一種樹脂包封變壓器繞組溫升設計方法

專利名稱：：一種樹脂包封變壓器繞組溫升設計方法
技術領域：
：本發明涉及用環氧樹脂包封的空氣自冷式電力變壓器高、低壓繞組的一種基于實際平均溫升模型的溫升設計方法，屬于變壓器
技術領域：
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背景技術：
：在電力變壓器的高、低壓繞組中存在著電阻損耗、渦流損耗以及引線損耗等。這些損耗在高、低壓繞組中產生熱量。這些熱量的一部分按照熱傳遞的規律，通過傳導、對流、輻射的形式從繞組內部傳遞到表面，再從表面散發到周圍的空氣介質中去，而另一部分熱量則儲存在變壓器的繞組中，使繞組溫度升高。其溫度比環境溫度升高的絕對數叫溫升，以K為單位。當繞組溫度升高時，繞組中的絕緣材料溫度也隨著升高。絕緣材料隨著溫度的升高而逐漸老化，影響絕緣材料的使用壽命，也就是影響變壓器的安全運行和使用壽命。為了保證變壓器的使用壽命在2030年，必須在滿足變壓器其它各項電氣技術性能的同時，對溫升進行設計，使溫升不超過絕緣材料允許的最高溫升(如國家標準規定，F級絕緣系統的干式變壓器，最熱點溫度不得超過155°C，其溫升不得超過100K)。溫升過高，影響產品壽命，如要保證使用壽命，則要對產品采取強迫風冷，或者是降低輸出容量，以降低溫升，這實質上是不合格產品。溫升過低，增大產品體積，增加成本，兩者皆不可取。因此，溫升設計是變壓器設計的不可缺少的程序，并且最終要通過型式試驗來考核溫升的實測值，視其是否超過了絕緣材料規定的溫升限值。干式電力變壓器繞組的散熱方式，是將熱量從繞組內部通過熱傳導到繞組的內、外表面和包封樹脂，低壓繞組一部分熱量還通過熱傳導到導電引出銅排。在繞組澆注體的外表面主要通過對流和輻射的方式散發到周圍空氣介質中，熱傳導可以忽略不計。當溫升過高時，必須在繞組內加設散熱氣道，增加散熱面積，由于氣道寬度有大小，必然影響對流和輻射的效果，設計溫升時則要對氣道進行折算，同時要考慮繞組輻向厚度在熱傳導過程中對最熱點溫度的影響，這些都必須在設計時對溫升進行校正。干式變壓器的溫升設計隨著該產品的不斷發展和成熟，在歷史上有多種方法。各種設計方法均是按照熱傳導、對流、輻射的形式，同時考慮氣道對輻射、對流的影響，計算其折合系數，并在很大程度上受引入經驗系數而使設計結果發生偏差，有的計算過程較為繁雜，特別是對較大容量的變壓器繞組，更難把握。
發明內容本發明的目的是在遵循熱傳遞的傳導、對流、輻射三大規律的同時，以實際試驗數據為基礎，回避繁雜的計算過程，把各種經驗系數歸結為一個總的模型系數，尋求一種基于實際平均溫升模型的既準確又簡捷的溫升設計方法，能夠迅速地得出較準確的平均溫升設計結果和控制溫升的大小。本發明的目的是這樣實現的，它包括實際平均溫升模型的制作方法和根據實際平均溫升模型設計溫升的方法1)、實際平均溫升模型制作方法①、實物試驗，確定實際平均溫升AQ參數對不同大小容量、不同輻向厚度、不同包封厚度的樹脂包封變壓器繞組進行實際溫升試驗；試驗方法按照國家標準允許采用的模擬負載法，并對線圈中流過額定電流和鐵芯為額定勵磁時的各個線圈溫升進行校正，計算出每種線圈的實際平均溫升AQ;②、整理實際平均溫升AQ參數按不同輻向厚度和不同包封厚度的繞組，分類整理實際平均溫升ΔQ數據；③、確定視在表面積參數以繞組為一發熱整體，計算上述對應的每臺產品繞組的散熱視在表面積S(m2)；④、計算負載損耗Pk參數計算上述對應的每臺產品繞組為所選擇絕緣耐熱等級的參考溫度時的負載損耗Pk，包括電阻損耗、渦流損耗、和引線損耗；這些損耗在變壓器設計過程中已有設計；⑤、測算視在熱負荷q參數測算上述對應的每臺產品繞組的視在熱負荷q^=I(yj此視在熱負荷q值系視在表面積對應的熱負荷值，它是反應熱傳導、對流、輻射三者總的散熱效果的視在熱負荷值；⑥、在直角坐標上，標出各分類繞組視在熱負荷值q與對應的實際平均溫升值AQ的象限點；⑦、將坐標上各象限點，按繞組的不同分類，繪制出不同輻向厚度和不同包封厚度的實際平均溫升曲線；⑧、取常用的一段曲線，將該段的實際平均溫升曲線視為直線，制作實際平均溫升模型，根據該模型的直線性質得到實際平均溫升值△Q與視在熱負荷q的一次函數；2)、根據實際平均溫升模型設計溫升的方法①、根據環氧樹脂包封空氣自冷式電力變壓器技術性能參數計算的結果，得到繞組為所選擇絕緣耐熱等級的參考溫度時的負載損耗Pk(瓦)，包括電阻損耗、渦流損耗、和引線損耗之和；②、根據變壓器高、低壓繞組的幾何尺寸，計算其視在表面積S(m2)；③、測算視在熱負荷值q;q=Pk/S(ff/m2)④、根據實際平均溫升模型中的平均溫升ΔQ與視在熱負荷q的一次函數關系式，測算出繞組的平均溫升AQ;比較該平均溫升ΔQ值是否符合設計要求；⑤、或再按實際平均溫升模型中的視在熱負荷q與平均溫升AQ對應的曲線，查取平均溫升AQ值，并與上述測算值以及對應的絕緣等級溫升限值相比較，視以上兩種平均溫升ΔQ值是否符合設計要求；⑥、若上述溫升值超過設計要求的規定時，在滿足變壓器技術性能參數的要求的前提下，對繞組重新設計，調整繞組的線規截面積以及外形幾何尺寸，使其負載損耗降低，增大散熱面積，降低q值；⑦、對重新設計繞組的參數再進行①至⑤的論證；⑧、進行實際溫升試驗，以驗證設計的準確性；⑨、溫升設計的裕度考慮到最熱點溫度是在繞組厚度的中部向上偏離的位置；而上述設計結果是指繞組的平均溫升，并不是最熱點溫升，設計必須留有一定的裕度；經驗表明，熱點溫升比平均溫升高出23k，因此，設計裕度應比允許最大值小23%左右。本發明采用了以下技術措施①、以實測溫升參數為基礎，找出其溫升與視在熱負荷對應的曲線變化規律，再推導出測算公式，即先有溫升實測數據，后有溫升規律曲線，再根據溫升曲線制作實際平均溫升模型和推出模型函數，保證了測算或查找該曲線和函數的準確性。②、把熱傳遞的傳導、對流、輻射的三大現象簡化成等效的、涵蓋了三大熱傳遞現象的一個綜合散熱現象，把各種經驗系數歸結為一個總的模型系數，回避了繁雜的傳導、對流、輻射的計算。③、把散熱面積簡化為視在表面積，并回避各種氣道系數的折算。采用本發明的實際平均溫升模型及實際平均溫升值ΔQ與視在熱負荷q的函數關系曲線，可替代傳統的、繁雜的熱傳導、對流及輻射的計算，能較迅速地設計出與實測值基本相符的平均溫升數值，大大地簡化了設計程序，節約設計時間，提高設計數值的準確度，特別適用于35KV及以下、6300KVA及以下的樹脂包封高壓內部無氣道繞組和低壓內部有、無氣道繞組，溫升試驗合格率可達100%。圖1、環氧澆注變壓器繞組與鐵芯的典型結構示意圖。圖2、本發明高壓(外)內部無氣道繞組實際平均溫升曲線和模型直線圖。圖3、本發明低壓(內)內部有、無氣道繞組實際平均溫升曲線和模型直線圖。圖1中鐵心柱1，低壓內部氣道2，低壓繞組3，高壓繞組4，包封層5，外表面6，內表面7，高、低壓之間氣道8，外側表面9，氣道內表面10，內側表面11，包封層12。具體實施例方式本發明可根據
發明內容中的技術具體實施，設計A、E、B、F、H和C級不同絕緣系統的溫升，現以常用的F級絕緣系統的溫升設計為實施例進一步說明，然而，本發明的范圍并不限于下述實施例。實施例分兩部分進行說明實際平均溫升模型制作方法和根據實際平均溫升模型設計溫升的方法。一、下面結合實際對本發明實際平均溫升模型制作方法作進一步描述實施例1-1、內部無氣道高壓繞組的實際平均溫升模型制作方法1)、實物試驗，確定實際平均溫升ΔQ參數對不同大小容量(如30-1250KVA系列產品)、不同輻向厚度(20-40mm)、不同包封厚度(內表面2-3mm，外表面4-6mm)的樹脂包封變壓器繞組進行實際溫升試驗；試驗方法按照國家標準允許采用的模擬負載法，并對線圈中流過額定電流和鐵芯為額定勵磁時的各個線圈溫升進行校正，測算出每種線圈的實際平均溫升ΔQ；2)、整理實際平均溫升AQ參數按不同輻向厚度和不同包封厚度的繞組，分類整理實際平均溫升ΔQ數據；3)、確定視在表面積參數以繞組為一發熱整體，計算上述對應的每臺產品繞組的散熱視在表面積S(m2)；4)、計算負載損耗Pk參數計算上述對應的每臺產品繞組參考溫度為120°C的負載損耗Pk，包括電阻損耗、渦流損耗和引線損耗；在變壓器技術性能參數計算時已給出；5)、測算視在熱負荷q參數測算上述對應的每臺產品繞組的視在熱負荷q此熱負荷q值系視在表面積對應的熱負荷值，它是反應熱傳導、對流、輻射三者總的散熱效果的視在熱負荷值；6)、在直角坐標上，標出各分類繞組視在熱負荷值q與對應的實際平均溫升值AQ的象限點；7)、將坐標上各象限點，按繞組的不同分類，繪制出不同輻向厚度和不同包封厚度的實際平均溫升曲線；8)、取常用的45100K段曲線，測算出內表面包封厚度2_3mm，外表面包封厚度4-6mm，層間絕緣0.4-0.6mm,輻向尺寸20_40mm的高壓(外)繞組實際平均溫升曲線(見附圖2)，可以看出該指數曲線稍微向上彎曲，指數η略大于1，將該段實際平均溫升曲線視為直線，制作實際平均溫升模型，根據該模型的直線性質得到實際平均溫升值△Q與視在熱負荷q的一次函數AQ=O.lq+15(k)(1)由實際平均溫升曲線和等效推導出的一次函數計算公式可知當視在熱負荷q=850w/m2時，ΔQ=100k,表示F級絕緣的最大視在熱負荷不得超過850W/m2。如若超過，則在設計時調整q值，即增大散熱面積或者降低負載損耗，控制溫升不超過100K；實施例1-2、內部無氣道外表包封厚度l-2mm，輻向尺寸15_35mm低壓繞組的實際平均溫升模型制作方法1)、實現過程同實施例1-1第1)款第7)款；2)、實際平均溫升曲線見附圖3；取常用的50IOOk段曲線，可以看出，該指數函數曲線稍微向下彎曲，指數η略小于1，將該段實際平均溫升曲線視為直線，制作實際平均溫升模型，根據該模型的直線性質得到實際平均溫升值AQ與視在熱負荷q的一次函數AQ=O.125q+12.5(k)(2)由實際平均溫升曲線和推導出的一次函數可知當視在熱負荷q=700w/m2時，AQ=100k,即表示F級絕緣內部無氣道的繞組，最大視在熱負荷不得超過700w/m2。如若超過，則調整q值，即增大散熱面積或降低負載損耗，控制溫升不超過100K。實施例1-3、內部有氣道寬12-15mm，外表包封厚度l_2mm，氣道兩側輻向尺寸15-30mm低壓繞組的實際平均溫升模型制作方法當低壓繞組內部無氣道的視在熱負荷超過絕緣允許的溫升限值，調整q值也達不到目的時，必須在低壓繞組內部設立氣道，以增加散熱面積，使熱負荷值降低。1)、實現過程同實施例1-1第1)款第7)款；2)、實際平均溫升曲線見附圖3；取常用的50IOOk段曲線，可以看出，該指數函數曲線亦稍微向下彎曲，指數η略小于1，將該段實際平均溫升曲線視為直線，制作實際平均溫升模型，根據該模型的直線性質得到實際平均溫升值AQ與視在熱負荷q的一次函數AQ=O.143q+28.5(k)(3)由實際平均溫升曲線和推導出的一次函數可知當視在熱負荷q=500w/m2時，ΔQ=100k,即表示F級絕緣內部有12_15mm寬氣道的繞組，最大視在熱負荷不得超過500w/m2。如若超過，則調整q值，即增大散熱面積或降低負載損耗，控制溫升不超過100K。二、下面結合實際對本發明根據實際平均溫升模型設計溫升的方法作進一步描述實施例2-1設計1臺三相、50赫茲、1250KVA樹脂澆注變壓器繞組F級絕緣的溫升，其平均溫升不超過97K。高壓(外)繞組內部無氣道，低壓(內)繞組設有12mm寬氣道。1、高壓繞組溫升設計1)、首先測算高壓繞組負載損耗Pkl；在變壓器設計過程中已有設計值，參考溫度為120°C的電阻損耗Pk=5756w；渦流損耗Pnl占10.4%，即Pnl=5756X10.4%=599W；引線損耗忽略不計；則參考溫度為120°C的負載損耗Pkl=PE+Pnl=5756+599=6355W。2)、根據高壓繞組幾何尺寸，測算其單只繞組視在表面積Sl=2.825m23)、測算視在熱負荷值Q1qi=PklZiS1=6355/2.825X3=750w/m24)、按公式(1)測算出高壓繞組平均溫升ΔQ1AQ1=0.IX750+15=90k<F級100K限值5)、按附圖2實際溫升曲線查得AQ1=90.5k<F級100K限值，并滿足裕度。6)、若溫升測算值超出規定的100K時，則需重新設計高壓繞組溫升，調整設計繞組的線規截面積及外形幾何尺寸，使其負載損耗降低，增大散熱面積，降低q值，但必須首先滿足變壓器技術性能參數的要求。7)、經實際溫升試驗，ΔQ1=86k<F級100K限值8)、設計結論設計值與試驗值相近，符合F級溫升限值規定。2、低壓繞組溫升設計1)、先測算低壓繞組負載損耗Pk2在變壓器設計過程中已有設計值，參考溫度為120°C的電阻損耗Pr=3437w,渦流損耗Pn2測算采用2X920mm箔材，15匝，經測算Pn2=26.92%X3437=925W引線損耗測算值為Pi=358W參考溫度為120°C的負載損耗Pk2=P.+P^+Pi=3437+925+358=4720W2)、根據低壓繞組幾何尺寸，測算其單只繞組視在表面積，并減去氣道內被遮蓋的面積，經測算視在表面積S2=3.476m2。3)、測算視在熱負荷值q2q2=Pk2/S2=4720/3.476=452.6w/m24)、按公式(3)測算出低壓繞組平均溫升ΔQ2ΔQ2=0.143X452.6+28.5=93.2k<F級100K的限值5)、按附圖3實際溫升曲線查得AQ2=94k<F級100K的限值，并滿足裕度。6)、若溫升測算值超出規定的100K時，則需要重新設計低壓繞組溫升，使其負載損耗降低，調整設計低壓繞組的導體截面積及外形幾何尺寸，增大散熱面積，降低q值，但必須首先滿足變壓器技術性能參數的要求。7)、經實際試驗，ΔQ2=90k<F級100K的限值8)、設計結論設計值與試驗值相近，符合F級溫升限值規定。實施例2-2設計1臺三相、50赫茲、1250KVA樹脂澆注變壓器繞組F級絕緣的溫升，其繞組熱點溫升限值不超過100K，平均溫升不超過97K。高壓(外)繞組內部無氣道，低壓(內)繞組設有12mm寬氣道。一、高壓繞組溫升設計(一)、初步設計1)、首先測算高壓繞組負載損耗Pkl；在變壓器設計過程中已有設計值，參考溫度為120°C的電阻損耗Pk=6689w；渦流損耗Pnl占8.4%，即Pnl=6689X8.4%=562w；引線損耗忽略不計；則參考溫度為120°C的負載損耗Pkl=PE+Pnl=6689+562=7251w。2)、根據高壓繞組幾何尺寸，測算其單只繞組視在表面積S1=2.692m23)、測算視在熱負荷值qiqi=PklZS1=7251/2.692X3=897.8w/m24)、按公式(1)測算出高壓繞組平均溫升AQ1AQ1=0.IX897.8+15=104.8k>F級100K限值5)、按附圖2實際溫升曲線查得AQ1>F級100K限值6)、由上述平均溫升的測算和查取曲線可知，溫升超出規定的100K限制，且連同低壓繞組的總負載損耗超出國家標準，溫升及負載損耗設計均不符合要求，必須重新調整設計，增大線規截面積，降低負載損耗，增大外形尺寸，以增大散熱面積，降低q值。(二)、調整設計1)、按上述調整設計思路，重復變壓器技術性能參數設計的過程，測算高壓繞組負載損耗Pkl;在調整變壓器設計過程中的設計值，參考溫度為120°C的電阻損耗Pe=5756w；渦流損耗Pnl占10.4%，即Pnl=5756X10.4%=599W；引線損耗忽略不計；則參考溫度為120°C的負載損耗Pkl=PE+Pnl=5756+599=6355W。2)、根據高壓繞組幾何尺寸，測算其單只繞組視在表面積S1=2.825m23)、測算視在熱負荷值Q1qi=PklZiS1=6355/2.825X3=750w/m24)、按公式(1)測算出高壓繞組平均溫升AQ1AQ1=0.IX750+15=90k<F級100K限值5)、按附圖2實際溫升曲線查得AQ1=90.5k<F級100K限值，并滿足裕度。6)、經實際溫升試驗，ΔQ1=86k<F級100K限值7)、設計結論設計值與試驗值相近，符合F級溫升限值規定。二、低壓繞組溫升設計(一)、初步設計1)、首先測算低壓繞組負載損耗Pk2在變壓器設計過程中已有設計值，參考溫度為120°C的電阻損耗Pr=3632w,渦流損耗Pn2測算采用2X920mm箔材，15匝，經測算Pn2=25.47%X3632=925w引線損耗測算值為Pi=355w參考溫度為120°C的負載損耗Pk2=P.+P^+Pi=3632+925+355=4912w2)、根據低壓繞組幾何尺寸，測算其單只繞組視在表面積，并減去氣道內被遮蓋的面積，經測算視在表面積S2=3.289m2。3)、測算視在熱負荷值q2q2=Pk2/S2=4912/3.289X3=497.8w/m24)、按公式(3)測算出低壓繞組平均溫升ΔQ2ΔQ2=0.143X497.8+28.5=99.7k<F級100K的限值5)、按附圖3實際溫升曲線查得AQ2=99.5k<F級100K的限值6)、上述平均溫升的測算和查取曲線可知，溫升值雖未超過規定的100K的限值，但按設計裕度，應比最大限值小于3%，即97K，溫升設計值還是偏大，也不符合要求，應重新調整設計，增大導體截面積，降低負載損耗，增大外形尺寸，以增大散熱面積，降低q值。(二)、調整設計1)、按上述重新調整設計的思路，重復變壓器技術性能參數設計的過程，測算低壓繞組負載損耗Pk2:在調整變壓器設計過程中的設計值，參考溫度為120°C的電阻損耗Pr=3437w,渦流損耗Pn2測算采用2X920mm箔材，15匝，經測算Pn2=26.92%X3437=925W引線損耗測算值為Pi=358W參考溫度為120°C的負載損耗Pk2=P.+P^+Pi=3437+925+358=4720W2)、根據低壓繞組幾何尺寸，測算其單只繞組視在表面積，并減去氣道內被遮蓋的面積，經測算視在表面積S2=3.476m2。3)、測算視在熱負荷值q2q2=Pk2/S2=4720/3.476=452.6w/m24)、按公式(3)測算出低壓繞組平均溫升AQ2ΔQ2=0.143X452.6+28.5=93.2k<F級100K的限值5)、按附圖3實際溫升曲線查得AQ2=94k<F級100K的限值，并滿足裕度。6)、經實際試驗，ΔQ2=90k<F級100K的限值7)、設計結論設計值與試驗值相近，符合F級溫升限值規定。本發明與現有設計方法的創造性比較第一種設計方法上世紀六十年代以前，樹脂包封的電力變壓器生產工藝尚在起始階段，繞組平均溫升的設計是參照前蘇聯的非包封空氣自冷干式變壓器溫升設計方法，先把鐵芯、線圈看作互不影響的發熱個體，再對散熱氣道內的散熱面積進行系數折算，計算出鐵芯、內、外線圈各自的溫升AQc/、AQ1'、ΔQ2‘，然后考慮它們之間由于溫度不同而發生的熱輻射發生的溫升校正量Δτ/,Δτ/、Δτ2'，對前者溫升計算值進行校正，得出線圈平均溫升值。(見文獻1、《干式變壓器》沈陽變壓器研究所情報室1989.6；文獻2、《空氣自冷變壓器溫升計算》上海變壓器廠1969.10)，其高壓外繞組平均溫升設計程序如下①、計算繞組外側表面的散熱面積S1(m2)②、計算繞組內側表面的散熱面積S2(m2)③、計算氣道對內側散熱面的折合系數α=0.5—VI^J式中Α為氣道寬度(mm)；H為氣道高度(mm)④、計算等效散熱面積S=S1+αS2(m2)ρ,⑤、計算繞組的平均熱負荷q(w/m2)式中Pk為繞組的短路損耗(W)⑥、計算繞組產生的溫升AQ'=0.36q08(k)⑦、進行溫升校正Δτ計算利用上述第⑥款公式，此時q為熱交換的兩個散熱面之熱負荷差值。差值為正時，Δτ為正；差值為負時，Δτ為負值。⑧、校正后的繞組平均溫升AQ=AQ'士Δτ(k)例如有一三相高壓繞組，外徑0202mm，內徑0186，高度198.5mm，氣道寬度10mm，每相6根，短路損耗347w，則計算如下S1=3X202πX198.5X1(Γ6=0.378(m2)S2=3(18631-6X10)X198.5Χ1(Γ6=0.312(m2)A=5.5(mm)α=0.56Γ=0-239I220JS=O.378+0.239X0.312=0.4685(m2)q=^lZ_=740(w/m2)0.4685AQ'=0.36X740°·8=71k校正溫升Δτ=0AQ=71-0=71k從第一種設計方法可以看出，該套公式使用的條件是①、適用于非包封的空氣自冷線圈；②、計算公式AQ'=0.36q°_8中的系數0.36和指數0.8均是經驗系數，且受當時試驗模型偏小的限制，對較大容量變壓器不適用。因而，該套公式不適應樹脂包封的繞組。實踐證明，用此公式計算，其設計值比實測值偏低1520K。特別是較大容量產品，用此公式設計的最終試驗結果往往是溫升超限，產品溫升的型式試驗很難合格。第二種設計方法上世紀六十年代，德國人發明了一種用玻璃絲粘上環氧樹脂做絕緣進行纏繞的干式變壓器，類似于現在的樹脂包封變壓器，其溫升設計基于散熱是通過對流和輻射兩種形式在內繞組與鐵芯之間以對流散熱為主，以輻射在兩者之間發生熱平衡交換；在外繞組上，內側以對流散熱為主，外側以輻射散熱為主，并與內繞組發生熱平衡交換進行溫升校正(見德國纏繞式干變計算單)。設計高壓(外繞組)程序如下①、計算外繞組內、外表面熱負荷q(w/m2)②、計算外繞組內側氣道折算系數③、計算外繞組內側有效對流系數式中對于F級ak=0.76k(298」④、計算外繞組外側有效對流系數(w/m2·k)⑤、計算外繞組內、外側總等效散熱系數K1=D12α1+Dnα^F1F0式中α0為外側對流分配比例0.580.53；αi為內側對流分配比例0.420.47f0為外側輻射分配比例0.370.34；F1為外側輻射系數710(w/m2.k)，F級絕緣為8.6。⑥、校正前溫升ΔQ。=q/X(k)⑦、進行熱平衡校正溫升按內、外繞組間每相差3.5k將使對方提高Ik溫升的原則進行校正。當高壓內無氣道時不進行溫升校正。例如一臺1250KVA高壓線圈，高、低壓間氣道寬31mm，高壓內部氣道寬24mm，電抗高度544mm。①、高壓繞組內側計算表面熱負荷q12=688.99(w/m2)氣道平均寬度A=(31+24)/2=27.5(mm)氣道折算系數^8.628x0.76…，.,2,χ有效對流系數A2=Z544/V,5二7·636(W/m*k)ν/1000/內側未校正前溫升AQ12'=688.99/7.636=90.22(k)②、高壓繞組外側計算表面熱負荷qn=995.67(w/m2)氣道折算系數α=9I-Z54°J=8.431^8.431x0.76ηr/2！、有效對流系數化=(540/^-7.47(w/m-k)V/1000/^9x0.76^^./2,NA1=(產二7.97(w/m2·k)I/iooo/α。為0.58;αi為0.42;F。取0.37取8.6；外側總等效散熱系數K1=7.47X0.42-7.97X0.58+8.6X0.37=10.949(w/m2.k)外側未校正前溫升=AQ11'=995.67/10.949=90.93(k)③、高壓繞組平均溫升=AQ1=(90.22+90.93)/2=91(k)第二種設計方法是在高壓內側有絕緣筒，層、匝間絕緣材料內含有60%以上的玻璃絲纖維的情況下使用的方法，因而也不適用于樹脂澆注的變壓器。第三種設計方法到了上世紀八十年代，隨著世界上樹脂包封變壓器生產工藝的不斷成熟，溫升設計也趨成熟，據國外MICAFIL公司資料介紹，它是先估算一個溫升值，并計算在估算溫升下的損耗以及散熱表面積，同時對散熱氣道進行折算，再按照熱傳遞理論，分別按熱傳導、對流和輻射進行較精確計算，當計算的熱流量與實際熱流量有出入時，重新估算溫升值，重復上述計算過程，直至計算的熱流量與實際熱流量相吻合，就認為估取值就是應計算的溫升結果(見國外MICAFIL公司資料)。其高壓(外繞組)設計程序如下①、估取溫升數值AQ;②、計算繞組在估取溫升下的每相損耗值Pk(瓦)；③、計算繞組外表面積S1Oii2)；④、計算繞組內表面積S2(m2)；⑤、平均氣道寬J二Ο.δψ^η^-M22D1式中=DpD2為氣道兩側表面的直徑⑥、計算氣道對流系數α=6.87589·IO10·AQ·A4/l式中1為線圈高度(cm)⑦、計算對流產生的熱傳遞功率Pc高壓內表面對流熱量13高壓外表面對流熱量P1=30.01‘β·S1·ΔQ/1(瓦)式中D3為外直徑⑧、計算外繞組熱輻射引起的熱傳遞功率高壓外表面輻射熱量Pr=2.6649·1(Γ8·S1·[(ΔQ+313)4_3134](瓦)⑨、對流和輻射產生的總熱量ΣP=PAPJPr(瓦)⑩、將對流和輻射的總功率ΣP與每相功率Pk進行比較，如果很接近，則認為上述估取值就是繞組平均溫升，如果比較的數值相差較大，則重新估取溫升值，重復上述計算，直至輻射和對流的總功率與估取值相接近為止。例如計算一臺1250KVA高壓外繞組平均溫升線圈高1=815mmPk=1485.53(瓦)內表面積S2=1.3109(m2)外表面積S1=1.4517(m2)估取溫升值AQ'=73.1(k)平均氣道寬氣道對流系數=465.55(瓦)P1=30.OlXβXS1XΔQ/1=593.52(瓦)Pr2_3=-60.239(瓦)Pr=2.6649·1(Γ8·S1·[(ΔQ+313)4+3134]=488.41(瓦)ΣP=465.55+593.52-60.239+488.41=1487.24(瓦)ΣP-Pk=+1.711(瓦)比較結果，說明在估取溫升值下計算的散熱值與實際負載損耗值接近，因此認為估取溫升值73.Ik就是繞組平均溫升值。由此可見，第三種設計方法雖然計算數值較為接近，但其設計程序非常繁瑣，增加了很大的工作量，一旦估取的溫升數值與實際值有出入，計算過程就必須推倒重來，而且要反復數次，才能得出合理的計算結果。因此認為，該套方法的實用性較差。第四種設計方法上世紀九十年代，樹脂包封變壓器在全世界廣為流行，并且不斷把技術引進我國，溫升設計程序也得到了簡化，實用性更強了。它既根據熱傳遞的理論，又不斷地總結了實踐經驗系數。其高壓(外繞組)設計程序如下(見文獻《干式電力變壓器理論與計算》路長柏等編著2003.10)①、計算線圈散熱表面積S(m2)及內、外表面積SyS1Oii2)②、計算線圈內層絕緣等效厚度E(mm)③、計算每相線圈損耗Pk(W)④、計算繞組在以熱傳導方式將全部熱量傳導繞組表面時，繞組層間絕緣產生的平均溫升ΔQ1AQ1=^x50xE(k)⑤、計算繞組內、外表面散發的熱量WW=9.3S1+4.4S2(瓦)式中4.4和9.3分別為內、外表面的散熱系數(w/dm2)⑥、計算繞組表面對流的平均溫升AQ2，即是為了散發Pk產生的熱量，繞組溫升達到ΔQ2值AQ2=PK/S*50*E⑦、全部溫升AQ=AQ1+AQ2(k)例如計算一臺250KVA高壓繞組溫升。①、高壓外表面積S1=6060(mm2)高壓內表面積S2=5111(mm2)②、115°C時每相損耗825w③、層絕緣等效厚度五=3.5+^^x0.76=4.64(nun)@、AQ,=-χ50χ4.64/6060+5111*50*4364=17.1K⑤、高壓繞組表面對流熱量W=225+564=789(W)'825、⑥、AQ2=(825/789)0.75*80=82.7K⑦、AQ=82.7+17.1=99.8K第四種設計方法也是在許多假定的條件下得出的，并且在很大程度上依賴于經驗系數，設計時它包含有以下假定條件①、每層導線的溫度相同，即未對最熱點溫升進行校正，而實際上最熱點溫度隨線圈厚度的增加而增加。②、認為繞組表面為一平面，實際上高壓繞組約有75°85°左右范圍內的分接位置不是一個平面，而是厚度不同的曲面。③、所有熱量是靠熱傳導、對流和輻射散發于周圍空氣中，并且認為繞組間氣道的輻射與對流相比，可以認為輻射小得可以忽略不計。④、外表面的散熱系數9.3w/dm2和內表面的散熱系數4.4w/dm2是通過實驗得出的經驗系數。⑤、上述公式第⑥款中的平均溫升計算公式中的指數η=0.75也是經驗系數，且取決于工藝和所用的絕緣材料。因此認為，第四種設計方法雖簡化了很多，實用性增強了，但假設的條件降低了計算的準確性。綜以所述，上述各種設計方法均是按照熱傳導、對流、輻射的形式，同時考慮氣道對輻射、對流的影響，計算其折合系數，并在很大程度上受引入經驗系數而使設計結果發生偏差，有的計算過程較為繁雜，特別是對較大容量的變壓器繞組，更難把握。權利要求一種樹脂包封變壓器繞組溫升設計方法，其特征是它包括實際平均溫升模型的制作方法和根據實際平均溫升模型設計溫升的方法1)、實際平均溫升模型制作方法①、實物試驗，確定實際平均溫升ΔQ參數對不同大小容量、不同輻向厚度、不同包封厚度的樹脂包封變壓器繞組進行實際溫升試驗；試驗方法按照國家標準允許采用的模擬負載法，并對線圈中流過額定電流和鐵芯為額定勵磁時的各個線圈溫升進行校正，測算出每種線圈的實際平均溫升ΔQ；②、整理實際平均溫升ΔQ參數按不同輻向厚度和不同包封厚度的繞組，分類整理實際平均溫升ΔQ數據；③、確定視在表面積參數以繞組為一發熱整體，計算上述對應的每臺產品繞組的散熱視在表面積S(m2)；④、計算負載損耗Pk參數計算上述對應的每臺產品繞組為所選擇絕緣耐熱等級的參考溫度時的負載損耗Pk，包括電阻損耗、渦流損耗、和引線損耗；這些損耗在變壓器設計過程中已有設計；⑤、測算視在熱負荷q參數測算上述對應的每臺產品繞組的視在熱負荷q<mfencedopen=''close=''><mtable><mtr><mtd><mi>q</mi><mo>=</mo><mfrac><msub><mi>P</mi><mi>k</mi></msub><mi>S</mi></mfrac></mtd><mtd><mrow><mo>(</mo><mi>w</mi><mo>/</mo><msup><mi>m</mi><mn>2</mn></msup><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mfenced>此視在熱負荷q值系視在表面積對應的熱負荷值，它是反應熱傳導、對流、輻射三者總的散熱效果的視在熱負荷值；⑥、在直角坐標上，標出各分類繞組視在熱負荷值q與對應的實際平均溫升值ΔQ的象限點；⑦、將坐標上各象限點，按繞組的不同分類，繪制出不同輻向厚度和不同包封厚度的實際平均溫升曲線；⑧、取常用的一段曲線，將該段的實際平均溫升曲線視為直線，制作實際平均溫升模型，根據該模型的直線性質得到實際平均溫升值ΔQ與視在熱負荷q的一次函數；2)、根據實際平均溫升模型設計溫升的方法①、根據環氧樹脂包封空氣自冷式電力變壓器技術性能參數計算的結果，得到繞組為所選擇絕緣耐熱等級的參考溫度的負載損耗Pk(瓦)，包括電阻損耗、渦流損耗、和引線損耗之和；②、根據變壓器高、低壓繞組的幾何尺寸，計算其視在表面積S(m2)；③、測算視在熱負荷值q；q＝Pk/S(W/m2)④、根據實際平均溫升模型中的平均溫升ΔQ與視在熱負荷q的一次函數關系式，測算出繞組的平均溫升ΔQ；比較該平均溫升ΔQ值是否符合設計要求；⑤、或再按實際平均溫升模型中的視在熱負荷q與平均溫升ΔQ對應的曲線，查取平均溫升ΔQ值，并與上述測算值以及對應的絕緣等級溫升限值相比較，視以上兩種平均溫升ΔQ值是否符合設計要求；⑥、若上述溫升值超過設計要求的規定時，在滿足變壓器技術性能參數的要求的前提下，對繞組重新設計，調整繞組的線規截面積以及外形幾何尺寸，使其負載損耗降低，增大散熱面積，降低q值；⑦、對重新設計繞組的參數再進行①至⑤的論證；⑧、進行實際溫升試驗，以驗證設計的準確性；⑨、溫升設計的裕度考慮到最熱點溫度是在繞組厚度的中部向上偏離的位置，而上述設計是指繞組的平均溫升，并不是最熱點溫升，因此，設計必須留有一定的裕度，設計裕度應比允許的最大值小2～3％左右。2.根據權利要求1所述的一種樹脂包封變壓器繞組溫升設計方法，其特征是F級絕緣系統的內部無氣道高壓繞組的實際平均溫升模型制作方法為測算內表面包封厚度2-3mm，外表面包封厚度4_6mm，層間絕緣0.4-0.6mm,輻向尺寸2040mm各種大小的高壓(外)繞組實際平均溫升參數，在直角坐標上，標出視在熱負荷值q與對應的實際平均溫升值AQ的象限點，制作實際平均溫升曲線；取常用的45100K段曲線，將該段實際平均溫升曲線視為直線，制作實際平均溫升模型，根據該模型的直線性質得到實際平均溫升值AQ與視在熱負荷q的一次函數AQ=0.lq+15(k)。3.根據權利要求1所述的一種樹脂包封變壓器繞組溫升設計方法，其特征是F級絕緣系統的內部無氣道、外表包封厚度l_2mm，輻向尺寸1535mm低壓繞組的實際平均溫升模型制作方法測算各種大小低壓繞組實際平均溫升參數，在直角坐標上，標出視在熱負荷值q與對應的實際平均溫升值AQ的象限點，制作實際平均溫升曲線；取常用的50IOOk段曲線，將該段實際平均溫升曲線視為直線，制作實際平均溫升模型，根據該模型的直線性質得到實際平均溫升值AQ與視在熱負荷q的一次函數AQ=0.125q+12.5(k)。4.根據權利要求1所述的一種樹脂包封變壓器繞組溫升設計方法，其特征是F級絕緣系統的內部有氣道寬12-15mm，外表包封厚度l_2mm，氣道兩側輻向尺寸1530mm低壓繞組的實際平均溫升模型制作方法測算各種大小低壓繞組實際平均溫升參數，在直角坐標上，標出視在熱負荷值q與對應的實際平均溫升值AQ的象限點，制作實際平均溫升曲線；取常用的50IOOk段曲線，將該段實際平均溫升曲線視為直線，制作實際平均溫升模型，根據該模型的直線性質得到實際平均溫升值AQ與視在熱負荷q的一次函數AQ=0.143q+28.5(k)。全文摘要本發明涉及用環氧樹脂包封的空氣自冷式電力變壓器高、低壓繞組的一種基于實際平均溫升模型的溫升設計方法，屬于變壓器
技術領域：
。它包括實際平均溫升模型的制作方法和根據實際平均溫升模型設計溫升的方法以實測溫升參數為基礎，制作實際平均溫升模型，再利用該模型及實際平均溫升值ΔQ與視在熱負荷q的函數關系曲線設計溫升，本發明可替代傳統的、繁雜的熱傳導、對流及輻射的計算，能較迅速地設計出與實測值基本相符的平均溫升數值，大大地簡化了設計程序，節約設計時間，提高設計數值的準確度，特別適用于35kV及以下、6300kVA及以下的樹脂包封高壓內部無氣道繞組和低壓內部有、無氣道繞組，溫升試驗合格率可達100％。文檔編號H01F41/04GK101930841SQ20101025096公開日2010年12月29日申請日期2010年8月11日優先權日2010年8月11日發明者華慶紅,魏華,魏海,魏勝璋申請人:江西特種變壓器廠