湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第]，其中厚液膜核態(tài)沸騰、薄液膜高強(qiáng)度蒸發(fā)，高效發(fā)揮了液體工質(zhì)的潛熱能力，使變壓器在容許的溫度上限內(nèi)，滿足更大的散熱需求；微槽群內(nèi)液體工質(zhì)相變部分在氣壓作用下流動到冷凝器放熱冷凝成液體，后借助取熱器微槽群的毛細(xì)力和液體重力回流到繞組微槽內(nèi)，實(shí)現(xiàn)無外加動力的閉式散熱循環(huán)。圖4.1基于微槽群復(fù)合相變冷卻技術(shù)的變壓器模型表4.1SCB10-1000/10/0.4型變壓器主要參數(shù)繞組繞制參數(shù)繞線參數(shù)（a×b）/mm2高度/mm匝數(shù)電壓等級/KV材料低壓繞組1X880910180.4銅箔高壓繞組3.5X591077910銅線根據(jù)變壓器的特點(diǎn)做出基本假定。認(rèn)為變壓器繞組主要以熱傳導(dǎo)及熱對流的方式與微槽內(nèi)液體工質(zhì)發(fā)生熱量交換，繞組產(chǎn)熱均勻；變壓器的渦流效應(yīng)對繞組各處的影響相同，且繞組銅損分布均勻；繞組絕緣層的存在使得繞組和鐵芯之間熱量交換十分小，在此忽略繞組和鐵心之間的熱量交換；考慮到變壓器內(nèi)部近似軸對稱的主結(jié)構(gòu)，在此忽略變壓器內(nèi)部的其他部件和繞組之間的輻射傳熱。變壓器的結(jié)構(gòu)是三相對稱的，可以將變壓器模型簡化，選取變壓器的一相建立有限元模型，并通過變壓器繞組的溫度分布情況對其內(nèi)部溫度場的進(jìn)行研究。變壓器空心繞組內(nèi)微槽中液體工質(zhì)發(fā)生相變的熱量傳遞過程十分復(fù)雜，考慮到繞線結(jié)構(gòu)近似軸對稱，根據(jù)上述假設(shè)可將繞組物理模型簡化為三維的空心長方體。毛細(xì)微槽中液體工質(zhì)在毛細(xì)力的作用下，在微槽內(nèi)三相接觸線區(qū)域?qū)⑿纬蓴U(kuò)展彎月面，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的散熱。毛細(xì)微槽群的高強(qiáng)度換熱能力，能夠滿足變壓器繞組散熱的需求，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。圖4.2為帶微槽群的繞組結(jié)構(gòu)圖。(a)繞線結(jié)構(gòu)圖(b)繞線內(nèi)表面微槽結(jié)構(gòu)圖4.2帶微槽群的繞組結(jié)構(gòu)圖4.2MGCP變壓器繞組溫度場計(jì)算4.2.1數(shù)值分析方程變壓器的繞組是其主要發(fā)熱部件，而發(fā)熱主要由負(fù)載損耗引起。繞組導(dǎo)線的電阻率隨溫度的變化而變化,因此損耗呈非線性。變壓器內(nèi)部溫度場在柱坐標(biāo)下的導(dǎo)熱微分方程的形式為：?T?t=kρcp(?2T?r2+式（1）中：T表示物體瞬態(tài)溫度（℃）；T表示過程導(dǎo)熱系數(shù)，常數(shù)（W/（m·℃））；ρ為開展的時間（s）；k為材料密度，常數(shù)（Kg/m3）；cp代表材料定壓比熱，常數(shù)（J/（Kg·℃））qv為內(nèi)熱源的強(qiáng)度（W/m3）x和y為直角坐標(biāo)（m）。繞組損耗值計(jì)算公式為:p=p120235+ta式（2）中：tap120為繞組在120℃將變壓器發(fā)熱部分看作等效熱源,假設(shè)該熱源均勻發(fā)熱。因此,繞組的發(fā)熱部分為導(dǎo)線所在的部分。單位熱源體積內(nèi)熱源強(qiáng)度可由下式求得:qv=pV（式（3）中：p為變壓器的損耗（W）；V為熱源的體積，即繞線的體積（m3）。繞組與液體工質(zhì)的熱量交換主要為熱傳導(dǎo)與熱對流。變壓器繞組和微槽內(nèi)液體工質(zhì)之間的熱傳導(dǎo)即熱量由高溫的變壓器繞組（Thot）傳遞到低溫的液體工質(zhì)（TcoldQ1=Sλ(Thot-式（4）中：Q1為單位時間內(nèi)的傳熱量（W）Γ為平面間材料的熱傳導(dǎo)率（W/（m·℃））；S為平面面積（m2）；d為兩平面之間的距離（m）。液體工質(zhì)核態(tài)沸騰及相變過程中相對微槽存在熱對流，熱負(fù)荷單位面積的傳熱量可以用牛頓冷卻方程來描述：Q2=h(Ts-TB)式（5）中：Q2為單位面積的對流換熱量（W/m2）h為單位面積的對流換熱系數(shù)（W/（m2·℃））；TS為固體表面的溫度（℃）TB為周圍流體的溫度（℃）4.2.2邊界條件變壓器發(fā)熱主要部分為繞組，忽略換熱過程中的熱輻射，其熱傳導(dǎo)過程的邊界條件可表示為：T｜Γ1=式（6）中：Γ1、Γ2、Γ3為物體邊界，為邊界上已知的的溫度函數(shù)，℃；q為邊界Γ2上已知熱流密度，W/m3；K2為垂直于界面Γ2的熱傳導(dǎo)率，W/（m·℃）；與物體相接觸的流體介質(zhì)溫度Tf（℃）和換熱系數(shù)α（W/m2·℃K3為垂直于界面Γ3的熱傳導(dǎo)率，W/（m·℃）。4.3變壓器溫度場仿真4.3.13-D有限元仿真模型ANSYS是基于有限元法的一款計(jì)算軟件。其熱力學(xué)分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，通過有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度，并導(dǎo)出其他熱物理參數(shù)。把一連串的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，成為有限個單元是有限元法基本思想，并且在每個單元中都設(shè)定有限個的節(jié)點(diǎn)，從而吧連續(xù)體看成只在節(jié)點(diǎn)處連接成一組單元結(jié)合體，基本未知量被選定作為場函數(shù)所表示的節(jié)點(diǎn)值，于每個單元中假設(shè)有一個近似插值的函數(shù)來表示單里場函數(shù)分布規(guī)律，從而轉(zhuǎn)化為離散域中的有限自由度的問題。在實(shí)際分析中根據(jù)實(shí)際情況確定邊界條件和初始條件,用數(shù)值解法求其數(shù)值解。而ANSYS熱分析最強(qiáng)大的功能之一就是相變問題的分析。圖4.3MGCP變壓器一相有限元模型（1/2模型）圖4.3為變壓器一相繞組的1/2有限元模型。變壓器的結(jié)構(gòu)是三相對稱的且繞組產(chǎn)熱均勻，在此取MGCP變壓器的一段繞線來分析其內(nèi)部溫度場的分布。圖4為變壓器繞組的有限元模型，空心繞組的內(nèi)表面為微槽群。圖4.4變壓器繞組有限元模型計(jì)算取MGCP變壓器的繞組作為求解區(qū)域。根據(jù)變壓器實(shí)際尺寸和材料建立了變壓器幾何模型，并選擇適合的單元類型建立有限元模型，定義繞組和微槽的材料參數(shù)，在模型邊界上施加長度、環(huán)境溫度、對流等邊界條件，應(yīng)用ANSYS軟件的相變熱分析法對模型進(jìn)行分析即可得整個區(qū)域的溫度場。網(wǎng)格劃分對仿真結(jié)果影響較大。劃分精細(xì)的網(wǎng)格仿真誤差小，但過于精細(xì)會超出軟件的計(jì)算能力。劃分疏松的網(wǎng)格仿真誤差較大。本文計(jì)算中采用了非均勻性網(wǎng)格劃分方式對空心繞組進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對于繞組內(nèi)毛細(xì)微槽群，內(nèi)部液體工質(zhì)發(fā)生的熱交換的過程十分復(fù)雜，為了得到更穩(wěn)定的結(jié)果，網(wǎng)格的劃分較密。4.3.2參數(shù)設(shè)置MGCP變壓器的熱分析是相變分析，需使用瞬態(tài)熱分析求解。為得到更為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，時間步長的設(shè)置應(yīng)當(dāng)足夠小，求解前應(yīng)打開自動時間步長，使相變過程中程序能夠自動調(diào)節(jié)步長。相變分析是高度非線性問題，設(shè)置搜索方式為線性搜索有助于問題的求解。求解參數(shù)包括瞬態(tài)積分參數(shù)、振幅衰減因子、振動極限因子、振動極限因子的耐受性、松弛因子以及慣性松弛因子。這些參數(shù)的設(shè)置可以提高求解的收斂性和穩(wěn)定性。本文變壓器仿真模型繞組采用與傳統(tǒng)繞線截面積相同的空心繞線，對空心繞線與液體工質(zhì)的參數(shù)設(shè)置如下：1.變壓器初始溫度設(shè)為環(huán)境溫度（20℃）；2.變壓器繞組在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的溫升情況即邊界條件中的熱流密度q，在此轉(zhuǎn)換為繞組的熱源強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。選取高壓繞組部分，變壓器在額定負(fù)載下穩(wěn)定運(yùn)行時其高壓繞組的熱源強(qiáng)度為3.32E3(W/m3)；3.繞組材質(zhì)為銅，根據(jù)材料特性有繞線導(dǎo)熱率400W/（m·℃）；液體工質(zhì)導(dǎo)熱率0.6W/（m·℃）；4.對流系數(shù)取空氣自然對流系數(shù)5W/m2。5.MGCP變壓器的散熱過程中液體工質(zhì)發(fā)生相變，微槽內(nèi)液體工質(zhì)相變帶走潛熱為主要散熱部分。設(shè)定空心繞組內(nèi)壓強(qiáng)為一定值，在這一壓強(qiáng)下液體工質(zhì)于80℃時發(fā)生相變。采用液體工質(zhì)的熱焓材料特性（ENTH）計(jì)入潛在熱量，液體工質(zhì)的焓值設(shè)置見表1。表4.2液體工質(zhì)焓值表溫度（℃）20457980100ENTH（J/m3）8.53e71.88e83.55e82.643e92.676e94.3.3額定工況下繞組溫度場分析為了得到MGCP變壓器繞組的溫度場分布情況，本文對額定容量為1000KVA的三相變壓器進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到了額定工況下繞組的溫度場分布云圖?？紤]到微槽內(nèi)液體工質(zhì)的相變過程，采用歐拉向后積分法對此三維溫度場進(jìn)行計(jì)算，仿真分析繞組的熱特性。圖4.5（a）為額定工況下MGCP變壓器穩(wěn)定工作時繞組的溫度分布云圖。溫度云圖通過顏色梯度直觀的表現(xiàn)了繞組的溫度分布狀態(tài)。繞組通過電流，產(chǎn)生損耗以熱量的形式體現(xiàn)，熱量傳遞至繞組微槽內(nèi)的液體工質(zhì)，其中厚液膜核態(tài)沸騰、薄液膜發(fā)生相變，迅速的傳出熱量。經(jīng)過一定時間，繞組的發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡，溫升穩(wěn)定。本文進(jìn)行仿真的變壓器容量較小，液體工質(zhì)僅部分發(fā)生相變。從圖4.5（a）上可以看到，繞組溫升為62.14K，分布十分均勻，未呈現(xiàn)梯度；微槽群液體工質(zhì)部分未完全發(fā)生相變，其中厚液膜部分處于核態(tài)沸騰狀態(tài)，為溫升最低處，其溫升為50.76K，而薄液摸部分即溫度最高點(diǎn)處液體工質(zhì)發(fā)生了相變，它的溫升與繞組接觸面溫升相同，為62.14K。圖4.5（b）為傳統(tǒng)干式變壓器在額定工況下長時間工作后的繞組溫度分布云圖。相同容量的干式變壓器在額定工況下長時間運(yùn)行后的穩(wěn)定平均溫升約為104K，其中溫升最高點(diǎn)與溫升最低點(diǎn)處溫差約為0.22℃。基于微槽群冷卻技術(shù)的新型變壓器的冷卻能力高于傳統(tǒng)的干式變壓器。（a）微槽群復(fù)合相變變壓器(b)傳統(tǒng)干式變壓器圖5額定工況下的繞組溫度分布云圖圖4.6為額定工況下繞組溫度隨時間的變化情況。仿真結(jié)果表明MGCP變壓器溫升達(dá)到穩(wěn)定所需的時間約為干式變壓器溫升達(dá)到穩(wěn)定的2倍。MGCP冷卻技術(shù)散熱能力很強(qiáng)，變壓器在運(yùn)行中熱量積累較少，故達(dá)到溫度平衡的時間長于傳統(tǒng)干式變壓器。微槽群復(fù)合相變冷卻技術(shù)的散熱能力優(yōu)于干式變壓器。（a）微槽群復(fù)合相變變壓器（b）傳統(tǒng)干式變壓器圖4.6額定工況下變壓器繞組溫度變化情況4.3.4負(fù)載對繞組溫度場的影響隨著電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化，變壓器的負(fù)載會發(fā)生變化，本節(jié)分析在不同負(fù)載水平下的變壓器溫度分布。在欠負(fù)載（0.8p.u,標(biāo)幺基值為變壓器額定容量）以及過負(fù)載（1.2p.u額定容量）下對微槽群復(fù)合相變變壓器繞組的溫度場進(jìn)行分析。圖7為變壓器在0.8p.u、1.2p.u下繞組的溫度場分布云圖。（a）0.8p.u額定容量（b）1.2p.u額定容量圖4.7繞組溫度變化曲線由圖7可見，欠負(fù)載情況下繞組的溫升為61.14K，過負(fù)載情況下繞組溫升為61.30K，與額定狀況下溫升相差均在在1℃以內(nèi)，變動很小，微槽群復(fù)合相變冷卻技術(shù)散熱能力值得肯定。這里也體現(xiàn)出了微槽群復(fù)合相變冷卻技術(shù)的溫控能力，在設(shè)定空心繞組內(nèi)壓強(qiáng)為一定值后，液體工質(zhì)發(fā)生相變的溫度確定下來，繞組溫度不會高于液體工質(zhì)的相變溫度。MGCP變壓器能夠很好的適應(yīng)負(fù)載的變化，可在保證正常運(yùn)行的前提下提高所帶負(fù)載，能夠更好的適應(yīng)電力系統(tǒng)的需求。4.4結(jié)論本文建立了采用MGCP冷卻方式的變壓器的一相三維有限元模型，對MGCP變壓器繞組內(nèi)部三維溫度場進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明微槽群相變冷卻技術(shù)的使用使變壓器的散熱能力得到了提高。與傳統(tǒng)干式變壓器溫度場的對比研究結(jié)果表明，采用MGCP冷卻技術(shù)的變壓器能夠更好的達(dá)到熱傳遞的動態(tài)平衡，MGCP變壓器的散熱能力強(qiáng)于干式變壓器。在不同負(fù)載下，對采用MGCP冷卻技術(shù)的變