变压器本体与散热器上下布置的应用分析

变压器本体与散热器上下布置的应用分析

文章根据变压器本体与散热器的三种布置方式的特点，通过对变压器油循环方式和散热器冷却方式的组合分析，结合有关制造和运行经验，论证变电站采用变压器本体与散热器上下分体式布置的可行性和优越性。

标签：变压器；散热器；应用

1 前言

目前主要应用的变压器与散热器布置型式主要有两种，分别是变压器与散热器一体式布置（以下简称一体式布置）、变压器与散热器水平分体式布置（以下简称水平分体式布置）。

由于城市土地资源弥足珍贵，如何合理利用空间资源，优化变压器布置方式，节约变电站占地面积成为变电站建设中一个重点考虑的问题。因此第三种布置方式-变压器与散热器上下分体式布置（以下简称上下分体式布置）应运而生。以下主要就变压器本体与散热器上下分体布置的应用进行分析。

2 变压器本体与散热器的上下分体式布置

上下分体式布置，即变压器本体与散热器分别布置在高度不同的两个位置（如图1）。这种布置方式可以充分利用空间资源、最大限度的节约用地面积，尤其适用于土地资源紧张的地区，在部分户内变电站及地下变电站设计中得以推广应用。其主要特点为：散热器布置于变压器室上方，充分利用了变压器室上方的空间，减少了变电站的占地面积，降低了变电站的综合投资。其次，散热器敞开式布置于屋顶，有效地改善了散热器的通风条件，从而降低变压器室的运行环境温度，保证设备运行及其使用寿命。而且变压器本体布置在户内，能够有效降低噪音，从而满足环保的要求。

图1 变压器上下分体布置平断面图

3 变压器冷却方式的选择

变压器的冷却效果取决于变压器油循环方式和散热器冷却方式。根据油循环的方式，可分为自然油循环（ON）、强迫油循环（OF）和强迫油导向循环（OD）三种方式；根据散热器的冷却方式的不同，又可分为自冷（AN）、风冷（AF）、油水冷却（WF）、油油冷却（OF）等。这几种油循环和散热器的冷却方式之间可形成ONAN、ONAF、OFAF、OFWF、ODAF、ODWF等多种组合。

3.1 变压器油循环方式的选择

3.1.1 变压器油循环的原理

在变压器的封闭油路系统中，变压器油因温度变化引起密度变化，导致浮力变化而自然对流循环。

图2 油浸式变压器的冷却原理示意图

图2的右侧，用直角坐标显示出了变压器油的温度？兹与其几何高度h的关系曲线，图中A、B、C、D各点与左图中相应点对应。在A点油进入绕组等发热元件下部并在绕组的高度区域被连续加热，油的密度连续降低并逐步增大向上的浮力而向上流动，至B点处热油离开绕组。热油经由B与C之间的一段路径流入散热器，热油在这段路径中几乎不被冷却，只是在几何高度上有所增加。热油在散热器中从C到D的路径上，变压器油从绕组等发热元件中带出的热量通过散热器逐步散失在周围空气中而被冷却，油的比重逐渐增加而在重力作用下向下流动，而后经由D与A之间的一段路径从D点回流到A点重新进入绕组等发热元件。如此循环往复，使变压器油在变压器的封闭油路系统中对流循环流动。

图2中，温差△θσ-α是在散热器中逐渐冷却的变压器油与散热器周围被加热的空气之间的对数平均温差，通常称其为油对空气的平均温升；温差△θwo是变压器油进入绕组与离开绕组的温差，也就是变压器油在绕组高度区域被加热的温升值；温差△θco是变压器油进入散热器与离开散热器的温差，一般认为它与△θwo相等。换句话说，根据热平衡原理，在最终的稳定状态下，封闭系统中的变压器油在器身中被发热元件加热的温度必然等于变压器油在散热器中被冷却的温度，从而达到变压器在稳态运行情况下发热与散热的平衡。也就是说，在变压器稳态运行时，在封闭的发热与冷却油路系统中流动的变压器油，沿变压器的油循环系统几何高度的温度分布曲线（即图2中右侧的θ-h关系曲线）成为封闭曲线。

与此同时，散热器除了辐射散热外，包围散热器的空气被散热器所加热也自下而上的对流循环流动，即散热器下部的空气以环境温度进入散热器区域，沿着散热器的高度被逐步加热而从散热器上部流出散热器区域。

3.1.2 变压器油循环方式的选择

（1）不同布置型式变压器发热量比较

变压器运行时，其绕组和铁心中的电能损耗都将转变为热能，因此变压器的发热量是由变压器运行时的损耗决定的。变压器的损耗取决于变压器的容量、铁心与绕组的结构和材质、制造工艺以及变压器运行时的负荷水平，与散热器的布置方式无关。因此变电站上下分体式布置变压器发热量与常规一体式、水平分体式变压器一致。

（2）变压器自然循环时油的流速

在变压器闭合的油路系统中，变压器油因温度变化引起密度变化，导致浮力

变化而对流循环。

变压器油的密度？籽θ与其温度θ的关系可以用（1）式表示。

（1）

式中θ-变压器油的温度，℃；

？籽θ-变压器油温度为θ℃时的变压器油密度，kgm-3；

？籽0-变压器油温度为0℃时的变压器油密度，kgm-3；

？茁0-变压器油温度为0℃时的变压器油受热体积膨胀系数，℃-1。

由（1）式可见，油的密度随温度上升而下降。因此，在变压器中，器身中（绕组与铁心等发热元件中）的变压器油受热后向上流动，散热器中的变压器油冷却后向下流动。

如果提高散热器的安装高度（如图3），在器身发热相同的条件下，可增加作用在冷却回路的浮力，相应地顶、底油温差（△θwo=△θco）减小，冷却回路中油的流动速率将提高。

综上所述，抬高散热器的高度后油的流动速率将提高，从而使温差△θwo（△θco）降低，对变压器的冷却效果增强。

（3）小结

综上所述，在变电站中变压器采用上下分体式布置，变压器发热量与常规变压器一致，散热条件好，且采用自然油循环时油流速度较常规一体或水平分体式布置变压器更快，散热效果更好。3.2 变压器散热器冷却方式的选择

散热器的冷却方式主要有自冷、风冷、油水冷却、油油冷却4种。采用自冷或风冷方式，冷却系统管道不需设置油泵，只需安装管道，安装较为简单方便，散热片尺寸相对较小，占地面积较小（约40m2），造价较低。自冷及风冷方式，冷却装置结构简单，运行维护方便，在散热量满足要求的前提下运行最为安全可靠。

相对自冷而言，风冷方式能加速空气流动，散热效果更好。但是由于增加了风扇，噪音较大，目前在自冷能满足散热要求的情况下，特别是环境环保要求较高的场所，一般不采用风冷的冷却方式。

油水冷却与油油冷却方式，需要在冷却系统中增设水泵或油泵以及热交换器，管道复杂，造价高，占地面积是自冷变压器散热片占地面积三倍以上。采用油水冷却方式需定期清除水垢，且水塔的压力直接作用在油水热交换器，一旦水