引言：
配电变压器在运行过程中会产生大量热量，若散热不当将导致绝缘老化、寿命缩短，油浸式变压器散热效果直接影响设备运行可靠性和经济性，随着计算机仿真技术发展，采用数值模拟方法对变压器油箱散热特性进行分析，能够有效指导散热结构优化设计，基于热流体力学理论，结合工程实际，对油浸式配电变压器油箱散热系统进行研究具有重要意义。
一、油箱结构散热设计
（一）散热器布置方案设计
基于S22-250/10油浸式配电变压器设计参数，采用波纹散热器结构进行散热优化，散热器采用矩形翅片结构，通过有限元分析确定翅片高度160mm、厚度1.2mm最为适宜，在油箱两侧对称布置8组散热器组每组散热器由12块翅片构成，相邻翅片间距50mm。散热器顶部与油箱连接处设计锥形过渡结构，底部采用扇形集油罩，确保热油快速流入散热器，同时在油箱上部设置4个DN80排气阀，下部安装2个DN50放油阀，形成有效的油循环通道，通过计算分析表明该散热器布置方案在额定负载下散热面积达到12.6m²，散热系数为12.8W/（m²·K），满足变压器运行要求。
（二）油道结构优化设计
针对变压器内部油流通道，设计多层导油板结构增强对流换热，在低压绕组与铁心之间设置4块弧形导油板导油板倾角45°，间距80mm，形成Z字形油流通道，高压绕组外侧安装8块直径φ12mm的竖向导油筒，通过热压循环带动冷油快速流动。在油箱顶部设计折流板构造折流板开孔率35%，孔径φ15mm，引导热油快速流向散热器，油箱底部采用V型槽结构，槽深120mm，坡度15°，防止油泥沉积影响散热，经流体力学仿真计算，优化后的油道结构使油速提高28%，流场分布更加均匀，热点温升降低2.8℃，导油板与散热器的协同作用显著提升散热效果，系统散热能力提高22%，达到设计要求[1]。
二、热场仿真模型建立
（一）几何模型与网格划分
采用SolidWorks三维建模软件建立油浸式变压器几何模型，模型包括铁心、高低压绕组、油箱本体、散热器及导油装置等关键部件，铁心采用三相三柱结构，截面尺寸280mm×320mm，高度1200mm；低压绕组内径350mm，外径420mm，高度1000mm；高压绕组内径460mm，外径520mm，高度980mm，散热器组布置在油箱两侧，每侧8组，共计192片散热片。导入ANSYSWorkbench平台后，对模型进行网格划分，采用四面体和六面体混合网格，在温度梯度较大区域如绕组表面、导油板边缘等处进行网格加密，网格尺寸为2-5mm；其他区域采用较粗网格，网格尺寸8-15mm，经网格无关性验证，最终确定网格数量为386万，网格质量因子大于0.85，满足计算精度要求。
（二）边界条件与物性参数设置
在仿真计算中设定环境温度为25℃，考虑自然对流和辐射换热，油箱外表面与空气的对流换热系数取12W/（m²·K），散热器表面对流换热系数取8W/（m²·K），铁心损耗按390W均匀分布，低压绕组损耗875W，高压绕组损耗1260W，采用体积热源形式施加,变压器油采用25矿物绝缘油，密度设为880kg/m³，比热容1850J/（kg·K），导热系数0.12W/（m·K），动力粘度0.019Pa·s，铁心材料硅钢片的导热系数取28W/（m·K），密度7650kg/m³；绕组铜导线导热系数380W/（m·K），密度8900kg/m³，在计算域入口设置压力入口边界条件出口设置压力出口边界条件，压差取决于热油循环的热压差，壁面采用无滑移边界条件，辐射发射率取0.9。
（三）数值计算方法与模型验证
1.数值模型及求解方法
采用ANSYSFluent软件进行数值求解，选用压力耦合求解器进行计算。动量方程和能量方程采用二阶迎风格式离散，湍流模型选用RNGk-ε模型，近壁面采用增强壁面函数处理，考虑到变压器油物性参数随温度变化的特性，启用Boussinesq假设处理浮力项，设置收敛判据为：连续性方程残差小于10⁻⁴，动量方程和能量方程残差小于10⁻⁶，湍流方程残差小于10⁻⁵，确保计算结果收敛性。
2.模型验证与精度分析
通过实验室搭建1:5缩比实验模型进行测试验证，在变压器关键位置布置12个测温点包括绕组表面、油箱壁面及散热器进出口等区域，对比分析实测数据与仿真结果，最大误差为4.2%，平均误差2.8%，在80%、100%、120%等不同负载工况下进行温度场分布特征对比，验证结果表明建立的数值模型具有良好的预测精度，可靠性高，适用于指导散热系统优化设计[2]。
三、仿真结果分析与验证
（一）温度场分布特性分析
通过数值模拟计算获得变压器内部温度场分布云图，结果显示温度场呈现明显的分层现象，在额定负载工况下油箱顶部区域温度最高，达到75.8℃；底部区域温度最低，约为42.3℃；中部区域温度梯度较大，形成稳定的温度层，高压绕组顶部出现局部热点，最高温度为82.4℃，低于IEC标准规定的98℃限值，这主要是由于高压绕组损耗较大且位于顶部位置所致。铁心中心温度为68.5℃，径向温差4.2℃，轴向温差8.6℃，温度分布较为均匀，说明铁心冷却效果良好，油箱壁面温度由下至上呈线性增长趋势，平均温度55.6℃，最大温差33.5℃，散热器入口处油温71.2℃，出口处油温48.5℃，温差22.7℃，较大的温差表明散热器具有良好的换热效果。通过温度场分析发现导油板的设置显著改善了油流分布，减少了死区面积，使温度场分布更加均匀，特别是在绕组与铁心之间的狭窄通道内，温度梯度明显降低，在1.2倍额定负载下各测点温度升高12.3%~15.8%，最高温度点位于高压绕组顶部，达到94.6℃，仍未超过允许值，证明散热设计具有足够裕度，通过对温度场的深入分析为后续优化设计提供了重要依据。
（二）散热效果对比验证
为评估散热系统性能，对比分析了三种不同散热结构方案。方案一采用传统平板式散热器，方案二采用波纹式散热器，方案三采用优化设计的复合式散热器，在相同工况下进行对比试验测量各关键部位温度，结果表明，采用方案三时，绕组平均温升比方案一降低5.3℃，比方案二降低2.8℃；油箱顶部温度比方案一降低4.7℃，比方案二降低2.2℃，通过红外热像仪观察散热器表面温度分布方案三温度场更加均匀，热效率提高18.5%。对比分析了不同负载率下散热系统性能，在80%、100%、120%额定负载下连续运行24小时测量温度变化曲线，结果显示方案三在各负载水平下均表现出优异的散热性能，温度波动幅度最小，稳定性最好，经济性分析表明，虽然方案三初始投资较高，但由于散热效果好，可降低运行损耗，3年即可收回增量成本。
（三）流场特性与散热机理分析
1.流场分布与流动特征
利用数值模拟获得变压器内部流场分布规律，计算结果显示在热压驱动下形成稳定的自然循环流动。油流在绕组表面向上流动，速度为0.15~0.28m/s；在散热器内向下流动速度为0.08~0.12m/s，通过绕组间隙的最大雷诺数为2.3×10⁴流动处于湍流状态，导油板周围形成漩涡结构，增强了局部换热，散热器内部流动呈现明显的U型特征，中部流速较两侧快20%，通过分析速度矢量场发现优化后的油道结构显著改善了流场分布。
2.换热系数分析与参数优化
对流换热系数沿程变化曲线表明，在绕组表面对流换热最强平均换热系数达到285W/（m²·K）；在散热器表面次之为180W/（m²·K），通过分析不同结构参数对流场的影响，重点研究了导油板布置方式对流场的影响，当导油板倾角45°、开孔率35%时，流动阻力最小，降低15.3%，同时发现减少涡流区域可有效提升换热效果，优化后的结构在保证换热效果的同时降低了系统压降[3]。
结束语：
通过对油浸式配电变压器油箱散热系统的设计与仿真分析，确定了最优散热器布置方案和油道结构参数，研究表明合理的散热结构设计能显著提高散热效果，确保变压器安全稳定运行，该研究可为大容量变压器散热系统设计提供技术支持，具有重要的工程应用价值，后续研究将进一步探讨不同工况下散热特性，为变压器节能设计提供理论依据。
参考文献
[1]唐智健,邱志斌,廖才波,等.外置式散热模块对配电变压器热点温升的影响[J].高压电器,2021,60(03):135-143
[2]谭乐,刘勇,曹庆洲,等.关于油浸式配电变压器温升试验方法的研究[J].电气技术与经济,2020,(02):47-49.
[3]高勇,王杰,毛雅茹,等.10kV油浸式配电变压器过电流温升试验案例研究[J].电力大数据,2020,26(11):61-69.
