专利名称：：一种树脂包封变压器绕组温升设计方法
技术领域：
：本发明涉及用环氧树脂包封的空气自冷式电力变压器高、低压绕组的一种基于实际平均温升模型的温升设计方法，属于变压器
技术领域：
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背景技术：
：在电力变压器的高、低压绕组中存在着电阻损耗、涡流损耗以及引线损耗等。这些损耗在高、低压绕组中产生热量。这些热量的一部分按照热传递的规律，通过传导、对流、辐射的形式从绕组内部传递到表面，再从表面散发到周围的空气介质中去，而另一部分热量则储存在变压器的绕组中，使绕组温度升高。其温度比环境温度升高的绝对数叫温升，以K为单位。当绕组温度升高时，绕组中的绝缘材料温度也随着升高。绝缘材料随着温度的升高而逐渐老化，影响绝缘材料的使用寿命，也就是影响变压器的安全运行和使用寿命。为了保证变压器的使用寿命在2030年，必须在满足变压器其它各项电气技术性能的同时，对温升进行设计，使温升不超过绝缘材料允许的最高温升(如国家标准规定，F级绝缘系统的干式变压器，最热点温度不得超过155°C，其温升不得超过100K)。温升过高，影响产品寿命，如要保证使用寿命，则要对产品采取强迫风冷，或者是降低输出容量，以降低温升，这实质上是不合格产品。温升过低，增大产品体积，增加成本，两者皆不可取。因此，温升设计是变压器设计的不可缺少的程序，并且最终要通过型式试验来考核温升的实测值，视其是否超过了绝缘材料规定的温升限值。干式电力变压器绕组的散热方式，是将热量从绕组内部通过热传导到绕组的内、外表面和包封树脂，低压绕组一部分热量还通过热传导到导电引出铜排。在绕组浇注体的外表面主要通过对流和辐射的方式散发到周围空气介质中，热传导可以忽略不计。当温升过高时，必须在绕组内加设散热气道，增加散热面积，由于气道宽度有大小，必然影响对流和辐射的效果，设计温升时则要对气道进行折算，同时要考虑绕组辐向厚度在热传导过程中对最热点温度的影响，这些都必须在设计时对温升进行校正。干式变压器的温升设计随着该产品的不断发展和成熟，在历史上有多种方法。各种设计方法均是按照热传导、对流、辐射的形式，同时考虑气道对辐射、对流的影响，计算其折合系数，并在很大程度上受引入经验系数而使设计结果发生偏差，有的计算过程较为繁杂，特别是对较大容量的变压器绕组，更难把握。
发明内容本发明的目的是在遵循热传递的传导、对流、辐射三大规律的同时，以实际试验数据为基础，回避繁杂的计算过程，把各种经验系数归结为一个总的模型系数，寻求一种基于实际平均温升模型的既准确又简捷的温升设计方法，能够迅速地得出较准确的平均温升设计结果和控制温升的大小。本发明的目的是这样实现的，它包括实际平均温升模型的制作方法和根据实际平均温升模型设计温升的方法1)、实际平均温升模型制作方法①、实物试验，确定实际平均温升AQ参数对不同大小容量、不同辐向厚度、不同包封厚度的树脂包封变压器绕组进行实际温升试验；试验方法按照国家标准允许采用的模拟负载法，并对线圈中流过额定电流和铁芯为额定励磁时的各个线圈温升进行校正，计算出每种线圈的实际平均温升AQ;②、整理实际平均温升AQ参数按不同辐向厚度和不同包封厚度的绕组，分类整理实际平均温升ΔQ数据；③、确定视在表面积参数以绕组为一发热整体，计算上述对应的每台产品绕组的散热视在表面积S(m2)；④、计算负载损耗Pk参数计算上述对应的每台产品绕组为所选择绝缘耐热等级的参考温度时的负载损耗Pk，包括电阻损耗、涡流损耗、和引线损耗；这些损耗在变压器设计过程中已有设计；⑤、测算视在热负荷q参数测算上述对应的每台产品绕组的视在热负荷q^=I(yj此视在热负荷q值系视在表面积对应的热负荷值，它是反应热传导、对流、辐射三者总的散热效果的视在热负荷值；⑥、在直角坐标上，标出各分类绕组视在热负荷值q与对应的实际平均温升值AQ的象限点；⑦、将坐标上各象限点，按绕组的不同分类，绘制出不同辐向厚度和不同包封厚度的实际平均温升曲线；⑧、取常用的一段曲线，将该段的实际平均温升曲线视为直线，制作实际平均温升模型，根据该模型的直线性质得到实际平均温升值△Q与视在热负荷q的一次函数；2)、根据实际平均温升模型设计温升的方法①、根据环氧树脂包封空气自冷式电力变压器技术性能参数计算的结果，得到绕组为所选择绝缘耐热等级的参考温度时的负载损耗Pk(瓦)，包括电阻损耗、涡流损耗、和引线损耗之和；②、根据变压器高、低压绕组的几何尺寸，计算其视在表面积S(m2)；③、测算视在热负荷值q;q=Pk/S(ff/m2)④、根据实际平均温升模型中的平均温升ΔQ与视在热负荷q的一次函数关系式，测算出绕组的平均温升AQ;比较该平均温升ΔQ值是否符合设计要求；⑤、或再按实际平均温升模型中的视在热负荷q与平均温升AQ对应的曲线，查取平均温升AQ值，并与上述测算值以及对应的绝缘等级温升限值相比较，视以上两种平均温升ΔQ值是否符合设计要求；⑥、若上述温升值超过设计要求的规定时，在满足变压器技术性能参数的要求的前提下，对绕组重新设计，调整绕组的线规截面积以及外形几何尺寸，使其负载损耗降低，增大散热面积，降低q值；⑦、对重新设计绕组的参数再进行①至⑤的论证；⑧、进行实际温升试验，以验证设计的准确性；⑨、温升设计的裕度考虑到最热点温度是在绕组厚度的中部向上偏离的位置；而上述设计结果是指绕组的平均温升，并不是最热点温升，设计必须留有一定的裕度；经验表明，热点温升比平均温升高出23k，因此，设计裕度应比允许最大值小23%左右。本发明采用了以下技术措施①、以实测温升参数为基础，找出其温升与视在热负荷对应的曲线变化规律，再推导出测算公式，即先有温升实测数据，后有温升规律曲线，再根据温升曲线制作实际平均温升模型和推出模型函数，保证了测算或查找该曲线和函数的准确性。②、把热传递的传导、对流、辐射的三大现象简化成等效的、涵盖了三大热传递现象的一个综合散热现象，把各种经验系数归结为一个总的模型系数，回避了繁杂的传导、对流、辐射的计算。③、把散热面积简化为视在表面积，并回避各种气道系数的折算。采用本发明的实际平均温升模型及实际平均温升值ΔQ与视在热负荷q的函数关系曲线，可替代传统的、繁杂的热传导、对流及辐射的计算，能较迅速地设计出与实测值基本相符的平均温升数值，大大地简化了设计程序，节约设计时间，提高设计数值的准确度，特别适用于35KV及以下、6300KVA及以下的树脂包封高压内部无气道绕组和低压内部有、无气道绕组，温升试验合格率可达100%。图1、环氧浇注变压器绕组与铁芯的典型结构示意图。图2、本发明高压(外)内部无气道绕组实际平均温升曲线和模型直线图。图3、本发明低压(内)内部有、无气道绕组实际平均温升曲线和模型直线图。图1中铁心柱1，低压内部气道2，低压绕组3，高压绕组4，包封层5，外表面6，内表面7，高、低压之间气道8，外侧表面9，气道内表面10，内侧表面11，包封层12。具体实施例方式本发明可根据
发明内容中的技术具体实施，设计A、E、B、F、H和C级不同绝缘系统的温升，现以常用的F级绝缘系统的温升设计为实施例进一步说明，然而，本发明的范围并不限于下述实施例。实施例分两部分进行说明实际平均温升模型制作方法和根据实际平均温升模型设计温升的方法。一、下面结合实际对本发明实际平均温升模型制作方法作进一步描述实施例1-1、内部无气道高压绕组的实际平均温升模型制作方法1)、实物试验，确定实际平均温升ΔQ参数对不同大小容量(如30-1250KVA系列产品)、不同辐向厚度(20-40mm)、不同包封厚度(内表面2-3mm，外表面4-6mm)的树脂包封变压器绕组进行实际温升试验；试验方法按照国家标准允许采用的模拟负载法，并对线圈中流过额定电流和铁芯为额定励磁时的各个线圈温升进行校正，测算出每种线圈的实际平均温升ΔQ；2)、整理实际平均温升AQ参数按不同辐向厚度和不同包封厚度的绕组，分类整理实际平均温升ΔQ数据；3)、确定视在表面积参数以绕组为一发热整体，计算上述对应的每台产品绕组的散热视在表面积S(m2)；4)、计算负载损耗Pk参数计算上述对应的每台产品绕组参考温度为120°C的负载损耗Pk，包括电阻损耗、涡流损耗和引线损耗；在变压器技术性能参数计算时已给出；5)、测算视在热负荷q参数测算上述对应的每台产品绕组的视在热负荷q此热负荷q值系视在表面积对应的热负荷值，它是反应热传导、对流、辐射三者总的散热效果的视在热负荷值；6)、在直角坐标上，标出各分类绕组视在热负荷值q与对应的实际平均温升值AQ的象限点；7)、将坐标上各象限点，按绕组的不同分类，绘制出不同辐向厚度和不同包封厚度的实际平均温升曲线；8)、取常用的45100K段曲线，测算出内表面包封厚度2_3mm，外表面包封厚度4-6mm，层间绝缘0.4-0.6mm,辐向尺寸20_40mm的高压(外)绕组实际平均温升曲线(见附图2)，可以看出该指数曲线稍微向上弯曲，指数η略大于1，将该段实际平均温升曲线视为直线，制作实际平均温升模型，根据该模型的直线性质得到实际平均温升值△Q与视在热负荷q的一次函数AQ=O.lq+15(k)(1)由实际平均温升曲线和等效推导出的一次函数计算公式可知当视在热负荷q=850w/m2时，ΔQ=100k,表示F级绝缘的最大视在热负荷不得超过850W/m2。如若超过，则在设计时调整q值，即增大散热面积或者降低负载损耗，控制温升不超过100K；实施例1-2、内部无气道外表包封厚度l-2mm，辐向尺寸15_35mm低压绕组的实际平均温升模型制作方法1)、实现过程同实施例1-1第1)款第7)款；2)、实际平均温升曲线见附图3；取常用的50IOOk段曲线，可以看出，该指数函数曲线稍微向下弯曲，指数η略小于1，将该段实际平均温升曲线视为直线，制作实际平均温升模型，根据该模型的直线性质得到实际平均温升值AQ与视在热负荷q的一次函数AQ=O.125q+12.5(k)(2)由实际平均温升曲线和推导出的一次函数可知当视在热负荷q=700w/m2时，AQ=100k,即表示F级绝缘内部无气道的绕组，最大视在热负荷不得超过700w/m2。如若超过，则调整q值，即增大散热面积或降低负载损耗，控制温升不超过100K。实施例1-3、内部有气道宽12-15mm，外表包封厚度l_2mm，气道两侧辐向尺寸15-30mm低压绕组的实际平均温升模型制作方法当低压绕组内部无气道的视在热负荷超过绝缘允许的温升限值，调整q值也达不到目的时，必须在低压绕组内部设立气道，以增加散热面积，使热负荷值降低。1)、实现过程同实施例1-1第1)款第7)款；2)、实际平均温升曲线见附图3；取常用的50IOOk段曲线，可以看出，该指数函数曲线亦稍微向下弯曲，指数η略小于1，将该段实际平均温升曲线视为直线，制作实际平均温升模型，根据该模型的直线性质得到实际平均温升值AQ与视在热负荷q的一次函数AQ=O.143q+28.5(k)(3)由实际平均温升曲线和推导出的一次函数可知当视在热负荷q=500w/m2时，ΔQ=100k,即表示F级绝缘内部有12_15mm宽气道的绕组，最大视在热负荷不得超过500w/m2。如若超过，则调整q值，即增大散热面积或降低负载损耗，控制温升不超过100K。二、下面结合实际对本发明根据实际平均温升模型设计温升的方法作进一步描述实施例2-1设计1台三相、50赫兹、1250KVA树脂浇注变压器绕组F级绝缘的温升，其平均温升不超过97K。高压(外)绕组内部无气道，低压(内)绕组设有12mm宽气道。1、高压绕组温升设计1)、首先测算高压绕组负载损耗Pkl；在变压器设计过程中已有设计值，参考温度为120°C的电阻损耗Pk=5756w；涡流损耗Pnl占10.4%，即Pnl=5756X10.4%=599W；引线损耗忽略不计；则参考温度为120°C的负载损耗Pkl=PE+Pnl=5756+599=6355W。2)、根据高压绕组几何尺寸，测算其单只绕组视在表面积Sl=2.825m23)、测算视在热负荷值Q1qi=PklZiS1=6355/2.825X3=750w/m24)、按公式(1)测算出高压绕组平均温升ΔQ1AQ1=0.IX750+15=90k<F级100K限值5)、按附图2实际温升曲线查得AQ1=90.5k<F级100K限值，并满足裕度。6)、若温升测算值超出规定的100K时，则需重新设计高压绕组温升，调整设计绕组的线规截面积及外形几何尺寸，使其负载损耗降低，增大散热面积，降低q值，但必须首先满足变压器技术性能参数的要求。7)、经实际温升试验，ΔQ1=86k<F级100K限值8)、设计结论设计值与试验值相近，符合F级温升限值规定。2、低压绕组温升设计1)、先测算低压绕组负载损耗Pk2在变压器设计过程中已有设计值，参考温度为120°C的电阻损耗Pr=3437w,涡流损耗Pn2测算采用2X920mm箔材，15匝，经测算Pn2=26.92%X3437=925W引线损耗测算值为Pi=358W参考温度为120°C的负载损耗Pk2=P.+P^+Pi=3437+925+358=4720W2)、根据低压绕组几何尺寸，测算其单只绕组视在表面积，并减去气道内被遮盖的面积，经测算视在表面积S2=3.476m2。3)、测算视在热负荷值q2q2=Pk2/S2=4720/3.476=452.6w/m24)、按公式(3)测算出低压绕组平均温升ΔQ2ΔQ2=0.143X452.6+28.5=93.2k<F级100K的限值5)、按附图3实际温升曲线查得AQ2=94k<F级100K的限值，并满足裕度。6)、若温升测算值超出规定的100K时，则需要重新设计低压绕组温升，使其负载损耗降低，调整设计低压绕组的导体截面积及外形几何尺寸，增大散热面积，降低q值，但必须首先满足变压器技术性能参数的要求。7)、经实际试验，ΔQ2=90k<F级100K的限值8)、设计结论设计值与试验值相近，符合F级温升限值规定。实施例2-2设计1台三相、50赫兹、1250KVA树脂浇注变压器绕组F级绝缘的温升，其绕组热点温升限值不超过100K，平均温升不超过97K。高压(外)绕组内部无气道，低压(内)绕组设有12mm宽气道。一、高压绕组温升设计(一)、初步设计1)、首先测算高压绕组负载损耗Pkl；在变压器设计过程中已有设计值，参考温度为120°C的电阻损耗Pk=6689w；涡流损耗Pnl占8.4%，即Pnl=6689X8.4%=562w；引线损耗忽略不计；则参考温度为120°C的负载损耗Pkl=PE+Pnl=6689+562=7251w。2)、根据高压绕组几何尺寸，测算其单只绕组视在表面积S1=2.692m23)、测算视在热负荷值qiqi=PklZS1=7251/2.692X3=897.8w/m24)、按公式(1)测算出高压绕组平均温升AQ1AQ1=0.IX897.8+15=104.8k>F级100K限值5)、按附图2实际温升曲线查得AQ1>F级100K限值6)、由上述平均温升的测算和查取曲线可知，温升超出规定的100K限制，且连同低压绕组的总负载损耗超出国家标准，温升及负载损耗设计均不符合要求，必须重新调整设计，增大线规截面积，降低负载损耗，增大外形尺寸，以增大散热面积，降低q值。(二)、调整设计1)、按上述调整设计思路，重复变压器技术性能参数设计的过程，测算高压绕组负载损耗Pkl;在调整变压器设计过程中的设计值，参考温度为120°C的电阻损耗Pe=5756w；涡流损耗Pnl占10.4%，即Pnl=5756X10.4%=599W；引线损耗忽略不计；则参考温度为120°C的负载损耗Pkl=PE+Pnl=5756+599=6355W。2)、根据高压绕组几何尺寸，测算其单只绕组视在表面积S1=2.825m23)、测算视在热负荷值Q1qi=PklZiS1=6355/2.825X3=750w/m24)、按公式(1)测算出高压绕组平均温升AQ1AQ1=0.IX750+15=90k<F级100K限值5)、按附图2实际温升曲线查得AQ1=90.5k<F级100K限值，并满足裕度。6)、经实际温升试验，ΔQ1=86k<F级100K限值7)、设计结论设计值与试验值相近，符合F级温升限值规定。二、低压绕组温升设计(一)、初步设计1)、首先测算低压绕组负载损耗Pk2在变压器设计过程中已有设计值，参考温度为120°C的电阻损耗Pr=3632w,涡流损耗Pn2测算采用2X920mm箔材，15匝，经测算Pn2=25.47%X3632=925w引线损耗测算值为Pi=355w参考温度为120°C的负载损耗Pk2=P.+P^+Pi=3632+925+355=4912w2)、根据低压绕组几何尺寸，测算其单只绕组视在表面积，并减去气道内被遮盖的面积，经测算视在表面积S2=3.289m2。3)、测算视在热负荷值q2q2=Pk2/S2=4912/3.289X3=497.8w/m24)、按公式(3)测算出低压绕组平均温升ΔQ2ΔQ2=0.143X497.8+28.5=99.7k<F级100K的限值5)、按附图3实际温升曲线查得AQ2=99.5k<F级100K的限值6)、上述平均温升的测算和查取曲线可知，温升值虽未超过规定的100K的限值，但按设计裕度，应比最大限值小于3%，即97K，温升设计值还是偏大，也不符合要求，应重新调整设计，增大导体截面积，降低负载损耗，增大外形尺寸，以增大散热面积，降低q值。(二)、调整设计1)、按上述重新调整设计的思路，重复变压器技术性能参数设计的过程，测算低压绕组负载损耗Pk2:在调整变压器设计过程中的设计值，参考温度为120°C的电阻损耗Pr=3437w,涡流损耗Pn2测算采用2X920mm箔材，15匝，经测算Pn2=26.92%X3437=925W引线损耗测算值为Pi=358W参考温度为120°C的负载损耗Pk2=P.+P^+Pi=3437+925+358=4720W2)、根据低压绕组几何尺寸，测算其单只绕组视在表面积，并减去气道内被遮盖的面积，经测算视在表面积S2=3.476m2。3)、测算视在热负荷值q2q2=Pk2/S2=4720/3.476=452.6w/m24)、按公式(3)测算出低压绕组平均温升AQ2ΔQ2=0.143X452.6+28.5=93.2k<F级100K的限值5)、按附图3实际温升曲线查得AQ2=94k<F级100K的限值，并满足裕度。6)、经实际试验，ΔQ2=90k<F级100K的限值7)、设计结论设计值与试验值相近，符合F级温升限值规定。本发明与现有设计方法的创造性比较第一种设计方法上世纪六十年代以前，树脂包封的电力变压器生产工艺尚在起始阶段，绕组平均温升的设计是参照前苏联的非包封空气自冷干式变压器温升设计方法，先把铁芯、线圈看作互不影响的发热个体，再对散热气道内的散热面积进行系数折算，计算出铁芯、内、外线圈各自的温升AQc/、AQ1'、ΔQ2‘，然后考虑它们之间由于温度不同而发生的热辐射发生的温升校正量Δτ/,Δτ/、Δτ2'，对前者温升计算值进行校正，得出线圈平均温升值。(见文献1、《干式变压器》沈阳变压器研究所情报室1989.6；文献2、《空气自冷变压器温升计算》上海变压器厂1969.10)，其高压外绕组平均温升设计程序如下①、计算绕组外侧表面的散热面积S1(m2)②、计算绕组内侧表面的散热面积S2(m2)③、计算气道对内侧散热面的折合系数α=0.5—VI^J式中Α为气道宽度(mm)；H为气道高度(mm)④、计算等效散热面积S=S1+αS2(m2)ρ,⑤、计算绕组的平均热负荷q(w/m2)式中Pk为绕组的短路损耗(W)⑥、计算绕组产生的温升AQ'=0.36q08(k)⑦、进行温升校正Δτ计算利用上述第⑥款公式，此时q为热交换的两个散热面之热负荷差值。差值为正时，Δτ为正；差值为负时，Δτ为负值。⑧、校正后的绕组平均温升AQ=AQ'士Δτ(k)例如有一三相高压绕组，外径0202mm，内径0186，高度198.5mm，气道宽度10mm，每相6根，短路损耗347w，则计算如下S1=3X202πX198.5X1(Γ6=0.378(m2)S2=3(18631-6X10)X198.5Χ1(Γ6=0.312(m2)A=5.5(mm)α=0.56Γ=0-239I220JS=O.378+0.239X0.312=0.4685(m2)q=^lZ_=740(w/m2)0.4685AQ'=0.36X740°·8=71k校正温升Δτ=0AQ=71-0=71k从第一种设计方法可以看出，该套公式使用的条件是①、适用于非包封的空气自冷线圈；②、计算公式AQ'=0.36q°_8中的系数0.36和指数0.8均是经验系数，且受当时试验模型偏小的限制，对较大容量变压器不适用。因而，该套公式不适应树脂包封的绕组。实践证明，用此公式计算，其设计值比实测值偏低1520K。特别是较大容量产品，用此公式设计的最终试验结果往往是温升超限，产品温升的型式试验很难合格。第二种设计方法上世纪六十年代，德国人发明了一种用玻璃丝粘上环氧树脂做绝缘进行缠绕的干式变压器，类似于现在的树脂包封变压器，其温升设计基于散热是通过对流和辐射两种形式在内绕组与铁芯之间以对流散热为主，以辐射在两者之间发生热平衡交换；在外绕组上，内侧以对流散热为主，外侧以辐射散热为主，并与内绕组发生热平衡交换进行温升校正(见德国缠绕式干变计算单)。设计高压(外绕组)程序如下①、计算外绕组内、外表面热负荷q(w/m2)②、计算外绕组内侧气道折算系数③、计算外绕组内侧有效对流系数式中对于F级ak=0.76k(298」④、计算外绕组外侧有效对流系数(w/m2·k)⑤、计算外绕组内、外侧总等效散热系数K1=D12α1+Dnα^F1F0式中α0为外侧对流分配比例0.580.53；αi为内侧对流分配比例0.420.47f0为外侧辐射分配比例0.370.34；F1为外侧辐射系数710(w/m2.k)，F级绝缘为8.6。⑥、校正前温升ΔQ。=q/X(k)⑦、进行热平衡校正温升按内、外绕组间每相差3.5k将使对方提高Ik温升的原则进行校正。当高压内无气道时不进行温升校正。例如一台1250KVA高压线圈，高、低压间气道宽31mm，高压内部气道宽24mm，电抗高度544mm。①、高压绕组内侧计算表面热负荷q12=688.99(w/m2)气道平均宽度A=(31+24)/2=27.5(mm)气道折算系数^8.628x0.76…，.,2,χ有效对流系数A2=Z544/V,5二7·636(W/m*k)ν/1000/内侧未校正前温升AQ12'=688.99/7.636=90.22(k)②、高压绕组外侧计算表面热负荷qn=995.67(w/m2)气道折算系数α=9I-Z54°J=8.431^8.431x0.76ηr/2！、有效对流系数化=(540/^-7.47(w/m-k)V/1000/^9x0.76^^./2,NA1=(产二7.97(w/m2·k)I/iooo/α。为0.58;αi为0.42;F。取0.37取8.6；外侧总等效散热系数K1=7.47X0.42-7.97X0.58+8.6X0.37=10.949(w/m2.k)外侧未校正前温升=AQ11'=995.67/10.949=90.93(k)③、高压绕组平均温升=AQ1=(90.22+90.93)/2=91(k)第二种设计方法是在高压内侧有绝缘筒，层、匝间绝缘材料内含有60%以上的玻璃丝纤维的情况下使用的方法，因而也不适用于树脂浇注的变压器。第三种设计方法到了上世纪八十年代，随着世界上树脂包封变压器生产工艺的不断成熟，温升设计也趋成熟，据国外MICAFIL公司资料介绍，它是先估算一个温升值，并计算在估算温升下的损耗以及散热表面积，同时对散热气道进行折算，再按照热传递理论，分别按热传导、对流和辐射进行较精确计算，当计算的热流量与实际热流量有出入时，重新估算温升值，重复上述计算过程，直至计算的热流量与实际热流量相吻合，就认为估取值就是应计算的温升结果(见国外MICAFIL公司资料)。其高压(外绕组)设计程序如下①、估取温升数值AQ;②、计算绕组在估取温升下的每相损耗值Pk(瓦)；③、计算绕组外表面积S1Oii2)；④、计算绕组内表面积S2(m2)；⑤、平均气道宽J二Ο.δψ^η^-M22D1式中=DpD2为气道两侧表面的直径⑥、计算气道对流系数α=6.87589·IO10·AQ·A4/l式中1为线圈高度(cm)⑦、计算对流产生的热传递功率Pc高压内表面对流热量13高压外表面对流热量P1=30.01‘β·S1·ΔQ/1(瓦)式中D3为外直径⑧、计算外绕组热辐射引起的热传递功率高压外表面辐射热量Pr=2.6649·1(Γ8·S1·[(ΔQ+313)4_3134](瓦)⑨、对流和辐射产生的总热量ΣP=PAPJPr(瓦)⑩、将对流和辐射的总功率ΣP与每相功率Pk进行比较，如果很接近，则认为上述估取值就是绕组平均温升，如果比较的数值相差较大，则重新估取温升值，重复上述计算，直至辐射和对流的总功率与估取值相接近为止。例如计算一台1250KVA高压外绕组平均温升线圈高1=815mmPk=1485.53(瓦)内表面积S2=1.3109(m2)外表面积S1=1.4517(m2)估取温升值AQ'=73.1(k)平均气道宽气道对流系数=465.55(瓦)P1=30.OlXβXS1XΔQ/1=593.52(瓦)Pr2_3=-60.239(瓦)Pr=2.6649·1(Γ8·S1·[(ΔQ+313)4+3134]=488.41(瓦)ΣP=465.55+593.52-60.239+488.41=1487.24(瓦)ΣP-Pk=+1.711(瓦)比较结果，说明在估取温升值下计算的散热值与实际负载损耗值接近，因此认为估取温升值73.Ik就是绕组平均温升值。由此可见，第三种设计方法虽然计算数值较为接近，但其设计程序非常繁琐，增加了很大的工作量，一旦估取的温升数值与实际值有出入，计算过程就必须推倒重来，而且要反复数次，才能得出合理的计算结果。因此认为，该套方法的实用性较差。第四种设计方法上世纪九十年代，树脂包封变压器在全世界广为流行，并且不断把技术引进我国，温升设计程序也得到了简化，实用性更强了。它既根据热传递的理论，又不断地总结了实践经验系数。其高压(外绕组)设计程序如下(见文献《干式电力变压器理论与计算》路长柏等编著2003.10)①、计算线圈散热表面积S(m2)及内、外表面积SyS1Oii2)②、计算线圈内层绝缘等效厚度E(mm)③、计算每相线圈损耗Pk(W)④、计算绕组在以热传导方式将全部热量传导绕组表面时，绕组层间绝缘产生的平均温升ΔQ1AQ1=^x50xE(k)⑤、计算绕组内、外表面散发的热量WW=9.3S1+4.4S2(瓦)式中4.4和9.3分别为内、外表面的散热系数(w/dm2)⑥、计算绕组表面对流的平均温升AQ2，即是为了散发Pk产生的热量，绕组温升达到ΔQ2值AQ2=PK/S*50*E⑦、全部温升AQ=AQ1+AQ2(k)例如计算一台250KVA高压绕组温升。①、高压外表面积S1=6060(mm2)高压内表面积S2=5111(mm2)②、115°C时每相损耗825w③、层绝缘等效厚度五=3.5+^^x0.76=4.64(nun)@、AQ,=-χ50χ4.64/6060+5111*50*4364=17.1K⑤、高压绕组表面对流热量W=225+564=789(W)'825、⑥、AQ2=(825/789)0.75*80=82.7K⑦、AQ=82.7+17.1=99.8K第四种设计方法也是在许多假定的条件下得出的，并且在很大程度上依赖于经验系数，设计时它包含有以下假定条件①、每层导线的温度相同，即未对最热点温升进行校正，而实际上最热点温度随线圈厚度的增加而增加。②、认为绕组表面为一平面，实际上高压绕组约有75°85°左右范围内的分接位置不是一个平面，而是厚度不同的曲面。③、所有热量是靠热传导、对流和辐射散发于周围空气中，并且认为绕组间气道的辐射与对流相比，可以认为辐射小得可以忽略不计。④、外表面的散热系数9.3w/dm2和内表面的散热系数4.4w/dm2是通过实验得出的经验系数。⑤、上述公式第⑥款中的平均温升计算公式中的指数η=0.75也是经验系数，且取决于工艺和所用的绝缘材料。因此认为，第四种设计方法虽简化了很多，实用性增强了，但假设的条件降低了计算的准确性。综以所述，上述各种设计方法均是按照热传导、对流、辐射的形式，同时考虑气道对辐射、对流的影响，计算其折合系数，并在很大程度上受引入经验系数而使设计结果发生偏差，有的计算过程较为繁杂，特别是对较大容量的变压器绕组，更难把握。权利要求一种树脂包封变压器绕组温升设计方法，其特征是它包括实际平均温升模型的制作方法和根据实际平均温升模型设计温升的方法1)、实际平均温升模型制作方法①、实物试验，确定实际平均温升ΔQ参数对不同大小容量、不同辐向厚度、不同包封厚度的树脂包封变压器绕组进行实际温升试验；试验方法按照国家标准允许采用的模拟负载法，并对线圈中流过额定电流和铁芯为额定励磁时的各个线圈温升进行校正，测算出每种线圈的实际平均温升ΔQ；②、整理实际平均温升ΔQ参数按不同辐向厚度和不同包封厚度的绕组，分类整理实际平均温升ΔQ数据；③、确定视在表面积参数以绕组为一发热整体，计算上述对应的每台产品绕组的散热视在表面积S(m2)；④、计算负载损耗Pk参数计算上述对应的每台产品绕组为所选择绝缘耐热等级的参考温度时的负载损耗Pk，包括电阻损耗、涡流损耗、和引线损耗；这些损耗在变压器设计过程中已有设计；⑤、测算视在热负荷q参数测算上述对应的每台产品绕组的视在热负荷q<mfencedopen=''close=''><mtable><mtr><mtd><mi>q</mi><mo>=</mo><mfrac><msub><mi>P</mi><mi>k</mi></msub><mi>S</mi></mfrac></mtd><mtd><mrow><mo>(</mo><mi>w</mi><mo>/</mo><msup><mi>m</mi><mn>2</mn></msup><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mfenced>此视在热负荷q值系视在表面积对应的热负荷值，它是反应热传导、对流、辐射三者总的散热效果的视在热负荷值；⑥、在直角坐标上，标出各分类绕组视在热负荷值q与对应的实际平均温升值ΔQ的象限点；⑦、将坐标上各象限点，按绕组的不同分类，绘制出不同辐向厚度和不同包封厚度的实际平均温升曲线；⑧、取常用的一段曲线，将该段的实际平均温升曲线视为直线，制作实际平均温升模型，根据该模型的直线性质得到实际平均温升值ΔQ与视在热负荷q的一次函数；2)、根据实际平均温升模型设计温升的方法①、根据环氧树脂包封空气自冷式电力变压器技术性能参数计算的结果，得到绕组为所选择绝缘耐热等级的参考温度的负载损耗Pk(瓦)，包括电阻损耗、涡流损耗、和引线损耗之和；②、根据变压器高、低压绕组的几何尺寸，计算其视在表面积S(m2)；③、测算视在热负荷值q；q＝Pk/S(W/m2)④、根据实际平均温升模型中的平均温升ΔQ与视在热负荷q的一次函数关系式，测算出绕组的平均温升ΔQ；比较该平均温升ΔQ值是否符合设计要求；⑤、或再按实际平均温升模型中的视在热负荷q与平均温升ΔQ对应的曲线，查取平均温升ΔQ值，并与上述测算值以及对应的绝缘等级温升限值相比较，视以上两种平均温升ΔQ值是否符合设计要求；⑥、若上述温升值超过设计要求的规定时，在满足变压器技术性能参数的要求的前提下，对绕组重新设计，调整绕组的线规截面积以及外形几何尺寸，使其负载损耗降低，增大散热面积，降低q值；⑦、对重新设计绕组的参数再进行①至⑤的论证；⑧、进行实际温升试验，以验证设计的准确性；⑨、温升设计的裕度考虑到最热点温度是在绕组厚度的中部向上偏离的位置，而上述设计是指绕组的平均温升，并不是最热点温升，因此，设计必须留有一定的裕度，设计裕度应比允许的最大值小2～3％左右。2.根据权利要求1所述的一种树脂包封变压器绕组温升设计方法，其特征是F级绝缘系统的内部无气道高压绕组的实际平均温升模型制作方法为测算内表面包封厚度2-3mm，外表面包封厚度4_6mm，层间绝缘0.4-0.6mm,辐向尺寸2040mm各种大小的高压(外)绕组实际平均温升参数，在直角坐标上，标出视在热负荷值q与对应的实际平均温升值AQ的象限点，制作实际平均温升曲线；取常用的45100K段曲线，将该段实际平均温升曲线视为直线，制作实际平均温升模型，根据该模型的直线性质得到实际平均温升值AQ与视在热负荷q的一次函数AQ=0.lq+15(k)。3.根据权利要求1所述的一种树脂包封变压器绕组温升设计方法，其特征是F级绝缘系统的内部无气道、外表包封厚度l_2mm，辐向尺寸1535mm低压绕组的实际平均温升模型制作方法测算各种大小低压绕组实际平均温升参数，在直角坐标上，标出视在热负荷值q与对应的实际平均温升值AQ的象限点，制作实际平均温升曲线；取常用的50IOOk段曲线，将该段实际平均温升曲线视为直线，制作实际平均温升模型，根据该模型的直线性质得到实际平均温升值AQ与视在热负荷q的一次函数AQ=0.125q+12.5(k)。4.根据权利要求1所述的一种树脂包封变压器绕组温升设计方法，其特征是F级绝缘系统的内部有气道宽12-15mm，外表包封厚度l_2mm，气道两侧辐向尺寸1530mm低压绕组的实际平均温升模型制作方法测算各种大小低压绕组实际平均温升参数，在直角坐标上，标出视在热负荷值q与对应的实际平均温升值AQ的象限点，制作实际平均温升曲线；取常用的50IOOk段曲线，将该段实际平均温升曲线视为直线，制作实际平均温升模型，根据该模型的直线性质得到实际平均温升值AQ与视在热负荷q的一次函数AQ=0.143q+28.5(k)。全文摘要本发明涉及用环氧树脂包封的空气自冷式电力变压器高、低压绕组的一种基于实际平均温升模型的温升设计方法，属于变压器
技术领域：
。它包括实际平均温升模型的制作方法和根据实际平均温升模型设计温升的方法以实测温升参数为基础，制作实际平均温升模型，再利用该模型及实际平均温升值ΔQ与视在热负荷q的函数关系曲线设计温升，本发明可替代传统的、繁杂的热传导、对流及辐射的计算，能较迅速地设计出与实测值基本相符的平均温升数值，大大地简化了设计程序，节约设计时间，提高设计数值的准确度，特别适用于35kV及以下、6300kVA及以下的树脂包封高压内部无气道绕组和低压内部有、无气道绕组，温升试验合格率可达100％。文档编号H01F41/04GK101930841SQ20101025096公开日2010年12月29日申请日期2010年8月11日优先权日2010年8月11日发明者华庆红,魏华,魏海,魏胜璋申请人:江西特种变压器厂