天然酯绝缘油与矿物绝缘油混油后变压器温升特性的仿真分析

胡小博等：天然酯绝缘油与矿物绝缘油混油后变压器温升特性的仿真分析

89天然酯绝缘油与矿物绝缘油混油后

变压器温升特性的仿真分析胡小博「，陈荣I,郭明邦S龚俊2,张晨3,李华强，(1.西安西电变压器有限责任公司，陕西 西安710077； 2.广东卓原新材料科技有限公司，

广东中山52845& 3.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西西安710049)摘要：以矿物绝缘油与天然酯绝缘油的混合油作为研究对象，仿真对比研究不同比例混合油应用于变压器

中时变压器内部温度场及流体场的分布情况。首先建立了二维变压器绕组简化模型，然后结合混合油的热力

学参数及变压器绕组的损耗功率，利用有限容积法计算了变压器的温度场及流体场。仿真计算结果表明：模 型内部温度场同时受绕组损耗与散热速率的影响，随着混合油中矿物油比例的逐渐减小，混合油的运动黏度 不断增加，促使变压器的散热效率降低，但是混合油的比热容与热导率会不断增加。两者的共同作用导致随

着混合油中矿物油比例的不断减少，变压器的绕组温升及油平均温升整体呈上升趋势。关键词:变压器;天然酯绝缘油；混油;温升特性;仿真;分析中图分类号:TM214；TM411

文献标志码:A 文章编号:1009-9239(2019)11-0089-06DOI： 10.16790/j.cnki.l 009-9239.im.2019.ll.015Simulation Analysis on Temperature Rise Characteristics of Transformer After Mixing Mineral Insulating Oil with

Natural Ester Insulating OilHU Xiaobo1, CHEN Rong GUO Mingbang2, GONG Jun2, ZHANG Chen3, LI Huaqiang3 (7. Xi，an XD Transformer Co., Ltd., Xi an 710077, China; 2. Guangdong Jooyn New Materials

Technology Co., Ltd., Zhongshan 528458, China; 3. State Key Laboratory of Electrical Insulation for

Electric Equipment, Xi'cm Jiaotong University, Xi，an 710049, China)Abstract: Using the mixed oil of mineral insulating oil and natural ester insulating oil as research ob­ject, a simplified two-dimensional transformer winding model was established. Combining with the thermo・

dynamic parameters of mixed oil and the loss power of transformer winding, the temperature field and fluid field of transformer were calculated by finite volume method. The simulation results show that the

internal temperature field of model is affected by the winding loss and heat dissipation rate at the same time. With the decrease of the mineral oil percentage in the mixed oil, the kinematic viscosity of the

mixed oil increases, and the heat dissipation efficiency of transformer reduces, but the specific heat capac・

ity and thermal conductivity of the mixed oil continue to increase, which makes the temperature rise of transformer winding and average temperature rise of oil increase monotonously with the decrease of min-

eral oil percentage in the mixed oil.Key words: transformer; natural ester insulation oil; mixed oil; temperature rise characteristic; simulation; analysis收稿日期:2019-07-30 修回日期：2019-08-28基金项目：2017年绿色制造系统集成项目《环保型变压器与环保型气体绝缘金属封闭开关设备绿色关键技术工艺系统集成项目》 作者简介：胡小博(1979-),男(汉族),重庆人，博士，主要从事变压器研发、变压器用绝缘材料的研究。胡小博等：天然酯绝缘油与矿物绝缘油混油后变压器温升特性的仿真分析绝缘材料2019,52(11)900引旨当前，我国的电网规模及总发电量已跃居世界 首位，发电量和输电量的增加对电网的安全可靠性 提出了更高的要求。变压器作为电网中最重要的

变电设备，其安全稳定运行对电网至关重要，而变

压器的温升特性直接影响到变压器的运行稳定性。目前液浸式变压器产品多采用矿物油作为绝 缘及冷却介质，矿物绝缘油具有良好的电气性能及

理化性能，但其存在燃点低以及生命周期结束后难 以降解和处理等缺点，同时矿物油不可再生，未来 的使用与发展可能受到严重制约冋。随着社会的

发展，人们对绝缘油的环保和可再生特性提出了更 高的要求，天然酯绝缘油应运而生并在诸多应用场 所替代了传统的矿物油。天然酯绝缘油（俗称植物

绝缘油）由天然的油料（大豆、油菜籽、葵花籽、棕桶

果等）经过压榨（或浸出）、精炼、复配等工艺制备而 成，是一种新型环保液体绝缘介质3。天然酯绝缘 油具备较高的燃点,可达到300 °C以上，其微生物降 解率超过98%,可有效解决矿物油防火安全性较低 以及难以降解的缺点，我国部分耐过载负荷配电变 压器采用了由矿物油与天然酯绝缘油按照一定比 例混合形成的混合绝缘油叫但该混合绝缘油的热

力学特性包括运动黏度、热导率、比热容等均与传

统矿物油有所区别，为了更精确地确定变压器的温 升特性，确保变压器的安全稳定运行，需要对混合

油的热学特性及流动特性进行进一步的研究。本研究主要针对混合油变压器的温升特性进 行计算与仿真分析，找岀不同混油比例条件下配电

变压器内部温升特性的变化趋势。1流体及热场仿真理论基础任何经流体传热的规律都由以下3个定律为基

础进行研究:质量守恒定律、动量守恒定律、能量守 恒定律，其中质量守恒方程又称连续性方程。为了

研究流体运动及传热特性，可以通过数值计算的方

法来求解这些方程组进而实现有限元的分析。流体流动的连续性方程的微分形式为式（1 ）。石°P

+

,+ °帥）,%以J _ a 0

z⑴n式⑴中：“八“八“,为X、Y、Z3个方向的速度分量；/

为时间，单位为s；p为密度，单位为kg/m'。哈密顿微分算子为式（2）。则式（1）可表示为式（3）。警+▽佃）=0

（3）对于恒定流体，3p/3Q0,连续性方程形式为式（4）。(4)对于不可压缩流体，\"为常数，则连续性方程形

式为式（5）。譬+詈+讐(5)动量方程满足牛顿第二定律，其X、Y、Z3个方 向的动量方程为式（6）。

響+ ▽如）=咚+嘗討存+\"

•響+心心斛凳+黑鲁+〃⑹ 響心阳）一埶聖+黑聖诃

式（6）中：P为流体微元体上的压强，单位为Pa； “、 G、九等为粘性应力的分量,单位为Pa；；； 为3个 方向的单位质量力。由广义内摩擦定律（本构方程）可知式（7）〜（8）o- 如&- 如一+2V-w砂(7)=

如一

&式（7）〜（8）中：“为运动黏度；2为第二黏度，通常 取-2/3。则动量方程可简化为式（9）。+ ▽◎\"月)=一鲁 + ▽•(\" ^ad ”J + S”，

’■%°+%\">\")=-^+%grad“J + S”，⑼

\"黑 + ▽•(。\"同=_ 警 + ▽{“ grad \"J + S“

式(9)中，S”» 、S”y 、S”J为广义源项，其公式为式绝缘材料2019,52(11)胡小博等：天然酯绝缘油与矿物绝缘油混油后变压器温升特性的仿真分析(10)〜(11)。S,=pf广 s*-Su =pfy + Sy

(10)S”,=M+S对于粘性为常数的不可压缩流体,s*、s,、s；通常 为0。能量守恒定律为包含热交换流动系统一定满 足的基本定律，其本质是热力学第一定律，其表达

式为式(12)。+v■[«(/;£•+p)] = V-[/refrVr-

+ (r討)]+ s» (12)式(12)中：E为流体微团的总能量，其公式为式 (13)也为组分/的焙;爲为有效传热系数，其公式为

式(⑷胡为组分/的扩散通豊切为有效粘性应力； &为包含了化学反应热及其他用户定义的体积热

源项。E=h_Z +(13)P冬

2kef{=k + k,

(14)式(13)-(14)中必为恰皿为修正传热系数为湍流

传热系数。2模型建立及参数条件2.1物理模型建立及网格条件以典型结构的10 kV/200 kVA配电变压器为研

究对象，选取该变压器二维模型中的B相进行仿真

计算，计算区域以B相铁心中心线为对称轴,取其对 称区域中的一半以围屏包围绕组的油流区域为对

象，使用ANSYS FLUENT 14.0软件进行有限元仿 真计算，其简化模型如图1所示。出油口

进油口模拟高 压绕俎模拟低 压绕组图1绕组物理模型示意图Fig.l Schematic diagram of winding physical model对于典型结构的10 kV/200 kVA配电变压器,

91高压绕组通常采用铜线绕制，绕组结构为层式结

构，可将铜线及其绝缘部分当作整体处理，低压侧

绕组采用相同的方法进行处理。对模型进行网格划分，如图2所示，网格的划分

主要是考虑到边缘处的细化计算，网格数共计为

389 90。(a)绕组模型(网格划分前)(b)绕组模型(网格划分后)

图2绕组模型网格划分Fig.2 Mesh generation of winding models2.2各材料物性参数设定传热过程中，变压器绝缘油的温度将在一定范 围内变化，且变压器油的理化特性会随温度变化而 改变，不同比例混合油的密度、导热系数、黏度系

数、比热系数随温度的变化趋势如图3所示。对于不同比例的混合油，由于无法全部测量其 在各个温度下的性能参数，故根据图3的实测数据

进行了式(15)的拟合，结果如表1所示。y = cly,+c2y2 (15)式(15)中:必、必分别为某确定温度下矿物油与天然 酯绝缘油的性能参数;o、C2分别为该确定温度下混

合油中矿物油与天然酯绝缘油所占比例。由图3(c)可知，随着温度的升高,混合油中天然

酯绝缘油的比例越高，其黏度系数的下降速率越

快，当温度达到90 °C及以上时，其黏度系数与矿物温度/匸⑻不同比例混合油的密度92胡小博等：天然酯绝缘油与矿物绝缘油混油后变压器温升特性的仿真分析绝缘材料2019,52(11)0.18]0.1700.16E0.15 ^0.14 器 0.13-

<0.120.110.10(b)不同比例混合油的导热系数0.18 二0.16 音014 疳 0.12

兰 0.10 誰 0.08 擲 0.06 歳 0.040.0200 10 20 30 40 50 60 70 80 90100110温度厂C(c)不同比例混合油的黏度系数2500-

2400-

2300

2200 2100

W*油：m天然困2000

・ 100：0 ♦ 99：1 1900-

亠80：：20 十 ♦ 7016：3090 1800

-<-5：95 f-l：9917000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 lOoTlO温度/°c(d)不同比例混合油的比热系数图3不同比例混合油的参数随温度变化的规律Fig.3 The variation law of parameters of

mixed oils with temperature表1变压器绝缘油的部分物理参数Tab.l Partial physical paramenters of

transformer insulating oil特性参数

矿物油(25*) 天然酯绝缘油密度p/(kg/n?) 尸-0.5809PH 051.8尸-0.677 3田1 119.3导热系数k

/(W/(m-K))

y=-8xl057^0.132尸-3xl(fTH).241 9

黏度系数

尸 1573.7「°灯/(kg/(m・s))

尸73&03「呦比热系数G

/(J/(kg・K))尸4.182 77>621.72尸3.947 37^991.71绝缘油接近，此时不同比例混合油的黏度系数对变压器温升的影响几乎相同。2.3变压器绕组损耗高低压绕组损耗密度如表2所示。表2高低压绕组损耗密度Tab.2 HV and LV windings loss density绕组体积/m，损耗/w损耗密度/(W/m‘)HV0.007 82464.3759 366.74LV0.002 31404.53175 122.663不同比例混合油下模型温度-流体场仿真

分析经过仿真求解可以得到不同比例混合油下模 型内部达到温度平衡状态时的温度-流体场分布,

图4仅列出了全部采用天然酯绝缘油时模型的温 度-流体场分布。单位:K.323.00Ml 321.85 麟 320.70*

319.55318.40317.25316.10314.95313.80312.65311.50310.35309.20308.05306.90305.75304.60303.45302.30301.15300.00(a)温度场单位:m/s0.01360.01290.01220.01160.01090.01020.00950.00880.00750.00680.00610.0054 10.00480.00410.00340.00270.00200.00140.00070(b)流体场图4全部采用天然酯绝缘油时模型的温度-流体场Fig.4 Temperature-fluid field of the model withnatural ester insulating oil绝缘材料2019,52(11)胡小博等：天然酯绝缘油与矿物绝缘油混油后变压器温升特性的仿真分析从图4可以看出，绝缘油流速最大处位于上下 进岀油口位置，温度最高处位于低压侧中上部。将

该模型在不同混油比例下的最大流速及最高温升 进行汇总整理，结果如图5〜6所示。.01o 3H(s/m)o・ 2H、・

鰹o卜瑕« .01，0

境o.013.01

,.01O 3

19-1100：0 99：1 80：2070：3010：90 5：95 1：99 0：100m矿物油• m天然酯图5不同比例混合油下油流速度最大值情况Fig.5 Maximum oil flow velocity under different proportions of mixed oil77 J -♦绕组最高温升・绝缘油平均温升20 _七1

自嘶

1210 . • •100：0 99：1 80：2070：3010：90 5：95 1：99 0：100m矿物油• m天然酣图6不同比例混合油下绕组与绝缘油的温升情况Fig.6 Temperature rise of coil and insulation oil

under different proportions of mixed oil从图5可以看出，当矿物油、天然酯的比例从

100：0减少至0： 100时，油流最大速度单调下降，当

矿物油、天然酯的比例从100：0减少至99： 1以及从 1：99减少至0： 100时,油流速率下降缓慢。当全部采

用矿物油时，其最大流速最大,其值为0.013 6 m/s；当

全部釆用天然酯时，其最大流速最小,其值为0.009 3 m/s,不同混合比例下的绝缘液体黏度特性对配电 变压器内部的油流速有较大的影响。从图6可以看出，绕组最高温升与绝缘油平均

温升具有相似的变化趋势，与最大流速的变化趋势 相反，当矿物油、天然酯的比例从100：0减少至99： 1 时，绕组最高温升有所降低，当矿物油、天然酯的比 例从99： 1减少至0： 100时，绕组最高温升呈上升趋

势，绝缘油平均温升也呈单调上升趋势。当矿物 油、天然酯的比例为99：1时，其绕组最高温升值最

93小，为18.5K,当全部采用天然酯绝缘油时，其绕组 最高温升值最大，为22.4 K；最大值与最小值之间相

差 3.9K。当矿物油、天然酯的比例为100：0与99： 1时, 其具有相同最低的绝缘油平均温升，为8.5 K,当全

部釆用天然酯时，其具有最高的绝缘油平均温升,

为11.3 K；最大值与最小值之间相差2.8 Ko对于绕组温升来说，其主要受自身产热功率与

散热速率的影响，本模型在不同混油比例的仿真计 算中，绕组发热功率一致，故绕组温升主要由模型

的散热速率决定。散热速率主要受绝缘油的黏度、

导热、比热等理化特性的影响，随着混合油中天然

酯绝缘油占比的增大，混合油的黏度逐渐增大，但

其导热系数与比热也逐渐增大，故能部分补偿混合

油黏度增大而造成的绕组温升增加，因此绕组温升 曲线并不是呈单调上升的趋势，对于绝缘油平均温

升也是同样的道理。对于因共用注油管道而导致的混和油来说，由 于矿物油与天然酯绝缘油比例为1：99时绕组最高 温升相比全部采用天然酯绝缘油下降0.5 K,矿物油

与天然酯绝缘油比例为99： 1时绕组最高温升相比 全部釆用矿物油下降0.2 K,可以忽略其影响。对于因矿物油变压器再填充天然酯绝缘油而 导致的混合油（矿物油与天然酯比例为5： 95或 10： 90）来说，绕组最高温升相比矿物油分别提升

2.5K与2.1 K；而矿物油与天然酯的比例为70：30与

80：20时,绕组最高温升相比矿物油分别提升0.8 K

与0.5 Ko对于实际配电变压器而言,这两种混油比 例可能导致绕组温升的增加，故在实施混油前应考

虑混油后温升增加对配电变压器安全运行的影响。4结论通过建立模拟配电变压器温升特性的二维仿 真模型，利用有限容积法计算了不同的混合油应用 于同一模型中时模型内部温度场及流体场的分布, 得到如下结论：① 对于所有的绝缘油，绕组的温度最高处均位

于绕组低压侧的中上部，绝缘油流速最大处均位于 上下进出油口位置处。② 当混合油中矿物油比例逐渐减少时,绕组温

升整体呈上升趋势，当绝缘油不含矿物油即为全部 采用天然酯绝缘油时，温升达到最高值。在不同混

油比例下，绕组最高温升的最大差值为3.9 K,绝缘

94胡小博等：天然酯绝缘油与矿物绝缘油混油后变压器温升特性的仿真分析绝缘材料2019,52(11)油平均温升的最大差值为2.8 K。对于注油管道混油现象(矿物油与天然酯绝③[2] 彭勇.天然酯油的特性及应用于变压器时的注意事项[J].中国

高新技术企业,2014(26):76-7&缘油比例为1：99或99：1),可忽略其对温升的影响,

[3] 蔡胜伟，胡远翔,陈江波，等.天然酯绝缘油加速热老化时油中溶

解气体研究[J].绝缘材料,2015,48(4):30-34,39.而对于再填充或混合使用情况，不能忽略混油对变 压器的温升影响，需要有针对性地对变压器设计加 以调整。[4] 刘光祺，钟力生,于钦学，等.植物绝缘油研究现状[J].绝缘材料,

2012,45(3):34-39.[5] 陈朋，余辉，陈江波，等.植物绝缘油主要组分的理化与电气性能

研究[J].绝缘材料,2014,47(3):45-49.参考文献：[1]张涛，肖霞，杨文雁，等.变压器用天然酯绝缘油研究现状[J].油

[6] 寇凌峰，王金丽,宋祺鹏，等.不同混合绝缘油性能的试验研究

[J].绝缘材料,2017,50(2):76-80.脂化工,2019,44(4):66-71.