油浸式电力变压器匝间故障早期的电热特性研究

 ●摘要

    油浸式电力变压器匝间绝缘的老化和劣化会造成匝 间绝缘电阻减小，并导致故障线圈上电流和产生热量增 加，从而引起顶层油温和油箱外壳温度升高。因此，研究 变压器匝间故障早期的电热特性具有重要意义，可为早期 故障的检测提供理论依据。本文分析了匝间故障电阻对变 压器等效电路和绕组损耗的影响，提出了基于电磁、热- 流体场耦合的变压器匝间故障模型。基于数字孪生(digital  twin，DT)的理念，建立了变压器的高保真仿真模型，通 过传递变压器实体的结构、尺寸、材料参数等，实现了对 绕组电流和不同部件温度的准确模拟。实验和仿真分析表 明：仿真所得的绕组温度和油箱外壳温度的误差均不超过 3℃，从而验证了所建仿真模型的有效性。采用此高保真 仿真模型，研究了高压绕组发生 1%匝间故障的电热特性， 结果表明低压绕组电流幅值仅增加了 2%，而顶层油温升 高了 9.4℃，油箱外壳整体温度升高了 10℃。并分析了匝 间故障电阻、故障线圈匝数、故障位置对绕组电流、顶层 油温、油箱外壳温度等电热特性参量的影响。

    变压器匝间故障早期通常表现为绕组局部放 电或局部过热，此阶段产生的热量被油自然对流传 递到其余低温区域，从而避免了电弧的产生。随着 匝间绝缘材料的进一步劣化，匝间绝缘电阻减小，匝间泄漏电流和故障线圈电流增加，并使得此处产 生热量增加。当变压器油无法对故障位置进行有 效散热时，将使得绕组局部温度持续升高，从而引 发电弧放电故障。电弧的燃烧和熄灭取决于匝间 故障电压与阈值电压的大小关系，因此电弧放电具 有间歇性。当电弧放电发展到一定程度后，将造成匝间绝缘完全击穿而形成匝间短路故障。

本文针对油浸式变压器早期匝间故障问题，建 立了基于电磁、热-流体多物理场耦合的变压器匝间 故障模型。在此基础上，借助数字孪生(digital twin,  DT)技术建立了与变压器实体具有相同结构、尺寸、 材料物理属性参数的变压器高保真仿真模型， 以准确模拟绕组电流、故障线圈电流、不同结构部 件温度，并通过实验和仿真分析验证了所建高保真 仿真模型的有效性。利用变压器高保真仿真模型研究了高压绕组发生 1%匝间故障时绕组电流、顶层 油温、油箱外壳温度等电热特性参量的变化，并初 步分析了匝间故障电阻、故障线圈匝数、故障位置 对上述电热特性参量的影响。

    变压器内部热量的主要来源为绕组损耗和铁芯损耗。油浸式电力变压器产生的热量最终会传递到 周围空气中，其散热过程如图 3。主要包括三个阶 段：1）热量从铁芯和绕组的内部传导到外表面。2） 铁芯和绕组周围的油被加热而向上流动，上面的冷 油向下流动，形成油自然对流。当被加热的油流至 油箱壁和散热片时，热量会传递给油箱壁和散热 片。3）油箱壁和散热片的热量依靠空气自然对流 和热辐射传递到周围空气。

采用COMSOL Multiphysics 5.5 的共轭传热接 口建立热-流体场耦合模型。基于 2.1 节的电磁耦合 模型，通过求解控制方程得到磁通密度、绕组电 流和故障线圈电流。匝间故障下的铁芯损耗和绕组 损耗分别通过式(3)、(4)计算，即热-流体耦合模型 中的热源功率。然后，通过迭代求解控制方程，获得不同结构部件（绕组、铁芯、油等） 的温度和油的流动速度。基于电磁耦合模型磁通密 度和绕组电流计算结果的传递，实现了匝间故障下 变压器电磁场、热-流体场的耦合。

变压器高保真仿真模型的建立

采用 COMSOL Multiphysics 5.5 仿真软件建立 变压器的高保真仿真模型，主要包括几何模型和物 理场模型。电磁模型的几何模型与热-流体模型的几 何模型有所不同。在电磁模型中，主要研究的结构 部件为绕组和铁芯，如图 5(a)所示。除了绕组和铁 芯外，热-流体模型的研究部件还包括油、油箱和散热片等。为了准确模拟绕组和铁芯的热特性，热- 流体模型考虑了高低压绕组之间的油道撑条，以及 绕组和铁芯之间的支撑板。此外，采用一个薄层材 料来模拟绕组外侧的绝缘纸。采用多层材料来模拟 油箱和散热片，其结构为油漆-铁壳-油漆。采用薄 层和多层材料来模拟较薄的结构部件，可以减少模 型的网格数量，从而提高计算速度。图 5(b)为热- 流体场耦合模型的详细结构部件。

在热-流体场耦合模型中， 油箱底面的对流传热系数 h 设置为 4W/(m2·K)，其 他表面的 h 为 10W/(m2·K) ，散热片的 h 为 15W/(m2·K)[19]

高保真仿真模型的有效性验证

在环境温度为 14℃的条件下，对变压器实体进 行了额定负载实验，采用相同的环境温度和负载来 设置变压器高保真仿真模型的边界条件，并进行仿 真计算。将仿真所得的绕组电流、绕组温度、顶层 油温和油箱外壳温度与实验结果进行逐一对比，来验证所建仿真模型的有效性。

仿真所得的绕组电流波形（标幺值）如图 7。高低 压绕组电流为 10.07A、247.4A。可知，电流仿真计 算值非常接近实验测量值，相对误差在±2%以内。

仿真获得的绕组温度最大值和最小值 非常接近于实验测量值，误差绝对值均小于 3℃。由此可知，所建的变压器高保真仿真模型可以准确 模拟绕组温度，相对误差在±8%之内。

在 t=3h 和 t=4h 时，顶层油温仿真计算值与实验测量值的绝对误差分别为 0.3℃、-0.3℃，相对误差为 0.9%、-0.8%。油箱外壳上部区域的仿真计算温度（最大值 和平均值）略高于实验测量值，散热片底部的仿真计算温度（最大值和平均值）高于实验测量值。然而，误差绝对值均小于 3℃。

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