第３５卷第２期 ２０１３年２月 华电技术 Ｈｕａｄｉａｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖ０ｌ＿３５ Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２０１３ 油浸式变压器热管散热模型的试验研究 刘红蕾，李广华，王德坚，张斌 （国网技术学院，山东泰安２７１０００） 摘要：通过模拟３０ ｋＶ・Ａ油浸式变压器试验台，获得了其内部变压器油的温度场分布及分布特性。分析表明，热管式 散热装置用于变压器散热是可行的，该模型可用于分析采用热管散热的变压器内变压器油的温度特性，为该变压器的设 计及改造提供理论依据。 关键词：油浸式变压器；热管；散热；试验研究 中图分类号：ＴＭ ４１１ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１６７４—１９５１（２０１３）０２—００３６—０３ ０ 引言 变压器作为电力系统的重要设备，对电能的经 济传输、灵活分配和安全使用具有重要意义 １ ３。随 着变压器增容的需要，变压器强化散热成为研究方 向之一。综合目前常用的变压器散热方式，考虑热 管技术的优点 ，可将热管散热技术应用于变压器 散热中。本文采用的热管散热装置不增加小油箱， 而是直接将具有毛细芯的热管安装在变压器箱体 内，箱体外热管散热部分近似水平放置。 图１模拟热管试验台 １ 热管散热变压器温度场的分析与模拟 本文的研究对象为１台３０ｋＶ・Ａ的变压器，负 载损耗功率为６００ Ｗ。考虑到变压器结构的对称 当量导热系数为６６１５ Ｗ／（ｍ・Ｋ）。为简化分析，油 箱上侧及未保温侧考虑散热，保温侧及底部假定 绝热。 性，同时为了节省成本，试验中采用变压器的一半进 行制造和测量。为进一步简化分析，取箱体一个侧 壁为研究对象，其散热功率为３００ Ｗ。试验利用长 ６１５ｍｍ、宽２０ｍｍ、高５３０ｍｍ、壁厚为２ｍｍ的不锈钢 箱体模拟变压器一个侧壁（如图１所示），箱内盛满 ２５变压器油。试验箱体一侧壁面外包覆厚１００ｍｍ 的保温材料，在紧贴该侧面的内壁放入１块６００ 考虑到热管散热器的传热传质过程复杂，在模 型建立过程中进行了相应简化，得到３个控制方程： 连续方程、动量方程和能量方程。数学模型的建立 见参考文献［３］。 ２试验研究结果及分析 Ｊ ２．１油箱内温度场分布 ｍｍ×５００ ｍｍ的加热板模拟变压器芯体产热；其对 称侧壁面上部开孔，将热管蒸发段垂直插入油箱内 并靠近箱体散热壁，热管冷凝段露在空气中进行散 热。试验所用热管为铜管，总长为８００ ｍｍ，外径为 该项目的研究目的是加入热管后油箱内最高油 温不超过国家规范规定的数值 因此，试验研究过程 中只需要对油箱内温度最高部位进行测量即可。为 详细了解插入热管后油箱内部温度的分布情况，确 １０ｍｍ，壁厚为１．５ ｍｍ，内部充装液体为分析纯乙 醇，从中间将其弯折成近似９０。。试验共采用８根 热管，每根热管的冷凝段装有１００片铁质肋片用于 散热，肋片外径为２５ｍｍ，厚０．３ｍｍ。 定油温最高部位，先对油箱进行加热，待油箱内油温 达到恒定并维持一段时间后，用热电偶测试油箱各 部位油的温度。测试时将热电偶由上到下依次固定 在细长木条上（由上到下依次为 １一 ６热电偶）， 将另一个热电偶（ ７）固定于距地面１ ｍ处，用于测 量室内空气温度。移动木条，由右到左依次测量油 箱内部９个部位的油温（测量位置靠近加热板），热 电偶分布及测点分布如图２所示。油箱中加入８根 热管是高导热元件，在模拟时可将热管看作具 有高导热系数的等温棒，通过试验测得所用热管的 收稿日期：２０１２—０９—０７ 第２期 刘红蕾，等：油浸式变压器热管散热模型的试验研究 ・３７・ 铜质热管（自制），测试以下２种工况：工况１，加热 板加热功率为２００ｗ，室内空气温度为１６．３ ｏＣ；工况 测量结果如图６所示。由图６可以看出，增加热管 ２，加热板加热功率为４００ ｗ，室内空气温度为１６．７ ℃。测量结果如图３、图４所示。 后油箱内最高温度显著降低，变压器油内温度场恒 定后，有热管时的温度比无热管时的温度降低约４０ ℃。显然，将热管插入油箱对变压器油进行散热的 方案是可行的。 图２油箱内油温测点分布图 图５油箱内油温测点分布图 图３加热板加热功率为２００ ｗ时油箱内油温分布 ｐ ＼ ＝＝＝：＝＝＝＝二＝＝：＝＝＝：＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝－ ’ ｛趑 蚂 ．’ ’ ’ ’ Ｔ ——一 ＿＿●－～▲ ▲ ． ． ＾ ▲ ． ——一———＿．———一一———一——●———一———●——－．一 图６有、无热管时油箱内各测点温度变化 ２．３单根热管散热功率测试 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ 取样点 试验时通过调整加热功率使油箱内恒定温度场 图４加热板加热功率为４００ ｗ时油箱内油温分布 与无热管时温度分布相同，从而确定单根热管平均 散热功率。试验工况下，室温为１８．３℃，无热管时 由图３和图４可以看出：油箱内同一高度各水 平位置温度差别不超过１ ｃＩ＝，总体呈中间略高、两端 略低的趋势；高度方向温度差别较明显，上部温度 高，下部温度低，这是由于变压器油受热后在油箱内 加热功率为２００ ｗ，加热至油箱温度恒定一段时间， 试验过程中记录变压器油温度变化情况。然后加入 ８根热管，不断调整加热功率，使油箱内温度场恒定 自然对流所致。因此，试验研究只需测量油箱顶部 中间位置的油温即可。 ２．２增加热管对油箱内变压器油温度的影响 为研究采用热管后油箱内变压器油的温度分布 变化情况，对油箱增加热管前、后的油温进行了测 时，变压器油温与无热管（加热功率为２００ ｗ）时的 油温相同，记录此时的加热功率。通过试验，最终确 定加热功率为４２０ ｗ时，油箱内恒定温度场与无热 管（加热功率为２００ ｗ）时温度相同，二者温度变化 如图７所示。单根自制铜质热管散热功率Ｐ为 Ｐ＝ ＝— （１）ｆ】、 量。试验采用铜质热管（自制）８根，加热功率为 ２００ｗ，环境温度为１８．３ ｏ【＝，测点布置如图５所示， ・３８・ 华电技术 第３５卷 ｌ∞ ９０ ８０ ７Ｏ ｐ ６ｏ ５０ 赠加 ３ｏ ２０ １０ Ｏ 时间，ｈ 图７ ２种工况下油箱内各测点温度变化 式中：凡为热管根数；Ｐ 为无热管时的加热功率；Ｐ， 为插入热管时的加热功率。 利用式（１）可得，单根自制铜质热管散热功率Ｐ 为２７．５ Ｗ。 ２．４不同环境下热管散热效果测试 为验证夏季炎热环境条件下采用热管散热的变 压器油的最高温度是否满足国家规范要求，将室内 温度控制在（５０±１）℃。加热板加热功率为３００Ｗ， 油箱中放置８根不锈钢热管。变压器油温稳定后其 最高温度不超过１０１ ｏＣ，油温稳定后３ ｈ内最高油温 变化情况如图８ａ所示。试验表明，在恶劣环境温度 下，布置１６根热管即可保证３０ ｋＶ・Ａ油浸式变压 器最大负荷（散热功率６００ ｗ）时的油温满足国家规 范要求。实际运行中，考虑散热可靠性、变压器可能 超负荷工作以及可能出现的极端高温气象，可以考 虑布置２０根热管。 为了比较环境温度变化后油箱内油温变化情 况，将环境温度为（３０±１）ｏＣ。加热功率不变， 热管依然为８根不锈钢热管，油温稳定后３ ｈ内最高 油温变化如图８ｂ所示。由图８可以看出：环境温度 为５０℃时，最高油温与环境温差约为５０ ｏＣ；环境温 度为３０℃时，最高油温与环境温差约为５３℃。该 试验表明：当油箱内温度与周围环境的温度差相同 时，热管散热功率几乎相同。根据传热学基本理论， 对上述试验结果进行如下分析：该试验过程中，热管 热端在油箱内通过对流换热方式吸收热量，然后将 热量传给热管冷端，热管冷端通过对流换热方式将 热量传递给空气。除此之外，油箱壁会以对流换热 方式将热量传递给周围空气，油箱壁、热管壁和肋片 还会以热辐射方式向周围环境释放一部分热量。由 于环境温度和变压器油温变化不大，因此，热管导热 能力近似不变，即在变压器散热工作温度及环境温 度范围内热管热阻可认为不变。另外，在变压器散 热工作温度及环境温度范围内，热管与变压器油间 对流换热热阻、热管与空气间对流换热热阻、油箱壁 与变压器油间对流换热热阻、油箱壁与空气间对流 换热热阻、油箱壁导热热阻也几乎不变。因此，只要 变压器油与周围空气的温差不变，则变压器油一热 管一空气以及变压器油一油箱壁一空气这２个传热 过程的传热量可认为近似不变。油温变化会导致油 箱壁温和热管壁温发生变化，从而对周围环境的辐 射换热量会有少量变化，但总体而言，只要油温与环 境温度差相同，相同热管散热装置的散热能力可认 为近似相同。该试验结果表明：可在普通环境温度 条件下模拟高温环境时的变压器散热试验，从而可 以在无人工环境试验室进行同类试验研究，大大降 低了对试验条件的要求。 赠 时间／ｈ ａ环境温度为（５０＋１）℃时的变化情况 时间，ｌｌ ｂ环境温度为（３０±１１℃时的变化情况 图８油温稳定后３ ｈ内油箱内最高温度变化情况 ３ 结论 本文提出了采用热管散热装置的油浸式变压器 传热模型和分析方法，在此基础上，对３０ ｋＶ・Ａ的 油浸式变压器进行了系列试验，试验研究结果表明： 该模型和分析方法可以用于分析采用热管散热的油 浸式变压器散热特性。通过模拟可以分析热管数量 不同时变压器油的最高温度，从而可以确定油温满 足规范要求时的热管数量，避免试验的盲目性，也可 为变压器散热设计提供理论依据。 参考文献： ［１］瓦修京斯基．变压器理论与计算［Ｍ］．北京：机械工业出 版社，１９８３． ［２］路长柏，朱英浩．电力变压器计算［Ｍ］．哈尔滨：黑龙江 科学技术出版社，１９９０． ［３］李广华，刘红蕾，王德坚．采用热管散热装置的油浸式变 压器传热模型及分析［Ｊ］．中国科技信息，２０１２（３）： ８９—９０． （下转第４５页） 第２期 张克凡，等：火电机组冷端系统运行经济性分析及优化 ・４５・ ５ 结论 以内蒙古某电厂３００ ＭＷ机组的运行数据为依 据，分析了几种典型工况下背压变化对机组经济性的 影响，通过分析及定量计算可以看出，真空泵冷却水 温的变化，对机组背压、发电煤耗及热耗都有明显的 影响。该机组采用工业水作为冷却水的一部分，经实 地测试，改造效果良好，可显著提高机组的经济性。 参考文献： ［１］朱信义．真空泵密封水和抽入气体温度对机组真空的影 响［Ｊ］．热力发电，２０１０（８）：９３—９５． ［２］周兰欣，林琦，周玉．水环式真空泵工作水温度过高对机 组真空的影响及应对措施［Ｊ］．电力建设，２０１０（１２）： １５９×３－５ 工业水母管 ９８—１０１． 图８冷却水改造方案 ［３］丘宇新．水环式真空泵的原理和常见故障分析［Ｊ］．中国 电力教育，２０１０（Ｓ１）：４５７—４５８． ［４］曾华．一种提高凝汽器真空度的方法［Ｊ］．华电技术， ２０１０，３２（８）：２５—２９． 入口水温为２０．０℃，出口水温为２９．２℃；真空度 为一８１．３４ ｋＰａ。 图９为改造前、后１个工作日内负荷与真空度 的变化曲线，从图９可以看出，改造前、后负荷变化 不同，但在负荷发生大范围变化时，改造后真空度的 变化曲线没有改造前变化得剧烈，说明改造后真空 度受负荷变化的影响减小，并能保持相对比较高的 数值，改造效果良好。 ［５］邓荣才．水环式真空泵对凝汽器真空的制约与改善［Ｊ］． 大众科技，２０１１（７）：１５４—１５５． ［６］秦文防，王鹏，李秋诚．电厂水环式真空泵冷却水系统的 改造［Ｊ］．通用机械，２０１１（３）：８０—８１． ［７］张建军．水环真空泵冷却水改造后节能效果［Ｊ］．内蒙古 科技与经济，２０１１（１０）：１１８—１２０． ［８］吴河生，范朝光．３００ＭＷ供热机组水环式真空泵系统技 术改造［Ｊ］．江苏电机工程，２０１０（５）：７０—７２． ［９］徐仿优，胡光明，刘光耀，等．沙角Ａ电厂３００ＭＷ机组冷 端系统经济性诊断及优化运行［Ｊ］．热力发电，２０１０（７）： ７—１Ｏ． ［１０］张克凡．３００ ＭＷ机组冷端系统改造的经济性分析［Ｄ］． 西安：西安交通大学，２０１２． ［１１］赵佰波，王欣．２×３５０ＭＷ改建机组循环水系统的优化 设计［Ｊ］．华电技术，２０１１，３３（１０）：３７—４１． 罨 柱 （本文责编：刘芳） 作者简介： 张克凡（１９７９一），男，内蒙古赤峰人，工程师，从事电力 生产运行技术及管理等方面的工作（Ｅ．ｍａｉｌ：ｌａｏｗｕ２３２２＠ ｓｉｎａ．ｔｏｍ）。 图９改造前、后１个工作日内负荷与 真空度变化曲线 ｏ●ｏ●・争●ｏ●‘ ●ｏ●ｏ●・ ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●・ ●・争●ｏ●・争●ｏ●ｏ●・争●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ黄（１９６８一），女，陕西西安人，副教授，工学博士， 西安能源研究会会员，中国动力工程学会会员，从事分布式 能源系统、热力系统性能分析等方面的研究。 闫水河（１９６８一），男，内蒙古呼和浩特人，高级工程师， 从事电力生产运行技术及管理等方面的工作。 ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●０●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●◇●◇●ｏ●ｏ●ｏ●◇●ｏ●ｏ●◇● （上接第３８页） ［４］Ｒｏｓａｓ，Ｃｅｓａｒ．Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｏｉｌ－ ｉｍｍｅｒｓｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ｈｅａｔ Ｐｉｐｅｓ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，２００５，２０（２）： １９５５—１９６１． ［８］付宁宁．热管在浸式变压器中温度场分布的Ｆｌｕｅｎｔ数值 模拟［Ｄ］．天津：河北工业大学，２００７． ［９］李勇，刘志安，安亦然．介绍流体力学通用软件——Ｆｌｕ— ｅｎｔ［Ｊ］．水动力学研究与进展，２００１，１６（２）：２５４—２５８． （本文责编：刘芳） 作者简介： ［５］Ｐａｒａｄｉｓ Ｃｌａｕｄｅ．世界首台浇注固体绝缘配电变压器［Ｊ］． 西北电力技术，１９９９，２７（６）：５７—６０． ［６］Ｐａｒａｄｉｓ Ｃｌａｕｄｅ，Ｆｏｒｔｉｎ Ｍａｒｃｅ１．Ｓｏｌｉｄ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９８，１８（６）：４９１—５０２． ［７］雷东强，王秀春，朱威力，等．热管技术在变压器中的应 用研究［Ｊ］．变压器，２００７，４４（１）：３７—４｜Ｄ． 刘红蕾（１９７１一），女，山东泰安人，高级讲师，工程硕 士，从事火力发电厂热工控制方面的教学和研究工作 （Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｏｎｇｌｅｉ＿ｔａ＠ｓｏｈｕ．ｃｏｒｎ）。
