嘉兴学院毕业论文(设计)文献综述吴依呈

嘉兴学院毕业论文（设计）文献综述

题目：油浸式变压器的三维温度场建模

学院名称：机电工程学院专业班级：机械061学生姓名：吴依呈

一、前言（说明设计或论文的目的、意义，介绍有关概念）

1.课题的背景及意义

在电力系统的各种设备中，变压器是比较昂贵且很重要的设备之一，其安全运行对于保证电网安全意义重大。单以其本身价格计算，进口的250MVA/500kV 变压器平均约133 万美元/台，国产同规格的也达到1000 万元/台左右。如果一台大型电力变压器在系统中运行时发生事故，则可能导致大面积停电，其检修期一般要半年以上，不但花费很大，而且影响面很广，比如：1997 年2 月27 日中国西北地区大面积停电事故，2003年8 月14 日美国东北部和加拿大部分地区发生重大停电事故，整个城市地铁瘫痪，工厂停产，许多自来水站不能供水，生活用水紧缺 (1)

作为电网中的主要电气设备，变压器对电能的经济传输、灵活分配、安全使用等具有重要意义。长期以来，人们对于变压器中电、磁和力方面的问题已经进行了大量的研究，至今已能很好地揭示这些现象的物理状况，并已有了足够精确的数学描述。然而对变压器中的发热和冷却问题，长期以来研究较少，知之不多。其原因，一方面是先前在变压器容量不是十分大的情况下，热问题没有引起人们足够的重视；另一方面它涉及到传热学、流体力学、电磁学的边缘学科，其复杂性和试验难度也限制了其自身的发展。随着社会的发展,人们对变压器的要求也不断提高。在超大容量变压器不断涌现的同时，变压器的散热问题也不断突出。因此对变压器热性能进行分析研究成为国内外变压器领域研究的重点。众所周知，变压器的单台容量越大，其经济技术指标越高。因此，随着新材料新技术的不断发展，人们不断地提高变压器的电压等级和单台容量。变压器单台容量增加受到的阻碍主要来自运输方面——外形尺寸和重量上的限制。为了能在一定的几何尺寸和重量限制下提高变压器的单台容量，除了采用新的绝缘材料、优良导线和铁心材料外，根据热源分布来合理分配冷却油流则是一个非常重要的手段。同时，随着变压器每柱容量的不断提高，变压器中的热问题也就越来越突出。变压器线圈的过热不仅造成绝缘的加速老化而影响其寿命，而且由于线圈局部过热而造成的恶性事故在国内外均有发生。这些问题造成了巨大的经济损失，越来越引起人们的密切关注[2]。

2.课题的研究意义

因此，保障变压器的安全可靠运行，延长变压器的使用寿命对电力系统有重要意义。根据经

验，对变压器的运行及寿命情况监测主要有两个方面：一方面是对变压器溶解气体进行气相色谱分析，另一方面就是对变压器绕组热点温度进行监测。在实际运行中对变压器的绕组温度的测量比较困难，但是测量变压器的顶层油温相对较容易，而顶层油温与绕组热点温度有直接关系，因此可以通过预测变压器顶层油温来达到预测变压器绕组温度的目的。许多工程实际问题需要确定物体内部的温度场随时间的变化，或确定其内部温度达到某一限定值所需的时间。例如：在机器启动、停机及变动工况时，急剧的温度变化会使部件因热应力而破坏，因此需要确定物体内部的瞬时温度场。可见，非稳态的温度场求解是个有很大实际意义的课题。这也是对变压器进行非稳态研究的意义之所在[2]。

3.本课题所研究的变压器类型

油浸式变压器由于具有散热好、损耗低、容量大、价格低等特点，在户外场所仍为主要产品，目前电网上运行的电力变压器大部分仍为油浸式变压器。近年来，为了解决变压器的“噪音扰民”问题和“油流带电”问题，大型自然油循环变压器开始蓬勃发展。据统计，目前80%以上的油浸式变压器采用自然油循环冷却方式。采用自然油循环冷却方式的直接后果是铜油温差加大，变压器的散热问题更加突出[3]。

二、主题（阐明有关主题的背景、现状和发展方向，以及对这些问题的评述）

在变压器研究中，目前国内外已有了大量文献。

欧阳涛，张志勇从变压器线圈温度场出发，应用数学物理方法求解偏微分方程，从而得出变压器线圈温度场的分布，并获得了两个不同于传统理论的非常有趣的结论，对变压器的设计及温升计算有相当价值[4]。在传统的变压器温升理论中，主要是把线圈作为一个规则发热体，在均匀的散热空间中来讨论。这对线圈局部来说是正确的，也是可实际操作的，但该理论忽略了线圈自身空间结构，传热特性，及周围边际条件的影响，自然很难从整体上把握线圈在空间位置的温度分布，即温度场。此研究中场论的角度，充分考虑到线圈的空间结构，从整体上探讨温度场分布。

刘映栋，范建中研究了变压器温度场有限元计算中的几何对称性问题[5]。变压器铁芯温度场计算模型因边界条件不具有对称性而造成计算区域为电磁场计算区域的一倍，此研究分析了利用几何对称性从已有的属于一般区域的模块运行结果直接得到全区域的相应模块的运行结果的可能性，提出了实施方案和相应程序，从理论上解决了变压器电磁场计算与温度场计算之间的良好衔接问题，并且由于大量减少CPU时间而具有实际意义。

研究得出结论，区域具有几何对称性而边界条件或其他物理参数不具有对称性的计算模型，在进行三维有限元法计算时，完全可以先对其一半区域进行计算程序的相关模块的运行，然后利用几何对称性对另一半区域，通过对已生成的一半区域的模块运行结果，进行不同的简单处理而

得到整个计算模型所需要的相应模块的运行结果。

辜承林对电力变压器铁芯温度场进行了数值模拟研究[6]。变压器铁芯温度场是比较典型的流体-构件耦合场。此研究系统论述了这种耦合场的数值模拟方法，对铁芯工作磁密、油道尺寸、油流速度、进油温度等影响铁芯的温升因素进行了分析计算。试验结果表面，适当提高工作磁密、合理设计油道尺寸、综合考虑油道设置、尽量采用较高油流速度和较低进油油温对提高变压器效益、降低铁芯温升有实际意义。论文指出了设置竖直油道对变压器散热有质的影响夏远福通过对两三绕组变压器常采用的三种运行方式：分列运行；两个绕组并联运行，第三绕组分列运行；三绕组同时并联运行的研究，作出了负载分配、有功损耗计算及经济性分析，给出了判断经济运行方式的判据，为运行人员安排变压器经济运行方式提供了简捷的计算公式[7]。

研究得出结论由于变压器的阻抗电压及第3绕组的负荷分配对第2绕组的负荷分配影响很大，两个绕组并联运行并不能使主变二次侧绕组负荷得到合理分配，有时甚至比分裂运行时负荷分配更不合理，变压器损耗更大，在实际运行中，尽可能选阻抗电压相差较小的变压器并列运行。同时为了充分利用变压器容量，避免一台变压器轻载而另一台变压器过载的情况出现，第3绕组的负荷分配要均匀。

傅晨钊，李清泉，王世山等对一个电缆绕组变压器的绕组，应用传热学和流体力学的原理建立其温度场和附近流场的有限元方程，求解方程，得到温度场和流场的分布，与实测温度值进行比较，误差均在3K范围内。研究证明对于变压器绕组的热计算可采用轴对称2D有限元方法，得到整个绕组的温度场分布。这种方法有助于该类变压器的进一步研究[8]。

郭健，林鹤云，徐子宏等对混合绝缘液浸电力变压器的热-流耦合场进行了分析并对绝缘和散热器结构的改进提出了意见。研究采用传热学和流体力学原理建立了变压器热流耦合场的有限元模型，模型中考虑了变压器油热力学参数的非线性和绕组结构中垫块、纸筒对散热的影响，并根据不同的绕组形式进行单元离散。通过对混合绝缘结构的液浸式变压器热-流耦合模型的求解，得到了变压器内部各点的温度和流场分布状况，高低压绕组平均温升与试验结果吻合。结合计算机和试验结果对变压器的绝缘材料进行了改进，充分发挥了材料的耐温特性和经济性。最后，提出了通过升高散热器进出口的高度差来达到降低变压器热点温升的有效办法[9]。

河北工业大学的王秀春和陶军普采用数值计算的方法对导向循环冷却变压器的绕组温度场分布及最热点温升进行了研究。作者应用VC++语言编写了变压器绕组温度场及最热点温度计算程序，可实现对普通导线、组合导线及换位导线等绕组温度场的计算。另外，根据工程计算中对涡流系数的判定不同，给出了平均涡流系数和局部涡流系数两种算法。对计算结果的处理，应用Matlab绘制了变压器油温及流量分布，各线饼及整个绕组温度场分布图等，直观的反映了绕组温度场整体分布和最热点温升位置等，从而为变压器的热设计和结构改造提供了充分依据[10]。

汤焱，刘成远，郝忠言等采用多孔介质数值计算方法计算了变压器绕组的流场和温度场，为变压器绕组热点温升数值估算提供了新途径[11]。利用变压器绕组模型对“多孔介质”方法进行了验证，证明其是有效的。研究的基本思想是把变压器绕组内的固体，如线饼、垫块、隔油板等当作某种多孔介质，将流体在绕组里流动看成是在多孔介质中流动。用容积多孔度表示流体占有

的空间占整个绕组空间的百分比，用渗透率、表示流体在各个方向的渗透率。把多孔度看

成是空间坐标的函数，以考虑绕组内固体如线饼等的不同位置所产生的影响。

用所谓的分布阻力来考虑绕组内固体表面对流体流动的影响，这种阻力可以随地点而变，也可以随方向而变。对变压器绕组而言，有流体沿绕组表面流动形成的阻力（摩阻）和流体通过不同形状的油道形成的阻力（型阻）。

在上述工作的基础上，在绕组每个线饼上建立二维热传导方程，并最终得到变压器绕组的平均铜油温升和热点铜油温升。

温波，刘爽，冯加奇等用FLUENT软件建立了模型，并计算了变压器内部绕组温度和油温度、同时绘出了变压器绕组内部流场和温度分布效果图。由对比结果可以看出，建立的热模型是合理可靠的，模拟计算结果和实际情况比较接近，计算精度可满足工程上的要求。该软件为变压器的设计提供了热性能的参数依据，可作为设计变压器的辅助软件，并可对现场运行的变压器进行热性能分析，有效地减少了用户的使用成本，并降低了产品绝缘老化的风险，提高了产品的运行可靠性，为光导纤维测量变压器绕组热点温度时的定位提供了理论依据[12]

傅晨钊，汲胜昌，王世山，李彦明等对电缆变压器绕组，通过求解有限元方程，得到其温度场和热气流场的分布。在此基础上，建立其分布参数的热路模型，利用该模型经修正后求解了不同负载条件下绕组的温度分布，并将有限元计算值和实测值进行了比较，证明了模型的正确性。这种方法为研究该类变压器的温度特性提供了方便[13]。

丛龙飞，冯恩民，郭振岩等对油浸风冷三相变压器的三维稳态温度场进行了数学描述，建立了其参数辨识模型，介绍了该模型的数值模拟方法及参数辨识的优化算法，并给出了数值模拟结果。在变压器两种运行工作状况：额定功率70%自冷运行和额定功率100%风冷运行两种状态下进行了变压器运行过程的非稳态数值模拟，得到了变压器损耗曲线、油面温度随时间变化实验数据曲线、油面温度数值模拟结果曲线、绕组最热点温度数值结果曲线。结果表明构造的变压器参数识别模型CP，算法及软件的正确性。采用直角坐标和柱坐标两种坐标体系的区域分解法，能很好地根据实际变压器结构模拟变压器工作[14]。

Jiahui Zhang，Xianguo Li和Michael Vance采用构造的实验模型来研究油冷变压器绕组的油流和线饼温度，并用实验结果来确证和校准仿真模型（通过隐含的非线性优化）。发展了两组以实验为依据的局部对流换热系数的相关式。并证实，当冷却油道双边加热时，相关式在流体的雷

诺数从7.5到75.9时有效；当单边加热时，雷诺数在1.5到218.4。实验中还发现导体的温度梯度在圆周方向上很小以至可以忽略，因而一个二维轴对称模型对于绕组线饼的热仿真足够精确[15]。

Jiahui Zhang和Xiaoguo Li对油浸式碟形变压器绕组的理论和模型进行了发展。该研究基于有线控制体积分析，一个耦合的热模型被发展起来研究油浸式变压器绕组碟二维温度场最热点。模型包含2个子模型，导热子模型和非等温液力子模型，导热子模型用来处理具有不一致生热率和轴对称几何性质的绕组碟模型的温度分布。采用逐次超松弛方法来加速数值收敛，考虑到液体的温度独立性，不等温液力模型可以预测液体的呀流和温度分布[16]。

三、总结（将有关主题进行扼要总结，提出自己的见解并对其发展方向做一定的展望）

在这些研究中，提出了很多新颖的方法，从对绕组铁芯的建模到对整个变压器建模。年代较久的论文一般是提出方法，构建微分方程数学模型，然后使用程序语言计算。近年来，工程应用软件得到了进一步发展，使得操作更加方便。

由于变压器有很多类型，同一类型中由于尺寸，制造工艺的不同，对于最热点的估计和温升计算很难得到一个通用的办法。但是计算机建模还是有用武之地，因为这可以节约大量人力物力，而且比起直接试验节约了时间。

但是，模型的精度有限，而且可能只对于特定的情况是有用。这是由于实际情况总比想象的要复杂，建模时也不可能考虑每一个细节（必须进行理想化）。不然，操作及其繁琐，而且普通计算机也没有这样的计算能力。

在将来一段时间，理论改进，数值建模的使用和实验仍会同时存在。这里最重要的还是理论方法的创新，同时，计算机的运算速度和软件的完善性也在提升。

另外，在变压器研究中，一直缺少有效的实物模型对实际运行中的各种变压器进行模拟。如果直接对工作状态的变压器进行测量，由于测点的安置，可能会破环其结构。但这确实是有效的办法。在一些研究中，有研究人员采用热成像技术得到变压器箱体表面的热分布，有些情况下，光靠这些数据不能及时预测变压器是否会出故障或烧毁。

在同一批次或可类比变压器中，可以选择几台在制造过程中就嵌入传感器。由于变压器附近电磁场很强，传感器和引线都要采用抗干扰元件，数据采集和分析应在较远处进行。

变压器本身的理论和制造工艺也在不断进步，如采用非晶合金和速冷法制成的硅钢片，HI-B 高导磁取向硅钢片，采用新的导电材料和绝缘材料以及制作铁芯，绕组的新工艺。这些改进都使

设备的损耗和发热发生变化，如果只对传统变压器进行模拟和实验，在不久后将失去意义。

四、参考文献（根据文中参阅和引用的先后次序按序编排）

[1]吴勇华.大型油浸式变压器温度场计算的研究[D].华东交通大学学位论文,2007,1～2

[2] 杨蓓.大型自然油冷却结构变压器非稳态温度场计算方法及变压器寿命问题的研究[D].河北工业大学学位论文, 2007,1～2

[3] 韩鹏.大型自然油循环导向冷却结构变压器温度场计算研究[D].河北工业大学学位论文,2005,i～4

[4] 欧阳涛，张志勇.变压器线圈温度场初探[J].电机电器技术, 1996,9～11

[5] 刘映东，范建中.几何对称性在变压器温度场有限元法计算中的研究[J].江苏工学院学报, 1991,12卷第1期:72～75

[6] 辜承林.电力变压器铁芯温度场的数值模拟研究[J].华中理工大学学报, 1992,第20卷第1期:40～45

[7] 夏远福.三绕组变压器运行方式损耗计算及经济分析[J].湖州师范学院学报, 2006,第28卷:106～110

[8] 傅晨钊，李清泉，王世山等.电缆绕组变压器温度场的二维数值计算[J].电工电能新技术；2002,第21卷第4期:46～50

[9] 郭健，林鹤云，徐子宏等.混合绝缘液浸电力变压器的热-流耦合场分析及散热器结构的改进[J]. 高压电器,2008,第44卷第2期:122～125

[10] 王秀春，陶军普.大型自然油循环导向冷却变压器温度场研究[J].变压器,2008.第45卷第7期:6～10

[11] 汤焱，刘成远，郝忠言等.变压器绕组热点温升的计算与实验研究[J].变压器,2001,第38卷第2期:1～5

[12] 温波，刘爽，冯加奇等.油浸式电力变压器绕组温度场的二维仿真分析[J].变压器,2009,第46卷第9期:35～38

[13] 傅晨钊，汲胜昌，王世山等.基于有限元方法的电缆变压器绕组的暂态热路模型研究[J].电工技术学报,2004,第18卷第2期:77～82

[14] 从龙飞，冯恩民，郭振岩等.油浸风冷变压器温度场的数值模拟[J].变压器,2003,第40卷第5期:1～5

[15] Jiahui Zhang，Xianguo Li，Michael Vance.Experiments and modeling of heat transfer in oil transformer winding with zigzag cooling ducts[J].Applied Thermal

Engineering,2008,28:36～48

[16] Jiahui Zhang，Xiaoguo Li.oil cooling for Disk-Type Transformer windings-Part 1_Theory and model Development[J].IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY,2006,VOL. 21, NO. 3:1318～1325

导师评语：

签字：年月日（注：导师评语放在独立页）