大功率高压开关电源变压器的损耗分析及散热控制

大功率高压开关电源变压器的损耗分析及散热控制

发表时间：2019-12-16T11:37:33.763Z 来源：《当代电力文化》2019年第16期作者：朱艳红

[导读] 随着我国对资源节约问题的高度重视，大型变压器逐渐向节能环保的趋势发展

摘要：随着我国对资源节约问题的高度重视，大型变压器逐渐向节能环保的趋势发展，为确保电能安全供应，必须对变压器的温度进行有效地控制。片式散热器是目前大型油浸式变压器上广泛使用的散热器，普通片式散热器由于内部结构设计与结构布置等方面的缺陷，导致片式散热器散热效率不高，因此不断改善片式散热器的散热效果，研发散热效率高的片式散热器，对延长变压器的运行年限和提升安全性能有着积极影响。

关键词：大功率；变压器；散热控制

1 引言

当前，我国电力工业正处在转型发展时期，电力系统的转型要综合考虑经济体系建设、资源和能源节约等方面因素。大型油浸式自冷变压器作为电力基础设施中的关键电气设备，具有散热好、可承受负载大、降音降噪、控制油流带电和成本低等优点，已成为电网中使用最普遍的电力变压器之一。在大型油浸式变压器运行时，会产生铁损和铜损，耗损电能的同时会释放大量的热能，使变压器的温度逐渐升高，影响变压器的效率，同时也会损伤绝缘材料寿命，使变压器的运行年限大大缩短。

变压器设计是决定大功率高压开关电源性能的关键因素。由于变压器是非线性元件，且在大功率、高频高压情况下表现出一些新的特性，因而，设计变压器成为大功率高压开关电源设计的难点。在工作过程中，变压器的功率损耗随着工作频率的提升不断增大，同时也直接导致发热量不断增加和温度上升。若散热问题未能得到有效处理，则会导致变压器温度过高，系统性能受到严重影响，甚至危害开关电源整体安全。

2 片式散热器的基本传热原理

变压器运行时产生的热量以热传导、热对流及热辐射的基本传热方式传递到周围介质中去，对于油浸式变压器，尤其是自然油循环变压器，热传导，热对流为主要传热方式，热辐射次之，有时可以忽略不计。通常油浸式变压器两侧并排的安装多组片式散热器，每组片式散热器由上下集油管与一定的数量的散热片组成，其中，每片散热片由两片冷轧钢板压焊而成。油浸式自冷变压器没有油泵，变压器油主要依靠重力和密度差引起的浮升力来实现循环流动。变压器油在吸收铁芯、绕组、线圈等产生的热量后温度升高，高温油与低温油之间存在密度差，在浮升力的作用下，被加热的变压器油密度小向上流动到油箱顶部，进入片式散热器的上集油管带走热量，变压器油被冷却，密度大，又依靠重力的作用自上而下流经片式散热器的各个散热片。在这个过程中变压器油与散热片内壁进行对流换热将热量传递到散热片的外表面，由于组成一组散热器的散热片数量多，且各组片间距小，所以除了最外侧的散热片，大部分散热片的热量是由底端流入的空气运走的，散热片外表面由于具有温度差与周围空气进行大自然对流换热，同时靠近外侧的散热片还与周围环境间进行辐射换热从而将热量散出，最后被冷却的变压器油由下集油管流回到变压器的油箱，可见油浸式变压器是通过变压器油的循环流动来实现整个散热过程。

3 普通单油道有限元模型建立

对片式散热器的研究不仅包含油域还包含有空气域，由于对整片的模型进行模拟会生成大量的网格，因此在不影响计算结果准确性，保证计算机正常运行的前提下，对单片片式散热器的模型进行简化，只选取一个油道进行研究，简化油道的高度为片高，油道高度H为1500mm，宽度W为9.2mm，厚度δ为1.2mm，壁厚对仿真计算结果影响很小，因而本章数值模拟的新型片式散热器简化模型的壁厚采用默认设置为零。

3.1 设置材料属性

Fluent软件求解自然对流问题时，有两种设置空气物性参数的方法，一种是采用理想气体方程处理，另一种是采用Boussinesq假设。本章研究的片式散热器自然对流问题，空气的密度会随着温度的变化产生变化，浮力的影响无法被忽略，密度不能被当作常数，因此为正确模拟自然对流问题，将空气的密度采用Boussinesq假设，假设空气密度为不可压缩理想气体，给定参考温度下空气的密度值。

3.2 边界条件设置

考虑到模型的计算域增加了空气域，空气与单油道散热片进行自然对流换热，空气侧和油侧的进口采用速度入口边界条件，初始速度分别为0.1m/s与0.01m/s，空气与变压器油的进口温度分别为353K和293K；空气与变压器油出口均采用质量出口边界条件；空气与单油道接触的壁面设置为流固耦合面。

4 仿真结果分析

为进一步研究四面体花纹对单片片式散热器上的一个油道的强化散热效果，本节数值模拟了普通单油道的散热情况，通过仿真计算得到普通单油道的散热量与传热系数，所得结果将与冲压四面体花纹的新型单油道进行比较。

空气在与油道外壁面进行对流换热时由于带走一部分热量，温度逐渐升高，速度逐渐变大，且靠近壁面处存在速度边界层与温度边界层，为了提高普通单油道的散热效率，需要采取一定的优化措施扰动边界层附近的流体，减薄速度和温度边界层，其中比较有效的扰动边界层的方法为在普通单油道模型表面冲压涡流发生器，即本文所研究的四面体花纹。

空气为具有粘性的流体，当空气流经油道外壁面时，靠近壁面位置处会形成具有很大速度梯度的流动边界层，而在油道外表面冲压四面体花纹时，空气流经四面体花纹处会产生纵向涡，纵向涡会减薄边界层厚度，加速边界层低速度区域与主流高速度区域的掺混，提高流体流动的整体速度，从而起到增强散热效果的作用。本节通过Fluent仿真软件模拟了空气流经两种不同类型四面体花纹处的扰动情况和产生纵向涡的过程。根据前面油侧分析中提到的凸四面体花纹特有的结构，（1）空气流经四个位置处的凸四面体花纹产生的涡旋是一个先逐渐增大后又逐渐减小的过程；在Y=12mm处一对凸四面体花纹产生的涡旋最大。（2）贴近凸四面体花纹壁面处空气流速为0m/s，随着产生的涡旋的增大，壁面附近的高速流区逐渐扩大，空气流经凸四面体产生的涡旋起到了引发二次流，提高空气流速，改变了空气的流动方向，减薄甚至破坏速度边界层的作用。

凹四面体花纹两个相邻面之间存在一定的夹角，空气流经凹四面体花纹时，会沿着两个相邻面倾斜的角度流动，一部分空气流动方向向左，一部分向右流动，凹四面体花纹不断改变空气流动的方向，同样起到减薄边界层的作用，同时这种花纹结构会稍微增强速度场与温