电机和变压器冷却系统仿真与优化设计

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图 3 风冷系统的 Flowmaster 计算模型
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图 4 风量分配计算结果
Flowmaster 计算结果与已有数据吻合良好，精度得到了验证，能够很好的对 冷却系统进行求解。同时，对于介质密度的变化，动压的分布，流速的变化等因 素，Flowmaster 都能够根据物理力学的原理，通过内置计算模块加以考虑。 Flowmaster 的建模效率非常高，其良好的操作界面和符合工程习惯的输入方式提 供了保障。对于一个成熟的系统，在获知其特性数据的前提下，对整个系统的建 模、分析仅仅需要半天就可顺利完成。 2.3 管道内冷式蒸发冷却系统应用案例
2 Flowmaster 冷却应用案例
2.1 变压器油冷系统应用案例
强迫油循环冷却这是变压器最常用的冷却方式，它又分为强油循环风冷却和 强油循环水冷却两种方式。以强油循环风冷却系统为例，变压器均装有风冷却器。 风冷却器是用潜油泵强迫油循环使油与冷却介质空气进行热交换的冷却器，它由 冷却器本体、潜油泵、风扇电动机、导风筒、流速继电器、冷却器支架(或拉杆)、 联管、活门及塞子、分控箱等组成，风冷却器本体为一组带有螺旋肋片的金属管， 两端各有一个集油室，金属管的端部在集油室的多孔板上。由于冷却器是多回路 的，在集油室内焊有隔板，用以形成多回路的油循环路径。潜油泵装在本体的下 方，导风筒在本体的外侧，风扇电动机装在风筒内，流速继电器装在潜油泵出油 端的联管上，如果油的流速低于规定速度，流速继电器可自动发出报警信号。每 台变压器有一个总控制箱，每组冷却器装一个分控制箱，可以控制油泵和风扇的 自动投入或切除。
冷发冷却应用于电机冷却时，其绕组空心导体内部通以冷却液体，液体进入 导体后，吸收损耗产生的热量，温度逐渐升高。当液体的温度达到压力所对应的 饱和温度时，就改变其物理状态而沸腾汽化，带走热量，冷却电机。
图 5 管道内冷式蒸发冷却系统 Flowmaster 计算模型
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水内冷汽轮发电机的外部水系统一般采用闭式循环系统。在闭式循环系统 中，有水泵、水冷却器、过滤器、定子线圈、转子线圈、水箱等部件。通常，水 泵和水冷却器都各有两台并列安装，其中一台常用，另一台备用。
图 6 水内冷发电机外部水系统 Flowmaster 计算模型
图 6 为水内冷发电机外部水系统仿真计算模型。为了保证通过线圈的水量稳 定，必须保证线圈进水的水压稳定。如果通过水冷却器的水量和流到定、转子的 分流量发生变化时，线圈冷却水的压力将随之发生变化，因此需要在水泵出口处 装设自动调整阀门，保持一定的压力。通过 Flowmaster 中提供的水泵控制元件， 本案例中重点模拟了电机外部水系统水泵切换启动下的非稳态运行工况。动态的 揭示了水泵切换对系统压力、流量、温度等运行参数的影响，以及考察了加装压 力调节阀对提高系统运行可靠性所起到的作用。通过仿真模拟，为该方案的优化 设计提供了具有实际价值意义的指导建议和理论基础。
电机、变压器具有极其复杂的几何结构，冷却系统的设计大多基于经验公式 和物理实验。而随着 CAE 技术的发展，采用系统设计与仿真分析软件对电机、 变压器冷却系统开展辅助设计成为了提高设计效率、优化系统性能的必由之路。
Flowmaster 是当今全球最为著名的热流体系统仿真分析软件，以其高效的计 算效率，精确的求解能力、便捷快速的建模方式及面向工程应用的专业性而被众 多全球著名的能源电力用户所采用并应用于冷却系统对设计及优化过程中。
气体循环的压头。气体经冷却器冷却后由机座和内外端盖之间进入风扇，分别对
静子铁心、转子和机座部分进行冷却，之后回到冷却器，形成一个闭环的回路。
每个过流部件以数字加以标记，以并联或串联的形式构成整个冷却系统。
Flowmaster 中包含各类冷却器、风扇、油箱、过流流阻等大量流体元件，可
直接搭建冷却系统的计算模型，仅需提供基本的几何参数与性能参数，即可开展
图 7 水轮发电机通风系统 Flowmaster 计算模型
该计算模型由 Flowmaster 元件库中提供的风道、风扇、节流孔、离散损失、 换热器等元件组成。其中，节流孔可用来模拟端腔环流孔并且可以给定环流孔的 数量。离散损失元件与换热器元件可分别用来模拟磁极、磁轭、定子铁心风沟、 气隙等影响通风系统流动和换热的部件。在本案例中，通过开展仿真计算，对系 统的运行风量以及各部分的风量分配进行了验证，确保了通风系统设计的合理 性。
油泵 各类管道、弯头、三通 散热器 用户自定义的冷却液 热交换器 冷却风扇 油箱 油滤 传统冷却系统依靠机械装置对冷却回路及冷却流量进行控制。然而，随着对 冷却系统控制精度及安装柔性化的要求不断提高，各种电子泵、传感器、伺服器 等被越来越广泛的使用。这些灵活的部件与智能控制系统相结合，可以对热负荷 进行精确控制。利用 Flowmaster 的 gauges 及 controllers 部件，可以非常容易并 迅速的将现有的被动式冷却系统转换为主动式冷却系统，无论是应 Flowmaster 自身软件环境还是第三方软件(如 MATLAB/ Simulink)，用户都可以进行系统进 控制策略的开发。
2.2 电机通风系统应用案例
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图 2 某型电机通风冷却系统流程图
如图 2 所示为某型电机冷却系统的流程图，该系统由冷却器、风扇、铁心风
区、气隙、风室等过流部件构成。冷却介质为空气或氢气。通过外加的风扇提供
3 小结
综上所述，Flowmaster 具备的丰富元件、流体介质与完备的可压缩、不可压、 换热等分析模型可以满足电力行业变压器、电机冷却系统，如风冷、油冷、水冷、 蒸发冷却等各种冷却方式的实际工程需求。
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对于包含油路、风路的内流、外流冷却系统，Flowmaster 具备众多成熟的应
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用案例。
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图 1 变压器油冷系统 Flowmaster 计算模型
利用 Flowmaster 中的标准元件可以精确的建立冷却系统的模型，基本元件如 下所示：
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电机和变压器冷却系统仿真与优化设计
1 应用背景
发电机、变压器是电力传输过程中的重要电力设备。目前，发电机、变压器 的发展主要靠提高单机容量为主。但是，随着单机容量的增加，其散热量也显著 增加。因此，必须采用高效合理的冷却技术才能确保电机、变压器安全可靠的运 行。
仿真工作。
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图 5 为某电机的管道内冷式蒸发冷却系统仿真模型。该蒸发冷却系统，由冷 凝器、节流阀、调节阀、压缩机、绕组导体以及冷却管道组成。Flowmaster 内置 的空调系统模块能够很方便地处理两相流问题。空调模块中提供了包含节流阀、 调节阀、压缩机、换热器等多种的蒸发冷却用元件。对于换热器元件来说，可以 考虑绕组冷却通道参数、数量及结构类型等实际情况。Flowmaster 可以很便捷的 搭建整个冷却系统模型，并开展各种稳态或非稳态工况计算，精确预测系统的流 量分配、压力分布、温度变化等参数。 2.4 水内冷汽轮发电机外部水系统应用案例
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2.5 水轮发电机通风系统应用案例 现有的绝大多数水轮发电机采用空气冷却，即采用通风系统来冷却。典型的
通风系统由风扇、磁极、磁轭、定子铁心、冷却器、风道等组成。冷却空气流经 冷却器后进入通风风道，然后一部分空气进入转子并径向进入气隙。另一部分在 风扇作用下，一部分进入端腔经环孔流入冷却器。另一部分，经轴向进入气隙与 径向气隙气流合并后经定子风沟流入冷却器。下图为在 Flowmaster 中建立的通 风系统计算模型：