邵志偉，黃亞繼，劉明濤

（1.東南大學能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096；2.江蘇省電力設計院，江蘇 南京 211102）

油浸式電力變壓器系統(tǒng)的數(shù)值優(yōu)化

邵志偉1，黃亞繼1，劉明濤2

（1.東南大學能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096；2.江蘇省電力設計院，江蘇 南京 211102）

為了改善油浸式變壓器通風系統(tǒng)的散熱效果，按照正交試驗方法設計工況，利用計算流體力學方法，對油浸式變壓器系統(tǒng)中散熱器室通風進行了數(shù)值模擬。通過改變影響散熱的參數(shù)，分析了各參數(shù)對散熱效果的影響規(guī)律。研究結果表明：機械進風口寬度對散熱效果的影響最為顯著，機械進風口位置和機械通風速率的影響次之，自然通風速率的影響最小，并在此基礎上提出了優(yōu)化參數(shù)組合方式。

油浸式電力變壓器；數(shù)值優(yōu)化；正交試驗

0 引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，高電壓、大容量的變電站深入市區(qū)，但根據(jù)《城市電力網(wǎng)設計導則》要求，變電站的建設必須與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，因此，不得不將變電站轉(zhuǎn)移至戶內(nèi)甚至地下。油浸式電力變壓器具有承受負載大、噪音小和結構簡單等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛使用。油浸式變壓器的冷卻主要是通過片式散熱器來實現(xiàn)的，油泵將變壓器上部高溫油送入散熱器內(nèi)，再由翅片將熱量傳到空氣中通過自然對流散失［1－5］。

散熱器表面熱點溫度和散熱效率是評價油浸式變壓器通風系統(tǒng)散熱效果優(yōu)劣的兩個重要指標，受自然通風速率、機械通風速率、機械進風口寬度與機械進風口位置因素的影響，但近年來國內(nèi)外學者在該領域的研究鮮見報道［6］。為了獲得上述影響因素之間的關系，本文提出了一種油浸式變壓器混合通風的優(yōu)化方法，首先，采用Fluent軟件對散熱器通風的多個工況進行了數(shù)值模擬；然后在正交試驗思想指導下，通過改變各影響因素進行多工況模擬，分析了各因素對散熱器溫度降低的影響，并提出優(yōu)化的參數(shù)組合方式［7－8］。

1 散熱器數(shù)值模擬

1.1 幾何模型

圖1為油浸式變壓器通風系統(tǒng)示意圖。由圖1可知：散熱器和變壓器分體布置在相鄰房間內(nèi)，變壓器室和散熱器室由變壓器室通風口連通。油浸式電力變壓器通風系統(tǒng)運行時，冷風通過變壓器室自然進風口和散熱器室自然進風口分別進入變壓器室和散熱器室，最終由散熱器室排風口排出。本文重點研究油浸式電力變壓器通風系統(tǒng)中散熱器室自然通風速率、機械通風速率、機械通風口位置、機械通風口寬度對散熱效果的影響規(guī)律，首先通過Gambit建立數(shù)學模型，再利用Fluent進行數(shù)值計算，最后在正交思想指導下研究各因素之間的影響關系，并得到最佳參數(shù)組合。油浸式通風系統(tǒng)各參數(shù)見表1。

圖1 油浸式變壓器通風系統(tǒng)示意圖

變電站實際運行過程中，空氣在散熱器內(nèi)部通道中的流動是三維、非定常、可壓縮黏性流體的流動過程。但由于計算機內(nèi)存限制和計算時間合理性等問題，完全模擬散熱器內(nèi)部的流場是十分困難的，在一定誤差允許范圍內(nèi)可對模型作適當簡化［9］。

表1 油浸式變壓器通風系統(tǒng)參數(shù)

1.2 控制方程

1.2.1 質(zhì)量守恒方程

式中，ρ為密度；t為時間；V為速度矢量；源項Sm為加入到連續(xù)相的質(zhì)量。

1.2.2 動量守恒方程

式中，p為流體微元體上的靜壓力；V為速度矢量；g和F分別為作用在微元體上的重力體積力和其他外部體積力；τ為因分子黏性作用而產(chǎn)生的在微元體表面上的黏性應力張量。

1.2.3 能量守恒方程

式中，E為流體微團的總能；Jj為組分j的擴散通量；方程右邊前3項分別為由于導熱、組分擴散和黏性耗散所引起的能量傳遞；Sh為熱源項。

1.2.4 k-ε方程

k湍流動能輸運方程：

ε湍流動能輸運方程：

式中，常數(shù)值c1＝1.44；c2＝1.92；cμ＝0.09；σk＝1.0；σε＝1.3。

1.2.5 Navier-Stokes方程

選用標準的k-ε方程求解湍流對流換熱問題時，控制方程滿足質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、N-S方程［10］。

1.3 計算條件及網(wǎng)格劃分

采用Fluent6.3.26商用軟件作為計算平臺，用Gambit軟件生成網(wǎng)格，對整個計算區(qū)域采用分塊劃分、局部加密的原則進行劃分，網(wǎng)格為四面體非結構化布置，以保證計算精度，散熱器附近區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.05 mm，數(shù)目約為2.3×106，散熱器以外區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.15 mm，數(shù)目約為2.1×106。介質(zhì)采用密度為1.2×103kg／m3、運動黏度為1.84×106Pa·s的空氣。散熱器通道間氣流場采用SIMPLE算法計算，入口截面速度均勻分布，出口類型采用Outflow，壁面無滑移絕熱［11］。

1.4 正交試驗設計

散熱器室通風散熱與自然通風速率、機械通風速率、機械進風口寬度和機械進風口位置參數(shù)密切相關。為了更加全面地研究3種不同水平下所有因素的影響特性，采用正交試驗設計，基于數(shù)理統(tǒng)計學原理科學合理的安排試驗，并按一定規(guī)律分析處理試驗結果，從而能較快判斷諸多因素中何種因素是主要因素，以及判斷影響因素之間的相互影響情況，是分析因素設計的一種快速、高效、經(jīng)濟的試驗設計方法［12］。本文按照“四因素三水平”正交試驗設計，采用正交表L9（34）安排，共需9次CFD數(shù)值模擬試驗，試驗設計方案如表2所示，不考慮各因素之間的交互作用。其中，A表示自然通風速率v，m／s；B表示機械通風速率V，m／s；C表示機械進風口距離d，mm；D表示機械進風口寬度S，mm。

表2 模型變量與試驗工況

2 模擬計算結果與分析

本文建立的油浸式變壓器通風系統(tǒng)特性模型，不僅考慮了機械進風口寬度和位置影響，還考慮機械通風速率和自然通風速率因素的影響，下文著重分析不同因素對散熱器散熱特性的影響規(guī)律。散熱效率E指排出室內(nèi)熱量的快慢程度，E越大表明散熱效果越好［13］。

定義

式中，Tp為平均排風溫度；Tn為人員活動區(qū)平均溫度；T0為進風溫度。

2.1 各參數(shù)對溫度變化的影響

圖2給出了V＝1.0 m／s，d＝200 mm，S＝400 mm不變時，各截面最高溫度隨自然通風速率的變化關系。由圖2分析可知：隨著距離進風口越來越遠，散熱器溫度呈升高趨勢，不同自然通風速率下變化趨勢基本一致，其中自然通風速率v＝0.4 m／s時，散熱器整體溫度較低，不超過55℃。主要原因為：距離進風口越遠，氣流在散熱器內(nèi)部的擾動變得越弱，空氣側(cè)對流換熱系數(shù)變小，導致散熱效果變差，溫度升高；自然通風速率增大，導致外部更多新風進入，減小空氣齡，換氣次數(shù)增加，散熱器處在更多新風的包裹中，因此較大的自然通風速率有利于散熱器散熱，但影響效果有限。

圖3給出了v＝0.4 m／s，d＝300 mm，S＝400 mm不變時，各截面最高溫度隨機械通風速率的變化關系。由圖3可以得到：機械進風速率在1.0～2.0 m／s變化時，同一截面散熱器溫度均有大幅下降，溫度維持在33～47℃。分析其原因是：在散熱器下方加強機械通風，速度的提高造成對散熱片的沖刷加強，破壞表面的熱邊界層，導致空氣在散熱器通道內(nèi)擾動增強，提高局部換熱系數(shù)，造成散熱器整體溫度呈下降趨勢。

圖2 不同自然通風速率下的溫度分布

圖3 不同機械通風速率下的溫度分布

圖4給出了v＝0.3 m／s，V＝1.0 m／s，S＝400 mm不變時，各截面最高溫度隨機械通風口位置的變化關系。由圖4可以得到：機械進風口距散熱器底部d＝200 mm變化到d＝400 mm時，同一截面散熱器溫度均有所下降，溫度維持在35～52℃。其原因可能是：機械進風口距離散熱器越遠，射流流程增加，會卷吸更多冷空氣進入散熱器內(nèi)部，在散熱器下方周圍形成負壓區(qū)，摻混更多的冷空氣形成漩渦，破壞散熱片表面熱邊界層，導致熱阻減小，造成散熱器整體溫度呈下降趨勢。

圖5給出了v＝0.3 m／s，V＝1.0 m／s，d＝400 mm不變時，各截面最高溫度隨機械通風口寬度的變化關系。由圖5可以得到：機械進風口距散熱器底部S＝400 mm變化到S＝800 mm時，同一截面散熱器溫度下降較為明顯，溫度維持在33～50℃。其主要原因是：隨著機械進風口寬度S增大，一方面，單位時間內(nèi)的機械通風量增加，氣流循環(huán)加快，熱空氣能較快排出；另一方面，機械進風口的吹掃面積也會相應增大，強制對流換熱的接觸面積變大，對流換熱能力加強，導致散熱器整體溫度呈降低趨勢［14－17］。

圖4 不同機械進風口位置下的溫度分布

圖5 不同機械進風口寬度下的溫度分布

2.2 各參數(shù)對散熱效率的影響

針對V＝1.0 m／s，d＝200 mm，S＝400 mm不變工況條件下，可得到E隨v的變化關系：隨著自然通風速率從0.2 m／s增加至0.5 m／s時，相應的排熱效率由1.37增大至1.95，排熱效率基本呈上升趨勢，自然通風速率較小或較大時，散熱效率變化均趨于平緩。原因是散熱器室內(nèi)氣流的空氣齡大小與自然通風速率密切相關，自然通風速率在0.2～0.3 m／s變化時，對排熱效率的影響不大；自然通風速率大于0.4 m／s時，受限于散熱器其他參數(shù)影響，排熱效率增幅趨于平緩。

針對v＝0.4 m／s，d＝300 mm，S＝400 mm不變工況下，可得到E隨V的變化關系：隨著機械通風速率從1.0 m／s增加至2.5 m／s時，相應的排熱效率由1.39增大至2.09，排熱效率增大的趨勢較為明顯。分析認為：機械通風速率越大，一方面可以增強散熱器表面的氣流擾動，減小空氣側(cè)熱阻，增大表面換熱系數(shù)；另一方面，可促使散熱器內(nèi)熱氣流快速排出，氣流循環(huán)能力增強，從而造成散熱器室排熱效率呈增大趨勢。

針對v＝0.3 m／s，V＝1.0 m／s，S＝400 mm不變情況下，可得到E隨d的變化關系：隨著機械通風口距離散熱器越遠，距離從200 mm增大至500 mm時，排熱效率呈上升趨勢，從1.43增加至1.84，但增幅趨于平緩。這是由于機械通風口離的越遠，氣體射流可卷吸周圍更多的冷空氣進行動量交換，使氣流均勻地流過散熱器，防止散熱器內(nèi)溫度不均勻現(xiàn)象出現(xiàn)，提高排熱效率。但當d＞400 mm后，射流流動過程中動量損失也相應增加，造成排熱效率趨于不變。

針對v＝0.3 m／s，V＝1.0 m／s，d＝400 mm不變條件下，可得到E隨S的變化關系：隨著機械進風口寬度的增大，從400 mm逐漸增大至100 mm時，排熱效率也相應增大，從1.78增大至3.74，近似呈線性關系。主要是因為：其他參數(shù)條件一定時，機械進風口寬度增加，對散熱器的吹掃面積也相應增加，大大提高了強化對流換熱的有效面積，大大提高了對流換熱能力，因此造成排熱效率大幅增加。相對另外3個影響因素而言，由于此時機械進風口的影響占主導地位，排熱效率與機械進風口寬度近似呈線性關系［18－20］。

3 參數(shù)的優(yōu)化分析

極差分析法簡稱R法，它具有計算簡單、直觀形象、簡單易懂等優(yōu)點，是正交試驗結果分析最常用的方法，包括計算和判斷兩個步驟。

其中，Kjm為第j列因素m水平所對應的試驗指標和為Kjm的平均值，由的大小可以判斷j因素的優(yōu)水平和各因素的優(yōu)水平組合，即最優(yōu)組合；Rj為第j列因素的極差，反映了第j列因素水平波動時，試驗指標的變動幅度。Rj越大，說明該因素對試驗指標的影響越大。Rj為第j列因素的極差，即j列因素各水平下的指標值的最大值與最小值之差，根據(jù)Rj大小，可以判斷因素的主次順序［11］。

表3為排熱效率的極差分析，由表3可看出：機械進風口寬度是影響油浸式變壓器通風系統(tǒng)散熱的最重要因素，機械進風口距離和機械通風速率次之，自然通風速率的影響程度最??；優(yōu)化組合為：自然通風速率0.4 m／s，機械通風速率2.0 m／s，機械進風口距離d＝400 mm，機械進風口寬度S＝800 mm。

表3 排熱效率的極差分析

4 結論

（1）針對散熱器散熱特性影響因素水平多

的情況，使用正交試驗方法設計模擬工況，科學安排模擬次數(shù)，可大大簡化工作量。數(shù)值模擬結果表明：機械進風口寬度、機械通風速率、機械進風口位置和自然通風速率對散熱器通風散熱均有影響，但影響程度不同。

（2）根據(jù)正交試驗結果極差分析，機械進風口寬度是影響油浸式變壓器通風系統(tǒng)散熱的最重要因素，機械進風口距離和機械通風速率次之，自然通風速率的影響程度最小，因此，選擇合理的機械進風口結構參數(shù)是優(yōu)化散熱通風工作的關鍵。

（3）根據(jù)實際自然通風速率，合理選擇和設計機械通風速率等其他參數(shù)，可以實現(xiàn)在總能耗降低的條件下達到更加理想的通風散熱效果。

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TK172

A

1672－6871（2014）04－0038－05

國家自然科學基金項目（51006023）

邵志偉（1987－），男，安徽阜陽人，碩士生；黃亞繼（1975－），男，江蘇南京人，教授，博士，博士生導師，研究方向為變電站通風優(yōu)化.

2013－12－13