本發(fā)明涉及電氣技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種地下配電室的溫度場計算方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著人口的增加，智能用電設(shè)備的普及，人們對能源的需求逐漸提升，但是城市用地越來越緊張，地下室內(nèi)變電站為解決這一問題提供了可行途徑。其中電力設(shè)備的壽命和能否無故障運行很大程度上取決于電力設(shè)備的運行狀況。對于地下變電站來說，諸如空氣對流、冷卻策略等影響其熱狀況的因素對其中電力設(shè)備特別是變壓器的壽命和運行至關(guān)重要。溫度越限將導(dǎo)致變壓器的絕緣加速老化、崩潰，減少剩余壽命，也可能導(dǎo)致停電事故造成巨大經(jīng)濟損失。因此為了提高供電的可靠性，熱監(jiān)測和故障分析很有必要。

目前關(guān)于地下配電室熱模型研究主要分為3個方面：第一數(shù)學(xué)計算模型。第二等值熱電路模型。第三有限元分析(fem)/計算流體力學(xué)(cfd)。但是目前所有的研究均沒有在模型中考慮到變壓器的運行狀況、運行環(huán)境和冷卻策略，以及它們間的相互作用關(guān)系。因此，如何提高熱監(jiān)測和故障分析的可靠性和準(zhǔn)確性，是本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種地下配電室的溫度場計算方法及系統(tǒng)，該溫度場可以提高地下配電室熱監(jiān)測和故障分析的可靠性和準(zhǔn)確性。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種地下配電室的溫度場計算方法，所述方法包括：

根據(jù)變壓器內(nèi)部各元件的傳熱系數(shù)以及各所述元件的發(fā)熱功率，利用有限元分析方法，建立變壓器內(nèi)部溫度場；

根據(jù)地下配電室的空氣流速以及空氣傳熱系數(shù)，利用計算流體力學(xué)方法，建立地下配電室的空間溫度場；

根據(jù)所述變壓器與周圍空氣的對流傳遞以及所述變壓器中鐵芯和繞組表面的熱輻射，建立地下配電室的溫度場的邊界條件；

將所述變壓器內(nèi)部溫度場、所述空間溫度場以及所述邊界條件建立方程組，形成地下配電室的溫度場。

可選的，所述變壓器內(nèi)部溫度場具體為：

其中，kx，ky，kz分別代表x，y，z方向的傳熱系數(shù)，(x,y,z)為質(zhì)點的坐標(biāo)，t為該點的溫度，q為該點的熱源功率密度，ρ1為該點質(zhì)量密度，cp1為比熱，t為時間。

可選的，所述空間溫度場具體為：

其中，e代表內(nèi)能，t為該點的溫度，vx，vy，vz代表x，y，z方向上的空氣流速，kt為空氣的傳熱系數(shù)，ρ2為該點質(zhì)量密度，cp2為比熱，t為時間。

可選的，根據(jù)所述變壓器與周圍空氣的對流傳遞以及所述變壓器中鐵芯和繞組表面的熱輻射，建立地下配電室的溫度場的邊界條件，包括：

利用公式qco＝hco(ts-tair)得到對流傳熱邊界條件；

利用公式得到熱輻射邊界條件；

其中，qco為單位面積的傳熱功率，hco為傳熱系數(shù)，ts為表面溫度，tair為周圍空氣的溫度，qra為單位面積的熱輻射功率，ε為發(fā)射系數(shù)，σ為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)。

可選的，所述傳熱系數(shù)包括：繞組傳熱系數(shù)和鐵芯傳熱系數(shù)；其中，

所述繞組傳熱系數(shù)ka,eff為：

所述鐵芯傳熱系數(shù)kp,eff為：

其中，la為鐵芯上繞組的長度，ki為第i層材料的傳熱系數(shù)，li1為第i層材料沿繞組方向的長度，lp為鐵芯的所有硅鋼片的厚度，li2為第i層材料的厚度。

可選的，本方案還包括：

利用ansys軟件求解所述地下配電室的溫度場，得到地下配電室的溫度場的空間分布。

本發(fā)明還提供了一種地下配電室的溫度場計算系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

變壓器內(nèi)部溫度場計算模塊，用于根據(jù)變壓器內(nèi)部各元件的傳熱系數(shù)以及各所述元件的發(fā)熱功率，利用有限元分析方法，建立變壓器內(nèi)部溫度場；

空間溫度場計算模塊，用于根據(jù)地下配電室的空氣流速以及空氣傳熱系數(shù)，利用計算流體力學(xué)方法，建立地下配電室的空間溫度場；

邊界條件計算模塊，用于根據(jù)所述變壓器與周圍空氣的對流傳遞以及所述變壓器中鐵芯和繞組表面的熱輻射，建立地下配電室的溫度場的邊界條件；

溫度場模塊，用于將所述變壓器內(nèi)部溫度場、所述空間溫度場以及所述邊界條件建立方程組，形成地下配電室的溫度場。

可選的，所述邊界條件計算模塊，包括：

第一邊界條件單元，用于利用公式qco＝hco(ts-tair)得到對流傳熱邊界條件；

第二邊界條件單元，用于利用公式得到熱輻射邊界條件；

其中，qco為單位面積的傳熱功率，hco為傳熱系數(shù)，ts為表面溫度，tair為周圍空氣的溫度，qra為單位面積的熱輻射功率，ε為發(fā)射系數(shù)，σ為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)。

可選的，本方案還包括：

溫度場求解模塊，用于利用ansys軟件求解所述地下配電室的溫度場，得到地下配電室的溫度場的空間分布。

本發(fā)明所提供的一種地下配電室的溫度場計算，包括：根據(jù)變壓器內(nèi)部各元件的傳熱系數(shù)以及各所述元件的發(fā)熱功率，利用基于有限元分析方法，建立變壓器內(nèi)部溫度場；根據(jù)地下配電室的空氣流速以及空氣傳熱系數(shù)，利用基于計算流體力學(xué)方法，建立地下配電室的空間溫度場；根據(jù)所述變壓器與周圍空氣的對流傳遞以及所述變壓器中鐵芯和繞組表面的熱輻射，建立地下配電室的溫度場的邊界條件；將所述變壓器內(nèi)部溫度場、所述空間溫度場以及所述邊界條件建立方程組，形成地下配電室的溫度場。

可見，該溫度場的建立考慮了變壓器各元件熱傳導(dǎo)系數(shù)的計算，并分別建立變壓器內(nèi)部溫度場以及地下配電室的空間溫度場，建立過程中考慮各自溫度場的特點；最后為了提高溫度場求解的準(zhǔn)確性還設(shè)置地下配電室的溫度場的邊界條件；即該溫度場可以提高地下配電室熱監(jiān)測和故障分析的可靠性和準(zhǔn)確性；本發(fā)明還提供了一種地下配電室的溫度場系統(tǒng)，具有上述有益效果，在此不再贅述。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例所提供的地下配電室結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1(a)為地下配電室俯視結(jié)構(gòu)，1(b)地下配電室側(cè)視結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明實施例所提供的地下配電室的溫度場計算方法的流程圖；

圖3為本發(fā)明實施例所提供的地下配電室的溫度場在負(fù)載為10％時的溫度分布圖；

圖4為本發(fā)明實施例所提供的地下配電室的溫度場在通風(fēng)流量為2m³/min時的溫度分布圖；

圖5為本發(fā)明實施例所提供的地下配電室的溫度場在通風(fēng)流量為0.2m³/min時的溫度分布圖；

圖6為本發(fā)明實施例所提供的地下配電室的溫度場計算系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實施方式

本發(fā)明的核心是提供一種地下配電室的溫度場計算方法及系統(tǒng)，該溫度場可以提高地下配電室熱監(jiān)測和故障分析的可靠性和準(zhǔn)確性。

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本實施例提出的三維有限元變壓器地下配電室熱模型(即溫度場)結(jié)合了變壓器的運行狀況和冷卻條件，可以為地下變電站的熱監(jiān)測，以及電力設(shè)備的溫度預(yù)測和狀態(tài)估計提供很大幫助。本實施例在建立溫度場時考慮了變壓器的運行情況、空間情況以及邊界條件。例如請參考圖1，該地下配電室(本實施例是以地下配電室為研究對象的后續(xù)可以簡稱為配電室)里面有3個處于在保護柜的abb干式變壓器和3個西門子低壓開關(guān)柜，配電室里面還布置有3個空調(diào)設(shè)備。配電室的冷卻通風(fēng)功能由空調(diào)完成?？梢酝ㄟ^空調(diào)選擇配電室的不同冷卻策略，即設(shè)置配電室內(nèi)冷卻氣體的流動速度和溫度。冷卻策略影響著配電室空間的溫度分布，而變壓器的運行工況、所帶負(fù)載的多少確定了變壓器的發(fā)熱，影響著變壓器內(nèi)部的溫度分布。邊界條件在變壓器內(nèi)部溫度場和配電室空間溫度場之間建立了聯(lián)系。綜上可以得到準(zhǔn)確度高的溫度場。具體請參考圖2，圖2為本發(fā)明實施例所提供的地下配電室的溫度場計算方法的流程圖；該方法可以包括：

s100、根據(jù)變壓器內(nèi)部各元件的傳熱系數(shù)以及各元件的發(fā)熱功率，利用有限元分析方法，建立變壓器內(nèi)部溫度場；

具體的，本實施例并不限定變壓器內(nèi)部具體的需要考慮傳熱系數(shù)的元件。用戶可以根據(jù)實際溫度場的準(zhǔn)確度的需求進行選擇。例如變壓器內(nèi)部對溫度影響較大的是鐵芯和繞組，因此可以在建立變壓器內(nèi)部溫度場時可以主要考慮這兩個元件的傳熱系數(shù)。同理，本實施例并不限定變壓器內(nèi)部具體的需要考慮發(fā)熱功率的元件。用戶可以根據(jù)實際溫度場的準(zhǔn)確度的需求進行選擇。例如變壓器內(nèi)部對發(fā)熱功率影響較大的是鐵芯、繞組以及介質(zhì)和開關(guān)，因此可以在建立變壓器內(nèi)部溫度場時可以考慮上述元件的發(fā)熱功率。

其中，有限元分析方法fem為finiteelementmethod的縮寫，譯為有限元分析法，其實際應(yīng)用中往往被稱為有限元分析(fem)，是一個數(shù)值方法解偏微分方程。fem是一種高效能、常用的計算方法，它將連續(xù)體離散化為若干個有限大小的單元體的集合，以求解連續(xù)體力學(xué)問題。利用有限元分析方法建立變壓器內(nèi)部溫度場具體為：

其中，kx，ky，kz分別代表x，y，z方向的傳熱系數(shù)，(x,y,z)為質(zhì)點的坐標(biāo)，t為該點的溫度，q為該點的熱源功率密度，ρ1為該點質(zhì)量密度，cp1為比熱，t為時間。

具體的，x，y，z方向的傳熱系數(shù)在同一個元件處基本相同，因此本實施例可以近似理解傳熱系數(shù)為在(x,y,z)處對應(yīng)的元件的傳熱系數(shù)，q代表熱源功率密度，只要用該點所處元件的發(fā)熱功率除以該元件的體積就可以近似得到該點的熱源功率密度。

綜上，可選的，為了使溫度場可以充分考慮變壓器的運行情況，本實施例中主要體現(xiàn)在鐵芯損耗、繞組損耗和介質(zhì)損耗與變壓器的運行情況相關(guān)，而計算溫度場的模型中又將這3方面計入了熱源。即本優(yōu)選實施例中傳熱系數(shù)可以包括：繞組傳熱系數(shù)和鐵芯傳熱系數(shù)；其中，

繞組傳熱系數(shù)ka,eff為：

鐵芯傳熱系數(shù)kp,eff為：

其中，la為鐵芯上繞組的長度，ki為第i層材料的傳熱系數(shù)，li1為第i層材料沿繞組方向的長度，lp為鐵芯的所有硅鋼片的厚度，li2為第i層材料的厚度。

請參考圖3和圖4，其中，圖3為10％負(fù)載、通風(fēng)流量2m3/min、冷卻氣體20℃下配電室的溫度場分布；圖4為滿負(fù)載、通風(fēng)流量2m3/min、冷卻氣體20℃下配電室的溫度場分布。它們從左到右分別為變壓器鐵芯、繞組的表面溫度分布圖，配電室的橫截面溫度分布圖以及配電室的縱截面溫度分布圖。兩者比較可以得到隨著負(fù)載的增加，變壓器內(nèi)部溫度明顯增加，但對配電室其余空間的溫度影響不大。負(fù)載的增加，導(dǎo)致明顯導(dǎo)致變壓器內(nèi)部的繞組損耗增加。這時主要考慮的發(fā)熱功率(即損耗)的元件可以是鐵芯、繞組以及介質(zhì)和開關(guān)。

具體的，繞組損耗即繞組的發(fā)熱功率為

其中，ps是變壓器的短路損耗，β是負(fù)載率，im是測量電流，ir是額定電流。變壓器繞組中除了電流導(dǎo)致的焦耳損耗外，也有雜散損耗和渦流損耗，大約占總損耗的10％，不能被忽略。然而這些損耗都包含在在變壓器的短路損耗ps中，生產(chǎn)廠家提供變壓器的短路損耗數(shù)據(jù)。因此上式可以直接應(yīng)用于變壓器的繞組pw計算。

變壓器內(nèi)部的損耗還有鐵芯損耗和介質(zhì)損耗。鐵芯損耗pc計算公式如下：

pc＝ph+pe

其中，η是磁滯損耗系數(shù)，f是頻率，bmax是磁密幅值，v是鐵芯的體積，d是硅鋼片的厚度。

變壓器的介質(zhì)損耗pd由電介質(zhì)應(yīng)力產(chǎn)生，計算公式如下：

pd＝u²ωctanδ

其中，u為介質(zhì)層的電壓差，ω是角頻率，c是介質(zhì)的等值電容，δ是介質(zhì)損耗角。在中小型變壓器中，介質(zhì)損耗很小，因為介質(zhì)層兩端的電壓較低。

配電室的熱源除了變壓器以外，還有開關(guān)產(chǎn)生的熱量，開關(guān)設(shè)備的損耗psg的熱量來源于接觸電阻的焦耳熱，計算公式如下：

其中，pr是額定電流下的損耗。

至此，變壓器的內(nèi)部損耗有繞組損耗、鐵芯損耗和介質(zhì)損耗3種，加上開關(guān)設(shè)備的損耗，構(gòu)成了配電室的熱源，即配電室內(nèi)的能產(chǎn)生熱量的元件有：變壓器繞組、鐵芯、絕緣介質(zhì)和開關(guān)設(shè)備。

s110、根據(jù)地下配電室的空氣流速以及空氣傳熱系數(shù)，利用計算流體力學(xué)方法，建立地下配電室的空間溫度場。

具體的，請參考圖4和圖5，其中，圖4為滿負(fù)載、通風(fēng)流量2m3/min、冷卻氣體20℃下配電室的溫度場分布；圖5為滿負(fù)載、通風(fēng)流量0.2m3/min、冷卻氣體20℃下配電室的溫度場分布。它們從左到右分別為變壓器鐵芯、繞組的表面溫度分布圖，配電室的橫截面溫度分布圖以及配電室的縱截面溫度分布圖。通過圖4和圖5可以看到配電室的溫度分布情況。其中，以變壓器繞組、鐵芯的溫度最高，通風(fēng)口的溫度最低。兩者相比較可以得出通風(fēng)速度越快，配電室空間溫度越低，但是變壓器繞組、鐵芯的溫度變化不大?；谟嬎懔黧w力學(xué)的配電室空間溫度場的建立解決的是配電室中空氣溫度的分布，即除開變壓器箱體其余空間位置的溫度分布情況，利用計算流體力學(xué)方法(fcd)建立地下配電室的空間溫度場，其空間溫度場具體為：

其中，e代表內(nèi)能，正比于溫度t，t為該點的溫度，vx，vy，vz代表x，y，z方向上的空氣流速，kt為空氣的傳熱系數(shù)，三個方向的空氣傳熱系數(shù)是一樣的，ρ2為該點空氣的質(zhì)量密度，cp2為空氣的比熱，t為時間。為求解空間溫度場，除此之外，還有動量守恒等式：

以及連續(xù)性等式：

其中，代表空氣流速的矢量，p代表壓強，μ為常數(shù)。

計算空間溫度場主要是考慮到了配電室通風(fēng)設(shè)備冷卻策略對配電室溫度的影響。主要在空間溫度場模型中考慮到了壓強、通風(fēng)速度這兩個可以由配電室空調(diào)控制的物理量。

s120、根據(jù)變壓器與周圍空氣的對流傳遞以及變壓器中鐵芯和繞組表面的熱輻射，建立地下配電室的溫度場的邊界條件。

具體的，本實施例提出了聯(lián)系配電室空間溫度場與變壓器內(nèi)部溫度場的邊界條件，通過此邊界條件可以構(gòu)建配電室完整的溫度場模型。邊界條件是聯(lián)系變壓器內(nèi)部溫度場和外部溫度場(配電室空間溫度場)的橋梁。需要邊界條件才可以求出整個配電室的溫度場分布。本發(fā)明的邊界條件主要涵蓋固體和氣體交界面出的熱量的對流傳遞以及鐵芯和繞組表面的熱輻射這兩方面。即配電室內(nèi)變壓器與周圍空氣的熱量對流傳遞；鐵芯和繞組表面的熱輻射。

其中，利用公式qco＝hco(ts-tair)得到對流傳熱邊界條件；

利用公式得到熱輻射邊界條件；

其中，qco為單位面積的傳熱功率，hco為傳熱系數(shù)，ts為表面溫度，tair為周圍空氣的溫度，qra為單位面積的熱輻射功率，ε為發(fā)射系數(shù)，σ為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)(5.78×10-8w/m2k4)。

s130、將變壓器內(nèi)部溫度場、空間溫度場以及邊界條件建立方程組，形成地下配電室的溫度場。

進一步，以上根據(jù)有限元分析fem、計算流體力學(xué)fcd和邊界條件建立的一系列方程可以通過ansys,cosmo等商業(yè)軟件來進行數(shù)值求解，最后得到溫度場的空間分布。例如利用ansys軟件求解地下配電室的溫度場，得到地下配電室的溫度場的空間分布。

其中，ansys軟件是美國ansys公司研制的大型通用有限元分析(fea)軟件，是世界范圍內(nèi)增長最快的計算機輔助工程(cae)軟件，能與多數(shù)計算機輔助設(shè)計(cad，computeraideddesign)軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。

基于上述技術(shù)方案，本發(fā)明實施例提的地下配電室的溫度場計算方法，考慮了變壓器各元件熱傳導(dǎo)系數(shù)的計算，并分別建立變壓器內(nèi)部溫度場以及地下配電室的空間溫度場，建立過程中考慮各自溫度場的特點；最后為了提高溫度場求解的準(zhǔn)確性還設(shè)置地下配電室的溫度場的邊界條件；即該溫度場可以提高地下配電室熱監(jiān)測和故障分析的可靠性和準(zhǔn)確性。

下面對本發(fā)明實施例提供的地下配電室的溫度場計算系統(tǒng)進行介紹，下文描述的地下配電室的溫度場計算系統(tǒng)與上文描述的地下配電室的溫度場計算方法可相互對應(yīng)參照。

請參考圖6，圖6為本發(fā)明實施例所提供的地下配電室的溫度場計算系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；該系統(tǒng)可以包括：

變壓器內(nèi)部溫度場計算模塊100，用于根據(jù)變壓器內(nèi)部各元件的傳熱系數(shù)以及各元件的發(fā)熱功率，利用有限元分析方法，建立變壓器內(nèi)部溫度場；

空間溫度場計算模塊200，用于根據(jù)地下配電室的空氣流速以及空氣傳熱系數(shù)，利用計算流體力學(xué)方法，建立地下配電室的空間溫度場；

邊界條件計算模塊300，用于根據(jù)變壓器與周圍空氣的對流傳遞以及變壓器中鐵芯和繞組表面的熱輻射，建立地下配電室的溫度場的邊界條件；

溫度場模塊400，用于將變壓器內(nèi)部溫度場、空間溫度場以及邊界條件建立方程組，形成地下配電室的溫度場。

基于上述實施例，邊界條件計算模塊300可以包括：

第一邊界條件單元，用于利用公式qco＝hco(ts-tair)得到對流傳熱邊界條件；

第二邊界條件單元，用于利用公式得到熱輻射邊界條件；

其中，qco為單位面積的傳熱功率，hco為傳熱系數(shù)，ts為表面溫度，tair為周圍空氣的溫度，qra為單位面積的熱輻射功率，ε為發(fā)射系數(shù)，σ為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)。

基于上述實施例，該系統(tǒng)還包括：

溫度場求解模塊，用于利用ansys軟件求解地下配電室的溫度場，得到地下配電室的溫度場的空間分布。

說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對于實施例公開的裝置而言，由于其與實施例公開的方法相對應(yīng)，所以描述的比較簡單，相關(guān)之處參見方法部分說明即可。

專業(yè)人員還可以進一步意識到，結(jié)合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬件、計算機軟件或者二者的結(jié)合來實現(xiàn)，為了清楚地說明硬件和軟件的可互換性，在上述說明中已經(jīng)按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些功能究竟以硬件還是軟件方式來執(zhí)行，取決于技術(shù)方案的特定應(yīng)用和設(shè)計約束條件。專業(yè)技術(shù)人員可以對每個特定的應(yīng)用來使用不同方法來實現(xiàn)所描述的功能，但是這種實現(xiàn)不應(yīng)認(rèn)為超出本發(fā)明的范圍。

結(jié)合本文中所公開的實施例描述的方法或算法的步驟可以直接用硬件、處理器執(zhí)行的軟件模塊，或者二者的結(jié)合來實施。軟件模塊可以置于隨機存儲器(ram)、內(nèi)存、只讀存儲器(rom)、電可編程rom、電可擦除可編程rom、寄存器、硬盤、可移動磁盤、cd-rom、或技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)所公知的任意其它形式的存儲介質(zhì)中。

以上對本發(fā)明所提供的一種地下配電室的溫度場計算方法及系統(tǒng)進行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。