一种考虑气相绝缘约束的变压器相变冷却仿真方法及系统与流程

本发明属于电力变压器多物理场仿真，具体涉及一种考虑气相绝缘约束的变压器相变冷却仿真方法及系统。

背景技术：

1、电力变压器作为电力系统输配电网络的核心枢纽设备，运行过程中绕组铜损、铁芯铁损及金属结构件杂散损耗会持续转化为热能，若热量无法及时导出将引发内部过热，大幅缩短绝缘寿命，严重时直接诱发设备绝缘击穿故障。常规矿物油变压器依靠油液自然对流、强迫油循环实现散热，受矿物油沸点、换热极限限制，在高过载、紧凑型、高频特种变压器场景下散热能力存在明显瓶颈。

2、为突破传统油浸变压器散热短板，行业逐步采用低沸点氟碳绝缘介质替代矿物油，发展氟碳液相变冷却变压器。该类设备依靠氟碳介质液—气相变潜热实现高效换热。发热区域介质温度升至当前压力下饱和温度后发生汽化，气相氟碳介质在浮升力、流场压力梯度驱动下向上迁移至顶部冷凝区，释放汽化潜热后重新液化，依靠重力回流至发热区域，形成闭环相变换热循环，具备换热效率高、设备体积紧凑、燃爆风险低等优势，在大容量特种变压器、海上风电变流器配套变压器、户内紧凑型配电变等场景具备广阔应用前景。

3、现阶段针对氟碳液相变冷却变压器的仿真分析手段，主流采用电磁—热—流单向耦合仿真框架，其通用实施流程为：第一步建立电磁场有限元模型求解全域电磁损耗；第二步将电磁损耗作为固定热源映射至热—流耦合模型，求解设备内部温度场、介质流速场、压力场以及气相体积分数分布；第三步仅依托绕组热点最高温度、内部汽化区域范围两项指标，定性评估设备相变冷却性能。该类单向耦合仿真方法仅能实现换热效果单一维度评价，在绝缘风险评估层面存在根本性缺陷，具体体现在以下三方面：

4、第一，现有仿真忽略气、液两相氟碳介质介电特性差异带来的电场畸变效应。氟碳液相、气相介质介电常数、击穿场强差距显著，气相介质聚集于绕组端部、主绝缘间隙、引线接头、套管根部、结构尺寸突变等高电场敏感区域时，会改变局部介质等效介电常数，引发电场局部畸变、场强骤升，直接压缩绝缘安全裕度。但传统仿真全程仅采用纯液相氟碳介质的介电参数计算初始电场分布，不会根据相变产生的气相分布实时更新局部介质电学参数，无法复现含气工况下真实电场分布，电场计算结果与设备实际运行工况偏差极大。

5、第二，缺少量化指标同步表征相变换热与气相绝缘耦合风险。现有技术仅能单独输出温度、气相分布、电场三组独立仿真云图，仅能依靠人工肉眼对比气相区域与高电场区域的重叠范围，无标准化、可量化的数值指标衡量气相介质在高电场区积聚带来的绝缘应力风险，无法实现换热性能与绝缘约束的一体化定量评判；同时人工对比方式主观性强、误差大，难以支撑多负载、多结构方案下的量化对比优化。

6、第三，无法实现冷却结构与绝缘结构协同优化指导。传统仿真只能在温度超标时单纯调整冷凝结构、介质流道，或电场超标时单独优化绝缘屏障、引线布置，割裂了相变换热与气相绝缘的内在耦合关系。实际工程中，调整冷凝区、气相导流结构会同步改变气相迁移路径与含气区域分布，进而影响高电场区域绝缘应力；单纯加厚绝缘屏障又会阻碍介质流动、加剧局部过热，现有仿真体系无法预判两类优化措施带来的耦合副作用，难以给出兼顾散热与绝缘的一体化结构改进方案。

7、专利公开号cn110739138a公开了一种相变冷却高频高压电力电子变压器，该专利采用低沸点h50氟碳类相变介质浸泡变压器本体，依靠介质液气相变潜热实现绕组高效散热，通过限定绝缘骨架、绕组排布、绝缘距离、线圈规格、铁芯材质等实体结构参数，提升变压器功率密度与绝缘耐压水平，可缩小设备体积、降低局部放电量，适配高频高压电力电子变换场景。但是其仅从实体结构与介质选型层面完成变压器硬件设计，仅依靠静态绝缘距离、介质固有耐压保障绝缘性能，无法构建标准化气相电场应力积聚量化指标表征气相聚集带来的绝缘击穿风险；不能同步定量评价绕组热点温升冷却约束与气相绝缘风险约束，无法为氟碳液变压器气相迁移路径、冷凝区域、绝缘屏障一体化协同优化提供量化仿真依据。

8、综上，行业亟需一种能够同步耦合电磁损耗、热—流—相变、变介电常数电场多物理场，可定量评价相变冷却效果与气相绝缘约束的一体化仿真分析方法，填补现有单向耦合仿真无法兼顾换热与绝缘双重约束的技术空白。

技术实现思路

1、本发明所要解决的问题在于，现有的氟碳液变压器相变冷却仿真无法同时兼顾换热与绝缘双重约束。

2、本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

3、一种考虑气相绝缘约束的变压器相变冷却仿真方法，包括以下步骤：

4、首先，建立待仿真氟碳液变压器的电磁场有限元模型，计算变压器内部电磁损耗分布和电场强度分布；

5、其次，基于所述电磁损耗分布进行热—流—相变耦合仿真，获得变压器内部相变冷却结果数据；

6、再次，根据所述相变冷却结果数据识别变压器内部含气区域，更新所述含气区域的介电参数和电场强度，并计算气相电场应力积聚量；

7、最后，根据所述相变冷却结果数据和气相电场应力积聚量，对氟碳液变压器的相变冷却效果和气相绝缘约束情况进行综合分析。

8、本发明通过构建电磁—热流相变—气电修正—综合评判闭环仿真逻辑，突破现有技术仅单向求解换热或单独计算电场的割裂仿真模式；可同步获取变压器冷却与绝缘两类核心性能数据，实现相变换热、气相绝缘风险一体化分析，解决传统仿真无法兼顾冷却效果与气相绝缘约束的行业痛点，为氟碳液变压器协同优化提供完整仿真框架。

9、优选的，所述电磁场有限元模型包括电磁损耗计算子模型和绝缘电场计算子模型；所述电磁损耗分布包含绕组损耗、铁芯损耗、金属结构件杂散损耗；所述初始电场强度分布包括绕组端部、主绝缘间隙、引线连接区域、套管引出区域和局部结构突变区域。

10、通过细分电磁场双计算子模型，精准覆盖变压器全部损耗来源与全区域高电场关键部位；可完整复现变压器真实电磁发热与初始电场分布，避免损耗漏算、高电场区域缺失导致的仿真失真，为后续相变仿真、含气电场修正提供高精度初始电磁基础数据。

11、优选的，所述热—流—相变耦合模型包括固体传热区、液相氟碳介质区、气相氟碳介质区、冷凝区，配置氟碳介质温度相关物性参数、汽化潜热、饱和温度与压力对应关系、汽化质量源项及冷凝质量源项；所述相变冷却结果数据包括温度场、速度场、压力场。

12、完整划分变压器全域传热、两相介质、冷凝四大计算区域，配套氟碳介质温压耦合物性与相变源项；可精准模拟氟碳介质汽化、冷凝完整相变循环，输出多维度全域场分布数据，完整还原氟碳液变压器内部真实换热流动工况，提升相变冷却仿真的数值精度。

13、优选的，热—流—相变耦合仿真过程包括：介质温度达到对应压力饱和温度时计算汽化质量源项；气相介质进入冷凝区满足冷凝条件时计算冷凝质量源项；根据汽化、冷凝质量更新内部压力，并修正饱和温度迭代更新相变源项与气液分布区域。

14、限定相变仿真迭代更新逻辑，实现压力、饱和温度、相变源项实时联动修正；可动态匹配不同负载下介质汽化、冷凝的瞬态变化规律，解决传统静态相变模型无法适配变工况运行的缺陷，大幅提升瞬态相变仿真结果与设备实际运行状态的匹配度。

15、优选的，识别含气区域的方式为：将气相体积分数不小于预设阈值的区域判定为含气区域；含气区域局部等效介电常数满足下式：；式中，为位置、时刻的等效介电常数；为位置、时刻的气相体积分数；为气相氟碳介质介电常数；为液相氟碳介质介电常数；将等效介电参数加载至绝缘电场计算子模型，得到含气工况下更新后的电场强度分布。

16、基于气相体积分数精准识别含气区域，并引入两相等效介电常数公式量化局部介质电学特性；可根据气相聚集程度动态更新绝缘介质参数、重算畸变电场，克服现有技术仅采用纯液相介电常数、忽略气相引发电场畸变的缺陷，还原含气工况下真实电场分布。

17、优选的，将更新后电场强度不小于预设电场阈值的绝缘冷却介质区域划定为高电场关注区域，并将气相体积分数分布和含气状态下的电场强度分布统一至同一空间坐标和同一计算时刻；所述气相电场应力积聚量计算公式为：

18、；式中，为时刻的气相电场应力积聚量；为高电场关注区域；为高电场关注区域体积；为考虑局部气相分布后的电场强度；为气相氟碳介质在对应局部温度和压力条件下的击穿场强。

19、划定高电场关注区域并统一多场时空坐标，通过积分公式量化气相电场应力积聚量；形成标准化绝缘风险量化指标，替代传统人工肉眼对比云图的定性分析方式，可定量表征气相与高电场叠加带来的绝缘击穿风险，评判结果客观、可量化、便于多方案横向对比。

20、优选的，根据绕组热点温度、铁芯温度、汽化区域分布和冷凝区域分布分析氟碳液变压器的相变冷却效果，根据气相体积分数、含气区域位置和气相电场应力积聚量分析气相绝缘约束情况。

21、优选的，获取相变冷却仿真时间范围内的绕组最大热点温度和最大气相电场应力积聚量，当所述绕组最大热点温度不高于预设温度限值，且所述最大气相电场应力积聚量不高于预设绝缘风险限值时，判定氟碳液变压器同时满足相变冷却约束和气相绝缘约束。

22、优选的，当绕组最大热点温度超标时，调整介质流动路径、冷凝区域或回流结构；当最大气相电场应力积聚量超标时，调整气相迁移路径、冷凝区域或局部绝缘结构。

23、本发明还公开了一种采用上述考虑气相绝缘约束的变压器相变冷却仿真方法的变压器热稳定性评估系统，包括电磁场求解模块、相变耦合仿真模块、气电耦合修正模块、综合评判模块；

24、所述电磁场求解模块，用于构建变压器电磁场有限元模型，输出电磁损耗分布与液相初始电场分布；

25、所述相变耦合仿真模块，与电磁场求解模块连接，接收电磁损耗作为热源，输出全域相变冷却结果数据；

26、所述气电耦合修正模块，与相变耦合仿真模块连接，识别含气区域、更新等效介电参数、重算电场并求解气相电场应力积聚量；

27、所述综合评判模块，分别连接相变耦合仿真模块、气电耦合修正模块，根据冷却数据与应力积聚量完成冷却、绝缘性能联合评判并输出优化调整建议。

28、本发明的优点在于：

29、（1）首创电磁—相变—气电修正一体化闭环仿真架构：打破现有氟碳液变压器仿真仅单向计算热流场、电场相互独立割裂的局限，先求解全域电磁损耗作为热源驱动相变仿真，再将相变产生的气相分布回代电场模型动态修正介电参数，形成完整多物理场闭环计算流程，能够同时反映设备冷却换热特性与气相引发的电场畸变真实工况，解决传统仿真无法兼顾相变冷却与气相绝缘约束的核心痛点；

30、（2）建立气相电场应力积聚量化评价指标：摒弃行业依靠人工对比气相、电场云图的主观定性分析方式，通过全域积分公式构建标准化气相电场应力积聚量，统一气相体积分数、场强、介质击穿强度时空维度，可客观量化气相聚集与高电场叠加带来的绝缘击穿风险，指标统一可横向对比多套结构、多负载工况方案，评判结果更客观、工程实用性更强；

31、（3）精准复现氟碳介质完整汽化—冷凝循环：在热—流—相变模型中设置汽化、冷凝质量源项，通过介质饱和温度与内部压力实时互修正迭代计算，动态匹配不同负载下介质汽化、上浮、冷凝回流瞬态过程，完整划分固、液、气、冷凝四大计算区域，相比静态相变模型大幅提升温度、气相分布仿真精度，贴合氟碳液变压器真实变工况运行状态；

32、（4）形成“双阈值判定+分场景定向优化”成套工程设计体系：设置绕组热点温度、气相绝缘应力双重安全限值同步校验，一次性判断设备是否同时满足散热与绝缘设计要求；针对温度超标、绝缘风险超标两类问题分别给出冷凝流道、气相导流、局部绝缘的差异化优化方案，实现冷却结构、绝缘结构协同优化，直接指导变压器气相迁移路径、冷凝区、绝缘屏障一体化结构设计。