本發(fā)明涉及一種變壓器溫度模型簡(jiǎn)化方法。

背景技術(shù)：

變壓器是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，在電力工程中的各個(gè)領(lǐng)域上獲得了廣泛的應(yīng)用，對(duì)電能的經(jīng)濟(jì)傳輸、安全使用和靈活分配具有重要意義。隨著城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，城區(qū)規(guī)劃區(qū)域不斷擴(kuò)大；同時(shí)，生活水平的提高使得城區(qū)的用電負(fù)荷快速增加,這也提高了城區(qū)內(nèi)變電站的建設(shè)數(shù)量。由于社會(huì)生活對(duì)電氣的依賴程度大大提高，對(duì)供電設(shè)備的質(zhì)量要求也比過(guò)去更為嚴(yán)格。

變壓器內(nèi)部的熱力特性是衡量變壓器內(nèi)部絕緣老化和預(yù)測(cè)壽命的依據(jù)，對(duì)于變壓器內(nèi)部的溫度分布特性的研究是保證變壓器穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵條件。

綜合考慮土地占用面積及城市環(huán)境協(xié)調(diào)等問(wèn)題，上海、北京、廣州等大型都市新建的110kV級(jí)以上變電站中地下變電站及戶內(nèi)變電站的比例越來(lái)越大。由于空間限制和電力設(shè)備散熱需求，地下變及戶內(nèi)變變壓器的冷卻系統(tǒng)往往需采用與變壓器本體分離設(shè)計(jì)的方式。隨著分體式變壓器的普及，研究其熱模型以及影響其散熱的因素具有重要意義。

目前，對(duì)一體式變壓器熱模型的研究比較成熟，但對(duì)于分體式變壓器熱模型的研究尚在起步階段。由于分體式變壓器采用變壓器本體和散熱器相分離的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，變壓器的本體和散熱器可以分別位于兩個(gè)不同的散熱空間。結(jié)構(gòu)上的改變使得分體式變壓器的熱模型有異于傳統(tǒng)的一體式變壓器——一體式變壓器的散熱會(huì)受到主體本身的強(qiáng)烈影響，而分體式變壓器受到的影響較為微弱，但兩者在產(chǎn)熱和散熱的原理上大致相同。因此，如何對(duì)一體式變壓器和分體式變壓器的溫度模型進(jìn)行區(qū)分，并針對(duì)不同的特點(diǎn)建立熱模型成為一個(gè)重要問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，提出了一種變壓器溫度模型簡(jiǎn)化方法，本方法針對(duì)一體式變壓器和分體式變壓器結(jié)構(gòu)上的不同來(lái)確立其熱模型,通過(guò)設(shè)置不同的簡(jiǎn)化條件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)一體式變壓器和分體式變壓器的熱模型簡(jiǎn)化。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種變壓器溫度模型簡(jiǎn)化方法，確定主要熱源，計(jì)算變壓器熱模型，將熱源視為均勻發(fā)熱體，確定變壓器的類型，若為一體式變壓器，其散熱器內(nèi)壁的環(huán)境溫度簡(jiǎn)化的等效為本體的外殼溫度；若為分體式變壓器，散熱器外殼所處溫度視為不受本體溫度影響的外界自然環(huán)境溫度。

在計(jì)算變壓器熱模型時(shí)，僅考慮主要發(fā)熱器件和主要散熱器件，變壓器運(yùn)行時(shí)變壓器的電路和磁路的主要組成部分，即繞組、鐵心、引線及鋼管構(gòu)件，是主要熱源，這些部件的損耗全部轉(zhuǎn)化為熱量；其中繞組產(chǎn)生的損耗占總損耗的80％左右，是變壓器的最主要熱源。

在自然油循環(huán)冷卻的變壓器中，油箱和散熱器的主要散熱方式為自然對(duì)流散熱。

一體式變壓器的主體和散熱器之間的距離非常小，且在同一散熱空間下，因此主體殼體的溫度對(duì)散熱器內(nèi)壁溫度的影響非常大，因此一體式變壓器的散熱器內(nèi)壁的環(huán)境溫度簡(jiǎn)化的等效為本體的外殼溫度。

由于分體式變壓器采用變壓器本體和散熱器相分離的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，變壓器本體和散熱器可以分別位于兩個(gè)不同的散熱空間，因此忽略本體溫度對(duì)散熱器的影響，分體式變壓器的散熱器外殼所處溫度則近似看為不受本體溫度影響的外界自然環(huán)境溫度。

當(dāng)忽略一體式變壓器的熱輻射影響，得到分體式變壓器的熱模型。

當(dāng)處理分體式變壓器熱模型時(shí)考慮熱輻射的影響，得到一體式變壓器的熱模型。

一種一體式變壓器溫度模型簡(jiǎn)化方法，確定主要熱源，計(jì)算變壓器熱模型，將熱源視為均勻發(fā)熱體，基于一體式變壓器的主體和散熱器在同一散熱空間下，將散熱器內(nèi)壁的環(huán)境溫度簡(jiǎn)化的等效為本體的外殼溫度，若已有分體式變壓器的熱模型，考慮熱輻射的影響，以得到一體式變壓器的熱模型。

一種分體式變壓器溫度模型簡(jiǎn)化方法，確定主要熱源，計(jì)算變壓器熱模型，將熱源視為均勻發(fā)熱體，基于變壓器本體和散熱器相分離，且分別位于兩個(gè)不同的散熱空間的結(jié)構(gòu)，忽略本體溫度對(duì)散熱器的影響，視為外界自然環(huán)境溫度；若已有一體式變壓器的熱模型，忽略熱輻射的影響，以得到分體式變壓器的熱模型。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明能夠根據(jù)一體式變壓器和分體式變壓器結(jié)構(gòu)的不同分別對(duì)兩者熱模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而可以明確一體式變壓器和分體式變壓器的主要散熱區(qū)別。進(jìn)而可以進(jìn)一步的在原有的一體式變壓器模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)合理的推導(dǎo)得到可信的分體式變壓器的熱模型。

附圖說(shuō)明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說(shuō)明書(shū)附圖用來(lái)提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。

圖1為一體式變壓器簡(jiǎn)化示意圖；

圖2為分體式變壓器簡(jiǎn)化示意圖；

圖3為一體式變壓器的簡(jiǎn)化仿真模型；

圖4為一體式變壓器散熱器內(nèi)壁溫度和本體外壁溫度對(duì)比；

圖5為一體式變壓器和分體式變壓器熱模型之間的關(guān)系。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說(shuō)明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說(shuō)明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語(yǔ)僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說(shuō)明書(shū)中使用術(shù)語(yǔ)“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

對(duì)模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，以保證計(jì)算的精確性。由于實(shí)際變壓器結(jié)構(gòu)呈幾何對(duì)稱分布，為了降低計(jì)算的復(fù)雜性提高運(yùn)算效率，將三維模型轉(zhuǎn)化為二維模型進(jìn)行計(jì)算。變壓器的三相繞組呈幾何對(duì)稱，所以可以采用其中一相作為研究對(duì)象。因?yàn)槔@組圓周方向尺寸遠(yuǎn)小于軸方向尺寸，可以把三維的繞組模型轉(zhuǎn)換為二維軸對(duì)稱圓柱模型。這樣簡(jiǎn)化的模型易于計(jì)算。

在此采用層流模型來(lái)計(jì)算分體式變壓器內(nèi)部的溫度場(chǎng)與油流場(chǎng)。

變壓器運(yùn)行時(shí)，變壓器電路和磁路的主要組成部分，即繞組、鐵心、引線及鋼管構(gòu)件是主要熱源。這些部件的損耗全部轉(zhuǎn)化為熱量。其中繞組產(chǎn)生的損耗占總損耗的80％左右，是變壓器的主要熱源。在此假設(shè)熱源不變，是一個(gè)均勻發(fā)熱體。繞組的熱源主要是電阻的損耗和繞組內(nèi)部的渦流損耗。

分體式變壓器熱量傳遞過(guò)程非常復(fù)雜，通常歸納為以下幾個(gè)主要傳熱方式：①本體運(yùn)行產(chǎn)生的熱量經(jīng)熱傳導(dǎo)發(fā)散到冷油中；②線圈表面附近的油經(jīng)對(duì)流散熱的方式把熱量傳到油箱或者散熱器的內(nèi)表面；油箱或散熱器內(nèi)表面的熱量經(jīng)傳導(dǎo)方式散到外表；③最后所有的熱量均以對(duì)流和輻射的方式散到周?chē)諝庵腥ァ?/p>

在自然油循環(huán)冷卻的變壓器中，油箱和散熱器的主要散熱方式為自然對(duì)流散熱。變壓器的散熱為本體表面和散熱管表面與周?chē)諝獾膶?duì)流換熱。

如圖1所示，傳統(tǒng)的一體式變壓器的主體和散熱器之間的距離非常小，且在同一散熱空間下。因此主體殼體的溫度對(duì)散熱器內(nèi)壁溫度的影響非常大，因此一體式變壓器的散熱器內(nèi)壁的環(huán)境溫度可以簡(jiǎn)化的等效為本體的外殼溫度。

如圖2所示，由于分體式變壓器采用變壓器本體和散熱器相分離的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，變壓器本體和散熱器可以分別位于兩個(gè)不同的散熱空間。因此忽略主體溫度對(duì)散熱器的影響，分體式變壓器的散熱器外殼所處溫度可以近似認(rèn)為是不受本體溫度影響的外界自然環(huán)境溫度。

為了進(jìn)一步顯示出分體式變壓器和一體式變壓器本體溫度對(duì)散熱器溫度的影響，在理想條件下進(jìn)行仿真計(jì)算。使用COMSOL軟件對(duì)理想條件的變壓器進(jìn)行仿真。

為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化仿真，在仿真模型中，僅保留外殼大框架和發(fā)熱散熱的主體部分，使用層流模型來(lái)仿真變壓器內(nèi)部的油流。

假設(shè)發(fā)熱鐵芯的發(fā)熱量均為47000W/m³，管壁的傳熱系數(shù)均為18W/(m²·K)，環(huán)境溫度均為293.15K，僅在主體和散熱器之間是否存在影響上區(qū)分一體式變壓器和分體式變壓器。一體式變壓器主體和散熱器之間的影響作用的產(chǎn)生主要是由于熱輻射，因此其傳熱模型考慮到面與面之間的輻射傳熱。

一體式變壓器的仿真結(jié)果如圖3所示。通過(guò)仿真可以得出，考慮面對(duì)面熱輻射的一體式變壓器最熱點(diǎn)溫度為368.36K。一體式變壓器散熱器內(nèi)壁溫度和本體外壁溫度對(duì)比如圖4所示，散熱器內(nèi)壁平均溫度345K，主體外壁平均溫度為346K，不論是變化趨勢(shì)還是平均值兩者相差的都很小。因此，可以近似地認(rèn)為一體式變壓器散熱器內(nèi)壁所處的溫度等于主體外殼溫度。

圖5為一體式變壓器和分體式變壓器之間的關(guān)系。當(dāng)忽略一體式變壓器的熱輻射影響，將散熱器外殼所處溫度則近似看為不受本體溫度影響的外界自然環(huán)境溫度，可以得到分體式變壓器的熱模型。當(dāng)處理分體式變壓器熱模型時(shí)考慮熱輻射的影響，可以得到一體式變壓器的熱模型。

以上所述僅為本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請(qǐng)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本申請(qǐng)可以有各種更改和變化。凡在本申請(qǐng)的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。