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CN113392555A - 一种干式变压器温升分析方法及系统 - Google Patents

一种干式变压器温升分析方法及系统 Download PDF

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CN113392555A
CN113392555A CN202110661721.7A CN202110661721A CN113392555A CN 113392555 A CN113392555 A CN 113392555A CN 202110661721 A CN202110661721 A CN 202110661721A CN 113392555 A CN113392555 A CN 113392555A
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CN
China
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temperature rise
dry
type transformer
transformer
theoretical calculation
Prior art date
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Application number
CN202110661721.7A
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黄娇
赵全富
刘灵慧
段辉
赵信华
邱金燕
何振华
王潇阳
韩明
毕胜华
李淑云
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State Grid Corp of China SGCC
Laiwu Power Supply Co of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
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State Grid Corp of China SGCC
Laiwu Power Supply Co of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
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Abstract

本公开公开的一种干式变压器温升分析方法及系统，包括：获取干式变压器基本参数；将获取的参数输入构建的温升分析模型中，获取干式变压器温升分析结果；其中，温升分析模型根据样品变压器的温升理论计算结果和温升试验结果对干式变压器的温升理论计算模型进行校正获得。提高了温升分析结果的准确率。

Description

一种干式变压器温升分析方法及系统
技术领域
本发明涉及干式变压器技术领域，尤其涉及一种干式变压器温升分析方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着变压器技术的不断发展，变压器的许多方面已经进入了深入研究阶段，如电场、磁场、力学等方面的研究已经非常成熟，并能够精确地进行数学描述。但是干式变压器内部温度场的研究却比较少，可能有以下两方面的原因，一是在早前油浸式变压器占主导地位，对油浸式变压器的研究远多于干式变压器；二是由于早前的干式变压器容量都比较小，出现热问题的概率较小，不足以引起人们足够的重视。三是干式变压器的温度场涉及流体学、传热学等多个学科，研究起来较为复杂。随着用电量的不断增加，大容量和超大容量的干式变压器不断涌现，单台变压器容量越大，其性能指标越高，容量越大，设计的压力就越大，对绝缘的要求就越高，随之出现的热问题就越来越明显。变压器绕组过热会加速绝缘的老化，进而缩短其使用寿命。不仅如此，绕组过热还容易引起停电事故，重则烧毁变压器设备和周围其他相关的高压设备，造成很大的经济损失。干式变压器的故障大部分是由温度异常而直接或间接导致的，因此干式变压器的温度场分析至关重要。近年来的各大国际大电网会议中都对变压器的热问题进行了密切关注。
但发明人认为，现有的采用温升理论计算模型对干式变压器进行温升分析时，获得的温升结果与干式变压器实际使用时的温升存在较大偏差，即现有的对干式变压器的温升分析存在不准确的问题。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种干式变压器温升分析方法及系统，通过对温升理论计算模型进行校正获取了温升分析模型，并利用温升分析模型对干式变压器进行了准确的温升分析，提高了温升分析的准确率。
为实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
第一方面，提出了一种干式变压器温升分析方法，包括：
获取干式变压器基本参数；
将获取的参数输入构建的温升分析模型中，获取干式变压器温升分析结果；
其中，温升分析模型根据样品变压器的温升理论计算结果和温升试验结果对干式变压器的温升理论计算模型进行校正获得。
第二方面，提出了一种干式变压器温升分析系统，包括：
参数获取模块，用于获取干式变压器基本参数；
温升分析结果获取模块，用于将获取的参数输入构建的温升分析模型中，获取干式变压器温升分析结果；
其中，温升分析模型根据样品变压器的温升理论计算结果和温升试验结果对干式变压器的温升理论计算模型进行校正获得。
第三方面，提出了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成一种干式变压器温升分析方法所述的步骤。
第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成一种干式变压器温升分析方法所述的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
1、本公开分别对样品变压器进行了温升理论计算和温升试验，并根据温升理论计算结果和温升试验结果对温升理论计算模型进行校正，获得了校正后的温升分析模型，通过该温升分析模型对干式变压器进行温升分析时，提高了温升分析的准确率。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本公开实施例1公开方法的流程图；
图2为本公开实施例1公开的温升分布结果图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
实施例1
在该实施例中，公开了一种干式变压器温升分析方法，包括：
获取干式变压器基本参数；
将获取的参数输入构建的温升分析模型中，获取干式变压器温升分析结果；
其中，温升分析模型根据样品变压器的温升理论计算结果和温升试验结果对干式变压器的温升理论计算模型进行校正获得。
进一步的，温升分析模型为对干式变压器的温升理论计算模型中的经验系数进行校正获得。
进一步的，通过对温升理论计算模型中一气道变压器、两气道变压器和高压侧的经验系数进行校正，获得温升分析模型。
进一步的，通过干式变压器的温升理论计算模型对样品变压器进行温升理论计算，获得温升理论计算结果。
进一步的，当样品变压器的温升理论计算结果和温升试验结果偏差小于等于设定值时，温升分析模型的经验系数采用理论计算模型中的经验系数。
进一步的，当样品变压器的温升理论计算结果和温升试验结果偏差大于设定值时，对理论计算模型中的经验系数进行调整，当使用调整后的经验系数进行温升理论计算，获得的温升理论计算结果与温升试验结果偏差小于等于设定值时，该调整后的经验系数为温升分析模型中的经验系数。
进一步的，还包括根据干式变压器基本参数对干式变压器进行仿真分析模拟，获取干式变压器的仿真模拟结果。
对本实施例公开的一种干式变压器温升分析方法进行详细说明。
如图1所示，一种干式变压器温升分析方法，包括：
S1：获取干式变压器基本参数。
在具体实施时，获得的干式变压器基本参数基本参数包括高压绕组额定电流、低压绕组额定电流、高压绕组直流电阻、低压绕组直流电阻、导线厚度、导线中的电流密度、主漏磁空道磁通密度幅值、绕组的额定电流、绕组的匝数、绕组的高度、每相引线的直流电阻、未被遮盖的散热面面积、被遮盖的散热面面积、铁心平均气道宽、铁心平均气道高、低压线圈散热面面积、低压线圈平均气道宽、低压线圈的高度、高压线圈散热面面积、高压线圈平均气道宽、高压线圈的高度等，可根据计算干式变压器温升分析结果所需的具体参数进行删补。
S2：将获取的参数输入构建的温升分析模型中，获取干式变压器温升分析结果。
温升分析模型根据样品变压器的温升理论计算结果和温升试验结果对干式变压器的温升理论计算模型进行校正获得。
对温升分析模型进行详细说明。
S21：利用干式变压器的温升理论计算模型对样品变压器进行温升理论计算，获得样品变压器的温升理论计算结果。
其中，采用的样品变压器为SCB10系列干式变压器。
根据干式变压器内部热源的产生及散热的方式，利用传热学和流体力学的知识，对变压器各部分数值分析提供理论计算方程。
空载损耗是由变压器铁心空载运行时产生的损耗，也简称铁心损耗。硅钢片贯穿在磁力线中间产生涡流损耗和磁滞损耗。空载损耗中99％以上的损耗来源于是铁心中的损耗，这也是空载损耗也称之为铁损的原因。而空载电流I0在线圈产生的中的I02R损耗非常小，可以忽略不计。计算公式为
p0＝ph+pε+pst (1)
ph＝nfBmax 1.6V×10-3 (2)
pε＝nd2f2Bmax 2V×10-3 (3)
式中，p0为空载损耗；ph为磁滞损耗；pε为涡流损耗；pst为铁心附加损耗；η为磁滞系数(与材料性质有关)；f为频率；Bmax为磁通密度的最大值；V指铁心体积；d指硅钢片的厚度
干式变压器在正常工作时，接入负载电流，在高、低压绕组中产生负载损耗。负载损耗包括绕组直流电阻损耗、绕组导线在漏磁场中的涡流损耗、引线的损耗等。其中绕组直流电阻损耗占负载损耗的绝大部分，其他损耗所占比重较小。负载损耗又可简称为铜损。
负载损耗的计算公式如下：
pk＝IH 2RH+IL 2RL (4)
其中，IH-高压绕组额定电流；IL-低压绕组额定电流；
RH-高压绕组直流电阻；RL-低压绕组直流电阻。
1)直流电阻损耗
对小容量干式变压器负载损耗的计算公式同式(4)，对大容量干式变压器，负载损耗的计算公式会有一些小变动，直流电阻损耗仍是负载损耗的主要部分，但计算时需将绕组的电阻校正到75℃，对75℃时的绕组电阻进行负载损耗计算为干式变压器的直流电阻损耗，故大容量干式变压器直流电阻损耗的计算公式如下：
pk75＝IH 2RH75+IL 2RL75 (5)
2)绕组导线在漏磁场中的涡流损耗
干式变压器在运行时，绕组的安匝会产生大的漏磁场，导线均处在漏磁场中，漏磁通会在导线中引起涡流损耗。在漏磁场中绕组导线的涡流损耗占直流绕组损耗的百分比为：
Figure BDA0003115325540000081
式中，a-导线厚度(mm)；δ-导线中的电流密度(A/mm2)；Bm-主漏磁空道磁通密度幅值(T)；f-频率(Hz)
当绕组是用铜导线制成时，75℃的k＝2.99；当绕组是铝导线绕制而成时，75℃的k＝1.075。
主漏磁空道磁通密度幅值Bm，按下式计算：
Figure BDA0003115325540000082
式中，I-绕组的额定电流(A)；N-绕组的匝数；H-绕组的高度(mm)。
要想准确的计算绕组内的涡流损耗，需要计算出绕组区域的漏磁场分布，然后计算各个线饼的轴向漏磁场引起的损耗和幅向漏磁通引起的损耗，最后综合得到绕组的涡流损耗。
这一方法不仅可以得到绕组内的涡流损耗，还可以用来计算绕组的热点温度。箔式绕组内的涡流损耗必须根据漏磁场来计算，才能准确计算出绕组区域的磁场分布和涡流损耗。
3)引线的损耗
干式变压器的引线产生的损耗，通过计算直流电阻损耗的计算方法计算获得。每一相引线的损耗Pt，可用下式计算：
Pt＝I2Rt×10-3 (8)
式中，Rt-每相引线的直流电阻(Ω)。
在获取各损耗的基础上，干式变压器的温升理论计算模型为：
铁心、绕组温升计算的基本公式为：
τ＝kqn (9)
Figure BDA0003115325540000091
式中，τ-铁心或绕组的温升；
k,n-经验系数；
q-铁心或绕组的有效表面热负荷；
W-铁心或绕组的损耗功率，当w为铁心损耗功率时，为空载损耗，当w为绕组损耗时，为负载损耗，包括：直流电阻损耗、绕组导线在漏磁场中的涡流损耗和引线的损耗；
S-铁心或绕组的等效散热面积；
Δθm-树脂上的温度降。
等效散热面积的计算为：
铁心等效散热面积S0的计算
S0＝SW0+α0SY0 (11)
Figure BDA0003115325540000092
式中，SW0-未被遮盖的散热面；
SY0-被遮盖的散热面；
α0-折合系数；
a0-铁心平均气道宽；
H0-铁心平均气道高。
低压线圈等效散热面S1的计算
S1＝α1SY1 (13)
Figure BDA0003115325540000101
式中，SY1-低压线圈散热面；
α1-折合系数；
a1-低压线圈平均气道宽；
H1-低压线圈的高度；
高压线圈等效散热面S2的计算
S2＝α2SY2 (15)
Figure BDA0003115325540000102
式中，SY2-高压线圈散热面；
α2-折合系数；
a2-高压线圈平均气道宽；
H2-高压线圈的高度；
结合式(11)、(13)、(15)，获得绕组的等效散热面SYi计算公式为
SYi＝∑αiSSi (17)
结合(9)、(10)和(17)构建干式变压器的温升理论计算模型，通过该模型计算获得干式变压器的温升理论计算结果。
S22：对样品变压器进行现场的温升试验。
对样品变压器进行温升试验时，所使用的试验计算公式为：
Figure BDA0003115325540000111
即：
Figure BDA0003115325540000112
Figure BDA0003115325540000113
即：
Figure BDA0003115325540000114
Figure BDA0003115325540000115
即：
Figure BDA0003115325540000116
ΔT＝θ1-θ02 (21)
即：铁心温升＝空载铁芯温度-空载环境温度
通过对SCB10系列干式变压器(样品变压器)进行现场温升试验可知：
(1)空载温升试验主要影响铁心的温度变化，负载温升试验主要影响绕组的温度变化。
(2)b相的测量温度略高于a、c两相，是由于b相处在中间位置，向外散热效果没有其他两相好。
现以SCB10系列的变压器为样品变压器，所有试验样机均采用相同的材质，相同的联接方式和冷却方式，耐热等级均为F级，高压侧无气道，根据低压侧气道个数的不同分别进行讨论，得出以下结果
(1)损耗的试验值与设计值相差甚小，基本可以认定试验过程中产生热负荷与设计值基本无异。
(2)一气道和两气道高压绕组温升的理论计算结果和试验记过两者误差较大，三气道高压绕组温升理论计算结果和试验结果的差距较小。
(3)低压绕组一气道和两气道温升的试验结果和理论计算结果之间存在较大偏差。
(4)三气道样机不论是损耗还是温升试验值都与了理论计算结果很接近，误差相对较小，说明气道的个数对温升存在一定的影响。这也从侧面说明了三气道的变压器性能优于两气道和一气道的变压器。
S23：根据样品变压器的温升理论计算结果和温升试验结果对干式变压器的温升理论计算模型进行校正，获得温升分析模型。
当样品变压器的温升理论计算结果和温升试验结果偏差小于等于设定值时，温升分析模型的经验系数采用理论计算模型中的经验系数。
当样品变压器的温升理论计算结果和温升试验结果偏差大于设定值时，对理论计算模型中的经验系数进行调整，当使用调整后的经验系数进行温升理论计算，获得的温升理论计算结果与温升试验结果偏差小于等于设定值时，该调整后的经验系数为温升分析模型中的经验系数。
由于各厂家所设计变压器结构和所用材料不同，散热效果也不同，经验系数k的取值也不相同。通常情况下，k的取值与气道的个数相关，高压绕组，k一般取值为0.34。低压绕组大部分厂家一般这样取值：
1个气道，k＝0.34；
2个气道，k＝0.36；
3个气道，k＝0.38；
由干式变压器温升试验结果和理论计算结果对比可知，三气道样机两者的偏差小于等于设定值，判定误差较小，在允许的范围内，对三气道下的经验系数不进行校正。一气道样机和两气道样机的温升试验结果小于理论计算结果，且两者间的偏差大于设定值，故需要对温升理论计算模型中的经验系数进行校正。
当取低压一气道的经验系数为0.32，低压两气道经验系数为0.34，高压侧经验系数取0.3，重新进行温升理论计算后，使得温升理论计算结果与温升试验结果间的偏差小于等于设定值，说明理论计算结果和试验结果较为接近，说明此次系数的选取较为合理。
故确定温升理论计算模型中经验系数k的取值为：
低压一气道，k取0.32；
低压两气道，k取0.34；
低压三气道，k取0.38；
高压侧，k取0.30。
S24：将S1获取的参数输入S23获得的温升分析模型中，获取干式变压器温升分析结果。
S3：在S2获得干式变压器温升分析结果的基础上，对干式变压器进行数值仿真分析，获得温度分布结果。
在具体实施时，利用FLUENT对变压器进行流固热耦合场分析，包括划分网格、添加材料属性、施加载荷条件，最后得出温度分布结果，由温度分布云图和温度分布曲线呈现，如图2所示，得出了低压绕组的最热点温度和高低压绕组及其铁心温度最热点的位置，分析了铁心和绕组的纵向和横向的温度变化趋势，其中，低压绕组的最热点温度即为变压器内部的最高温度。
本公开利用干式变压器的温升理论计算模型，对样品变压器进行温升理论计算，结合样品变压器的温升试验结果，对温升理论计算模型中的经验系数进行校正，获得了温升分析模型，当采用该温升分析模型对干式变压器进行温升分析时，获得的温升分析结果更准确，更贴合于干式变压器的实际温升变化。此外，本公开还运用ANSYS有限元软件对干式变压器内部流固热耦合场进行仿真，确定了干式变压器内部温度场的温度分布和变化趋势，并找到最热点位置，为干式变压器的优化设计提供更加有效地理论依据。
实施例2
在该实施例中，公开了一种干式变压器温升分析系统，包括：
参数获取模块，用于获取干式变压器基本参数；
温升分析结果获取模块，用于将获取的参数输入构建的温升分析模型中，获取干式变压器温升分析结果；
其中，温升分析模型根据样品变压器的温升理论计算结果和温升试验结果对干式变压器的温升理论计算模型进行校正获得。
实施例3
在该实施例中，公开了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1公开的一种干式变压器温升分析方法所述的步骤。
实施例4
在该实施例中，公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1公开的一种干式变压器温升分析方法所述的步骤。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种干式变压器温升分析方法，其特征在于，包括：
获取干式变压器基本参数；
将获取的参数输入构建的温升分析模型中，获取干式变压器温升分析结果；
其中，温升分析模型根据样品变压器的温升理论计算结果和温升试验结果对干式变压器的温升理论计算模型进行校正获得。
2.如权利要求1所述的一种干式变压器温升分析方法，其特征在于，通过干式变压器的温升理论计算模型对样品变压器进行温升理论计算，获得温升理论计算结果。
3.如权利要求1所述的一种干式变压器温升分析方法，其特征在于，温升分析模型为对干式变压器的温升理论计算模型中的经验系数进行校正获得。
4.如权利要求3所述的一种干式变压器温升分析方法，其特征在于，通过对温升理论计算模型中一气道变压器、两气道变压器和高压侧的经验系数进行校正，获得温升分析模型。
5.如权利要求3所述的一种干式变压器温升分析方法，其特征在于，当样品变压器的温升理论计算结果和温升试验结果偏差小于等于设定值时，温升分析模型的经验系数采用理论计算模型中的经验系数。
6.如权利要求3所述的一种干式变压器温升分析方法，其特征在于，当样品变压器的温升理论计算结果和温升试验结果偏差大于设定值时，对理论计算模型中的经验系数进行调整，当使用调整后的经验系数进行温升理论计算，获得的温升理论计算结果与温升试验结果偏差小于等于设定值时，该调整后的经验系数为温升分析模型中的经验系数。
7.如权利要求1所述的一种干式变压器温升分析方法，其特征在于，所述干式变压器温升分析方法还包括，根据干式变压器基本参数对干式变压器进行仿真分析模拟，获取干式变压器的仿真模拟结果。
8.一种干式变压器温升分析系统，其特征在于，包括：
参数获取模块，用于获取干式变压器基本参数；
温升分析结果获取模块，用于将获取的参数输入构建的温升分析模型中，获取干式变压器温升分析结果；
其中，温升分析模型根据样品变压器的温升理论计算结果和温升试验结果对干式变压器的温升理论计算模型进行校正获得。
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-7任一项所述的一种干式变压器温升分析方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-7任一项所述的一种干式变压器温升分析方法的步骤。
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