摘要：利用Gambit建立变压器二维模型，将模型导入Fluent计算得到不同稳态负荷下变压器绕组热点温升，并研究了阶跃负荷和连续冲击负荷下变压器绕组热点温升特性，以便更好地评佑绝缘老化状态。

    0 引言
    油浸式变压器因绝缘性能好、散热能力强、性价比高而在电力系统中得到广泛应用，然而随着负荷的增长，其发热冷却问题越来越严重。由于负荷状态对绕组热点温升有着决定性的作用，而绕组热点温升又会影响绝缘老化速度，从而影响变压器的绝缘寿命，因此研究变压器负荷状态对绕组热点温升的影响有助于更好地评估绝缘老化状态，预测变压器绝缘寿命。

    1 自然油循环变压器建模
    1.1自然油循环理论
    电网上运行的电力变压器大部分为油浸式变压器，而80％以上的油浸式变压器又采用自然油循环冷却方式。为了解决“噪音扰民”和“油流带电”问题，大型变压器也开始采用自然油循环冷却方式，因此本文只研究自然油循环变压器负荷状态对绕组热点温升的影响。
    自然油循环中，变压器内部油的加热和散热器中油的冷却构成了变压器油的循环过程，这个过程主要受循环驱动力和循环阻力的影响。油流受热胀冷缩影响，密度不断变化，产生浮力差，热油上升，冷油下沉，驱动油流流动构成自然油循环的驱动力；循环阻力主要受油道的物理结构、油的物理性质、油流速度等影响。当循环驱动力与循环阻力相等时，即可形成稳定的自然油循环；当循环驱动力与循环阻力不等时，油流温度、油流速度处于瞬态变化过程中，使得循环驱动力与循环阻力逐渐趋于一致，直至循环达到稳态。
    1.2变压器建模
    由于变压器结构复杂、三相绕组对称、三维模型运算量大，因此可忽略次要结构件，将其抽象简化为二维轴对称模型。在自然油循环过程中需要考虑热升浮力的影响。为加快收敛速度，采用Boussinesq模式，计算采用SIM-PLE法，差分格式为二阶迎风，迭代1 000次，残差收敛标准设为0.000 01，环境温度为20℃，得到图1所示的额定负载损耗下温度场与油流场分布云图。由于采用了层流模型，自然油循环变压器内部温度场分层现象明显，热点区域集中在绕组端部，变压器纵向油道油流速度远大于横向，因此有必要设置导向油道，使油流流动更充分。负荷状态对绕组热点温升有着决定性的影响，绕组在发热过程中又会影响油流的流动状态，而油流流动状态又会影响绕组热点温升，因此绕组热点温升是一个相当复杂的过程。

    2 负荷状态对绕组温升的影响
    2.1稳态负荷下绕组温升研究
    负荷的不确定性，导致变压器时常运行在不同稳态，而不同稳态对应的绕组损耗也不同。负荷系数改变时高低压绕组的损耗与负载系数的平方成正比变化；而空载损耗属于励磁损耗，与负载无关，在负载变化时基本保持不变。
    不同负荷系数对应的绕组热点温度如图2所示。只有空载损耗时绕组热点温升很小；随着负荷系数的增大，绕组热点温升速率越来越大。虽然变压器在设计时留有一定黏度，短时轻过载运行不会影响安全，但是过载过大可能直接导致绕组绝缘烧毁，同时长时间过载运行会加速绝缘老化，从而导致绕组绝缘寿命缩短。

    2.2阶跃负荷下绕组热点温升研究
    当一台变压器出现故障或需要检修时，作为备用的另一台变压器就需投运，从备用状态转入负载状态，而出现故障或需要检修的那台变压器就会从负载状态转入空载状态。这个过程中，绕组热点温升情况与稳态时差别很大，因此有必要研究这个过程的绕组热点温升情况。
    阶跃负荷下绕组热点温升曲线如图3所示。在阶跃负荷作用的初始阶段，绕组热点温度快速上升，当热点温升达到一定值时上升速度趋缓直至达到稳态；在负荷阶跃下降时，绕组热点温度先快速下降，当热点温升下降到一定值后下降速度趋缓直至达到稳态。

    2.3连续冲击负荷下绕组温升研究
    负荷的不确定性，导致变压器绝大多数情况下都达不到稳态，而处于暂态变化过程中。如牵引工况下，变压器负荷状态随机车的运行状态而改变，具有连续冲击性，此时难以以稳态时的绕组热点温升来表示真实的绕组热点温升，因此有必要研究连续冲击负荷下的绕组热点温升。由于绕组热点温度不仅取决于负荷状态和负荷持续作用时间，还会受前期温度场与油流场的影响，因此采用不同的冲击间隔会产生不同的温度场与油流场。
    连续冲击负荷下绕组热点温升曲线如图4所示。冲击负荷作用时，绕组快速升温，由于冲击负荷持续作用时间较短，因此绕组热点温度并没有达到稳态；随着冲击负荷的回落，绕组热点温度快速下降。但是冲击负荷的连续作用，可使绕组热点温度缓慢增加。然而，绕组热点温度与油流平均温度基本保持稳定，因此冲击负荷前的油流温度只影响绕组热点温度的绝对值，对绕组内部铜油温差基本无影响。

    3 结束语
    变压器的负荷状态对绕组热点温升有着决定性的影响。稳态时不同负荷状态对应着特定的绕组热点温升；阶跃负荷时绕组热点温升有个快速变化的过程，当变化到一定程度时，变化趋缓，直至趋于稳态；连续冲击负荷时绕组热点温升不仅受负荷状态影响还受负荷持续作用时间影响。因此，在计算绕组热点温升时应结合负荷状态、负荷持续作用时间、绕组初始温度等综合考虑。