潘必超，俞天波，徐林峰

(杭州钱江电气集团股份有限公司，杭州 311243)

干式变压器是配电网的核心设备，但变压器荷载运行过程中，绕组与铁芯会产生热量，令其温度上升，通过热传导与辐射，会使热量散开，导致周边绝缘体温度回升，尤其是局部温度过高，容易令绝缘材料性能流失加速，导致变压器使用寿命大大缩短。随着负荷需求的提升，其容量逐渐提高，散热问题更加显著，因此有效迅速地散热对于干式变压器运行的稳定性具有重要影响。基于干式变压器的结构特性，对发热源与传热原理进行分析，在满荷载下对矿用牵引式变压器展开升温检测实验，对高低压绕组和铁芯升温状态进行详细记录，通过平行坐标技术综合干式变压器的应用，实现多维可视化，对各类干式变压器运行存在的不足进行分析，为温度检测监控提供了参考，以防出现绝缘不良事故。

1 干式变压器结构模型

构建干式变压器结构模型需进行以下假设：忽视机械结构，如各个部件与螺栓等。假设干式变压器由高压绕组、低压绕组、铁芯、绝缘、散热气道与周边冷却气体等构成；干式变压器中的漏磁场与温度场为对称分布；把铁芯当作圆柱体。按照干式变压器具体结构构建二维结构模型，运用自适应网格划分方式对其展开网格划分。

2 变压器热源分析与传热原理

干式变压器由高低压绕组、铁心与紧固件构成，全部电磁部件由于自身消耗转化成热源，而绕组与铁芯是最核心的热源，形成的热量基于热传递、辐射或对流等形式扩到周边。在达到热平衡的情况下，变压器的温度逐渐平稳。但因结构、荷载与位置不同，造成稳态时绕组均衡温升和温度最高点温升存在差别[1]。

2.1 变压器热源分析

空负载损耗通过铁心磁通，分为磁滞消耗与涡流消耗，空负载损耗的公式为：

式中，Pc、Pe、PH分别代表空负载损耗、涡流损耗、磁滞损耗，单位都是W；k1、k2代表铁心磁滞指数与涡流损耗指数；f表示频率；Bmax代表最大磁通密度；V表示铁心体积；d表示硅钢片厚度；n是斯坦梅茨常数，热轧叠片1.7～2.0，冷轧叠片超过2.0。

2.2 传热原理

变压器散热是铁心与绕组通过损耗热量传导传输至表层，周边空气通过辐射或对流的形式进行散热，绕组通道内辐射与对流相比，辐射较低。变压器在热量散发时涉及流体动力学与传热耦合，空气受热能影响在各个部件附近移动，密度受温度影响。静态传热公式为：ρCPT+·(-kT)=Q，式中，ρ是材料密度，CP是比热容，k是导热系数，Q是体积热流密度。

3 变压器温升测试

矿用采煤机运用牵引变压器，联结组别是Yd11，高压和低压绕组额定电压分别为1.14 kV和380 V，各绕组都采用铜线绕线，通过单层聚酰亚胺薄膜，绕组之间运用适当厚度的DMD 纸进行绝缘，铁心利用指定型号硅钢片进行堆积。实验过程中，电源通过外接断路设备连接调压器，调压完成后衔接矿用变压器，通过三相线路短接，同时展开绝缘[2]。经过转变调压器电压做到对变压器电流的有效控制，对变压器各个荷载进行模拟运行。满载运行状态下，高压电流为32 A，低压侧电流为90 A。低压绕组中装有温度传感器，绕组外部利用防高温胶布和传感器进行连接，放在三相绕组间，温度记录设备展开反复记录，满荷载运行12 h，每半小时进行1次记录，分别对绕组传感设备温度进行记录，采用测温枪对变压器外层、铁心顶层的温度进行记录，过程大概要5 min。

4 以平行坐标技术多维可视化

对矿用采煤机变压器、环氧绕注三相干式变压器等进行分析，采用平行坐标技术，将不同变压器多元化温度有关数据体现在N条平行线间的折线，说明各种变压器温度转变与各变量间的互相关联，从而探究各干式变压器间的变化规律[3]。

4.1 运行温升随时间转变的特征

针对产品1展开温升实验，按照检测记录，综合相关资料数据展开可视化分析，见图1。TScA、TScB、TScC 是低压绕组温度，TPrA、TPrB、TPrC是高压绕组温度，TFe是铁心温度，To是环境温度。为充分了解温升过程，通过平行坐标技术进行选择，产品1与2温升可视化见图2、3。

由图2与图3可知，随时间延长，变压器高低压绕组和铁心温升，且铁心温度最低、高压绕组温度其次、低压绕组最高。由于低压绕组介于高压绕组与铁心间，缺少良好的散热条件，造成温度最高。图3的铁心温度高、升温较慢，这是因为在空载实验中铁心温度并没有充分降温。变压器结构差异造成高低压绕组出现一定的温差，所以对变压器温度检测需要重点考量低压绕组。变压器热源并不是均衡散热，所以分析最高温升点还需对其纵向温度分布进行研究。

图1 产品1与2温升多维数据可视化图Fig.1 Visualization of multidimensional data of temperature increase of product 1 and 2

图2 产品1温升可视化图Fig.2 Visualization of temperature increase of product 1

图3 产品2温升可视化图Fig.3 Visualization of temperature increase of product 2

4.2 变压器谐波分析

电网内存在谐波，会造成绕组电阻损耗、涡流损耗与杂散消耗提升，热量过高，从而造成高低压绕组绝缘材质温度逐渐上升，且承载电气应力过高，容易出现局部过热，加剧绝缘老化速度，令变压器使用寿命显著下降。对干式变压器在谐波下的温升状况展开可视化分析，见图4所示。其中，THD为谐波总量，运用百分数代表；PR代表绕组电阻损耗、PEC代表涡流损耗、POSL代表杂散损耗、PLL代表变压器总损耗；TPr、TSe代表高、低压绕组温度；ILmax代表最大荷载电流。平行坐标技术是在谐波运行基础上对各种数据展开比较，有效分析其对变压器造成的影响。谐波含量提高，损耗和绕组温度也会随之上升，为确保变压器运行的稳定性与安全性，需进行降额运行或添加滤波装置，以降低谐波含量[4]。谐波会对干式变压器造成谐波损耗，而谐波损耗产生的热量会令干式变压器内温度场温度上升，温升数值随谐波频率的上升而上升，同时渐渐趋于平稳，谐波过高则会造成绝缘老化、局部过热等问题，对变压器的可靠性与使用寿命造成极大影响。所以，应用装置消除谐波，从而减少电网中的谐波含量，可提升变压器使用率，延长使用寿命。

图4 谐波运行多维可视化图Fig.4 Visualization of multidimensional data of harmonic wave operation

5 结束语

对变压器热源与散热原理进行分析，对矿用采煤机变压器满荷载状态下进行温升测试实验与稳定状态的纵向温度分布检测，综合检测记录与相关资料，对变压器数据展开平行坐标技术可视化分析，证明干式变压器的低压绕组温度显著超过高压绕组温度，范围为23℃～33℃。高低压绕组温度纵向分布由底层至纵向高度位置温度不断上升，但在纵向高度位置到顶层，由于变压器结构与运行条件的差异，温升具有明显区别，但此范畴内温差较小，在3℃之内。此外，利用多维可视化技术可呈现谐波对变压器造成的影响，干式变压器谐波的温升随谐波频率的提升而升高，同时逐渐平稳，但随谐波电流频率的提升而迅速升高，电流波形形变更加明显。谐波对变压器产生的不利影响更为显著，会造成绝缘老化、局部过热等情况，甚至对变压器使用年限与稳定性造成影响。此研究结果可为热点温度传感器与监测单元的装置提供数据支持，为制作设计与运行提供一定的数据参考。