—0.90.1—3.50.8—0.86.10.57—0.5可以看出,计算方法与试验结果有很好的复合性。其中,1#、2#产品的高压绕组与5#、7#绕组结构基本相同,差别只在于有无导向隔板,其测量结果比较于下表6.2—2。表6.2—2有无导向隔板的测量结果比较不带导向绕组带导向绕组的差值的铜油温差（K）（K）铜油温差（K）10.517.1—6.69.213.8—4.6可以看出，在绕组中设置导向隔板,明显的降低了绕组的铜油温差,提高了绕组的冷却效果。第七章结论通过对导向油流的白然油循环油浸式电カ变压器绕组温升的试验研究和分析计算,得到了改良冷却方式绕组温升的计算方法,并验证了该种方法的有效性。总结本文，得出如下结论:

41(1)随着社会生活对电气的依赖程度的提高,对供电设备的质量要求也比过去更加严格,促使越来越多地大容量、高电压、油浸式电カ变压器采用自然油冷却方式，提高这种产品的冷却能力,已成为各变压器制造厂的ー个迫切课题。(2)单纯在绕组中设置导向隔板,可以改善变压器内部冷却、提髙容量和负载能力。但需要加大绕组表面第一个油道的幅向尺寸，增加高低压绕组之间的距离,从而使变压器总体尺寸加大,成本上升。(3)利用改良结构，即在绕组中设置导向隔板和轴向油隙相结合,可以实现即改善冷却效果又不增加成本的耳的。(4)绕组温升计算的关键点在于绕组铜油温差的计算，绕组铜油温差包括两部分:即绕组绝缘中的温度降和绕组绝缘外表面与绕组周围油之间的温度降。其中,绕组绝缘中的温度降是较容易计算的,而绝缘外表面与绕组周围油之间表面温度降的计算关键是对流换热系数口的计算。.(5)对流换热系数口,与很多因素有关,除根据基本原理及自然油循环的冷却特点推导出理论计算公式外,还要通过试验或经验得到公式中的系数。(6)根据多台实际产品的试验结果和经验,得到了改良结构的绕组对流换热系数口的计算方法,确定了计算公式中的系数,进面得到了绕组铜油温差的计算方法。(7)改良结构的绕组铜油温差计算方法经过了试验的验证,起到了预期的改善冷却的效果。总之，油浸自冷变压器绕组中设置导向隔板有利于降低绕组的温升，但由于油流量原因需加大绕组表面轴向油隙尺寸，弓I起主绝缘距离的增大,从而导致整个变压器器身尺寸的膨胀，增加了成本。单纯在绕组中设置轴向油隙,可以大大提髙绕组的冷却效果,但加大了绕组幅向尺寸,

42增加了绕制难度,同样增加了成本。将上述两种方式相结合,本文提出了新的改良结构,并应用理论与实验相结合的方法得到了该种冷却方式绕组对流换热系数口的计算公式,从而得到了绕组铜油温差的计算方法。这ー改良冷却方式,增强了变压器绕组的冷却能力,同时节约了成本,提高了产品的可靠性。为满足用户越来越高的要求,该种冷却方式将在以后的产品中得到逐步的推广。

43参考文献1.朱英浩.不断提高变压器的运行可靠性.变压器第42卷第8s期。2.谢毓城主编.电カ变压器手册.保定天威保变电气股份有限公司组编机械工业出版社2003.1〇3.姜益民.城市电カ变压器的发展趋势.变压器第42卷第8期。4.刘传彝.电カ变压器设计计算方法与实践.辽宁科学技术出版社2002.9o5.中华人民共和国国家标准.GB1094.2-1996电カ变压器第二部分温升.1996—03—31发布1996-12-01实施。,れ6.《变压器手册》编写组.电カ变压器手册.辽宁科学技术出版社1989年5月。7.希思科特(Heathcote,M.J.)著王晓莺译.变压器实用技术大全・机械工业出版社2004.3〇8.毛・之王秀春何坚刘志凯エ翔.干式电カ变压器高低压绕组间气道尺寸对绕组温升的影响.河北工业大学天津大学天津泰达特种变压器有限公司变压器2〇〇5年第5期。9.袁道君.大容量油浸自冷变压器冷却系统设计存在的冋题及优化方案.湖北荆州供电公司变压器2005年第2期。10.K.KARSAI-O.KERENYI•L.KISS.ELSEVIER.LargePowerTransformers.Amsterdam—Oxford—NewYork—Tokyo1987o11.RadakovicZ.FeserK.SomeimportantaspectsofoiIpowertransformertherma1protection.2004〇12.张丽赵文涛エ志霞李晓磊.多台变压器温度集中监视分散控制系统.东北电力学院变压器2005年第3期]3.FankP.Incropera&DavidP.DeWitt.FUNDAMENTALSOFHEATANDMASSTRANSFER.copyright2002014.壬宝珊.变压器设计手册(电磁计算部分).沈阳变压器研究所1985年9月。

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46致谢在导师李庆民教授的悉心指导下,我完成了自然油循环电カ变压器导向冷却绕组温升的研究工作。导师渊博的知识、兢兢业业的敬业精神、严谨的治学态度和实事求是的工作作风深深感染着我,使我终身受益。在论文工作期间，导师给予我大力的支持和无微不至的关怀,在此向他致以衷心的谢意。该项目工作期间,厂内指导老师马德安高级工程师给予了大力支持和悉心指导，特别是产品生产期间，共同到生产ー线,指导操作者的エ作，在此向他致以衷心的谢意。在研究工作中,我得到了公司技术部门、质保部门、生产部门、实验室的大力协助和支持,特向所有给予我支持与帮助的同学和同事表示最衷心的感谢。