一种变压器绕组温度分布预测方法

1.本发明涉及电力变压器领域，尤其涉及一种油浸式变压器绕组温度分布预测方法。
技术背景
2.油浸变压器是电力系统的重要组成部分，在电力系统中起到能量转换和能量传输的作用，所以保证电力变压器在使用过程中的稳定运行对保证经济生产和群众生活有着至关重要的作用。而在电力变压器的实际使用过程中，变压器的寿命和绝大多数的变压器故障都受到变压器绕组绝缘老化程度的影响，变压器的绝缘老化程度又与变压器绕组温度息息相关，因此在变压器的设计过程中对变压器绕组的温度进行精确的预测对改善变压器寿命和减少变压器故障有着十分重要的作用。
3.现有的变压器绕组温度预测方法大多存在其局限性。对于热网络法预测变压器温度分布，预测结果会受到热网络中模型参数的影响，由于变压器绕组结构复杂使模型参数的确定有着较大难度。对于数值分析法，则需要对变压器进行整体建模并剖分后计算，计算周期较长并对使用的计算机配置有一定要求。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供一种既可以准确对变压器绕组温度分布进行预测，又不会对计算机计算能力有过高要求且耗时较短的变压器绕组温度分布预测方法。
5.本发明提供了一种油浸式变压器绕组温度分布预测方法，所述方法包括确定各绕组的入口边界条件并对各绕组流体-温度场进行计算，包括如下步骤：
6.s1、分别按1:1绘制散热器和各电压等级绕组的3d模型并使用现有软件对模型进行网格剖分，为后续绕组和散热器的流体-温度场计算做准备；
7.s2、确定s1中绘制的高压绕组的流体-温度场计算的入口温度θ
rr
与入口流量qg的计算初值；
8.s3、将高压绕组按入口温度为θ
rr
与入口流量为qg进行温度-流体场计算，并确定其它绕组与该绕组压力平衡时的温度-流体场情况，具体包括：
9.s31、将入口温度θ
rr
与入口流量qg代入高压绕组，对其进行温度-流体场的计算；
10.s32、确定低压绕组入口流量qd(和中压绕组入口流量qz)的初值；
11.s33、根据低压绕组入口流量qd(和中压绕组入口流量qz)对绕组进行温度-流体场计算；
12.s34、根据s33温度-流体场计算结果，按照绕组内油流阻力压强与流量为正比关系推测绕组内各油流量的油流阻力压强；根据绕组内损耗确定各油流量下绕组内油流的重力压强；继而得出在当前正比关系下与高压绕组压力平衡的低压绕组入口流量计算值q
dq
(和中压绕组入口流量计算值q
zq
)；
13.s35、判断低压绕组入口流量qd与低压绕组入口流量计算值q
dq
(以及中压绕组入口
流量qz与中压绕组入口流量计算值q
zq
)的误差是否在1％以内，如果误差在1％以内，跳至s4继续计算；如果误差不在1％以内，继续执行s36；
14.s36、将q
dq
(和q
zq
)的值对应赋给qd(和qz)，并将q
dq
(和q
zq
)中的值清空，回到步骤s33；
15.s4、确定与绕组部分压力平衡的油箱内油流温度与高度的指数函数，并根据油箱的散热能力确定油箱内的油流量；
16.s5、确定油箱入口至绕组入口和绕组出口至散热器入口两段油流的油流量、温度以及压强，具体包括：根据s3和s4的油流量确定流经散热器的油流量；将变压器的铁心损耗分配到油箱入口至绕组入口和绕组出口至散热器入口两段油流中，并利用变压器的单位面积热负荷确定油流在上述两段过程中通过油箱表面的散热量；进一步通过能量守恒确定上述两段油流高度与温度之间的函数关系，最终确定两段油流的重力压强；
17.s6、将s5得到的散热器入口温度与流量作为散热器流体-温度场分析的入口边界条件，得到散热器的流体-温度场；将s5确定的油箱入口温度和散热器入口温度计算出的油箱侧重力压强减去s6中场分析得到的阻力压强作为散热器一侧压强值；
18.s7、判断油箱与散热器两侧的压强以及s6中场计算得到的散热器出口温度与s5确定的油箱入口温度的误差是否均在1％以内，如果压强与温度的误差均在1％以内，则认为s3中得到的各绕组温度场结果为实际的绕组温度分布情况，计算结束；当存在压强或温度的误差超过1％继续执行s8；
19.s8、通过s7中对比的压强与温度确定高压绕组在下一轮循环过程中的入口温度θ
rr
与入口流量qg，并回到s3继续计算，具体包括：
20.s81、通过油箱入口温度与散热器出口温度的差值确定下一轮循环中绕组入口的温度，将本轮循环中的入口温度加上散热器出口温度减去油箱入口温度的值赋给下一轮循环中的绕组入口温度；
21.s82、通过散热器侧与油箱侧的重力压强差值与流经散热器和绕组部分的流体回路的阻力压强的比值确定下一轮循环高压绕组的入口流量，将本轮循环散热器与油箱两侧的重力压强差与阻力压强的比值乘以高压绕组入口流量的值赋给下一轮循环中的高压绕组入口流量。
22.优选的，步骤s1中的绕组模型为简化模型，简化方式为：通过扩大相应绕组内导线的尺寸，使之完全覆盖绕组中的绝缘部分，并将绝缘作为壁面。
23.s2和s32所述的各绕组的入口流量和入口温度初值，技术人员可以在合理范围内根据经验对各绕组的入口温度做出任意相同的合理假设，对各绕组流量进行任意相同或不同的合理假设，并将其作为计算初值。
24.如上所述，本发明提供的一种油浸式变压器绕组温度分布方法预测方法，具有如下效果：
25.1、本发明根据能量守恒、动量守恒和质量守恒将变压器不同部分的场分析结果关联了起来，在准确的预测了变压器重点区域的温度分布的前提下，大大的节约了运行时所需要的算力，降低了计算门槛。
26.2、本发明在进行绕组间的压力平衡计算时，采用了逐步修正的线性流阻来寻找绕组间的压力平衡关系，使计算能够快速的从初值逼近到压力平衡的情况，大大减少了计算
时间，提高了计算效率。
27.3、本发明通过对比油箱与散热器下端连接处的温度校正绕组入口处的温度，对比油箱与散热器两侧的压强调整绕组入口处的油流量，并将绕组边界条件中的入口温度与流量解耦，达到了同时矫正入口温度与入口流量的目的，降低了计算的复杂程度。
附图说明
28.图1是本发明一具体实施例的绕组温度分布预测方法的整体流程图；
29.图2是本发明一具体实施例的中压绕组模型，其中包括1/28模型的在中压绕组的位置以及模型的局部放大；
30.图3是本发明一具体实施例的位置说明图；
31.图4是本发明一具体实施例的中压绕组温度分布预测结果。
32.附图标记说明：a、变压器绕组入口，各绕组的入口温度均为该点温度；b、变压器绕组出口，假设各绕组中油流自绕组中流出在此处充分混合；c、未与流经散热器的油流完全混合的流经油箱中的油流，即说明书中提到的自油箱中流出的油箱出口处；d、为说明书中提到的散热器入口处；e、为说明书中提到的散热器出口处；f、为说明书中提到的油箱入口处。
具体实施方式
33.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
34.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
35.为了保证变压器在设计过程中的热指标以及在使用过程中的安全性，在具体实施例中提供了一种变压器绕组温度分布预测方法，所述变压器为油浸自冷的三绕组变压器，所述方法流程如图1所示，包括如下步骤：
36.s1、分别按1:1绘制散热器和各电压等级绕组的3d模型并使用现有软件对模型进行网格剖分，为后续绕组和散热器的流体-温度场计算做准备；
37.本实施例中，步骤s1具体包括如下步骤：
38.s11、分别绘制高中低压绕组模型，高中低压绕组模型为沿相邻垫块中心线圆周方向的1/28模型，该实例中高中低压绕组一层油道垫块的数量均为28个，绘制的中压绕组模型如图2所示；并用现有软件对模型进行网格剖分，为后续绕组有限元分析做准备；
39.s12、对变压器众多相同散热器中的一个进行三维建模并进行网格剖分。
40.s2、确定s1中绘制的高压绕组的流体-温度场计算的入口温度θ
rr
与入口流量qg的计算初值；
41.本实施例中绕组入口温度初值为35℃，高压绕组入口流量初值为0.03kg/s。
42.s3、将高压绕组按入口温度为θ
rr
与入口流量为qg进行温度-流体场计算，并确定其它绕组与该绕组压力平衡时的温度-流体场情况，具体包括：
43.s31、认为变压器中的纸筒绝热，变压器绕组产生的热量完全由流经变压器绕组的油流带走，将入口温度θ
rr
与入口流量qg作为高压绕组流体-温度场分析的入口边界条件，利用现有软件对高压绕组的温度-流体场进行求解；
44.s32、确定低压绕组入口流量qd和中压绕组入口流量qz的初值；
45.本实施例中，低压绕组入口流量qd的初值为0.02kg/s，中压绕组入口流量qz的初值为0.03kg/s；
46.s33、根据低压绕组入口流量qd和中压绕组入口流量qz对中低压绕组进行温度-流体场计算；
47.s34、设rz和rd分别为表示中低压绕组流阻的变量，利用s33场计算结果和流经绕组流路的压力损失δp与流量q存在正比关系：δp＝r*q得出本轮循环中rz和rd的值；低压绕组入口流量计算值q
dq
和中压绕组入口流量计算值q
zq
满足下式(1)：
[0048][0049]
其中p2为高压绕组的重力压强与流体流经该绕组的压力损失之和、p
2g
为高压绕组中的重力压强、h为绕组高度、θ
rr
为假设的绕组入口温度、θ
rcg
为有限元分析得到的高压绕组出口温度、θ
rcz
为中压绕组出口温度、θ
rcd
为低压绕组出口温度、δpg为流体流过高压绕组的压力损失、wz和wd分别为中压绕组和低压绕组的损耗；
[0050]
s35、判断低压绕组入口流量qd与低压绕组入口流量计算值q
dq
以及中压绕组入口流量qz与中压绕组入口流量计算值q
zq
的误差是否在1％以内，如果误差在1％以内，跳至s4继续计算；如果误差不在1％以内，继续执行s46；
[0051]
s36、将q
dq
和q
zq
的值分别对应赋给qd和qz，并将q
dq
(和q
zq
)重新作为未知量，回到步骤s33；
[0052]
通过循环步骤s33-s36使中低压绕组快速与高压绕组在入口温度为θ
rr
且入口流量为qg的边界条件下的压强平衡。
[0053]
s4、确定与绕组部分压力平衡的油箱内油流温度与高度的指数函数，并根据油箱的散热能力确定油箱内的油流量，具体包括如下步骤：
[0054]
s41、流经高中低压的流体经过各相绕组中的流路后在绕组出口处充分混合，则混合后的流体温度θ
rc
满足下式(2)：
[0055]
[0056]
其中w为绕组部分的整体损耗、qr＝(qg qz qd)*28*3；
[0057]
s42、流经油箱的油流量q
oil
满足下式(3)：
[0058][0059]
其中θa为环境温度、k为油箱表面换热系数、o为油箱周长、c为变压器油的比热容；
[0060]
s43、计算得出油流经油箱到达绕组入口处未与其他油流混合时的温度θ
yc
，具体如式(4)所示：
[0061][0062]
s5：确定绕组出口到散热器入口以及油箱入口到绕组入口的温度、流量与压强，步骤s5具体包括如下步骤：
[0063]
s51、计算经过散热器的总油流量qs，具体如式(5)所示：
[0064]qs
＝q
r-q
oil
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0065]
s52、在油流流出绕组至进入散热器过程中，油流还要经过变压器的油箱部分，在此过程中油流既要吸收变压器铁芯所产生的热量，同时又通过油箱表面散出一部分热量；
[0066]
在油流流出绕组进入散热器和油流流入油箱进入绕组的过程中，油流吸收的热量各为变压器铁心产生损耗的一半，用符号w
fe/2
表示；
[0067]
根据散热面积计算油箱表面散热情况，有效散热面积s＝0.75s1 s2 s3,其中s1为油箱盖面积，s2为油箱壁散热面积，s3为散热器散热面积；
[0068]
单位面积热负荷q＝(p0 pk)/s,其中p0为变压器空载损耗，pk为变压器负载损耗；
[0069]
油流在流出绕组后，进入散热器前通过油箱散出的热量为ql1o，l1为绕组出口至散热器入口处的垂直距离；
[0070]
s53、散热器入口处的温度θ
sr
满足下式(6)：
[0071][0072]
s54、计算绕组出口至散热器入口处的压力p1，具体如式(7)所示：
[0073][0074]
s55、自散热器进入油箱的油流qs在到达绕组前吸收变压器铁心损耗的一半w
fe/2
并经过油箱散出ql2o热量，而后与经过油箱中的流体混合后的温度达到绕组入口温度，油箱入口温度θ
yr
满足方程组(8)：
[0075][0076]
其中w
os
为油箱中油流在绕组入口处与经过散热器的油流汇合时温度变化为绕组入口处温度所吸收的热量、l2为油箱入口与绕组入口的垂直距离；
[0077]
s56、计算油箱入口至绕组入口处的压力p3，具体如式(9)所示：
[0078][0079]
s6、将s5得到的散热器入口温度与流量作为散热器场分析的入口边界条件，得到散热器的流体-温度场，进一步得到散热器一侧的压强，步骤s6具体包括如下步骤：
[0080]
s61、qs/ns为散热器入口的流量，其中ns为变压器的散热器的数量；将散热器入口温度和入口流量作为散热器场计算的入口边界条件对散热器的流体-温度场进行求解；
[0081]
s62、通过散热器流体-温度场的求解结果得到散热器在对应入口边界条件下的出口温度θ
sc
和流经散热器的压力损失δps；
[0082]
s63、计算散热器部分的压强ps，具体如方程组(10)所示：
[0083][0084]
其中β是根据油箱入口温度和散热器入口温度求解出的表征散热器表面散热能力的系数。
[0085]
s7、判断是否满足方程组(11)：
[0086][0087]
如果满足方程组(11)，则s3中各绕组温度场的结果即为预测的油浸自冷式变压器绕组温度分布情况，计算结束；如果不满足条件则继续执行s8；
[0088]
s8、通过s7中方程组(11)的压强与温度确定s2中选取的绕组在下一轮循环过程中的入口温度θ
rr
与入口流量qg，并回到s3继续计算，具体包括如下步骤：
[0089]
s81、计算高压绕组入口流量系数，具体如式(12)所示：
[0090][0091]
赋值qg＝kqg；
[0092]
s81、赋值θ
rr
＝θ
rr
θ
sc-θ
or
；
[0093]
而后返回步骤s3继续计算，直至满足s7中的条件，计算结束。
[0094]
通过循环步骤s3-s8使高压绕组的入口温度θ
rr
与入口流量qg快速达到真实情况并完成对高中低压绕组流体-温度场计算。
[0095]
上述步骤过程中提到的油箱、绕组和散热器出入口具体位置如图3所示。
[0096]
本实施例中的部分数据：
[0097]
该变压器绕组高度1800mm,高压绕组102段，中压绕组78段，低压绕组98段，各相段间垫块数量均为28个；
[0098]
散热器为32个pc 2700-30/520散热器组成的散热器组；
[0099]
油箱入口至绕组入口及绕组出口至油箱出口垂直距离均为450mm；
[0100]
室温25℃，油箱表面的散热系数取11.5w/m2·
k，散热器表面散热系数13.5w/m2·
k；
[0101]
经过计算最终绕组入口温度34.3℃，流经高压组一相1/28模型入口流量0.0453kg/s，中压绕组一相1/28模型入口流量0.0280kg/s，低压绕组一相1/28模型入口流量0.0123kg/s；
[0102]
图4为实施例变压器热点对应的绕组温度云图。