本發(fā)明涉及變壓器維護(hù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種變壓器關(guān)鍵點(diǎn)溫度計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

國外科研人員對(duì)于變壓器的熱特性研究較早，早在1977年，捷克的s.v.preimin等人便對(duì)給定線餅周圍油平均溫度和平均對(duì)流換熱系數(shù)的單個(gè)線餅進(jìn)行了溫度場數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)研究；2001年，英國的swift提出了應(yīng)用熱電類比理論建立變壓器熱路模型的理念，對(duì)以后變壓器熱點(diǎn)溫度的研究有著重要的推動(dòng)，在此之后，美國的dejansusa等人再次基礎(chǔ)上對(duì)熱路模型法做出了進(jìn)一步的改進(jìn)，并取得了較為滿意的結(jié)果。另外，國外確立的iec、ieee等變壓器負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)之后變壓器熱特性的研究也有著較大的推動(dòng)作用。

總體來說國外仍然停留在單獨(dú)對(duì)變壓器熱點(diǎn)溫度的研究層面上，并沒有結(jié)合實(shí)際環(huán)境及運(yùn)行條件對(duì)變壓器節(jié)能、增容運(yùn)行進(jìn)行評(píng)估和分析，實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值較小。

相比于國外，我國對(duì)變壓器熱效應(yīng)的研究起步較晚，且大多數(shù)對(duì)變壓器內(nèi)部溫度的研究都是基于數(shù)值計(jì)算法，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不大。

國內(nèi)有學(xué)者提出了基于底層油溫的三熱路模型法求解熱點(diǎn)溫度。三熱路模型，雖然很好的說明了變壓器內(nèi)部的熱量傳遞過程，但除了環(huán)境溫度這個(gè)因素外，均沒有在模型中表現(xiàn)出變壓器的負(fù)載損耗對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，在實(shí)際應(yīng)用中需要不斷驗(yàn)證和修正熱路模型參數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種變壓器關(guān)鍵點(diǎn)溫度計(jì)算方法，以至少解決相關(guān)技術(shù)中三熱路模型求解變壓器關(guān)鍵點(diǎn)溫度存在的無法表現(xiàn)出變壓器的負(fù)載損耗對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，在實(shí)際應(yīng)用中需要不斷驗(yàn)證和修正熱路模型參數(shù)的問題。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種變壓器關(guān)鍵點(diǎn)溫度計(jì)算方法，包括：

獲取第一熱路模型參數(shù)、設(shè)定溫度初始值、實(shí)際運(yùn)行參數(shù)、實(shí)際環(huán)境參數(shù)，其中，所述第一熱路模型參數(shù)至少包括：變壓器損耗參數(shù)和變壓器熱路參數(shù)，所述實(shí)際運(yùn)行參數(shù)至少包括：變壓器運(yùn)行電壓參數(shù)、變壓器運(yùn)行電流參數(shù)，所述實(shí)際環(huán)境參數(shù)至少包括：外界溫度參數(shù)；

根據(jù)所述實(shí)際運(yùn)行參數(shù)修正所述變壓器損耗參數(shù)，并根據(jù)所述實(shí)際環(huán)境參數(shù)修正所述變壓器熱路參數(shù)，得到第二熱路模型參數(shù)；

使用所述第二熱路模型參數(shù)和所述設(shè)定溫度初始值，利用熱路模型求解底層油溫、熱油區(qū)域溫度和熱點(diǎn)溫度。

可選地，在使用所述第二熱路模型參數(shù)和所述設(shè)定溫度初始值，利用熱路模型求解底層油溫、熱油區(qū)域溫度和熱點(diǎn)溫度中，

底層油溫?zé)崧纺Ｐ蜑椋?/p>

熱油區(qū)域溫度熱路模型為：

熱點(diǎn)溫度熱路模型為：

其中，θboil為底層油溫；θwo為熱油區(qū)域溫度；θhs為熱點(diǎn)溫度；τboil為底層油溫?zé)崧纺Ｐ偷臅r(shí)間常數(shù)；τwo為熱油區(qū)域溫度熱路模型的時(shí)間常數(shù)；τhs為熱點(diǎn)溫度熱路模型的時(shí)間常數(shù)；r為額定電流下負(fù)載損耗與空載損耗之比；k為負(fù)載電流與額定電流之比；pboil,pu為底層油溫?zé)崧纺Ｐ偷膯挝回?fù)載損耗；pwo,pu為熱油區(qū)域溫度熱路模型的單位負(fù)載損耗；phs,pu為熱點(diǎn)溫度熱路模型的單位負(fù)載損耗；δθboil,r為變壓器額定狀態(tài)下底層的傳熱過程的溫度差；δθwo,r為變壓器額定狀態(tài)下熱油區(qū)域的傳熱過程的溫度差；δθhs,r為變壓器額定狀態(tài)下熱點(diǎn)的傳熱過程的溫度差；θboil為底層油溫；θwo為熱油區(qū)域溫度；θhs為熱點(diǎn)溫度；θamb為環(huán)境溫度；μp為變壓器的實(shí)際油粘度與變壓器額定狀態(tài)下油粘度的比值；n、n'和n”均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，其中n、n'的值取0.2～0.5，n”的值取0.25～1。

可選地，底層油溫?zé)崧纺Ｐ偷膯挝回?fù)載損耗受溫度的影響：

熱油區(qū)域溫度熱路模型的單位負(fù)載損耗受溫度的影響：

熱點(diǎn)溫度熱路模型的單位負(fù)載損耗受溫度的影響：

其中，pdc,pu為變壓器額定溫度下繞組的單位直流損耗；pa,pu為變壓器額定溫度下繞組的單位附加損耗；pe,pu為變壓器額定溫度下的單位渦流損耗。θk為負(fù)載損耗校正溫度。

可選地，變壓器的實(shí)際油粘度與變壓器額定狀態(tài)下油粘度的比值：

其中，θoil為油溫。θoil,r為變壓器額定狀態(tài)下的油溫。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了一種存儲(chǔ)介質(zhì)，所述存儲(chǔ)介質(zhì)包括存儲(chǔ)的程序，其中，在所述程序運(yùn)行時(shí)控制所述存儲(chǔ)介質(zhì)所在的設(shè)備執(zhí)行如下操作：

獲取第一熱路模型參數(shù)、設(shè)定溫度初始值、實(shí)際運(yùn)行參數(shù)、實(shí)際環(huán)境參數(shù)，其中，所述第一熱路模型參數(shù)至少包括：變壓器損耗參數(shù)和變壓器熱路參數(shù)，所述實(shí)際運(yùn)行參數(shù)至少包括：變壓器運(yùn)行電壓參數(shù)、變壓器運(yùn)行電流參數(shù)，所述實(shí)際環(huán)境參數(shù)至少包括：外界溫度參數(shù)；

根據(jù)所述實(shí)際運(yùn)行參數(shù)修正所述變壓器損耗參數(shù)，并根據(jù)所述實(shí)際環(huán)境參數(shù)修正所述變壓器熱路參數(shù)，得到第二熱路模型參數(shù)；

使用所述第二熱路模型參數(shù)和所述設(shè)定溫度初始值，利用熱路模型求解底層油溫、熱油區(qū)域溫度和熱點(diǎn)溫度。

通過本發(fā)明，采用獲取第一熱路模型參數(shù)、設(shè)定溫度初始值、實(shí)際運(yùn)行參數(shù)、實(shí)際環(huán)境參數(shù)，其中，第一熱路模型參數(shù)至少包括：變壓器損耗參數(shù)和變壓器熱路參數(shù)，實(shí)際運(yùn)行參數(shù)至少包括：變壓器運(yùn)行電壓參數(shù)、變壓器運(yùn)行電流參數(shù)，實(shí)際環(huán)境參數(shù)至少包括：外界溫度參數(shù)；根據(jù)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)修正變壓器損耗參數(shù)，并根據(jù)實(shí)際環(huán)境參數(shù)修正變壓器熱路參數(shù)，得到第二熱路模型參數(shù)；使用第二熱路模型參數(shù)和設(shè)定溫度初始值，利用熱路模型求解底層油溫、熱油區(qū)域溫度和熱點(diǎn)溫度的方式，解決了相關(guān)技術(shù)中三熱路模型求解變壓器關(guān)鍵點(diǎn)溫度存在的無法表現(xiàn)出變壓器的負(fù)載損耗對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，在實(shí)際應(yīng)用中需要不斷驗(yàn)證和修正熱路模型參數(shù)的問題，提高了溫度計(jì)算準(zhǔn)確度和經(jīng)濟(jì)效益。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的rc電路(1-1)與類比的熱路(1-2)的示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的底層油溫?zé)崧纺Ｐ?2-1)、底層油溫和繞組熱油區(qū)域熱路模型(2-2)和熱點(diǎn)和熱油區(qū)域熱路模型(2-3)的示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的變壓器關(guān)鍵點(diǎn)溫度計(jì)算方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下文中將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

需要說明的是，本發(fā)明的說明書和權(quán)利要求書及上述附圖中的術(shù)語“第一”、“第二”等是用于區(qū)別類似的對(duì)象，而不必用于描述特定的順序或先后次序。

(1)變壓器內(nèi)部的熱傳遞過程

鐵芯、繞組及各部分夾件上產(chǎn)生的熱量傳遞到發(fā)熱部件的表面。在這個(gè)過程中，由于銅、鐵具有良好的導(dǎo)熱性，故可以認(rèn)為鐵芯繞組上的溫度可以直接傳導(dǎo)到物體的表面，其熱阻非常小可忽略不計(jì)。在鐵芯、繞組及各部分夾件表面和變壓器油之間，熱量以對(duì)流和傳導(dǎo)的方式傳遞到變壓器油及油箱壁。又因?yàn)闊醾鲗?dǎo)傳遞的熱量比熱對(duì)流傳遞的熱量要小很多，故在這個(gè)過程中可以認(rèn)為熱量以對(duì)流的方式傳遞。在油箱壁表面熱量通過熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射的方式傳遞到外部環(huán)境中。

(2)熱路模型

根據(jù)模擬理論，若描述兩個(gè)物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)方程模型相似，并實(shí)現(xiàn)邊界條件、幾何條件與物理量相似，則兩者方程的解析解和數(shù)值解可以完全通用。這是熱電類比法的基本理論依據(jù)。

由于電磁場中有電路和磁路的概念，按照熱電類比的原理，可在熱場中類比出熱路的概念，并且可以把熱場簡化為熱路進(jìn)行處理，電路與相應(yīng)的簡化熱路如圖1所示。

通過類比熱路中熱量的流動(dòng)和電路中電流的流動(dòng)，可以得到熱路參數(shù)與電路參數(shù)的類比關(guān)系，如表1所示。

表1熱路參數(shù)和電路參數(shù)類比

根據(jù)上述油浸式變壓器內(nèi)部產(chǎn)熱和傳熱過程分析，可構(gòu)建基于底層油溫的熱路模型如圖2所示。這樣油浸式電力變壓器的傳熱過程就可用三個(gè)相關(guān)聯(lián)的熱路模型進(jìn)行描述。這樣就利用基爾霍夫定律求解節(jié)點(diǎn)電壓的方法來求解熱路中的節(jié)點(diǎn)溫度。在圖2中，模型(2-1)的節(jié)點(diǎn)溫度值可視作是模型(2-2)的環(huán)境溫度，模型(2-2)的節(jié)點(diǎn)溫度可以作為模型(2-3)的環(huán)境溫度，通過這種類推關(guān)系，就可根據(jù)環(huán)境溫度推出油浸式變壓器的熱點(diǎn)溫度。

在圖2中，qfe表示鐵芯損耗(即空載損耗)產(chǎn)熱(w)；ql1表示繞組損耗(即短路損耗)產(chǎn)熱(w)；ql2表示繞組損耗(即短路損耗)產(chǎn)熱(w)；ql3表示熱點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)熱(w)；cth-oil表示絕緣油的熱容(j/k)；cth-wnd表示繞組的熱容(j/k)；cth-hs表示熱點(diǎn)區(qū)域熱容(j/k)；rth-boil-air表示底層油到空氣的熱阻(k/w)；rth-wnd-boil表示繞組到底層油的熱阻(k/w)；rth-hs-wo表示熱點(diǎn)到熱點(diǎn)區(qū)域的熱阻(k/w)；θamb為環(huán)境溫度(℃)；θboil為底層油溫(℃)；θwo為熱點(diǎn)區(qū)域溫度(℃)；θhs為熱點(diǎn)溫度(℃)；t為時(shí)間(s)。

根據(jù)圖2及類比的電壓-電流定律，可得基于底層油溫的變壓器熱路模型的動(dòng)態(tài)方程為：

i)底層油溫?zé)崧纺Ｐ?/p>

ii)底層油溫和繞組熱油區(qū)域熱路模型

iii)熱點(diǎn)和熱油區(qū)域熱路模型

(3)熱點(diǎn)溫度動(dòng)態(tài)模型的計(jì)算模型推導(dǎo)

i)換熱系數(shù)的計(jì)算

基于底層油溫的三層熱路模型中換熱過程主要以變壓器油的對(duì)流方式進(jìn)行，根據(jù)傳熱學(xué)原理可對(duì)對(duì)流換熱的熱阻定義為

式(4)中：hc為換熱系數(shù)；a為換熱面積。

因?yàn)閺沫h(huán)境溫度到底層油溫、從底層油溫到熱油區(qū)油溫和從熱油區(qū)油溫到熱點(diǎn)溫度之間的傳熱過程中導(dǎo)熱和輻射散熱量要比對(duì)流換熱量小得多。故可認(rèn)為變壓器內(nèi)部傳熱主要以對(duì)流傳熱為主。根據(jù)傳熱學(xué)理論，在垂直、傾斜和水平盤狀物及桶狀物中自然對(duì)流的油流有如式(5)所示經(jīng)驗(yàn)公式。

式(5)中，nu為努賽爾系數(shù)；gr為格拉曉夫系數(shù)；pr為普特朗系數(shù)；c和n為工質(zhì)流態(tài)(層流或湍流)來確定的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，如表2所示。

表2c和n的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)表

根據(jù)傳熱學(xué)理論，nu、gr、pr的定義式如式(6)至(8)所示。

式中l(wèi)為傳熱面特征尺寸(m)；g為重力常數(shù)(m/s2)；λ為油導(dǎo)熱率ρ為油密度(kg/m3)；β為油的膨脹系數(shù)(1/k)；cx為熱容(j/k)；μ為油粘度(m2/s)；δθx為傳熱過程的溫度差(℃)。

將式(6)至(8)代入式(5)可得：

當(dāng)油溫度變化較大時(shí)，油粘度隨溫度的變化較其他物理參數(shù)會(huì)高得多。因此油粘度隨溫度的變化不能忽略，而其它參數(shù)可近似看作常數(shù)，則可將換熱系數(shù)的計(jì)算公式簡化為式(10)。

式中，為常系數(shù)，且由式(9)(10)可知：

ii)熱阻計(jì)算

將式(9)代入式(4)可得

若已知傳熱溫差δθx和熱流密度qx，則對(duì)流換熱的熱阻定義式還可變?yōu)槭?13)。

考慮到溫度變化對(duì)變壓器油粘度的影響，可將油粘度μ定義為額定負(fù)荷下的油粘度μr乘以比例μp的值。

μ＝μpμr(15)

由式(14)(15)可推出μp的計(jì)算公式如式(16)所示。

上式中θoil為油溫。θoil,r為變壓器額定狀態(tài)下的油溫。

因此，可將(15)代入式(12)中，得：

額定負(fù)荷下的熱阻可定義為：

對(duì)式(17)和式(18)進(jìn)行整合，可導(dǎo)出任意負(fù)荷熱阻與額定負(fù)荷熱阻的關(guān)系式(19)。

iii)熱容與時(shí)間常數(shù)

根據(jù)熱電容的定義

cth＝cρv＝cm(20)

式中c和ρ分別為對(duì)應(yīng)繞組、鐵芯、絕緣油、冷扎制鋼油箱壁的比熱容和質(zhì)量，v和m分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)介質(zhì)的體積和質(zhì)量。

時(shí)間常數(shù)的計(jì)算公式τx的計(jì)算公式為

τx＝rx,rcx(21)

iv)熱路模型計(jì)算方程

由上可知，式(1)至(3)所示的三個(gè)溫度熱路模型可用一個(gè)通式表示：

將式(19)和式(21)代入式(22)可得：

定義r為額定電流下負(fù)載損耗與空載損耗之比：

定義負(fù)載系數(shù)k為負(fù)載電流與額定電流之比：

考慮變壓器負(fù)載損耗受到內(nèi)部溫度變化的影響，單位負(fù)載損耗的表達(dá)式分別如式(26)(27)(28)所示。

在式中，pboil,pu(θboil)、phs,pu(θhs)、pwo,pu(θwo)分別表示單位負(fù)載損耗受溫度的影響。pdc,pu為額定溫度下變壓器繞組的單位直流損耗；pa,pu為額定溫度下變壓器繞組的單位附加損耗(即渦流損耗和雜散損耗之和)；pe,pu為額定溫度下變壓器的單位渦流損耗。θk為負(fù)載損耗校正溫度(用銅材時(shí)取235，用鋁材時(shí)取225)。

針對(duì)基于底層油溫的三層熱路模型，三種損耗產(chǎn)熱與額定損耗產(chǎn)熱流之比分別如下：

通過上述推導(dǎo)，變壓器熱路計(jì)算模型可由式(1)至(3)得到如式(32)至(34)所示計(jì)算模型。

在上述變壓器繞組熱路可計(jì)算模型中，時(shí)間常數(shù)和額定負(fù)荷的溫差值可根據(jù)變壓器試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)計(jì)算獲得；隨溫度變化的μp和px,pu則應(yīng)根據(jù)溫度實(shí)時(shí)計(jì)算；k值根據(jù)負(fù)載電流換算獲得。

v)主變關(guān)鍵點(diǎn)溫度計(jì)算流程

圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的變壓器關(guān)鍵點(diǎn)溫度計(jì)算方法的流程圖，如圖3所示，輸入實(shí)際中的運(yùn)行參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，計(jì)算各個(gè)位置的溫度，得到底層油溫、熱油區(qū)域溫度和熱點(diǎn)溫度。

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