干式变压器绕组温度场的数值计算与分析 (2005年)

干式变压器是电力系统中非常关键的设备，用于在不同的电压等级之间转换电力。干式变压器与传统的油浸式变压器相比，由于使用了环氧树脂等固态绝缘材料，具有环保、不易燃、安装简便和维护成本低等优点。然而，干式变压器在工作过程中会产生热量，如果无法有效散热，将会导致绝缘材料老化，降低变压器的可靠性和寿命。因此，对干式变压器内部温度场的分布进行精确计算和分析，对于保障其安全稳定运行至关重要。 文中提到，建立了干式变压器绕组温度场的数学模型，这一模型是基于传热学的基本原理。传热学是研究热量传递规律的科学，它包括热传导、对流和辐射三种基本传热方式。对于干式变压器而言，其内部热量主要来源于铜线圈的电阻损耗，这些热量通过绝缘材料和变压器本体向外界传递。为了准确描述这一过程，数学模型必须能够反映温度场在变压器内部的分布情况。 在数学模型中，采用了有限单元方法（Finite Element Method，FEM）来求解温度场问题。有限单元法是一种数值分析技术，常用于解决复杂的结构分析、热传导、流体力学等问题。通过将连续的结构划分成有限个单元，可以在每个单元上应用简化了的物理方程，并结合边界条件，求解出整个结构的温度场分布。 温度场的分布受到多种因素影响，包括内部热源的分布、材料的热物理性质（如导热系数、热容等）、环境条件以及变压器的结构布局等。文中提到的稳态温度场是指系统内部温度分布随时间不变的状态，其数学模型可由导热微分方程描述。在圆柱坐标系下，铜导体和绝缘树脂层的温度场分别可以用给定的导热方程来描述。 在实际应用中，还需要考虑边界条件对温度场的影响。对于具有对流和辐射换热的边界，可以采用第三类边界条件，即边界上单位面积的热流密度由壁面温度和周围介质温度通过综合换热系数来确定。 从变压器结构上来看，干式变压器通常包含有高低压绕组，其导体材料主要是铜，层间绝缘采用环氧树脂，绕组的端部则由绝缘树脂封包。绕组的形状可以是圆形或矩形，这种结构使得变压器可以紧凑地布置在有限的空间内。为了提高散热效率，干式变压器的绕组之间以及绕组与铁心之间通常设计有气道，这些气道有助于空气流通，从而带走内部产生的热量。 散热分析显示，干式变压器的散热方式包括热传导、对流和辐射三种。热传导是指热量通过直接接触的固体材料传递；对流则是指热量通过流体（气流或液体）的运动传递；辐射是指热量通过电磁波的形式在空间传播。在实际的干式变压器中，这三种散热方式都起着重要作用。 总结来说，干式变压器绕组温度场的数值计算与分析需要结合传热学理论，建立准确的数学模型，并通过有限单元方法进行求解。在模型中需考虑变压器的结构设计、材料属性、工作条件等因素。通过这一分析过程，可以预测变压器在运行中可能出现的高温区域，从而设计出更合理的散热结构，提高变压器的稳定性和寿命。