利用计算机仿真软件，模拟风力发电机舱内的实际环境，建立了变压器电磁和热仿真模型，并进行了合理的仿真计算，为变压器电磁设计及散热设计提供计算依据，并与最终变压器实测平均温升进行对比，验证仿真计算准确性。除了变压器本体温升，本论文还考虑了机舱顶部风扇和变压器下部风扇以及机舱内其他发热部件对于变压器的温升影响。本结论对于密闭外壳内干式变压器温升设计及散热风扇的选取有指导作用。 The computer simulation software is used to simulate the actual environment in the wind turbine cabin, the electromagnetic and thermal simulation model of the transformer is established, and the reasonable simulation calculation is carried out to provide the calculation basis for the electromagnetic design and heat dissipation design of the transformer, and the accuracy of the simulation calculation is verified by comparing with the actual measured average temperature rise of the final transformer. In addition to the temperature rise of the transformer itself, the influence of the engine room top fan and the lower fan of the transformer as well as other heating parts in the engine room on the temperature rise of the transformer is also considered in this paper. This conclusion can be used as a guide for temperature rise design of dry type transformer and selection of cooling fan.
赵晓东1，王春光1，张牧2，王闯1，孙根会1，陈杰1
1天津市特变电工变压器有限公司，天津
2天津工业大学电气工程与自动化学院，天津
收稿日期：2020年6月8日；录用日期：2020年6月22日；发布日期：2020年6月29日
利用计算机仿真软件，模拟风力发电机舱内的实际环境，建立了变压器电磁和热仿真模型，并进行了合理的仿真计算，为变压器电磁设计及散热设计提供计算依据，并与最终变压器实测平均温升进行对比，验证仿真计算准确性。除了变压器本体温升，本论文还考虑了机舱顶部风扇和变压器下部风扇以及机舱内其他发热部件对于变压器的温升影响。本结论对于密闭外壳内干式变压器温升设计及散热风扇的选取有指导作用。
关键词 :风力发电，干式变压器，电磁仿真，热仿真，平均温升
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安装在风力发电机舱内变压器维护成本高，对变压器的可靠性要求高，因此对于干式变压器设计要求极为严格 [
国内外研究者对干式变压器温度场分布进行了多年的研究，其中张牧和高立业等采用三维面对称热传导模型对变压器温度场进行仿真 [
本文创新点如下：舱体顶部风扇实体建模对于风扇按照实际使用型号尺寸对风扇部件进行详细建模，热仿真网格主要划分思路流体区域大部分使用非结构化网格并局部加密，高压区和低压区发热源使用结构化网格，环氧树脂包裹层使用非结构化网格，在高压、低压和铁芯表面的空气面进行了局部加密。
综上根据现有平台风力发电机舱用干式变压器及机舱已有三维设计图、设备布置情况等，结合提供布置方案及参数，确定了计算模型及其参数，建立了变压器电磁和热仿真模型，并进行了合理的仿真计算，为变压器电磁设计及散热设计提供计算依据。
模型如图1所示蓝色表示铁芯，灰白表示线圈，外侧高压，内侧低压。拉杆、吊装、螺杆及孔、绝缘件等，与空载磁路关联不大，因此可以简化，输入铁芯材料B-H曲线及损耗曲线，其中B-H曲线用于分析磁芯磁化时的饱和特性，B-P曲线用于分析计算磁芯的损耗。进行合理的网格划分，设置空载激励和边界条件，求解结果空载磁芯损耗5103 W。
图1. 变压器空载损耗分析模型
模型如图2所示有所调整，线圈模型按照实际设计细化，高压线圈进行分段，图中蓝色表示铁芯，灰白表示线圈，外侧高压，内侧低压。
图2. 变压器负载损耗分析模型
分别设置高低压侧负载激励和边界条件，求解结果仿真收敛、网格达到要求，结果可取用。低压箔式绕组内侧两端受涡流影响较大，低压总的计算损耗10,854 W，其中AC系数1.6左右，符合涡流效应的影响。由于高压侧绕组直径很小，漏磁产生的涡流损耗也非常小，损耗分布较为均匀，附加损耗按经验系数计算，高压绕组计算损耗18,929 W。
基于本次电磁仿真得出，变压器空载损耗5103 W，负载损耗29,783 W。
变压器的热仿真条件如下：产热功率为变压器在额定电流工况的输出；变压器室内初始环境温度55℃，机舱空气进口温度为35℃；图3为变压器底部6个涡流风机PQ曲线。舱体顶部风扇实体建模，转速为3479 r/min (364 rad/s)，风扇使空气流动，对变压器进行冷却。
图3. 变压器底部涡流风机P-Q曲线
在SCDM中对模型进前处理变压器原始模型和建模模型见图4，主要包含了高低压、铁芯以、钣金件等零件。原始模型较复杂，将其中的螺栓、垫片等小零件去除，并对孔、倒角、圆角等进行修复，得到仿真计算的模型。考虑到高压部分环氧树脂较多，不可将其按照整体处理，故对绕组进行建模，获得分段绕组的高压模型；低压区域，铝箔之间绝缘很薄，故将其作为整体进行建模，外部使用一定厚度的环氧树脂包裹；将所有零部件去除从变压器内部空腔去除，得到计算空气域，并按照变压器外形分割成内外两部分空气域，以方便减少网格尺寸，通过压印得到进口和出口面。各零件均通过压印来获得相互接触面生成接触面 [
图4. 原始建模模型
原始模型较复杂，将其中的螺栓、垫片等小零件去除，并对孔、倒角、圆角等进行修复，得到处理后的仿真计算模型，如图5所示。
图5. 处理后仿真计算模型
将所有零部件去除从变压器内部空腔去除，得到计算空气域，并按照变压器外形分割成内外两部分空气域，以方便减少网格尺寸，通过压印得到进口和出口面，整体空气域如图6所示。
图6. 整体空气域
变压器不同零部件之间通过热传导方式传播热量，和空气间通过热对流换热，其热传递效率受到材料属性影响。主要零部件物性参数为如下表1所示。
模型截面通过测量三维模型对空气域进行了初步计算，获得了在计算工况下其Y = 0截面的流量、速度和Y+，参数如表2所示，将以上参数代入计算公式1可得到雷诺数为19229，因此选择标准k-e湍流模型进行计算。辐射模型中DO模型使用性最广，选择此模型进行辐射计算。
R e = 2 m μ ( a + b + c + d ) (1)
| 材料 | 密度[kg/m3] | 比热容[J/(kg∙K)] | 导热系数[W/m∙k] | 辐射系数 |
|---|---|---|---|---|
| 高压组件 | 2700 | 995 | 0.75 (XZ) 2.6 (Y) | 0.9 |
| 低压组件 | 2700 | 983 | 0.75 (XZ) 150 (Y) | 0.9 |
| 铁芯 | 7650 | 460 | 75 (XY) 50 (Z) | 0.9 |
| 环氧树脂 | 2000 | 1550 | 0.2 | 0.9 |
| Q235 | 7850 | 502 | 48 | 0.9 |
| 空气 | 1.225 | 1006 | 0.02 | / |
表1. 材料属性表
| 截面 | 平均速度[m/s] | 平均质量流量[kg/s] | 平均Y+ |
|---|---|---|---|
| Y = −300 | 1.50 | 1.359 | 0.578 |
| Y = 0 | 1.30 | 1.387 | 2.700 |
| Y = 300 | 1.21 | 1.400 | 5.140 |
| 三截面平均值 | 1.337 | 1.382 | 2.806 |
表2. 初始流场参数
边界层第一层厚度Y按照公式2进行计算。代入各参数计算得，Y为0.0005，因此第一层边界层网格厚度为0.5 mm，考虑到减少网格数量，边界层数取3。
模型下方进口使用压力进口类型；6个涡流风扇进口使用质量流量进口类型；顶部出口使用压力出口类型；由于计算稳态，风扇旋转模型使用滑移网格模型，指定其转速为364 rad/s。
采用workbench中的meshing进行网格划分，最终总网格数量为1320万。在meshing中，网格主要划分思路为：流体区域大部分使用非结构化网格并局部加密，高压区和低压区发热源使用结构化网格，环氧树脂包裹层使用非结构化网格，在高压、低压和铁芯表面的空气面进行了局部加密 [
图7. 变压器整体网格示意图
使用Maxwell仿真得到各发热元件损耗，然后再使用Fluent进行热性能仿真，Fluent得出的产热功率发热部件损耗如表3所示。
| 部件 | 产热功率(W) |
|---|---|
| 高压 | 18929 |
| 低压 | 10854 |
| 铁芯 | 5103 |
| 辅变 | 3000 |
| 定子柜 | 2000 |
| 连接电缆 | 2000 |
表3. 发热部件损耗表
本仿真得到在额定功率运行情况下，机舱环境温度为55℃时，变压器整体温度分布云图，如图8所示。
图8. 变压器整体温度分布云图
高压线圈整体分布云图，如图9所示。
低压线圈整体分布云图，如图10所示。
铁芯整体分布云图，如图11所示。
整体区域流线图，如图12所示。
变压器在55℃机舱环境下，变压器温度仿真统计结果见表4所示。
由图8和表4可知温度高温区主要集中在部件上部及高压绕组之间区域，表面温度最高达到432.69 K。单独的高压绕组高温区域主要集中于绕组的上表面，这是空气从下向上流动，换热效果不断减小的缘故，同时也受到高度方向环氧树脂包裹，换热性差的影响，其最高温度为432.69 K，平均温度为412.8 K，平均温升84.8 K，最高温升与平均温升系数为1.235。
图9. 高压线圈整体温度分布云图
图10. 低压线圈整体温度分布云图
图11. 铁芯整体温度分布云图
图12. 整体区域流线图
| 部件 | 平均温度(K) | 平均温升(K) | 最高温度(K) |
|---|---|---|---|
| 低压1 | 400.2 | 72.2 | 407.01 |
| 低压2 | 409.3 | 81.3 | 417.52 |
| 低压3 | 399.8 | 71.8 | 406.61 |
| 高压1 | 398.5 | 70.5 | 413.84 |
| 高压2 | 412.8 | 84.8 | 432.69 |
| 高压3 | 398.5 | 70.5 | 413.85 |
| 铁芯 | 400.0 | 80.0 | 409.26 |
表4. 变压器温度仿真统计结果
由图9所示高压1和2、2和3之间的区域为高温区，这是中间空气流动小，热量相对于两侧较难散出所导致的。
由图10所示低压线圈2由于其散热条件较差，所以相对于低压1和低压3温度最高，低压2最大温度为417.52 K、平均温升81.3 K，另外内外表面包裹的环氧树脂厚度很小，下端部空气温度较低，换热效果好，最高温度集中在上端部，底部出现低温区。
由图11所示铁心中间部分为其高温区，最高温度达到409.26 K，平均温升80.0 K，该温度与铁芯与低压之间距离大小及低压线圈与铁芯内部空气流动直接相关。
由图12所示是部分截面积机舱整体的流线图，从图中可知，由于上部风扇产生低压，引起底部空气进入机舱，并且底部6个涡流风扇不断进风，带来明显的空气向上流动；在出口区域，由于风扇作用，流线较密集；机舱空间较大、部件形状阻碍和上下部通道小等因素，导致了机舱内会产生一定涡流，但最终会进入上部区域，排出机舱为了显示效果将速度最大值设定在了10 m/s。
高压绕组之间位置由于空气流动较小，最热点温度出现在该位置，本验证方案最高温升与平均温升系数为1.235满足要求，如大于1.3需要增加该位置空气流动，降低线圈温差范围，提高变压器长期运行可靠性。
根据样机在机舱内试运行实测平均温升结果，线圈实测温升依据IEC标准测量线圈1和2两相平均电阻值，铁芯实测温升依据放置在铁芯中间相表面热电偶平均值，以此验证仿真结果准确性，比较结果见表5所示。
| 部件 | 计算值(K) | 实测值(K) | 相对误差(%) |
|---|---|---|---|
| 低压1 + 2 | 76.8 | 77.6 | 1.04 |
| 高压1 + 2 | 77.7 | 78.1 | 0.51 |
| 铁芯 | 80.0 | 81.4 | 1.75 |
表5. 计算温升与实测结果对比
模拟风力发电机舱内的实际环境，建立了变压器电磁和热仿真模型，并进行了合理的仿真计算，为变压器电磁设计及散热设计提供计算依据，并与最终变压器实测平均温升进行对比，验证仿真计算准确性，指导设计改进，降低产品成本，提高了产品设计的准确性和经济性。热仿真结果表明：
1) 模型下部速度场基本对称，由于变压器一边靠近壁面，导致流场有所区别，两侧涡流风机吹风角度需要分别设置，夹件对应风机位置需要增加开缺减少部件阻碍，增加进入高低压线圈内部有效风量。
2) 由于出风口风扇区域速度和下部差异较大，可以看出风扇上下速度分布基本对称，平均速度达到了30 m/s左右，最大速度集中在风扇罩区域，据此选取出风口风扇罩位于变压器正上方位置。
3) 对于有低温升需求的变压器可以改进风机配置增加高压绕组之间位置风量，可以有效降低高压线圈绕组之间位置温度，对变压器整体温升水平实现有效降低，可以作为后续其他项目课题进行研究。
赵晓东,王春光,张 牧,王 闯,孙根会,陈 杰. 风力发电用机舱内置干式变压器电磁和热仿真研究Study on Electromagnetic and Thermal Simulation of Dry-Type Transformer in the Cabin for Wind Turbine Application[J]. 电气工程, 2020, 08(02): 68-77. https://doi.org/10.12677/JEE.2020.82008
https://doi.org/10.1109/IMCCC.2012.128