基于ANSYS软件的油浸式变压器温度场有限元仿真计算

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薛飞;陈炯;周健聪;李忠

【摘要】应用传热学和流体力学原理分析了变压器内部生热以及散热机制,建立了流固耦合的变压器温度场有限元分析模型,并在此基础上选取了适当的边界条件及求解参数,在综合考虑非线性热源以及随温度变化的油动力粘度的前提下,采用有限元分析软件ANSYS计算了变压器内部的温度场分布,确定了热点的温度及位置.

【期刊名称】《上海电力学院学报》

【年(卷),期】2015(031)002

【总页数】5页(P113-116,126)

【关键词】油浸式变压器;热点温度;温度场;流固耦合;有限元;ANSYS软件

闪电f40【作者】薛飞;陈炯;周健聪;李忠

【作者单位】摆线上海电力学院电气工程学院,上海200090;上海电力学院电气工程学院,上海200090;国网四川省电力公司资阳供电公司,四川资阳641300;国网四川省电力公司资阳供电公司,四川资阳641300

【正文语种】中文

【中图分类】TM411;TM743

随着电力建设的不断推进，电力设备朝着大型化方向发展，但大型变压器的内部温升控制问题一直是近年来困扰电网运行部门的技术难题之一.《GB/T 1094.7—2008油浸式电力变压器负载导则》中明确指出:“绕组最热区域内达到的温度，是变压器负载值的最主要限制因素，故应尽一切努力来准确地确定这一温度值”.[1]当热点温度超过指定限值时，会加速绝缘老化，缩短变压器寿命，影响变压器的正常运行.因此，开发合适的温度场计算技术，准确计算绕组热点温度及位置是亟待解决的问题.

目前，计算变压器热点温度的依据一般是实验结果和实践经验，但其误差较大，不能反映最热点温度和变压器内部整个温度的分布，并且难以确定热点的准确位置.[2]因此，笔者从

传热学和流体力学理论出发，结合强大的有限元分析软件ANSYS，建立了油浸式变压器的有限元分析模型，分析并计算了变压器稳态运行下的温度场分布，较为准确地定位出热点的位置.

鲜卑语

1 发热及传热原理

1.1 变压器的热源

变压器内部的热量主要由损耗转化而来，包括绕组损耗和铁心损耗，可以表示为:[3]

式中:PT——总损耗;

PC——铁心损耗;

PL——绕组损耗.

绕组中的损耗包括直流电阻损耗、涡流损耗及杂散损耗等，其中直流电阻损耗占主要部分，可表示为:

式中:I2R——绕组的电阻损耗;

PW——绕组中的涡流损耗;

PZ——杂散损耗.

铁心损耗主要由铁心中的磁滞损耗和涡流损耗构成，可以表示为:

式中:P1——铁心中的磁滞损耗;

mtxP2——铁心中的涡流损耗;

δh——磁滞损耗系数;

δe——涡流损耗系数;

f——电流频率，Hz;

Bm——磁通密度的最大值，Wb/m2.

绕组的涡流损耗和直流电阻损耗产生的热量直接作用于绕组，从而引起绕组温度升高，并且也是变压器内部热量的主要来源.

1.2 传热机理分析

对于油浸式变压器来说，运行中所产生的热量主要以传导和对流方式进行传递，其热量散失过程如图1所示.

图1 变压器内部传热原理示意

热量的传递过程分为4个部分:一是铁心、绕组产生热量，经内部传导，热量传递到与油接触的外表面;二是外表面的热量经过对流传递到油，油温逐渐升高;三是变压器油向上流动，接触油箱壁，油温下降，油向下流动;四是冷油回到底部又重新流入绕组，形成了闭合的对流路线.油箱壁对空气的辐射传热可忽略不计.因此，热传递在变压器内部固体间表现为热传导，在固体与油之间表现为对流.

通过适当假设以及参照能量守恒定律可得出热传导的数学模型[4]假设如下.

(1)绕组为各向同性的连续介质.

(2)导体的密度、比热容和导热率均为常物性.

(3)导体内部有热源且均匀分布.q v为单位体积的生热率，V为导体体积，则qv=P/V.

所得微分方程式如下:

式中:a——热扩散率，即导温系数;

λ——导热系数;

c——比热;

ρ——密度.

在不考虑时变的稳态传热时，式(4)可简化为:

对流主要取决于对流换热系数、固体与油流温度差、换热表面积，实际工程中采用牛顿冷却公式:[2]

式中:hf——对流换热系数;

S——换热表面积;

新词儿

tw——固体表面温度;

tf——油流温度.

由于对流过程中油的导热系数、比热及密度都是温度的函数，因此正确确定hf是计算变压器内部温度场的关键.[5]

2 ANSYS模型的建立

ANSYS软件是融合电场、磁场、温度场于一体的大型通用有限元分析软件.其强大的多物理场耦合计算功能使其在跨领域多变工程中得到广泛的使用.[6] ANSYS Workbench Environment(AWE)作为新一代多物理场协同 CAE仿真环境，集建模、有限元分析、优化设计3大模块于一体，为设计人员提供了系统级的解决方案.本文就是利用Workbench对油浸式变压器内部流固耦合的环境进行仿真分析.

2.1 确定边界条件及物性参数

本仿真过程为稳态求解，即发热和散热达到热平衡.固体所用的比热、导热系数及材料密度

均为常数，油的物性参数采用拟合输入，见表1.热源密度为常数，环境温度及初始油温为20℃.

表1 变压器油物性参数油的物性数拟合公式动力粘度 μ μ=11.71exp(－0.02T)密度 ρ ρ=894－0.6(T－273)比热 C C=807.163+3.58T

本文所模拟的油浸式变压器只考虑自然对流，并且忽略油箱壁对空气的辐射散热，因此用到两类边界条件，即第1类边界条件和第3类边界条件.

油与铁心、绕组及油箱壁之间是典型的对流换热，属第3类边界条件，满足:

式中:λ——导热系数;

n——法方向.

由于油箱的几何形状比较规则，因此自然对流换热系数hf可取均值.

式中:Nu——努塞尔数;

Ra——瑞利数，Ra=GrPr;

G r——格拉晓夫数;

α——热膨胀系数，α =1/T;

β——运动粘度，m2/s;

H——特征尺寸，m;

Δt——温差，℃;

C，n——比热和法方向，数值由试验确定;

Pr——普郎特数.

油流与绕组的对流散热比较复杂，由于各绕组的生热率、几何形状及空间位置都不同，使得它们与油之间的hf相差较大，不能采用均值.事实上，油流可分为层流和湍流，两者换热效果相差较大，可通过雷诺系数Re来判断:

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