一種油浸式變壓器內(nèi)部溫度場的精確計(jì)算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種油浸式變壓器內(nèi)部溫度場的精確計(jì)算方法，本方法通過建立與實(shí)際變壓器尺寸結(jié)構(gòu)完全對應(yīng)的3D物理模型，并針對計(jì)算方法的不同特點(diǎn)，對物理模型進(jìn)行了科學(xué)的網(wǎng)格劃分，通過將有限體積法和有限元法結(jié)合進(jìn)行計(jì)算，即對于繞組和鐵心部分的金屬導(dǎo)熱，對于有流體參與的傳熱采用有限體積法進(jìn)行計(jì)算，可以得到精確的油浸式變壓器內(nèi)部溫度場3D計(jì)算結(jié)果，不止針對繞組和鐵芯的溫度場，變壓器內(nèi)部油流以及散熱片和變壓器箱體的溫度場都能進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，對變壓器的設(shè)計(jì)以及變壓器的實(shí)際運(yùn)行都有重要而全面的參考意義。
【專利說明】一種油浸式變壓器內(nèi)部溫度場的精確計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種油浸式變壓器內(nèi)部溫度場的計(jì)算方法，屬于基于改進(jìn)型有限元和有限體積法的一種混合計(jì)算方法，主要用于變壓器的設(shè)計(jì)和在線監(jiān)測領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]大型油浸式電力變壓器是電力系統(tǒng)的核心設(shè)備，其運(yùn)行狀況好壞事關(guān)電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和千家萬戶民眾能否安全可靠用電。而變壓器的故障往往是由其絕緣老化引起。在實(shí)際運(yùn)行中，準(zhǔn)確計(jì)算出變壓器的溫度場特別是繞組的熱點(diǎn)溫度，對延長變壓器的壽命和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行有著非常重要的意義。
[0003]油浸變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其內(nèi)部傳熱和散熱的機(jī)理復(fù)雜且難以計(jì)算，變壓器內(nèi)部各點(diǎn)溫度尤其是繞組熱點(diǎn)溫度難以準(zhǔn)確預(yù)測。目前對于變壓器內(nèi)部溫度場的計(jì)算一般分為兩類。一類是建立變壓器的熱路模型。一類是利用數(shù)值計(jì)算方法并借用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助計(jì)算。
[0004]現(xiàn)階段，對于變壓器內(nèi)部溫度場的數(shù)值計(jì)算方法主要分為兩類，一類是利用有限元法對變壓器內(nèi)部溫度場進(jìn)行二維和三維的計(jì)算；一類是利用在有限元法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的有限體積法對變壓器的內(nèi)部溫度場進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，兩種方法均有一定的誤差，對變壓器的設(shè)計(jì)以及對實(shí)際運(yùn)行中變壓器的溫度計(jì)算均構(gòu)成了障礙，影響了變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行。鑒于對油浸式變壓器內(nèi)部溫度場準(zhǔn)確計(jì)算的重要意義，故亟需一種改進(jìn)算法能對油浸式變壓器的內(nèi)部溫度場進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供了一種可靠性高、準(zhǔn)確有效的油浸式變壓器內(nèi)部溫度場的精確計(jì)算方法，從而對變壓器的設(shè)計(jì)以及實(shí)際運(yùn)行的變壓器提供一種準(zhǔn)確的內(nèi)部溫度場預(yù)測。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種油浸式變壓器內(nèi)部溫度場的精確計(jì)算方法，包括以下步驟:
步驟1:根據(jù)變壓器的參數(shù)和負(fù)荷計(jì)算出變壓器內(nèi)部總損耗，即鐵芯的空載損耗和繞組的負(fù)載損耗，然后利用空載損耗和負(fù)載損耗的結(jié)果，分別計(jì)算出繞組和鐵芯的生熱量，然后分別除以鐵芯和繞組的體積，從而分別計(jì)算出鐵芯和繞組單位體積的生熱率；
步驟2:以實(shí)際變壓器的尺寸結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，建立起變壓器的物理模型；
步驟3:對建立好的變壓器物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分:其中，繞組、鐵芯和散熱片采用高精度的六面體網(wǎng)格劃分方式；變壓器的油流部分采用網(wǎng)格漸變劃分方式，即油流與鐵芯、繞組、油箱散熱器接觸部分的距離越遠(yuǎn)，網(wǎng)格尺寸越大；
步驟4:檢驗(yàn)網(wǎng)格的劃分質(zhì)量,利用EquiAngle skew網(wǎng)格質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),檢驗(yàn)單元夾角計(jì)算的歪斜度；當(dāng)99%的繞組、鐵芯和散熱片的網(wǎng)格skew質(zhì)量系數(shù)控制在0.5以上時(shí)，則需對網(wǎng)格進(jìn)行加密處理； 步驟5:計(jì)算熱傳遞過程:
1)采用有限元法(FEM,Finite Element Analysis),求解繞組和鐵芯部分的熱傳遞過程，具體方法如下:
A.建立變壓器繞組和鐵芯溫度場的能量守恒和質(zhì)量守恒方程；
B.將計(jì)算出的鐵芯和繞組單位體積的生熱率作為載荷施加到各個(gè)網(wǎng)格中，基于上述能量守恒和質(zhì)量守恒方程，利用預(yù)條件共軛梯度法(The Preconditioned Conjugate GradientMethod)計(jì)算出繞組和鐵芯的內(nèi)部溫度場，得到繞組和鐵芯表面的溫度分布數(shù)據(jù)；
2)得到繞組和鐵芯表面溫度分布數(shù)據(jù)后，基于傅里葉對流換熱傳導(dǎo)定律，采用有限體積法，求解變壓器流體參與的傳熱過程，具體方法如下:
A.建立起變壓器繞組和鐵芯與變壓器油流傳熱的微分方程:
基于變壓器油流的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律，建立起變壓器內(nèi)部油流的傳熱微分方程；
B.將上述待解的微分方程對每一個(gè)控制體積積分，得出一組離散方程；求解過程采用基于壓力耦合方程的半隱式解算法(SIMPLE)對離散方程進(jìn)行求解；通過不斷地猜測與修正，對變壓器流體的微分方程進(jìn)行離散求解；
步驟6:通過不斷的猜測與修正，解出變壓器流體的傳熱微分方程，從而得到整個(gè)變壓器的內(nèi)部溫度場。
[0007]本發(fā)明的積極效果是:本方法建立了與實(shí)際變壓器尺寸結(jié)構(gòu)完全對應(yīng)的3D物理模型，并針對計(jì)算方法的不同特點(diǎn)，對物理模型進(jìn)行了科學(xué)的網(wǎng)格劃分，通過將有限體積法和有限元法結(jié)合進(jìn)行計(jì)算，即對于繞組和鐵心部分的金屬導(dǎo)熱，對于有流體參與的傳熱采用有限體積法進(jìn)行計(jì)算，可以得到精確的油浸式變壓器內(nèi)部溫度場3D計(jì)算結(jié)果，不止針對繞組和鐵芯的溫度場，變壓器內(nèi)部油流以及散熱片和變壓器箱體的溫度場都能進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，對變壓器的設(shè)計(jì)以及變壓器的實(shí)際運(yùn)行都有重要而全面的參考意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]附圖1為本發(fā)明的計(jì)算方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009]下面結(jié)合附圖1和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0010]本發(fā)明為一種油浸式變壓器內(nèi)部溫度場的精確計(jì)算方法，屬于基于改進(jìn)型有限元和有限體積混合計(jì)算方法，具體按照如下步驟實(shí)施:
步驟1:根據(jù)變壓器的參數(shù)和負(fù)荷計(jì)算出變壓器內(nèi)部總損耗，即鐵芯的空載損耗和繞組的負(fù)載損耗，然后利用空載損耗和負(fù)載損耗的結(jié)果，分別計(jì)算出繞組和鐵芯的生熱量，然后分別除以鐵芯和繞組的體積，從而分別計(jì)算出鐵芯和繞組單位體積的生熱率；
步驟2:以實(shí)際變壓器的尺寸結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，建立起變壓器的物理模型；
步驟3:對建立好的變壓器物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分:其中，繞組、鐵芯和散熱片采用高精度的六面體網(wǎng)格劃分方式；變壓器的油流部分采用網(wǎng)格漸變劃分方式，即油流與鐵芯、繞組、油箱散熱器接觸部分的距離越遠(yuǎn)，網(wǎng)格尺寸越大；
步驟4:檢驗(yàn)網(wǎng)格的劃分質(zhì)量,利用EquiAngle skew網(wǎng)格質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),檢驗(yàn)單元夾角計(jì)算的歪斜度；當(dāng)99%的繞組、鐵芯和散熱片的網(wǎng)格skew質(zhì)量系數(shù)控制在0.5以上時(shí)，則需對網(wǎng)格進(jìn)行加密處理；
步驟5:計(jì)算熱傳遞過程:
1)采用有限元法(FEM,Finite Element Analysis),求解繞組和鐵芯部分的熱傳遞過程，具體方法如下:
C.建立變壓器繞組和鐵芯溫度場的能量守恒和質(zhì)量守恒方程；
D.將計(jì)算出的鐵芯和繞組單位體積的生熱率作為載荷施加到各個(gè)網(wǎng)格中，基于上述能量守恒和質(zhì)量守恒方程，利用預(yù)條件共軛梯度法(The Precondit1ned Conjugate GradientMethod)計(jì)算出繞組和鐵芯的內(nèi)部溫度場，得到繞組和鐵芯表面的溫度分布數(shù)據(jù)；
2)得到繞組和鐵芯表面溫度分布數(shù)據(jù)后，基于傅里葉對流換熱傳導(dǎo)定律，采用有限體積法，求解變壓器流體參與的傳熱過程，具體方法如下:
C.建立起變壓器繞組和鐵芯與變壓器油流傳熱的微分方程:
基于變壓器油流的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律，建立起變壓器內(nèi)部油流的傳熱微分方程；
D.將上述待解的微分方程對每一個(gè)控制體積積分，得出一組離散方程；求解過程采用基于壓力耦合方程的半隱式解算法(SIMPLE)對離散方程進(jìn)行求解；通過不斷地猜測與修正，對變壓器流體的微分方程進(jìn)行離散求解； 步驟6:通過不斷的猜測與修正，解出變壓器流體的傳熱微分方程，從而得到整個(gè)變壓器的內(nèi)部溫度場。
[0011]進(jìn)一步的，所述步驟I中變壓器繞組的負(fù)載損耗的計(jì)算公式如下:
^LL = Pde + PgC + P OSL(I)
其中，Pu為變壓器繞組的負(fù)載損耗，單位為W ；
Pdc為繞組直流電阻和負(fù)載電流引起的損耗，單位為W ;
Pe。為繞組渦流損耗，其數(shù)值查閱廠家的變壓器手冊；
P0SL變壓器夾件、變壓器箱體中的雜散損耗，單位為W ；
所述變壓器鐵芯的空載損耗的計(jì)算公式如下:
Pm ? =4/? + ?/2? (2)
其中，Pm為變壓器鐵芯的空載損耗；
P1為鐵芯中的磁滯損耗，單位為W ；
P2為鐵芯中的潤流損耗，單位為W ； δ h為磁滯損耗系數(shù)；
\為渦流損耗系數(shù)； f為電流頻率，單位為Hz ；
Bffl為磁通密度的最大值，單位為Wb/m2，一般其值在磁化曲線的飽和區(qū)；
在所述步驟I中，當(dāng)計(jì)算內(nèi)部熱源-繞組和鐵芯時(shí)，將變壓器的發(fā)熱部分作為等效熱源，并假設(shè)該熱源總發(fā)熱量不變，是一個(gè)均勻發(fā)熱體；因此，高壓繞組和低壓繞組的發(fā)熱部分為導(dǎo)線所在部分；單位體積生熱率可由下式求得:Φνv = P/v(3)
其中:Φv為單位熱源體積熱率，單位為w/m3 ；
P為生熱量，單位為w ；
V為熱源的體積，單位為m3 ;
當(dāng)P為變壓器繞組的負(fù)載損耗Pa時(shí)，V為變壓器繞組的體積，Φv 為變壓器繞組單位體積熱率；
當(dāng)P為變壓器鐵芯的空載損耗Pa時(shí)，V為變壓器鐵芯的體積，
Φv,為變壓器鐵芯單位體積熱率。
[0012]進(jìn)一步的，所述步驟2中變壓器的物理模型要嚴(yán)格按照實(shí)際變壓器的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行建立，利用GAMBIT軟件或S0LIDW0RKS軟件中的MESH模塊進(jìn)行建立。
[0013]進(jìn)一步的，在所述步驟5中，網(wǎng)格劃分完成后，首先利用有限元法(FEM，F(xiàn)initeElement Analysis)求解繞組和鐵芯的熱傳遞過程；變壓器的繞組和鐵芯的熱傳遞屬于金屬的熱傳導(dǎo)范疇，熱傳導(dǎo)的微分方程遵循能量守恒定律，其能量守恒和質(zhì)量守恒方程滿足如下公式(4):
【權(quán)利要求】
1.一種油浸式變壓器內(nèi)部溫度場的精確計(jì)算方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟1:根據(jù)變壓器的參數(shù)和負(fù)荷計(jì)算出變壓器內(nèi)部總損耗，即鐵芯的空載損耗和繞組的負(fù)載損耗，然后利用空載損耗和負(fù)載損耗的結(jié)果，分別計(jì)算出繞組和鐵芯的生熱量，然后分別除以鐵芯和繞組的體積，從而分別計(jì)算出鐵芯和繞組單位體積的生熱率； 步驟2:以實(shí)際變壓器的尺寸結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，建立起變壓器的物理模型； 步驟3:對建立好的變壓器物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分:其中，繞組、鐵芯和散熱片采用高精度的六面體網(wǎng)格劃分方式；變壓器的油流部分采用網(wǎng)格漸變劃分方式，即油流與鐵芯、繞組、油箱散熱器接觸部分的距離越遠(yuǎn)，網(wǎng)格尺寸越大； 步驟4:檢驗(yàn)網(wǎng)格的劃分質(zhì)量,利用EquiAngle skew網(wǎng)格質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),檢驗(yàn)單元夾角計(jì)算的歪斜度；當(dāng)99%的繞組、鐵芯和散熱片的網(wǎng)格skew質(zhì)量系數(shù)控制在0.5以上時(shí)，則需對網(wǎng)格進(jìn)行加密處理； 步驟5:計(jì)算熱傳 遞過程: 1)采用有限元法(FEM,Finite Element Analysis),求解繞組和鐵芯部分的熱傳遞過程，具體方法如下: 建立變壓器繞組和鐵芯溫度場的能量守恒和質(zhì)量守恒方程； 將計(jì)算出的鐵芯和繞組單位體積的生熱率作為載荷施加到各個(gè)網(wǎng)格中，基于上述能量守恒和質(zhì)量守恒方程，利用預(yù)條件共軛梯度法(The Precondit1ned Conjugate GradientMethod)計(jì)算出繞組和鐵芯的內(nèi)部溫度場，得到繞組和鐵芯表面的溫度分布數(shù)據(jù)； 2)得到繞組和鐵芯表面溫度分布數(shù)據(jù)后，基于傅里葉對流換熱傳導(dǎo)定律，采用有限體積法，求解變壓器流體參與的傳熱過程，具體方法如下: 建立起變壓器繞組和鐵芯與變壓器油流傳熱的微分方程: 基于變壓器油流的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律，建立起變壓器內(nèi)部油流的傳熱微分方程； 將上述待解的微分方程對每一個(gè)控制體積積分，得出一組離散方程；求解過程采用基于壓力耦合方程的半隱式解算法(SIMPLE)對離散方程進(jìn)行求解；通過不斷地猜測與修正，對變壓器流體的微分方程進(jìn)行離散求解； 步驟6:通過不斷的猜測與修正，解出變壓器流體的傳熱微分方程，從而得到整個(gè)變壓器的內(nèi)部溫度場。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的油浸式變壓器內(nèi)部溫度場的計(jì)算方法，其特征在于:所述步驟I中變壓器繞組的負(fù)載損耗的計(jì)算公式如下: P Li = ^da + Pec + Pqsl (I) 其中，Pu為變壓器繞組的負(fù)載損耗，單位為W ； Pdc為繞組直流電阻和負(fù)載電流引起的損耗，單位為W ； PkS繞組渦流損耗，其數(shù)值查閱廠家的變壓器手冊； Posl變壓器夾件、變壓器箱體中的雜散損耗，單位為W ； 所述變壓器鐵芯的空載損耗 的計(jì)算公式如下: ~ =石+馬=械+《/2紀(jì) ⑵其中，Pm為變壓器鐵芯的空載損耗； P1為鐵芯中的磁滯損耗，單位為W ； P2為鐵芯中的潤流損耗，單位為W ； δ h為磁滯損耗系數(shù)； \為渦流損耗系數(shù)； f為電流頻率，單位為Hz ； Bffl為磁通密度的最大值，單位為Wb/m2，一般其值在磁化曲線的飽和區(qū)； 在所述步驟I中，當(dāng)計(jì)算內(nèi)部熱源-繞組和鐵芯時(shí)，將變壓器的發(fā)熱部分作為等效熱源，并假設(shè)該熱源總發(fā)熱量不變，是一個(gè)均勻發(fā)熱體；因此，高壓繞組和低壓繞組的發(fā)熱部分為導(dǎo)線所在部分；單位體積生熱率可由下式求得: Φ^ = P/V(3) 其中:為單位熱源體積熱率，單位為PF/m3 ； P為生熱量，單位為JF ； V為熱源的體積，單位為W3 ; 當(dāng)P為變壓器繞組的負(fù)載損耗Pa時(shí)，V為變壓器繞組的體積，φν 為變壓器繞組單位體積熱率； 當(dāng)P為變壓器鐵芯的空載損耗Pa時(shí)，V為變壓器鐵芯的體積， φν為變壓器鐵芯單位體積熱率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的油浸式變壓器內(nèi)部溫度場的計(jì)算方法，其特征在于:所述步驟2中變壓器的物理模型要嚴(yán)格按照實(shí)際變壓器的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行建立，利用GAMBIT軟件或SOLIDffORKS軟件中的MESH模塊進(jìn)行建立。
4.據(jù)權(quán)利要求3所述的油浸式變壓器內(nèi)部溫度場的計(jì)算方法，其特征在于: 在所述步驟5中，網(wǎng)格劃分完成后，首先利用有限元法(FEM，F(xiàn)inite ElementAnalysis)求解繞組和鐵芯的熱傳遞過程；變壓器的繞組和鐵芯的熱傳遞屬于金屬的熱傳導(dǎo)范疇，熱傳導(dǎo)的微分方程遵循能量守恒定律，其能量守恒和質(zhì)量守恒方程滿足如下公式(4):
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的油浸式變壓器內(nèi)部溫度場的計(jì)算方法，其特征在于:所述步驟5中，利用有限體積法對油浸式變壓器中有流體參與的傳熱過程進(jìn)行計(jì)算，油浸式變壓器中，繞組和鐵芯通過金屬導(dǎo)熱將熱量傳遞到金屬表面，此時(shí)，金屬表面和變壓器油流進(jìn)行熱傳遞過程；熱傳遞遵循傅里葉對流換熱傳導(dǎo)定律公式(6)如下:
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的油浸式變壓器內(nèi)部溫度場的計(jì)算方法，其特征在于:所述步驟5中求解變壓器流體參與的傳熱過程中步驟B，采用基于傅里葉對流換熱傳導(dǎo)定律，具體方法如下: (1)給定壓力場，解試探速度場:給定初始試探壓力場P0對動(dòng)量方程進(jìn)行離散求解，得出初始速度場vO ; (2)修正壓力場，解壓力修正值；通過修正壓力場，令P為壓力修正值，使得與之相對應(yīng)的速度場能滿足此迭代層的連續(xù)性方程，將動(dòng)量方程的離散形式所規(guī)定的壓力速度關(guān)系代入離散的連續(xù)性方程，得到壓力修正方程，解出速度修正值Vm0 ; (3)根據(jù)修正后的壓力場P= P0 +Pr0，其中Pn5為初始試探壓力場P0基礎(chǔ)上修正的增加值，解速度場v=v0 + Vm,并判斷壓力場收斂條件是否滿足，若滿足則終止，否則跳回步驟I繼續(xù)進(jìn)行運(yùn)算，最后經(jīng)過計(jì)算得到整個(gè)變壓器的內(nèi)部溫度場。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104036125SQ201410237310
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】劉宏亮, 潘瑾, 王永強(qiáng), 高樹國, 趙軍, 梁博淵, 王卓然 申請人:河北省電力建設(shè)調(diào)整試驗(yàn)所