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变压器油箱局部过热的分析和探讨

发表时间：2020/7/3 来源：《基层建设》2020年第6期作者：付洪军

[导读] 摘要：对于变压器油箱结构件过热，如何在设计时予以考虑和避免？或当产品发生结构件过热的现象后，如何分析，并快速有效的处理？这是很多变压器设计工程师面临的一大难题。

        广州西门子变压器有限公司广东广州 510000
        摘要：对于变压器油箱结构件过热，如何在设计时予以考虑和避免？或当产品发生结构件过热的现象后，如何分析，并快速有效的处理？这是很多变压器设计工程师面临的一大难题。就这两个问题，本文作者根据自己从事多年变压器结构设计的经验，进行了分析探讨，并给出一些建议。
        关键词：变压器，漏磁，强电流，电流环路，低磁材料，过热
        Hot spot Analysis and Discussion of Transformer tank Fu Hongjun
        Siemens Transformer (Guangzhou) Co., Ltd.
        Guangdong Guangzhou 510530
        Abstract: how to consider and avoid the hot spot happened in transformer when design? When the
        occurrence of tank hot spot, how to analyze, and quickly find a solution? The problem would trouble
        many transformer design engineers. In this paper, the author analyzed and discussed these two
        questions according to his own experience in transformer structure design for several years, and
        1.引言
        近年来，特高压、大容量变压器产品的在不断的升级推广，特别是对于GSU 产品（发电机变压器），受益于发电机组容量的提高，单台产品超过 1000MVA 的发电机变压器已经越来越多。如果变压器设计时不引起重视，选用了错误的材料，或屏蔽结构不合理，很容易导致油箱结构件过热。这种油箱结构件过热，往往很难处理，会导致大量的返工，且处理之后的验证成本非常高，对变压器制造厂家的影响非常大。因此，对大型变压器油箱结构件过热进行探讨分析，非常具有现实意义。
        2.致热类型归集：
        变压器温升试验、过电流试验和运行现场，常见的油箱结构件发生过热现象的梳理如下表 1：

        表 1
        3.致热类型分析：
        1)材料属性直接致热型
        油箱的结构件通常是碳钢类铁磁材料。漏磁越大，对油箱的作用越强，其对应油箱结构件上产生的涡流越大，涡流损耗越大。
        由安培环路定律：

        材料的磁场强度越高，漏磁电流越大，损耗越大；反之，漏磁强度越小，漏磁电流越小，漏磁损耗越小。因此，当漏磁大小一定时，选用的铁磁材料其磁感应强度越小，漏磁电流越小，产生的漏磁损耗越小。
        目前，国内变压器厂家常选用的低磁材料包括：20Mn23Al，304 不锈钢，316 不锈钢，铝合金等。需要我们根据强漏磁所在的区域，结合材料本身的机械强度、加工难易程度、性价比等综合信息，确定所选取的材料和结构。
        一般来说，强漏磁区域通常出现在主线圈所在的漏磁通道上，或出现在强电流引线引线周边，或是线圈漏磁和引线漏磁叠加的区域。
        下图一示意了一台单相变压器产品低压大电流套管在升高座安装面板上的漏磁分析。

        对于图一的分析，我们不难看出，当单相变压器两只低压大电流套管电流大小相等，方向相反时，在两相套管安装法兰中部位置，漏磁会叠加。同时，漏磁叠加会受到两相套管之间距离的影响。结构设计时，需要根据实际情况，综合考虑，以确认低压升高座安装面板是选用隔磁条的结构，还是整个面板选用低磁钢的方案。
        实际上，对于大电流低压升高座区域，由主线圈构成的漏磁和强电流引线构成的漏磁往往会叠加，形成一个复杂的漏磁区域。这就需要使用漏磁分析软件去分析、计算。Magnet 作为一种常见的磁场分析软件被广泛应用于变压器设计当中。
        对于变压器结构设计工程师来说，选用正确的材料，是判断结构设计合理与否的一个指标；特别是对于强漏磁区域油箱材料的正确选型，直接影响到产品能否顺利出厂。
        由于大型变压器固有的生产、工艺过程，以及所需工位等因数，在产品验证试验后，如果因为局部过热需要更换油箱、箱盖等结构件的材料，将会严重影响到产品的交期和生产的顺利推进。因此，避免因为材料或屏蔽不当导致的局部过热，其意义重大。
        2)环路电流致热型
        铁磁钢构材料在漏磁作用下会产生涡流。由于铁磁钢构材料所处的漏磁区域不同，漏磁强度不均匀，会导致各铁磁钢构材料上产生的磁动势不一致。在这种不均匀的磁动势作用下，如果各铁磁材料组成的框架相互连接、导通，就构成了电流环路。
        由焦耳定律：Q=I2Rt
        可知，当环路电阻一定时，环路上产生的热量由环路电流的大小决定。
        对于实际的变压器产品，受到制造工艺、材料属性偏差，漏磁分布等诸多因数的影响，我们往往不能通过计算和分析知道环路电流的大小。所以，当出现环路电流时，畅通环路通道，减少环路电阻，可减少由环路造成的电阻损耗。当环路上某个位置电阻过大或电密过大时，会造成该位置出现局部过热。过热严重时会超出国标要求值，造成巨大的安全隐患。
        如上表 1 中提及的项 5-项 8 的过热，可简单归类为环路电流造成的过热。为降低解决成本，一般都是通过增大导流截面，减少电流密度和减少过热区域的电阻大小的方式来解决该类过热问题。此种解决方案，更多的应用于已经生产、或已经在现场运行的变压器产品。
        对于大容量变压器，漏磁对箱盖的影响特别大，如果箱盖上的集气管路连接法兰没有绝缘断开，会构成如下图所示的一种典型的电流环路。

        图二变压器箱盖、集气管道构成的典型电流环路示意图
        为避免出现因环流导致的局部过热，在设计时可以优先考虑将两连接金属件之间绝缘，通过绝缘、阻断电流环路的方案予以解决。因此，一点导通、一点接地对大容量变压器附件的装配非常重要。即使油箱上不同金属构件上存在磁动势差，但由于绝缘阻断，没有构成环路，在各钢构件上产生的涡流不会形成大的电流环，可以减少环路电流的影响。
        但由于受到油箱构件等制造难度、加工偏差、生产施工等综合因数的影响，对于一些常见的不能有效阻断绝缘的结构件，需要在设计时就考虑充分导通的解决方案。
        3)冷却不当致热型
        由于结构的原因或冷却回路设计不合理，会造成一些”死”油区，造成该区域部分金属结构件产生的热量不能及时被冷却油带走。此类情况，常见于升高座等突出的结构件。
        这种明显的设计不合理，在这里仅提及，不予以过多讨论。但需要指出的是，一旦出现“死”油区过热的现象，会造成巨大的返工，需要引起重视。
        4.变压器油箱过热分析流程图
        通过对以上讨论的三种变压器结构件过热的分析，制定了变压器油箱过热分析的流程图。当变压器油箱结构件局部过热时，可参照以下流程图，快速、高效的判断和找到相应的解决方案。
        5.结论
        变压器结构件过热，经常发生于大容量的变压器产品上。作为一名变压器结构设计工程师，在结构设计时，对于器身和引线构成的高漏磁区域，根据选用的屏蔽结构，合理的选用钢构材料，结合生产制造的实际情况，选用绝缘隔断不构成电流环路的方式，或通过降低电密和降低电阻方式，优化冷却回路设计，有效避免油箱结构件过热的情况发生。

        图三变压器油箱结构件过热分析流程图
        对于已经生产制造或现场运行的变压器产品，如果发生结构件过热，可根据产品的实际情况，快速判断过热形式，找到过热问题的解决方案。