高温环境下的干式变压器冷却技术研究

温淳

襄阳中车电机技术有限公司 湖南株洲 412000

摘要：高温环境下的干式变压器冷却技术一直是电力工程领域的重要研究领域。在现代社会中，电力系统的可靠性和效率对于维持正常生活和工业生产至关重要。然而，高温环境对干式变压器的正常运行造成了挑战，因为温度升高会导致绝缘材料老化、热应力增加以及系统可靠性下降。因此，寻找高效的冷却技术对于确保变压器在高温条件下稳定运行至关重要。本研究致力于探索和分析高温环境下的干式变压器冷却技术，以提高其性能和可靠性。

   关键词：高温环境；干式变压器；冷却；技术；应用

引言

电力变压器作为电力系统的核心组件，扮演着电能传输、分配和转换的关键角色。其中，干式变压器由于其环保、安全和低维护成本等特点，被广泛应用于电力分配系统、工业厂房以及城市建设等领域。然而，与其它冷却方式相比，干式变压器在高温环境下的工作面临更大的挑战。高温会导致变压器内部温度升高，可能引发绝缘材料老化、润滑油性能下降以及设备寿命缩短等问题。因此，高温环境下的干式变压器冷却技术研究变得尤为重要，以确保电力系统的可靠性和持久性。本研究将聚焦于高温环境下的干式变压器冷却技术，旨在探索创新的冷却解决方案，以提高其性能、延长寿命并降低运行成本。我们将综述目前已有的研究成果，并结合实验和数值模拟，探讨新型冷却技术的应用潜力。通过这项研究，我们希望为电力工程领域提供更多关于高温环境下变压器冷却技术的有益信息，以满足电力系统在面对极端气候条件下的需求，促进可持续能源分布和工业生产的可靠性。

一、干式变压器的基本原理和结构

（一）干式变压器的工作原理

干式变压器是一种用于电力分配和传输的关键设备，其工作原理基于电磁感应。在变压器内部，有两个互相绝缘的线圈，一个被称为“初级线圈”，通常与电网连接，另一个被称为“次级线圈”，通常与负载设备相连。这两个线圈之间有一个铁芯，用于增强磁场的传导和互感现象的发生。当交流电流通过初级线圈流过时，它会产生一个交变磁场。这个磁场穿透铁芯，然后通过互感作用传导到次级线圈。由于磁感应现象，次级线圈中会感应出一种新的交流电流，其电压水平取决于初级线圈和次级线圈的匝数比例。这就实现了电压的升降变换，允许电能在不同电压等级之间传输，以满足不同负载的需求。干式变压器的工作原理与油浸式变压器相似，但其独特之处在于绝缘介质。干式变压器使用环保的绝缘材料，如干燥的空气或特殊绝缘材料，而不是液体绝缘剂，这使其更适合在高温环境下运行，因为不需要担心绝缘液体的蒸发或泄漏。

（二）干式变压器的结构

干式变压器的结构设计旨在提供良好的绝缘和冷却性能。典型的干式变压器结构包括：

线圈：干式变压器的线圈通常由铜或铝制成，用于输送电流。初级线圈和次级线圈通过特殊的绝缘材料分隔和支撑，以确保绝缘性能。

铁芯：铁芯通常由硅钢片或其他磁性材料制成，用于增强磁场传导和降低磁损耗。

绝缘系统：干式变压器的绝缘系统使用环保的绝缘材料，如干燥的空气或特殊绝缘纸。这些材料可以抵抗高温和湿度，并提供可靠的绝缘性能。

冷却系统：为了在高温环境下维持适宜的温度，干式变压器通常配备有效的冷却系统，如通风冷却或液冷却。这有助于防止过热，维持变压器的正常运行。

干式变压器的基本原理是基于电磁感应，通过绝缘材料和合适的结构来实现电能的变换和传输。其独特之处在于使用环保的绝缘材料，使其适用于高温环境下的电力分配和传输。

二、高温环境对干式变压器的影响

（一）温度对绝缘材料的影响

高温环境对干式变压器的绝缘材料产生深远的影响。绝缘材料在变压器中起到关键的作用，用于隔离和保护线圈，防止电击和绝缘破坏。首先，高温会导致绝缘材料老化。绝缘材料在高温下会加速老化过程，失去原有的电气性能和机械强度。这可能导致绝缘材料裂解、变脆和失去绝缘性能，增加了绝缘击穿的风险。

其次，高温会降低绝缘材料的介电强度。绝缘材料的介电强度在高温下会减弱，这意味着它们更容易发生击穿，导致电弧放电和短路。这对变压器的安全性和可靠性构成潜在威胁。另外，高温还可能引发绝缘材料的氧化和化学分解，降低其绝缘性能。这会导致绝缘材料表面变质，从而影响变压器的绝缘性和性能。

（二）温度对变压器性能的影响

高温环境对干式变压器的性能产生显著的负面影响。首先，高温会引起变压器内部温度升高，这可能导致功率损耗的增加。变压器的效率可能降低，因为高温会导致铜线圈的电阻增加，使得电能的转换效率下降。其次，高温还可能导致变压器冷却不足。在高温环境下，冷却系统的工作效率降低，无法有效散热。这可能导致变压器过热，进而影响其正常运行，甚至引发设备故障。

（三）温度对可靠性和寿命的影响

高温环境对干式变压器的可靠性和寿命也造成显著影响。首先，高温会缩短变压器的寿命。绝缘材料的老化和性能下降，以及变压器内部的温度升高，都会导致设备寿命的减少。这可能需要更频繁的维护和更早的设备更换，增加了运营成本。另外，高温还会增加变压器的可靠性风险。过高的温度可能导致设备故障和绝缘击穿，从而引发停电和生产中断，给电力系统和工业生产带来不必要的风险。

三、高温环境下的干式变压器冷却技术

（一）传统冷却方法回顾

传统的干式变压器冷却方法通常采用自然通风和强制通风两种方式。自然通风是最简单的冷却方法，它依赖于变压器的自然冷却，通过使空气在变压器周围流动来降低温度。虽然这种方法成本低廉，但在高温环境下效率较低，无法满足对冷却性能有更高要求的应用。另一方面，强制通风使用风扇或风冷器，以增强冷却效果。虽然这种方法在一定程度上提高了冷却性能，但仍然受到高温环境的限制，因为温度过高会影响风冷器的效能。因此，传统冷却方法在高温环境下存在一定局限性，需要进一步改进。

（二）高温环境下的新型冷却技术

为了应对高温环境下的挑战，研究人员一直在开发新型的冷却技术。其中一种方法是采用高导热率材料，如铜或铝，来替代传统的绝缘材料，以提高散热性能。这样可以有效地提高变压器的冷却效率，降低温升，并减轻高温环境下的负荷。另一种创新的冷却方法涉及利用热管技术。热管是一种高效的热传导设备，可以将热量从变压器的内部传递到冷却系统。这种技术可以显著提高冷却效果，即使在高温环境下也能保持较低的工作温度。此外，利用液冷却系统，如直接液冷或间接液冷，也可以在高温条件下提供更有效的散热。

（三）热仿真模型和计算工具

为了更好地研究和优化高温环境下的干式变压器冷却技术，热仿真模型和计算工具变得至关重要。这些工具可以帮助工程师模拟和分析变压器的热行为，以评估不同冷却方法的效果。通过计算温度分布、热流分布和热应力等参数，研究人员可以更好地了解变压器在高温环境下的性能，并指导新型冷却技术的设计和优化。高温环境下的干式变压器冷却技术的研究正在不断演进，传统方法的限制促使研究人员寻求新的创新解决方案。采用高导热率材料、热管技术和液冷却系统等新型技术，可以显著改善冷却性能，提高变压器的可靠性和效率。同时，热仿真模型和计算工具的应用也为优化冷却系统提供了强有力的支持。这些进步将有助于满足电力系统在高温环境下的需求，提高能源传输和分配的可靠性。

结语

高温环境下的干式变压器冷却技术的研究是电力工程领域的重要议题，对于确保电力系统的可靠性和稳定运行至关重要。随着气候变化和能源需求的不断增加，高温环境下的变压器性能和寿命面临更大的挑战。研究和创新在这一领域取得了显著进展，热仿真模型和计算工具的应用有助于更好地理解高温环境下的变压器热行为，为新技术的设计和优化提供了有力支持。这些努力将有助于满足电力系统在极端气候条件下的需求，促进电力分配和传输的可靠性，从而推动可持续能源的发展。

参考文献

[1]刘红蕾，李广华，王德坚，等．油浸式变压器热管散热模型的实验研究［J］．华电技术，2013，35(2):36-38．

[2]刘婷婷，李永光．基于蒸发冷却技术的冷却管数量优化［J］．上海电力学院学报，2018，34(2):169-172．

[3]张一凡，李永光，毛程．片散在油浸变压器蒸发冷却中的实验研究［J］．能源与节能，2013(1):64-66．