油浸式变压器的冷却与油流

油浸式变压器的冷却与油流1油浸式变压器的冷却原理分析通常，油浸式变压器内部的冷却介质为矿物油，外部冷却介质为空气或者是水。

根据国家标准‘电力变压器 温升 GB1094.2-1996’的规定，油浸式变压器外部冷却介质为空气时的冷却方式如表1所示。

同时，表1中也指出了变压器的绕组中冷却介质（变压器油）的流动状态。

表1 外部冷却介质为空气的油浸式变压器冷却方式与绕组中的油流在油浸自冷（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、重力的变化而对流循环流动。

即在变压器油箱内部，被变压器油所包围的发热元件（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热元件中自下而上的流动。

发热元件表面热流密度较大的地方，其油的流动速度也将自然加快。

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热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，又重新回流到变压器的油箱下部，从而形成了变压器油在其封闭的油路系统中自然对流循环流动。

变压器油的密度θρ与其温度θ的关系可以用（1-1）式表示。

()θβρθβρρθ0000111-≈+= 3-k g m （1-1）式中θ—变压器油的温度，C 0；θρ—变压器油温度为θ0C 时的变压器油密度，3-kgm ；0ρ—变压器油温度为00C 时的变压器油密度，3-kgm ；0β—变压器油温度为00C 时的变压器油受热体积膨胀系数，10-C 。

相似地，变压器油的比重θγ与其温度θ的关系也可以用（1-2）式表示。

()θβγγθ001-≈ 3-k g m （1-2）式中θγ—变压器油温度为θ0C 时的变压器油比重，3-kgm ；0γ—变压器油温度为00C 时的变压器油比重，3-kgm ；其余符号意义见（1-1）式。

由（1-1）式和（1-2）式可见，两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（绕组与铁心等发热元件中）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用油浸自冷（ONAN ）的冷却方式，变压器油在变压器的封闭油路系统中流动状况如图1-1所示。

在油箱内部，油主要在变压器器身的发热元件中向上流动。

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，而且油箱壁也有一定的散热能力，另一方面是这个空间的截面积很大，因此这个空间内的变压器油流动速度非常缓慢。

图1-1油浸自冷（ONAN ）式变压器的冷却原理示意图图1-1的右侧，用直角坐标示出了变压器油的温度θ与其几何高度h 的关系曲线，图中A 、B 、C 、D 各点与左图中相应点对应。

在A 点油进入绕组等发热元件下部并在绕组的高度区域被连续加热，油的密度连续降低并逐步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 之间的一段路径流入散热器，热油在这段路径中几乎不被冷却，只是在几何高度上有所增加。

热油在散热器中从C 到D 的路径上，变压器油从绕组等发热元件中带出的热量通过散热器逐步散失在周围空气中而被冷却，油的比重逐渐增加而在重力作用下向下流动，而后经由D 与A 之间的一段路径从D 点回流到A 点重新进入绕组等发热元件。

如此循环往复，使变压器油在变压器的封闭油路系统中对流循环流动。

图1-1中，温差a o -∆θ是在散热器中逐渐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wo θ∆是变压器油进入绕组与离开绕组的温差，也就是变压器油在绕组高度区域被加热的温升值；温差co θ∆是变压器油进入散热器与离开散热器的温差，一般认为它与wo θ∆相等。

换句话说，根据热平衡原理，在最终的稳定状态下，封闭系统中的变压器油在器身中被发热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况下发热与散热的平衡。

也就是说，在变压器稳态运行时，在封闭的发热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分布曲线（即图中右侧的θ-h 关系曲线）成为封闭曲线。

与此同时，散热器除了辐射散热外，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逐步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a θ的变化规律如图4-1的θ-h 关系曲线中的a θ变化曲线所示。

此外，调整散热器的安装高度，可以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抬高的冷却原理示意图图1-2表示将散热器的安装高度提高，可以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率适当提高。

油的流动速率适当提高的结果也适当提高了对绕组的冷却效果，从而使温差wo θ∆=co θ∆适当降低。

但在变压器发热量（损耗）不变的情况下，油对空气的平均温升a o -∆θ仍然保持不变。

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通常是自下而上吹过散热器。

由于空气的流动速度较高，与空气自然对流相比，沿着散热器高度的空气温度a θ的变化也大为减小。

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效果。

如果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，则油对空气的平均温升a o -∆θ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热元件中，变压器油的流动原理与ONAN 冷却方式相同。

但是，由于散热器散热能力的提高，热油中在散热器中冷却更快，从而加快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效果。

图1-3油浸风冷式变压器的冷却原理示意图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效果。

十分有意义的是：在ON 冷却方式下，流经绕组等发热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，因而在油箱顶部测量而得到的变压器顶部油的温度，就是从绕组顶部流出的变压器油的温度，也就是变压器中油的最高温度。

这一个特点也成了这类变压器设计、运行的重要特点。

此外，在采用油浸风冷（ONAF ）的冷却方式时，除了通常采用如图4-3所示的冷却风机垂直送风的型式外，有时也采用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 ）的冷却原理示意图，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图所示分为a 、b 两个支路流动，而且相当大一部分变压器油是在油箱与绕组之间的空间b 支路流动，这部分变压器油在油泵的作用下、在温度在几乎不变的情况下向上流动到油箱的上部'B 点，与流经绕组的a 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[]6。

图1-4强迫油循环的非导向（OF ）冷却变压器的冷却原理示意图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并且刚刚离开绕组顶部B 点的热油温度要低，显然，采用OF 冷却方的变压器从油箱顶部测量而得到的变压器顶层油的温度，也是这种混合油的温度[]6。

而后，混合油经过'C -C 这段管路进入冷却器，变压器油在冷却器中（图中C-D 路径）得到冷却，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co θ∆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wo θ∆（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co θ∆（油温度下降值）不再相等，其间的差值就是热油与温度较低的油（流经b 支路的油）混合时，热油的温度降低值。

事实上，对于采用强迫油循环非导向（OF ）冷却方式的变压器，迄今还没有一种仅依靠在绕组以外的测量方法能确定OF 冷却方式变压器绕组顶部的油温度[]6。

因此，对于采用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。

由于采用OF 冷却方式的变压器冷却系统的油流有这样一个特点，因此，一般而言，采用OF 冷却方式变压器，油箱顶部混合油温升的设计控制值通常不超过40K （在年平均环境温度较低的国家，也有按45K 进行设计控制的）。

这就是说，对于采用OF 冷却的变压器，若将变压器顶层油温的测量值用来确定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），或者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，甚至会导致错误[]6。

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ai θ，而吹出冷却器排管的热风为温度0a θ。

计算变压器油与环境温度的平均温差a o -∆θ时，应当采用ai θ与0a θ的平均值，如图1-4~1-5右侧的图中所示。

在OF 冷却方式下，由于b 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按照自然对流方式循环[]6，绕组内部的热交换过程受油泵的影响很小。

也就是说，绕组中的油流速度相对于自然油循环（ON ）冷却时的油流速度变化很小。

如果变压器绕组的热负荷相同时，那么即使采用OF 冷却，变压器油进入绕组与离开绕组的温差wo θ∆也几乎与采用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效果：其一是热油在冷却元件（冷却器）中的流速大为增加，而且加强了热油的冷却；其二是比自然油循环（ON 冷却）能够输送更多经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意图，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 ，但两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，除了极少的油因油路泄漏和为了控制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，绝大部分变压器油都流经绕组等发热元件而进入冷却设备。