油浸电力变压器发热与冷却保护原理分析

油浸电力变压器发热与冷却保护原理分析

摘要：油浸变压器安装地点的海拔高度不超过1000m，最高气温40℃，最低气温，户外式-30℃、户内式-5℃，应用范围较广，是较为理想的电力设备。本文对油浸电力变压器发热与冷却过程的保护原理进行剖析，对油浸电力变压器进一步了解。

关键词：油浸电力变压器；冷却；发热

油浸电力变压器可在户外(或户内)安装使用，是用于电力系统借以输送电能的变压器

。深圳地铁现采用110kV三相圈铁芯油浸电力变电压器，高压侧额定工作电压110kV，低压侧35kV的电力系统中,为深圳地铁各车站照明变压器及机车整流变压器输送电能的设备。

1.油浸变压器中的油的运行

运行中变压器油温的限额决定于绝缘材料，而变压器的绝缘材料都属于A级绝缘，它的耐热温度为105℃。一般绕组对油的温升为25℃。如果环境最高温度为40℃，则油的温升允许值为105℃-25℃-40℃＝40℃。同时，考虑到上层油温最高，且通常是通过监督上层油温来控制绕组最热点的温度，因此，规定上层泊温的最高允许温升为55℃，此时对应油的平均温升为40℃。若考虑最高空气温度为40℃，则上层油的最大允许温度为95℃，就是说，油的上层温度不超过95℃时，绕组温度不会超过105℃。为了防止变压器油质劣化过速，上层油温不宜经常超过85℃。

1——油箱；2——油；3——铁心；4——绕组

(1)作为绝缘介质。油使绕组与绕组之间、绕组与接地的铁芯和箱壳之间有良好的绝缘，提高了有机纤维绝缘材料的绝缘水平。

(2)作为散热介质。它将运行中变压器铁芯和绕组等散发出来的热量传递给油箱壁、散热器或冷油器进行冷却。

2.发热过程的分析

变压器运行时，各部分温度分布很不均匀．在不同的负载时，发热情况也不一样，热量在变压器内部流动方向不固定．例如，无载时，铁心里有损耗，产生的热量除了传给油之外，还要传给绕组；带上满负载时，情况可就完全不一样了，绕组里的湿度最高(见图1)，热量可能要传给铁心．可见，热计算是很复杂的，为此要作一些假设，否则无法计算．

通常在研究变压器的发热过程时，为了简化分忻，认为绕组和铁心都是均匀的发热体，它们和周困介质接触的地方，湿度都是一样的，也就是说，热导为无穷大．另外，变压器油的温度是均匀的．忽略油箱壁本身的温度差．此外，我们还认为散发到周围介质里去的热量与它们的温度差一次方成正比．如果是以热传导的方式散热，这个假设是正确的；如果是以对流的方式散热，实际上散热系数与它们温度差的1．25次方成正比；至于辐射散热，是4次方的关系．在变压器里，辐射散热不是主要的方式．

当变压器长期不用时，各部分的温度与周围空气的温度一样。接上电源并带上负载以后，各部分湿度才逐渐升高，经过一段加热的过程，最后达到某一稳定的温度。在热的过程中，由损耗转化成的热量，其中一部分被物体吸收，使物体的温度升高；另外的一部分热量散发到物体周围的介质里。

3.变压器各部分温度分布

热量由铁心或绕组内部传到表面时，需要有温度差．铁和钢的导热性能好，它的温度差饺小．热从铁心或绕组表面传给油时，它们之间也有一定的温度差．温度差的大小决定于热量的多少、油在表面流动的情况以及油的物理性能．在一般的变压器里，约为15-250℃．热量从油箱壁内表面传到外表面的温度差也比较小．热量从油箱表面传给周围空气时，因为空气的散热性能比油差，所以油箱表面与周围空气之间的温度差较大．一般可达55℃．

变压器的每一个部位温度也不均匀．例如，运行时变压器油沿着变压器器身上升时，不断吸收热量，温度逐渐升高．因此，铁心和绕组的温度是下边低上边高，它们各部分温度分布如图1所示．对于同一截面的铁心或线圈，温度分布也不均匀，内部温度要比表面的高．一般结构油浸变压器的绕组，试验证明，温度最高之处，在轴向是线圈高度的70-75%的地方；在辐向，是位于线圆厚度(从内径算起)的1／3的地方．

为了使铁心和绕组更容易散热，设计变压器时，在铁心和绕组里，都留有纵向或横向油道．在圆筒式绕组只有直的纵向油道；连续式和螺旋式绕组，除纵向油道外，还有横向油道。

通常用温度计量侧油箱里上部他的温度，是油的最高温度．通过量测绕组电阻的变化，算出的温度是绕组的平均温度．在一般的电力变压器里，绕组的最高湿度比平均温度高13℃左右。

4. 油浸变压器冷却方式

变压器的稳定温升限制在一定的数值，要求变压器要有足够的散热面积和一定的散热系数。变压器的总损耗随着它的容量增大相应地也增大了。如果拿结构相似而容量大小不同的变压器来作比较，变压器的损耗大致上和它的体积成正比，散热表面只和它的面积成正比。显然，散热面积的增加比体积的增加要慢得多。在大型变压器里，每单位散热面的散热量增大了，即p／S增大了．如果散热系数 相同的话，大型变压器的稳定温升 要增高．为此就得采取有效的冷却措施，来降低温升．

大容量的电力变压器都作成油浸式的．这样可以提高散热效率，同时，变压器油又能很好的起到绝缘的作用．油浸式变压器种类也很多，分别叙述如下：

（1）油浸自冷式

这种冷却方式的特点，就是依靠油钢壁的辐射和变压器周围空气的自然对流，把热量从油箱的冷却表面带走．小容量的变压器(约在10千伏安以下)，它的油箱壁是平的．容量大的变压器，为了增大油箱与空气接触的散热面积，通常是在油箱表面的垂直方向焊上油管或者装上散热器．这些油管或散热器不仅增加了散热表面，而且促进了油箱里油的对流，可以很快地把热量散发出来。

油箱壁的结构会影响散热系数 。 平面油箱的散热系数 约为14瓦／米2℃，其中辐射部分约为6瓦／米2℃；对流部分约为8瓦／米2℃．当增加了冷却管和散热器后，总的散热面增大了，但辐射散热不会与散热表面成正比的增加．因此，总的散热系数减小．例如，用了散热器时， 约为9瓦／米2℃。

（2）浸风冷式

对于容量更大的变压器，不能单靠增加散热表面的办法来降低温升．那样，因油箱上装的油管太多、太密，是不经济的．一般在散热器上装上风扇吹风．因为数热系数 与流体在表面流动的速度有关．吹风以后，散热系数会增大好几倍，散热效果好．在轻负载运行时，不必吹风．有了吹风设备后，同一台变压器的容量比不吹风时，增加30%以上．这种冷却方式可以用在几万千伏安容量的变压器上．

（3）迫油循环冷却

这种变压器的油箱上没有油管或散热器，变压器内的油经过管道和油泵，被打到一个装在油箱外面的油冷却器．冷却了的油重新回到变压器油箱里．这种冷却方式的优点：一方面，利用油泵后，可以加快变压器内部油的流动，降低绕组对油的温升 ；另一方面，由于没有庞大的散热器，变压器的体积大大缩小．至于油冷却器可以安装在其他合适的地方．这种结构的变压器，对巨型水电站来说，是很受欢迎的。油冷却器本身可以用水冷或者是吹风冷却。在水电站，因水源方便，用水冷却较好。强迫油循环冷却，因结构复杂，只用在巨型变压器里。

（4）强迫油循环导向冷却

在巨型变压器中，采用了强迫油循环导向冷却。用油泵把冷油送到线圈之间和线饼之间的油道里和铁心的油道里．热油再流回来经冷却器冷却后再用．

变压器油选用时，应要求它的介质强度高、粘度低、着火点高、凝固点低、酸碱度低、灰尘杂质以及水分要少，只要变压器油中有少量的水分，就会使它的绝缘强度大大降低，因此，变压器油应有防潮措施。此外，如果让变压器油在较高的温度下长期与空气直接接触，会逐渐老化，使油内产生悬浮物，同时油的酸度也会增加，悬浮物附在铁心或绕组表

面上，妨碍了热的传导。

总之，油浸式变压器中的油既作为冷却介质，又作为绝缘介质。油的绝缘强度很大程度上决定于油中微水含量。一般注入变压器中的油都经过脱气与脱水处理，变压器中其它纸绝缘又经真空干燥处理，纸中含水也很少。因此，整台变压器具有足够的绝缘强度，使变压器能可靠工作。

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