自然油循环电力变压器温升计算方法的研究.docx

山东大学硕士学位论文自然油循环电变压器温升计算方法的研究姓名:邸双奎申请学位级别:硕士专业:高电压与绝缘技术指导教师：李庆民20060920摘要油浸式电变压器具有散热好、损耗低、容量大、价格低等特点,虽 然其有环保上的缺点,目前绝大多数的电变压器仍使用变压器油作为绝 缘和冷却介质。其中8 0 %以上采用自然油循环的冷却方式。目前,变压器 在电工程的各个领域获得了广泛的应用，社会生活对电气的依赖程度大 大提高,对供电设备的质量要求也比过去更加严格,许多变压器用户越来 越倾向于大容量自然油冷却的产品。比如现在有用户要求我们的1 8 0 0 0 0 kVh产品采用全自冷结构。如何提高这种产品的冷却能力,就成为 当务之急。在国内产品中,普遍采用在绕组中设置导向隔板的结构。在绕组中设 置导向隔板，有效地消除了绕组中的油流死角，从整体上改善了绕组表面 的对流换热，使各线饼得到较充分的冷却,从而使绕组的平均温升、铜油 温差比无导向时降低。采用这种结构时,由于油流量的原因，绕组内、外 径侧第一个垂直油道幅向尺寸须加大,从而导致其耐电强度降低，为了保 证变压器的主绝缘，不得不加大主绝缘距离。也因此加大了器身尺寸,从 而使变压器总体尺寸加大。国外某些公司产品则采用在绕组中加轴向油隙 的结构。其避免了加大绕组内、外径侧第一个垂直油道幅向尺寸,但对于 大容量产品，绕组中要放置多个轴向油隙，从而加大了绕组幅向尺寸,增 加了绕制难度。本课题主要针对1 1 0 k V和2 2 0 k 丫级自然油循环电变压器绕组的温升 展开研究,将布置导向隔板与轴向油隙相结合,发展出导向与轴向油隙相 配合的结构。在该种结构中,不需要加大绕组内、外径侧第一个垂直油道 幅向尺寸,从而不会影响变压器绝缘能力;在绕组中设置个轴向油隙， 加入导向隔板，提高冷却能力。本论文以热工学理论为基础,推导、计算出该种结构的计算公式。计 算绕组温升关键是计算绕组铜油温差,这温度梯度由两部分组成，即绕 组绝缘中的温度降和绝缘外表面与绕组周围油之间表面温度降之和。其 中,绕组绝缘中的温度降是较容易计算的，而绝缘外表面与绕组周围油之 间表面温度降计算中用到的对流换热系数口，与很多因素有关,除根据热工学原理推导计算外,还不得不由试验或经验得到。本文以多台实际变压 器产品做实验,将理论与实验数据相结合,确定对流换热系数的计算方法, 从而得到这种冷却结构的绕组温升计算方法。之后将该冷却方法应用于生 产实践,进行实际产品的制造,缩小产品体积,提高可靠性，从而带来经 济和社会效益。关键词:电变压器,温升。自然油循环ABSTRACT0 i 1 immersed t ransformerhasmanyadvantages. suchasgoodeffectofcool ing, 1 o w 1 o s s e s , highcapabi 1 i tyandlowprice. Eve ni thassomefaul tsforenvi ronmentprotect ion, mos tof thepowe rt ransformersareus ingoi 1 a s i n s u 1 a t ionandcool i ngmed i uma tpresent. 80/ofthemusenaturaloi lei rculat ion. Transformers are usedwidelyinelectricpowersystem. Social 1 lyingdependsone 1 e c t r i c a 1 powe rmo reandmo re. T h e r e q u i rementofqua 1 i t y o fe 1 e c t r i c a 1 power i sbecomi ngmuch s t r i c t e r . Moreandmorecus t o m e r sa r e w i I 1 i ngtousena tura loi I c i rculat iononh ighcapab i I i t yt ransformers. Fo rexamp 1 e, nowsomecus tome rsa reask i ngUStou s e0 N A N (oilNaturalAi r N a t u r a 1 ) onl80000kVA/220kV transformer. S o , howto imp rovethecoo 1 i n g c a p a c i tyofthi skindofproductbecomeIntheloca 1 product s, o i Ibarriers inwindingsarewidelyuse d .Wi ththeoi Ibarriers, thedeadangleofoi Iflowisel i m i n a t e d .Theeffectof convect ionexchangeofheat ingi s improved. S o , alld i scsofwind ingcanbecooledeffect i ve 1 x.Theave ragetempe ra t u r eriseofwindingandtemperaturegradientcoppertooi 1 w i 1 1 b e 1 o w e rt h a n w i thoutbarriers. W i ththiSstructure, becauseofoi 1 f 1 o w,thewidthofthefirstverticaloilductinsideandoutsideof wi nd i ngha s tobeen 1 a rged. Theinsulat i o n s t res swa sdec rea sed.Inordertoaureinsulat ionof thet rans f orme r. t h e m a i nn d ingshastobeenl arged. I t c a u sa rged too. Some f o re i gneompan i eo i 1 d u c t i ndeandout s i d e o f w i n d ingi s a v o i d e d. B u t f o r 1 a r g epowert rans formers, severalo i 1 duct shave tobearranged i nwind ingI tenl a rges thed imens ionofwinding. increasethedi f f i c u 1 t y f o rw i n d i n g .e m p e r a t u r e r i seofONANInthiSproj e c t, researchofwindingt 1 10kVand220kY t rans f o rme rwa spe rf o rmed. A n e w c 1 ingstruct u r ewh i chcomb i ne s theO i Ibarriersandaxialoi IductSwasdeve lope d .InthiSst ructure, i t iSnotnecessarytoenlargethefi rstvertic a 10 i 1 d u c t insideandouts ideofwinding. Sotheinsulat i o n w o u 1 d n o tbeeffected. O n e a x i a 1 o i IdiictandOilbarrierswerearrangedin wind ingtoimprovethecool i n g e f f e c t.Basedonpyrologytheory, c a 1 c u 1 a t i o n e q u a t i o n s w i 1 1 b e g a i n e d .Thema ini ssuefortemperatureri seofwindingi stemperature grad i entcoppertooi 1 . Thi stemperaturegradientcons i sts two partstempe ra tureg rad I ent i n i n s u I a t ionandtemperaturegradientsurfaceo f i n s u i easyt o c a 1 c u I au s e d f o r i Srelatedn e e d s e x1p r o d u c t i n gt h e t h e oproduct da ti ontot e .B utt hecC aI CU1att om anyitp er iencesweretes ryandtes s . I t w i 1 1i 1 . T h eo n v e c t i o i O n O f t e m s . B e a n d e x p ted. A c t. Then i m p r o vtempera nheatexch emperatsidesacerimenta1cu1atthiScoethere1t u r e g ra n g e i n d eu r e g r a cord i n.I n t h ii o n m e t1 i n g m ei a b i 1 ia d i e n t ix w h i ch i d i e n t i n g t o p y r o S i n v e s t h o d w a s d t h o d w i 1 t y o f o u rn i n s u 1 assu1atioiogytheigationeve1ope1beusedtransfot i o n i bn t o i 1 , o r y , i t,s e v e r a d c o m b i n forrme r s a nKeywo rd s： elect ri ca 1 powert rans former, temperatureri se, n a t u r a 1 oilcirculation符号说明T热力学温度,K。温度, 热流量,W6 厚度,mA一面积,皿2A一热导率,w / m. q热流密度,Wm2对流换热系数,W / mm2. 雷诺数国一流体流动速度,=I Sp运动粘度,m 2 / sNH一努塞尔(N u s s e 1 t )数G r格拉晓夫(G r a s h。f )数一一流体的体积膨胀系数,咖3包一重口速度,mP于今一普朗特(Placn t 1 )数体的比热容，J / < g , )p一一密度,k g /占田3物体的黑度昂热阻,虫曲z . K#.W动粘度,N 始./.m2角度,r ad咼度,加S面积,m2L度,原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。论文作者签族于学位论J用授目本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保, 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅 和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。（保密论文在解密后应遵守此规定）论文作者签名:校熬垒导师签a名:纽XI日期:第一章绪论1. 1本课题研究的目的和意义电变压器是电系统中的种重要设备。它对电能的经济传输、 灵活分配、安全使用具有重要意义。目前,电变压器在电工程的各 个领域中获得了广泛的应用。油浸式电变压器具有散热好、损耗低、容量大、价格低等特点, 虽然其有环保上的缺点,目前绝大多数的电变压器仍使用变压器油作 为绝缘和冷却介质。目前,社会生活对电气的依赖程度大大提高，对供 电设备的质量要求也比过去更加严格,许多变压器用户越来越倾向于 大容量自然油冷却的产品。比如现在有用户要求我们的1 8 0 0 0 0 kVh产品 采用全自冷结构。如何提高这种产品的冷却能力，就成为当务之急。在国内产品中，普遍采用在绕组中设置导向隔板的结构。在绕组中 设置导向隔板，有效地消除了绕组中的油流死角，从整体上改善了绕组 表面的对流换热，使各线饼得到较充分的冷却，从而使绕组的平均温升、 铜油温差比无导向时降低'1。采用这种结构时,由于油流量的原因，绕 组内、外径侧第一个垂直油道幅向尺寸须加大。根据绝缘中的薄纸板小 油隙理论，加大油隙尺寸,将使它能够耐受的电场强度降低，从而导致 整个主绝缘的耐电强度降低，为了保证变压器的主绝缘性能，不得不加 大主绝缘距离来弥补单个油隙绝缘强度的降低。也因此加大了器身尺寸, 从而使变压器总体尺寸加大。国外有些公司产品则采用在绕组布置轴向 油隙的结构。其避免了加大绕组内、外径侧第一个垂直油道I蝠向尺寸, 但对于大容量产品,绕组中要放置多个轴向油隙，从而加大了绕组幅向 尺寸，增加了绕制难度,降低了绕组的填充系数,增加了成本。本课题主要针对1】 kV和2 2 0 kV级自然油循环电变压器绕组的温 升展开研究，在多台产上进行对比试验，将布置导向隔板与轴向油隙相 结合,发展出导向与轴向油隙相配合的结构。在这种结构中，不需要加 大绕组内、外径侧第一个垂直油道幅向尺寸,从而不会影响变压器绝缘 能力;在绕组中只设置个轴向油隙,然后加入导向隔板，提高冷却能 。本论文以热工学理论为基础，推导出该种结构对流换热系数的计算 公式,从而得到绕组铜油温差的计算公式,再根据多台实际变压器产品 做实验的结果对计算公式中的经验系数进行校正,将理论与实践相结合, 最终确定这种冷却结构的绕组温升计算方法。之后将该冷却方法应用于 生产实践,缩小产品体积,提高可靠性，从而带来经济和社会效益。1 . 2国内外的研究现状和存在的问题电变压器发明于1 9世纪末,为现代远距离恒定电压交流供电系统 的发展奠定了基础。经过个多世纪的发展,现代输变电系统地域广阔, 而变压器做为电系统中的种重要设备，也得到了长足发展。我国的 电变压器制造业，从建国以来，随着国民经济建设的发展，特别是 随着电工业的大规模发展而不断发展。电变压器单台容量和安装容 量迅速增长,电压等级也相继提高。变压器做为动装置,用于交换电 压或联络不同电压的电网与系统，也用于电拖动、电牵引、电加热 和电工程的其它领域。随着信息化社会的到来，社会生活对电气的依 赖程度大大提高,对供电设备的质量要求也比过去严格。电变压器向 高电压、大容量方向发展的同时,各种产品都向高可靠性、节能型、环 保型、紧凑型、个性化方向发展”1。各变压器生产厂商,在研发高电压、 大容量产品的同时，也在对现有产品性能进行提高。电变压器在运行时,有一部分电磁能量将转变为热量。也就是说， 在变压器运行时，在铁心、绕组和钢结构件中均要产生损耗。这些损耗 将转变为热量发散到周围介质中去,从而引起变压器发热和温度升高。 随着绕组及铁心温度的升高，它们与周围的变压器油就产生了一定的温 度差,从而将一部分热量传给变压器油，使油的温度升高。变压器油通 过散热器将热量传递给外部冷却介质（空气、水等）。经过一段时间后, 绕组、铁心和油的温度上升达到平衡状态。此时,绕组和铁心产生的热 量全部散发到周围介质中,各部位温度达到稳定。一般来讲,由于产生 的损耗不同，变压器内部各部分的温度也不同,绕组最高,其次为铁心 和变压器油'1。油浸式变压器绝缘主要是绝缘纸、绝缘纸板和变压器油,绝缘纸和 绝缘纸板受温度和氧的作用引起老化，而老化的程度决定于温度和氧的 持续作用时间。为保证变压器的使用寿命,对变压器的温升有一定限值。变压器工作的允许温升值取决于所采用的绝缘等级。绝缘等级越高,允许温升越大,同时绝缘材料的费用也越高。按标准（GB1094. 2 1996电 变压器第二部分温升,连续额定容量下的正常温升限值为:1 ）油浸 式变压器顶层油温升:油不与大气直接接触的变压器为6 0 K;油与大气 直接接触的变压器为5 5 Ko 2 ）绕组平均温升为6 5 Ko 3 ）对于铁心、绕组 外部的电气连接线或油箱中的结构件,不规定温升限值,但仍要求温升 不能过高,通常不超过8 0 K,以免使与其相邻的部件受到热损坏或使油 过度老化”,。为使变压器各部分温升不超过规定的限值,应采取有效的冷却措施。 世界上最早的变压器冷却方式是1 9世纪后期出现的以空气作为冷却和 绝缘介质的变压器” 1。由于加工技术的限制以及缺乏适当的绝缘材料， 这种变压器很难向大型发展。变压器油的耐电强度、传热性比空气好得 多,热容量也比空气大得多。为了有效的冷却变压器，采用油代替空气, 这样可在变压器几何尺寸不增大的情况下提高变压器的容量。油浸式变 压器由于冷却能力大,绕组、铁心温度分布均匀,是变压器的主要冷却 方式。下图1 . 2-1为油浸式变压器的结构简图。油浸式变压器根据油的循环方式,可分为自然循环式（ON）、强迫 循环式（OF）和强油导向式（0 D）;根据散热器冷却方式的不同，又可 分为自然风冷（AN）、强迫风冷（A F）和强迫水冷（W F ）等。这几种油 循环和冷却方式之间可形成多种组合” 1。目前，大多从对冷却油路设计 和散热器的优化方面来改善油浸式变压器的散热能力” 1。图1. 2 1油浸式变压器的结构简图由于变压器油具有易燃性,因此不宜用在具有防火要求的场所。干 式变压器与油浸式变压器结构类似,只是把绝缘油换成固体或气体绝缘 材料。固体绝缘的干式变压器可分为树脂型（包封）和非树脂型（非包 封）两类。气体绝缘目前主要使用SF。气体。由于固体和气体绝缘材料的 换热能力较差,不适用于大型变压器的冷却,目前主要应用于容量在5 0 0 0 0 k r a以下的电及配电变压器。且其绝缘材料成本较高,同样规格 的产品,干式变压器价格要高得多。1。蒸发冷却和制冷设备在变压器的应用是近年来发展起来的新技 术。目前国外变压器制造厂已研制出应用氟化有机物液体与不然性气体（SF。）的混合物进行变压器冷却。国外已有使用合成有机物液体作为变 压器绝缘和冷却介质的变压器产品”。此外,超导技术也己应用于变压 器冷却中。尽管干式变压器、蒸发冷却变压器及超导技术等已逐渐得到发展和 应用,油浸式变压器由于具有散热好、损耗低、容量大、价格低等优点, 在户外场所仍为主要产品,特别是大容量、高电压产品。目前电网上运 行的电变压器大部分仍为油浸式,且其中8 0 %以上采用自然油循环的 冷却方式。3。由于数量巨大,改进自然油循环冷却变压器的冷却结构、 提高其冷却效率,不论从节能降耗,还是延长变压器的使用寿命、减少 热事故方面，都将带来巨大的社会效益。而且强迫油循环变压器在运行 时也有可能出现冷却系统发生故障以至冷却系统动全停的情况,此时 变压器内的油在热浮升力的作用下形成自然循环。因此，如何合理改进自然油循环变压器的冷却结构，就成为当前变压器行业面临的个迫切 问题。近年来，国内外对自然油循环变压器的冷却结构进行了各种改进。 目前国内普遍采用在绕组中设置油流导向隔板的结构。无导向隔板的绕 组,如图1. 2-2 （a）所示。当绕组幅向尺寸较大时,油流透入深度b不 能达到线饼幅向的中部,在从两侧散热的水平油道中会产生死油区，在 此区域内油几乎不循环,这对降低绕组温升是十分不利的,因而产生绕 组局部过热,严重时会产生局部烧毁而导致变压器报废。若在绕组内设 置导向隔板，使油流在热浮升的推动下定向流过绕组，如图1. 2-2 （b） 所示,则有可能消除死油区,加强绕组的散热,降低绕组的温升。这种 在绕组中设置导向隔板的结构,是改善变压器内部冷却、提高容量和负 载能力的种有效措施。但此时，油流由一个导向区流向另个导向区 时，全部油流要通过绕组内径侧或外径侧的油道，为了限制油流速度, 减少压损失，就需要加大这一油道的幅向尺寸。而从绝缘性能考虑, 则是这一油道幅向尺寸越小越好。油道越小，其能耐受的场强越高。则 在一定耐受电压要求下,需要的总油道尺寸之和越小，从而高低压绕组 之间的总距离越小，变压器器身尺寸也越小，成本会更经济。但此时， 我们不得不加大这一油道尺寸,而其能耐受的场强降低，为了保证总耐 受电压,我们不得不加大高低压绕组之间的距离,从而使变压器总体尺 寸加大,成本上升。囊冤電巍聪缀b骞零惫聪援图1 . 2 2绕组中的油流国外有些公司则采用另外一.种方式来改善变压器的内部冷却。如图1 . 2 3所示,在绕组中增加轴向油隙,从而使油流仍按轴向流动，且能 透入到线饼幅向的所有部位“。实验结果表明,这种方式的冷却效果是 非常好的。并且它也避免了加大绕组内外径侧油道,因此,其主绝缘距 离不用作任何变动。但是,显而易见,使用这种冷却方式,不得不加大 绕组幅向尺寸，从而降低了绕组的填充系数，加大了变压器器身尺寸， 成本上升。田III田田III田匝田 图1 . 2 3绕组中的车臓田inn!田田in 田in田田!n田叮自然油循环变压器内油流速度较低,影响甌动用赧用人用 杂。为改善自然油循环变压器的冷却性能,研用丿賤内循环油流量及 绕组内油流分布等油流特性和绕组温升是非常重要的问题。对变压器热 性能的研究工作也多集中在这些方面。这些研究工作一般是建立在实验 基础上。近年来，计算机的广泛使用则使对变压器热特性的数值研究得 到很大发展“。国内外研究者对变压器热特性及冷却条件改善进行了广泛研究。其 中，对自然油循环变压器的油流和温升特性的研究多局限于传统的无导 向绕组结构“这些研究为进步进行自然油循环电变压器改进冷却 结构的热性能研究提供了理论和实验依据。到目前为止，变压器生产厂家一般是根据实际经验和一些实验研究 结果来进行热设计。国内厂家的计算方法，基本上是来源于原沈阳变压 器厂出版的变压器设计手册“。各厂家根据自己的生产经验,对计算公 式中的系数有些调整“'Linden. W. P i e r c e对自然油循环和强迫油循环变压器的绕组热特性 进行了稳态和过载实验研究“,考虑了油粘度和变压器负载变化对温升 的影响;发现沿绕组高度方向的温度分布并不像以往所认为的在趋势上 呈线性，而是非线性不规则的“。Y ama g u c h i提出了油浸自冷变压器中 循环油流率的计算方法，当参量改变时这种方法不需要附加的试验结果, 并提供油浸自冷变压器的油流率特性曲线,这些曲线是用激光一多普勒流速记在模型中测得的“'T a 1。r y等人曾就线段式绕组以发热量和绕组髙 度等为参数测量了绕组温升。日本的久世等人也以发热量和线段厚度为 参数实测了线段上部和下部的传热系数,并将实测结果作了整理“。Kune s测量了变压器内的油温分布,提出了最高油温与平均油温之比和 绕组中心与冷却器中心高度差的关系，。山口雅教等人对自冷式变压器 饼式绕组内的油流分布利用激光流速仪进行了测量，并对自然油循环变 压的油流分布进行了数值研究”“。Yamazaki等人对油浸自冷式变压器的 油流和绕组冷却特性进了实验研究。R a d a k v i c等人对不同型号变压油 对绕组冷却的影响进行了实验和理论研究"''。由此可见，对自然油循环电变压器绕组加导向结构时变压器绕组 温升和油流状况等方面还需要进步研究。特别是本文提出的将加导向 隔板与轴向油隙相结合的新型冷却方式，其绕组温升的计算与实验更需 进步探讨和研究。这将是本课题的中心任务。1 . 3本课题拟进行的主要研究工作阅读大量的国内外相关技术研究文献，对当前本课题研究的最新状 况进行比较全面、深入的调研，总结有关油浸式电变压器各类冷却方 法的优点,指出存在地问题,并重点对油浸式电变压器自然油循环冷 却方式进行实验研究。本课题将给出一种融合了上述两种冷却方式优点的新方法。如图1 . 3:I所示,在绕组中部设置个轴向油隙，利用这个轴向油隙与绕组 内外径侧油道形成导向油流。t U a « EE目封Wtl申即軻利4- t #幅:川国S郦臨靄, 年即哈立 F II 相晶#"»工听好*Jig. t M瞿#醮啊屮。 i； 辅CQ.g.3 - 1导向隔板与轴向油隙结合的绕组 以多台实际变压器产品做实验,将理论与实验数据相结合,确定这种冷 却结构的绕组温升计算方法。之后将该冷却方法应用于生产实践,缩小 产品体积,提高可靠性,从而带来经济和社会效益。第二章油浸式电变压器的温升2. 1油浸式电变压器的温升和温度电变压器在运行时,有一部分电磁能量将转变为热量。也就是说, 在变压器运行时,在铁心、绕组和钢结构件中均要产生损耗。这些损耗 将转变为热量发散到周围介质中去,从而引起变压器发热和温度升高。 随着绕组及铁心温度的升高,它们与周围的变压器油就产生了一定的温 度差，从而将一部分热量传给变压器油,使油的温度升高。变压器油通 过散热器将热量传递给外部冷却介质（空气、水等）。经过一段时间后, 绕组、铁心和油的温度上升达到平衡状态。此时，绕组和铁心产生的热 量全部散发到周围介质中,各部位温度达到稳定，这种状态称为热平衡 状态” 1。在热平衡状态下,“热流”所经过的路径是相当复杂的,在油浸式 变压器中一般有:1 ）绕组、铁心所产生的热量，将由他们内部热点借传导方式传到与 油接触的外表面。2）当绕组、铁心内部的热量传到外表面后,他们的表面温度与周围 介质（变压器油）产生温差,通过对流作用将部分热量专给附近的油， 从而使油温逐渐上升。3）当绕组、铁心附近的油温升高后,热油向上流动与油箱相接触部 分放出部分热量后，再向下流动,冷油重新流入绕组，形成闭合的对流 路线,从而使整个油箱中的油温度升高。4 ）由于对流作用,当热油碰到箱壁或油管壁时，将一部分热量传给 他们,使箱壁或油管壁温度升高:又通过传导方式,热量从壁的内侧传 导到外侧（壁的内侧和外侧温差不大,因为钢为良传导体）,与周围的 介质（空气）产生温差:再通过对流和辐射作用，将热量散发到周围的 空气中。可以看出,将铁心、绕组所产生的热量散发到周围介质中,要经过 许多部分。热流每通过一部分均要产生温差,而温差大小与损耗和介质 的物理特性有关。变压器的温升计算就是要计算各部分的温差，其中有 绕组对油的温差、铁心对油的温差、绕组对空气的平均温升、铁心对空气的平均温升、油对空气的平均温升以及油顶层最高温度与周围空气温 度的差值。2. 2油浸式电变压器绝缘材料的老化油浸式变压器绝缘主要是绝缘纸、绝缘纸板和变压器油,绝缘纸和 绝缘纸板受温度和氧的作用引起老化,而老化的程度决定于温度和氧的 持续作用时间”“。绝缘纸和绝缘纸板的最初电气、机械和化学性质随老化程度而改变, 尽管由于老化引起的绝缘强度的降低不很明显,但由于老化引起的机械 強度（耐摺度和撕裂强度）的改变，使得变压器绕组对短路电动作用 下引起的绕组位移非常敏感,因为绝缘已经老化的变压器,可能在变压 器发生短路时出现匝间绝缘损坏而发生短路。稍微老化的绝缘材料的破 裂强度（由抗拉强度表示）会降到最初值得几分之一。在化学上用聚合 度（D P值）表示,用聚合度（D P值）下降表示纤维素的分子链长度减小。变压器持续运行到绝缘材料劣化到危险点时，称为运行寿命或预期 寿命。绝缘材料的寿命用阿伦涅斯（Arrhenius）定律表示:E： C e 号（2 1 ） = r （- 1 ）式中c=1年A, B常数T热力学温度变压器温度在8 0 1 4 0 范围内，采用蒙特辛格（Mont s inger）预 寿命奥E = D e 印（2 - 2 ）式中D 一 常数（a ）P常数（1 /）e一温度（）在公式（2 2 ）中,设在温度。（C）时的寿命是E,则（ + 6 ） （） 时的寿命是E / 2 ,从而得到p = 0 . 1 1 5 5 / C” 1。2. 3油浸式电变压器的温升限值为保证变压器的使用寿命，对变压器的温升有一定限值。变压器 作的允许温升值取决于所采用的绝缘等级。绝缘等级越高，允许温升越大,同时绝缘材料的费用也越高。按标准（GB1094. 2 - 1 9 9 6电变压器第二部分温升,连续额定容 量下的正常温升限值为:1）油浸式变压器顶层油温升:油不与大气直接接触的变压器为6 0 K； 油与大气直接接触的变压器为5 5 Ko2 ）绕组平均温升为6 5 K.3 ）对于铁心、绕组外部的电气连接线或油箱中的结构件,不规定温 升限值,但仍要求温升不能过髙,通常不超过8 0 K,以免使与其相邻的 部件受到热损坏或使油过度老化” 1。同时,标准（G B 1 0 9 4 . 1 - 1 9 9 6电变压器第1部分总则中规定了 电变压器的正常使用条件的环境温度和冷却介质温度为:1 ）最高气温+4 0 »2 ）最热月平均气温+ 3 0 3 ）最热年平均气温+ 2 0 4）最低气温一2 5 （适用于户外式变压器）。5 ）最低气温 5（适用于户内式变压器）。6 ）水冷却器入水口处的冷却水最高温度+ 2 5匕“。第三章油浸式电变压器的冷却3 . 1油浸式电变压器的散热方式油浸式电变压器的热量均以传导、对流或辐射的方式传到冷却介质中去。各种散热方式,均有其固有的物理规律。4 .1.1热传导一个物体的高温部分向低温部分传热,或彼此互相紧密接触的两个物体间的热量传递就是通过热传导方式进行的。其热传递的基本规律可以通过傅立叶定律。来解释,基本公式如下:Q：五毕A ( 3 1 )其中:Q传导的热流量,碧t 1 一高温侧壁温,K或C：t 2 低温侧壁温,K或C；6 壁厚,m；A一平壁的面积,m 2 五热导率,W/m. ；傅立叶定律公式也可以写为:兒生量(3 2 ) 4J其中:q传导的热流密度,w/m2；图3.卜1为单层平壁导热示意图。图3 .卜1单层平壁导热3.1.2 对流这种散热形式在变压器冷却中起主导作用。流体与固体直接接触时, 它们之间的热交换过程称为对流换热。对流散热冷却过程可以描述如下:如果发热体周围是液体或气体介 质,那么附在发热体表面的那层介质,由于热传导而被加热,其密度降 低,而介质上升,介质离去的地方,新介质补充进去,这就形成了冷却 介质的循环。介质循环的方向与介质和物体表面的温差有关,当介质温 度高于物体表面温度（例如变压器油箱内油和箱壁内侧之间）时,则介 质将热量散给物体，介质被冷却,温度下降,则对流循环方向与前述相 反。加入对流过程的冷却介质都不厚,在稳定温升下油对流层约为3 mm, 空气对流层约为1 21 5mm。在冷却表面处介质的运动速度等于零,这是 由于介质与发热体之间存在摩擦的缘故。虽说这层不运动的冷却介质很 薄，但发热体与冷却介质之间的温差主要出现在该层中。如果这个不运 动层被破坏,则温差将急剧下降。例如用油泵加速油的流动，就可以减 少绕组表面油的不动层的厚度,从而减小温差,提高冷却效果。单位面积靠自然对流形式散出的热量,与冷却介质的性质、冷却表 面的温度、形状和位置有关。若采用液体作冷却介质时,则冷却效果与 液体的密度、热容量、热传导和粘度有关。单位面积靠自然对流形式散 发的热量可以由下式计算:竜 2 r . W 1 mm 2其中:口一与冷却介质的性质及冷却表面温度、形状和位置有关的 对流系数,W / mm 2 . ；f 发热体与对流区以外介质的温差,。对流散热系数a。与流体的热导率和热容量、粘度、流速、被冷却物 体的形状和位置有关。在不同的条件下,有不同的数据。由于n和许多 参数有关,使得在很多情况下,不得不由试验或经验得到。流体的流动有层流和紊流两种。当流体枯性较大而流速较慢时，它 易分层作平行于壁面的有规则运动,这种流动叫层流。在这种情况下, 流体的换热主要以热传导方式来进行,因此其值很小。如果流体枯性较小而流速较快时,则除间还发生不断的扰动与流动徹流a交换主要依靠对流方式E眦,换热强度较大,但在紊流情况下,有沿着主流N!的流动以外,流体内部各层之情况下,热的靠近壁面的流体总有一薄层维持层流状态，这薄层称为“层流边界层”。在层流边界层中,热的交换只能借助热传导，因此"流情况下,换热的强度在很大程度卜.取决于层流边实验表明，流体的流动状态与无因次数R e有关，其定"义如卜R e :丝（3 其中:Rc雷诺数:，§ ）国一流体流动速度,m / s ；d一流道的几何尺寸,m；当流体在管道中流动时,若R e V 2 3 0 0时,流体为层流:R e > 1 0 0 0 0 时为紊流,R e = 2 3 0 01 0 0*0之间为过渡阶段。图3.卜2为层流与紊流示意图君睾i由邕藁弱（a）层流（b ）紊流趟三引入与。r "福美!乐无量癞是努塞方EAi s s e 理意翅f流和热传导的比，综合考虑了对流和热传导的作用，u：堕(3 -4 )式中一与冷却介质妣皮及2阳发而弟度、形状和位置有关的对流系数,W/mm2. _I 1 一特征长度,蚂;二一冷却介质的热导湾承弓版n.十T另个无量纲数是格拉晓夫（"!< f,它的物理意义是浮和惯性对粘性二次方的比,即G r =f 1 g h 3 i A0 V. ( 3 5 )式中流体的体积膨胀系数,mm3/' c；g一重力加速度,；y 运动粘度,m 2 / s 另个无量纲数是普朗特(Pl ant 1)数Pr,有P r : 一 c p v 一 p ( 3 一 6 ) Z式中。,一流体的比热容:y运动粘度;A一流体的热导率: