西门子与ABB换流变油流温升技术浅析

摘要: 基于基本的传热学方程，从油流温升的角度分析西门子、ABB换流变产品冷却系统设计上的一些差异，及产生差异的原因。在此基础上总结出西门子、ABB换流变产品在油流温升领域各自的技术路线及改善思路。

关键字：换流变、温升、冷却系统

1、前言

换流变压器是电网直流输电系统中的重要设备。换流变压器的作用是向换流器供给交流功率或从换流器接受交流功率，并将网侧交流电压变换成阀侧所需要的电压。由于换流变在电网中的重要作用，其安全性备受关注。油流与温升是影响变压器类产品安全运行的两个重要性能指标，其对换流变产品的重要性不言而喻。

油流与温升在变压器类产品上是一对矛盾的概念。油流问题主要是指线圈内的油流带电。油流带电是由于油与绝缘表面摩擦使OH基电子云发生偏移引起，故线圈内油速越快则线圈内油流带电风险及程度越大。而对于线圈温升而言，油速越快，则线圈表面对流换热系数越大，线圈温升越低。由此可见，线圈内温升问题与油流带电问题在一定程度上讲是矛盾的。为了解决线圈温升与油流带电问题，西门子与ABB换流变产品采用了不同的技术路线。本文将从油流温升的角度来剖析二者不同的技术特点。

2、西门子与ABB换流变产品设计差异

本文主要从油流温升角度，比较西门子与ABB换流变冷却系统设计上的一些差异，包括以下几个方面：线圈整体冷却结构差异、冷却器流量及器身导向结构差异、线圈内外轴向油道差异、线规对温升影响差异及线圈热点系数差异。为了从理论上定性分析这些差异产生的原因，本文将使用传热学两个最基本的方程来描述线圈的传热过程：1）线圈内部的热量传递过程，由热传导方程（傅里叶定律）描述，如式2.1所示；2）线圈表面的热量对流过程，由对流换热方程（牛顿冷却定律）描述，如式2.2所示。

前一个过程是将热量由导线内部经导线绝缘传递到线圈表面。后一个过程是将热量由线圈表面传导至油中并带出线圈。

2.1线圈整体冷却结构差异

西门子换流变线圈采用的是轴向油道结构，如图2.1a所示；而ABB换流变线圈采用的是挡油板结构，如图2.1b所示。

轴向油道结构的优点是线圈在大油流量下仍能够有效控制油流带电的风险。这主要有两个原因：

1）轴向油道结构的轴向流通面积大，有效降低了最大流速。如图2.1所示，假定a中所示各轴向油道宽度均为5mm，b中所示内外轴向油道宽度均为10mm，那么在线圈尺寸、总油流量相同的条件下，轴向油道结构线圈中的最大流速只有挡板结构的一半左右。

2）轴向油道结构中油流几乎垂直流动，相比于挡板结构油流在挡板处发生转向流动，轴向油道结构在相同的最大流速下油流带电的风险也要更小一些。所以轴向油道结构允许流过更大油流量，这使线圈内具有较大的对流换热系数h，可有效控制线圈温升。

挡板结构的优点是最大程度利用导线的散热面积。该结构强迫油流在线圈内沿辐向流动，如图2.1b所示，充分利用线圈的辐向散热面积。这样，对于挡板结构线圈，即使在油流量相对较小的情况下，仍可以通过较大的总散热面积A来控制线圈温升。

2.2冷却器流量及器身导向结构差异

为保证线圈中流过充足的冷却液，西门子换流变采用了强油导向（OD）冷却方式。该方式是最有效的冷却方式[1]，线圈内油流量比强油非导向（OF）冷却方式高一个数量级。同时配合100m^3/h以上的大流量泵，进一步加强线圈中的油流量。

相对而言，挡板结构线圈更容易产生油流带电，该种结构线圈内的油流量需严格控制。因此ABB换流变采取OD冷却方式时一般使用不超过60m^3/h的小流量泵。ABB换流变采取OF冷却方式时仍采用小流量泵，这并不是因为油流带电问题，而是为降低线圈温升。OF冷却方式下线圈油速较低，不存在油流带电风险。小流量是为了降低冷却器出口油温，即降低线圈进口油温，其原理如下：

由式2.4可知，对于西门子与ABB两种冷却器，在冷却功率及顶部油温升相同的前提下，ABB的小流量冷却器底部出口油温更低。对于OF冷却方式，冷却器中的油流量并不直接影响线圈内的油速，故对线圈内对流换热系数影响较小。因此，小流量泵会降低线圈进口油温，从而会有效降低线圈温升。当然，这个“小”是有限度的，即要确保线圈有充足的冷油供应量。

2.3线圈内外轴向油道差异

西门子结构线圈的内外侧轴向油道尺寸较小，典型值为5mm。ABB结构线圈的内外侧轴向油道尺寸较大，典型值为10mm。仅从线圈温升角度讲，西门子结构线圈的内外侧轴向油道宽度应小于中间轴向油道宽度。因为内外侧轴向油道只有单侧热负荷，而中间轴向油道两侧均有热负荷需要更大的油流量。ABB结构线圈的内外侧轴向油道宽度较大，主要有两方面原因：

1）对于OF冷却方式，加大内外侧轴向油道尺寸可有效降低整个线圈的流动阻力，增加油流速，从而增大对流换热系数有效降低线圈温升；

2）对于OD冷却方式，加大内外侧轴向油道尺寸可有效降低线圈内最大流速，降低油流带电风险。同时可使辐向油道油流分布更均匀[2]，有利于控制线圈温升。

2.4 线规对温升影响差异

热量由内部导线传至线圈外表面的过程中，温度的变化遵循热传导方程，表达为式2.1。可知，在热量传导的路径上，每多一层绝缘都会引起导线温度的升高。西门子换流变，线圈内部油流速快，且辐向油流相比垂直油流十分微弱。因此，西门子结构线圈热量主要由垂直散热面散出，如图2.2a所示。该种结构相邻两个轴向油道间辐向并绕导线的总根数对线圈温升会产生较大影响。辐向并绕导线总根数越多，则热量由内部导线传至线圈外表面经过的绝缘越厚，引起线圈温升越高。

ABB换流变线圈辐向为主要散热面，热量主要由辐向散热面散出，如图2.2b所示。该种结构轴向并绕导线总根数越多，则引起线圈温升越高。

a 轴向油道结构热量传导示意

b 挡油板结构热量传导示意

图2.2 线圈内热量传导示意

2.5 线圈热点系数差异

线圈热点系数可表述为：

这样，对于这两种产品热点系数均可控制在1.3以下。对于采用OF冷却方式的ABB换流变产品情况有所不同。因为OF冷却方式下，冷却器流出的大部分冷油从线圈外部流掉，只有少部分冷油进入线圈。这就导致了线圈顶部出口油温升要远高于顶油温升。从笔者大量计算结果来看，最大差值在20K以上，且冷却器油流量越大该差值越大。

3、 西门子与ABB换流变油流温升设计路线及改善措施

西门子换流变线圈采用轴向油道结构。该种结构可有效降低线圈内的最大流速，从而控制线圈内油流带电的风险。在此基础上，采用导向结构及大流量油泵，增加线圈内的对流换热系数，从而控制线圈温升。在电密不变的情况下，改善该结构产品的温升可以从以下几个方面来考虑：

1）增大散热面积，通过增加油道数、增大线饼轴向高度等措施来实现；

2）改善导线内部导热状况，通过减少辐向并绕导线总根数来实现；

3）进一步增大对流换热系数，通过增加泵流量来实现。

ABB换流变线圈采用挡板结构。该种结构可充分利用导线的散热面积来控制线圈温升。但挡板结构较轴向油道结构更易产生油流带电风险，为了解决该问题ABB换流变产品采用了两种冷却设计：

一、采用OF冷却方式。该冷却方式下线圈内油流速较低，不存在油流带电风险。为控制线圈温升，采用小流量油泵来降低线圈进口油温；

二、采用OD冷却方式。为控制线圈内的油流速，采用小流量油泵，从而降低油流带电风险。在电密不变的情况下，改善ABB换流变产品的温升可以从以下几个方面来考虑：

1）增大散热面积，通过增加线圈饼数或增加辐向尺寸来实现；

2）改善导线内部导热状况，通过减少轴向并绕导线总根数来实现；

3）增大对流换热系数，对于OF冷却方式可通过增大内外轴向油道尺寸来实现，对于OD冷却方式可通过适当增加泵流量来实现;

4）对于OF冷却方式，进一步降低底油温升可改善线圈温升，可通过降低油泵流量来实现。

这里需要注意几个问题：对于OF冷却方式，增大辐向尺寸会降低线圈内油流速，使对流换热系数减小；降低泵流量到一定程度，会使冷油量供应不足。对于OD冷却方式，增大泵流量会提高油流带电风险。采用这几种措施时必须经过严密的计算与实验来验证，否则可能适得其反。

4、产品试验

南网滇西北直流工程中某高端换流变采用ABB结构设计，其冷却方式为强油非导向（OF），影响温升的重要参数如下表所列。

表1 产品相关参数

该产品温升试验结果如下表。

表2 产品温升试验结果

该产品采用小流量的冷却器，控制冷却器出口油温升仅为15.5K。线圈内外油道采用10mm的大油隙有效降低线圈内流动阻力；线圈水平油隙多，有效散热面积大。从产品试验结果来看，该产品总体换热效果较好，线圈平均温升得到有效控制。由于采用OF冷却方式，线圈热点系数较大，超过1.6，这是采用OF冷却方式的ABB结构产品需要注意的一个重要问题。

参考文献

1. T.Leibfried. A mew method to calculate thermally balanced windings of power transformers。Electr Eng(1999) 81:409-412。

2. 刘恩洲。油浸式变压器绕组油流分布计算研究。变压器，2016，Vol.53，No.4:1~6。

3. 中华人民共和国国家标准，GB 1094.2-2013。电力变压器第2部分：液浸式变压器的温升，附录C。

4. 谢蓉，张新强，张星。油浸式变压器高压绕组内温度场和流场的数值研究。变压器，2014，Vol.51，No.4:8~11。

5. J.贝尔。多孔介质流体动力学。中国建筑工业出版社。

6. F.Torriano,M.Chaaban,P.Picher. Numerical investigation of 3D flw and thermal effects in a disc-type transformer winding. Applied Thermal Engineering(2012)40:121-131。