油浸式变压器的冷却及油流文档格式.docx

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油浸自冷

ONAN

绕组中的变压器油按自然对流方式流动

油浸风冷

ONAF

同上

强迫油循环风冷

OFAF

强迫油循环导向冷却

ODAF

绕组中的变压器油为强迫导向流动

在油浸自冷（ONAN）或油浸风冷（ONAF）的冷却方式中，由于变压器油在整个油路系统中为自然对流循环流动，通常称为ON冷却方式。

在ON冷却方式下，作为变压器冷却介质的变压器油，在变压器闭合的油路系统中通过油的浮力、重力的转变而对流循环流动。

即在变压器油箱内部，被变压器油所包围的发烧元件（例如绕组与铁心等）加热了周围的变压器油，受热的变压器油密度变小而形成浮力向上浮动，下部温度较低的油随之取代了上浮的油，使变压器油在变压器绕组及铁心等发烧元件中自下而上的流动。

发烧元件表面热流密度较大的地址，其油的流动速度也将自然加速。

热油至油箱顶部流入散热器，热油在散热器中将从变压器绕组等发烧元件中带出的热量通过散热元件的外表面散失在周围空气中而使油的温度降低、比重变大，在重力作用下向下流动，又从头回流到变压器的油箱下部，从而形成了变压器油在其封锁的油路系统中自然对流循环流动。

变压器油的密度与其温度的关系能够用（1-1）式表示。

（1-1）

式中—变压器油的温度，；

—变压器油温度为0C时的变压器油密度，；

—变压器油温度为00C时的变压器油密度，；

—变压器油温度为00C时的变压器油受热体积膨胀系数，。

相似地，变压器油的比重与其温度的关系也能够用（1-2）式表示。

（1-2）

式中—变压器油温度为0C时的变压器油比重，；

—变压器油温度为00C时的变压器油比重，；

其余符号意义见（1-1）式。

由（1-1）式和（1-2）式可见，二者均随温度上升而下降。

因此，在ON冷却方式的变压器中，器身中（绕组与铁心等发烧元件中）的变压器油受热后向上流动，散热器中的变压器油冷却后向下流动。

众所周知，容量较小的变压器通常采纳油浸自冷（ONAN）的冷却方式，变压器油在变压器的封锁油路系统中流动状况如图1-1所示。

在油箱内部，油要紧在变压器器身的发烧元件中向上流动。

在绕组与油箱壁之间的空间内，一方面是由于热流密度很小，而且油箱壁也有必然的散热能力，另一方面是那个空间的截面积专门大，因此那个空间内的变压器油流动速度超级缓慢。

图1-1油浸自冷（ONAN）式变压器的冷却原理示用意

图1-1的右边，用直角坐标示出了变压器油的温度与其几何高度的关系曲线，图中A、B、C、D各点与左图中相应点对应。

在A点油进入绕组等发烧元件下部并在绕组的高度区域被持续加热，油的密度持续降低并慢慢增大向上的浮力而向上流动，至B点处热油离开绕组。

热油经由B与C之间的一段途径流入散热

器，热油在这段途径中几乎不被冷却，只是在几何高度上有所增加。

热油在散热器中从C到D的途径上，变压器油从绕组等发烧元件中带出的热量通过散热器慢慢散失在周围空气中而被冷却，油的比重慢慢增加而在重力作用下向下流动，而后经由D与A之间的一段途径从D点回流到A点从头进入绕组等发烧元件。

如此周而复始，使变压器油在变压器的封锁油路系统中对流循环流动。

图1-1中，温差是在散热器中慢慢冷却的变压器油与散热器周围被加热的空气之间的对数平均温差，通常称其为油对空气的平均温升；

温差是变压器油进入绕组与离开绕组的温差，也确实是变压器油在绕组高度区域被加热的温升值；

温差是变压器油进入散热器与离开散热器的温差，一样以为它与相等。

换句话说，依照热平稳原理，在最终的稳固状态下，封锁系统中的变压器油在器身中被发烧元件加热的温度必然等于变压器油在散热器中被冷却的温度，从而达到变压器在稳态运行情形下发烧与散热的平稳。

也确实是说，在变压器稳态运行时，在封锁的发烧与冷却油路系统中流动的变压器油，沿变压器的油循环系统几何高度的温度散布曲线（即图中右边的-关系曲线）成为封锁曲线。

与此同时，散热器除辐射散热外，包围散热器的空气被散热器所加热也自下而上的对流循环流动，即散热器下部的空气以环境温度进入散热器区域，沿着散热器的高度被慢慢加热而从散热器上部流出散热器区域。

沿着散热器高度的空气温度的转变规律如图4-1的-关系曲线中的转变曲线所示。

另外，调整散热器的安装高度，能够改变整个油循环回路的浮力，改变油的自然热对流循环的流动速度。

图1-2油浸自冷式变压器散热器安装高度举高的冷却原理示用意

图1-2表示将散热器的安装高度提高，能够增加变压器油循环回路的浮力，使变压器油在绕组与散热器中的流动速度适当提高。

油的流动速度适当提高的结果也适当提高了对绕组的冷却成效，从而使温差=适当降低。

但在变压器发烧量（损耗）不变的情形下，油对空气的平均温升仍然维持不变。

在油浸风冷（ONAF）的冷却方式下，用以冷却散热器的冷却空气通过风扇一般是自下而上吹过散热器。

由于空气的流动速度较高，与空气自然对流相较，沿着散热器高度的空气温度的转变也大为减小。

空气流动速度的提高，使散热器空气侧的放热系数增大而大大提高了空气侧的对流散热能力，使热油冷却较快，提高了对变压器油的冷却成效。

若是散热器需要散出的热量（变压器的损耗）与空气自然对流（即ONAN冷却）时相等，那么油对空气的平均温升将会大为降低，从而也提高对变压器的冷却效率。

图1-3为自然油循环吹风冷却（ONAF）的冷却原理图，在变压器的绕组等发烧元件中，变压器油的流动原理与ONAN冷却方式相同。

可是，由于散热器散热能力的提高，热油中在散热器中冷却更快，从而加速了整个油循环系统的油流速度，使ONAF冷却方式比ONAN冷却方式对变压器有更好的冷却成效。

图1-3油浸风冷式变压器的冷却原理示用意

提高散热器的安装高度，也会与ONAN冷却方式一样取得更好的冷却成效。

十分成心义的是：

在ON冷却方式下，流经绕组等发烧元件的稳态变压器油流量等于流经散热器（散热元件）的变压器油流量，因此在油箱顶部测量而取得的变压器顶部油的温度，确实是从绕组顶部流出的变压器油的温度，也确实是变压器中油的最高温度。

这一个特点也成了这种变压器设计、运行的重要特点。

另外，在采纳油浸风冷（ONAF）的冷却方式时，除通常采纳如图4-3所示的冷却风机垂直送风的型式外，有时也采纳冷却风机水平方向送风的结构。

图1-4为强迫油循环的非导向冷却方式（OF）的冷却原理示用意，这时，冷却器中的变压器油通过油泵仅仅送入变压器油箱的下部。

进入油箱下部的变压器油如下图分为、两个支路流动，而且相当大一部份变压器油是在油箱与绕组之间的空间支路流动，这部份变压器油在油泵的作用下、在温度在几乎不变的情形下向上流动到油箱的上部点，与流经绕组的支路并从绕组顶部B流出的热油相混合，使得从绕组顶部到油箱盖的空间充满了这种混合油。

图1-4强迫油循环的非导向（OF）冷却变压器的冷却原理示用意

从绕组顶部到油箱盖间的空间内充满的混合油温度显然要比流经绕组而且方才离开绕组顶部B点的热油温度要低，显然，采纳OF冷却方的变压器从油箱顶部测量而取得的变压器顶层油的温度，也是这种混合油的温度。

而后，混合油通过-C这段管路进入冷却器，变压器油在冷却器中（图中C-D途径）取得冷却，再通过油泵送入变压器油箱的下部（图中A点）。

显然，进入冷却器与离开冷却器的变压器油温差也是指这种混合油被冷却而言的。

因此，变压器在OF冷却方式下，变压器油进入绕组与离开绕组的温差（油温度上升值），与变压器油进入冷却器与离开冷却器的温差（油温度下降值）再也不相等，其间的差值确实是热油与温度较低的油（流经支路的油）

混合时，热油的温度降低值。

事实上，对于采纳强迫油循环非导向（OF）冷却方式的变压器，迄今还没有一种仅依靠在绕组之外的测量方式能确信OF冷却方式变压器绕组顶部的油温度。

因此，对于采纳OF冷却方式变压器的冷却系统设计，是让冷却系统的油泵输送更多温度较低的混合油，使其进入绕组下部的变压器油温度更低。

由于采纳OF冷却方式的变压器冷却系统的油流有如此一个特点，因此，一样而言，采纳OF冷却方式变压器，油箱顶部混合油温升的设计操纵值通常不超过40K（在年平均环境温度较低的国家，也有按45K进行设计操纵的）。

这确实是说，关于采纳OF冷却的变压器，假设将变压器顶层油温的测量值用来确信绕组内部油的平均温度和绕组与变压器油之间的温度差（铜-油的平均温差），或用于计算绕组的热点温度从而研究变压器过负荷能力，都将是不真实的，乃至会致使错误。

在AF冷却方式下，风机送入风冷却器排管的冷却介质（空气）为环境温度，而吹出冷却器排管的热风为温度。

计算变压器油与环境温度的平均温差时，应当采纳与的平均值，如图1-4~1-5右边的图中所示。

在OF冷却方式下，由于支路的存在（见图1-4），变压器流经绕组的稳态的油流量与流经冷却器（或散热器）的油流量无关。

而且，变压器绕组内部的油仍是依照自然对流方式循环，绕组内部的热互换进程受油泵的阻碍很小。

也确实是说，绕组中的油流速度相关于自然油循环（ON）冷却时的油流速度转变很小。

若是变压器绕组的热负荷相同时，那么即便采纳OF冷却，变压器油进入绕组与离开绕组的温差也几乎与采纳ON冷却方式时相同。

所不同的是由于油泵存在产生了两个不同成效：

其一是热油在冷却元件（冷却器）中的流速大为增加，而且增强了热油的冷却；

其二是比自然油循环（ON冷却）能够输送更多通过冷却而温度更低的变压器油进入变压器的油箱下部，使进入绕组下部的油温更低。

图1-5为变压器强迫油循环导向（OD）冷却方式冷却原理示用意，冷却器中的变压器油通过油泵直接送入变压器的器身。

尽管它似乎只是取消了图1-4中油箱与绕组之间的并联油流支路b，但二者在变压器器身中的油路结构却很有区别。

变压器在OD的冷却方式下，除极少的油因油路泄漏和为了操纵绕组中油的流速度而对变压器油在进入绕组之前对少量油进行分流外，绝大部份变压器油都

流经绕组等发烧元件而进入冷却设备。

因此，进入冷却器的热油的温度能够以为是从绕组顶部流出的、具有变压器中最高油温的变压器油。

因此从油箱顶部测量而取得的变压器顶层油温度，几乎确实是从绕组顶部流出的变压器油的温度。

图1-5强迫油循环导向（OD）冷却变压器的冷却原理示用意

变压器在OD的冷却方式下，流经绕组等发烧元件稳态的油流量与流经散热器（冷却器）的油流量有关。

由于绕组中的变压器油是依照设定的油流途径强迫循环，因此绕组中的油流速度远高于其他任何冷却方式。

绕组中油流速度的提高使导线表面的放热系数大为提高，因此，这种冷却方式不仅对绕组的冷却成效最好，而且更重要的是降低了绕组平均温升与热点温升之间的温差。

正是因为绕组热点温升的降低，国际电工委员会提出的标准将这种冷却方式的变压器绕组平均温升的允许值提高到70K（咱们国家的标准没有采纳如此规定，这对变压器绝缘的热寿命将加倍有利）。

变压器在OD的冷却方式下，为了操纵绕组中油的流速度而在必要时对变压器油在进入绕组之前即便进行了小部份分流，由于分流的油量小而且流经绕组与油箱之间的空间流道截面积专门大，流速相当缓慢。

因此，在油箱顶部测量而得的变压器顶部的油温度，大体上为绕组顶部流出的热油温度。

为了操纵变压器在OD的冷却方式下的绕组中油流速度，必需要对变压器的器身中油流散布与整个油循环回路的压力损失进行较为精准的复杂计算。

这一方面是为了计算各绕组温升的需要，另一方面也是操纵绕组中的油流速度、决定是不是需要分流，以便避免可能危及变压器平安运行的油流放电发生。

顺便指出，采纳风冷