油浸风冷式变压器冷却系统仿真分析
 1.背景描述

变压器是一种利用电磁感应原理将一种电压等级的交流电能转变成另一种电压等级的交流电能的电气设备。高功率运行条件下的变压器,会将大量的电能转化为热能,因此如何保证变压器安全、高效的运行便成为电力系统工程中的重中之重。而要保证变压器的正常工作,首要任务就是保证变压器的冷却系统能够适时地带走变压器在工作运行时所产生的热量。根据冷却方式,变压器可分类为:1.油浸自冷式变压器;2.油浸风冷式变压器;3.油浸强迫油循环风冷却式变压器;4.油浸强迫油循环水冷却式变压器;5.干式变压器。Flowmaster可对油浸强迫由循环风/水冷式变压器的冷却系统进行仿真分析。




2.技术难点
(1).变压器冷却系统中的管路阻尼系数计算问题,因为变压器冷却系统复杂,包含泵、弯管接头、Y型连接管、阀门、绕组、散热器等众多元件,且系统会多次分流与汇流,无论通过实验还是三维CFD计算都较为困难,几乎不能完成;
(2).常用于变压器的片式散热器的结构复杂,CFD软件无法对多个不同型号的片式散热器进行阻尼系数、热传系数、散热量计算,进行优化选型;
(3).需要对油泵、风机、阀门、散热器等关键部件进行匹配分析以确保冷却系统安全可靠运行。

3.案例介绍




该案例仿真对象为某型油浸风冷式变压器,左图为采用Flowmaster搭建的冷却系统仿真模型。搭建该模型,最重要的一步是参数的获取与选择。首先,针对系统管道、弯管,只需输入其几何参数、压损系数(曲线或参数)、换热参数即可模拟;其次,根据油浸式变压器的油箱尺寸输入到Flowmaster油箱元件之上,以及输入变压器油泵的额定参数和曲线;最后,变压器产热绕组通过Flowmaster中的两通道换热器来代替,只要输入变压器绕组的功率和损失系数即可,以及变压器的散热器输入热负荷、或几何参数和外界温度来进行模拟其散热情况。
通过Flowmaster,可以得到变压器冷却系统中我们所关心的各个节点的压力分布、质量流量分布和温度分布。图2中可以看出,总质量流量487.7t/h,换算后的体积流量501.89m3/h。图3中可以看出,散热器组各层散热片通过流量趋势上表现为上高下低的规律;冷却油经散热器冷却后温度为50.45℃,变压器进出口温差在30℃左右。



                                                         图1绝对压力分布



                                                       图2质量流量分布


                                                        图3温度分布

此外,通过Flowmaster中的高级换热器Cross Flow Heat Exchanger可以直接输入几何尺寸来模拟片式散热器,Flowmaster中的单个片式管路、几何参数输入如左下图所示,输入几何参数后,Flowmaster会根据实际流量、油质、管材和外界温度来计算出散热器的热传系数。


图4 Flowmaster中的片式散热器单片流道结构和结构参数输入列表

4.总结
采用Flowmaster进行系统模拟,可以快速精准的对油浸式变压器冷却系统在正常/极限等工况下的运行状态进行计算,分析系统中压损情况和换热状态,验证和优化冷却设计。从而提高产品寿命的同时减短产品研发周期。

 

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