一种变压器直装式套管冷却性能综合评估系数计算方法

1.本发明涉及电气绝缘在线检测与故障诊断领域，特别是一种变压器直装式套管冷却性能综合评估系数计算方法。


背景技术：

2.大型电力变压器是输变电系统中的核心设备，其可靠性是电网安全运行的关键。套管是电力变压器的重要组成部分之一，它既起到引导和支撑绕组出线从变压器箱体内穿出并连接至外部电网的作用，又起到保证出线与变压器本体之间绝缘的作用。在变压器运行时，套管中心导体在电流的焦耳效应作用下会产生热量，由此引起套管的各个部分温度产生不同程度的升高。若套管不能及时的通过外表面伞裙的冷却效应散去，内部聚集的热量将会使套管局部或整体过热，进而引发套管内部绝缘的损坏。由此可见，冷却性能是套管的重要技术指标，准确评估套管的冷却性能对于套管的优化设计和温度在线监测意义重大。套管的冷却性能主要取决于瓷套最外侧伞裙的对流传热特性，但由于其结构复杂，不同型号套管间伞裙结构差异较大，目前的研究均局限于具体型号套管在某些特定情况下的冷却性能评估，或仅能基于经验参数较为粗略的估算套管冷却性能，缺乏能够充分考虑瓷套伞裙片对流传热特性的套管冷却性能普适性评估方法。


技术实现要素：

3.针对上述技术问题，本发明的目的是提出一种变压器直装式套管冷却性能综合评估系数计算方法，能够实现任意结构和任意伞裙数量直装式套管冷却性能的科学合理评估。
4.实现本发明目的的技术方案如下：
5.第一步、建立变压器直装式套管冷却性能综合试验平台
6.变压器直装式套管冷却性能综合试验平台包括：变压器套管主体(1)、套管伞裙(2)、套管导杆上接线端子(3)、套管导杆下接线端子(4)、套管法兰(5)、法兰固定螺栓(6)、试验平台底座(7)、套管伞裙迎风侧温度传感器阵列(8)、套管伞裙背风侧温度传感器阵列(9)、试验箱底层左前侧温度传感器(10)、试验箱底层左后侧温度传感器(11)、试验箱底层右前侧温度传感器(12)、试验箱底层右后侧温度传感器(13)、试验箱顶层左前侧温度传感器(14)、试验箱顶层左后侧温度传感器(15)、试验箱顶层右前侧温度传感器(16)、试验箱顶层右后侧温度传感器(17)、风机(18)、恒温试验箱箱体(19)、直流电阻测试仪(20)、可调交流电源(21)、光纤测温主机(22)、上位机(23)；
7.套管伞裙(2)由大小相间的多个环形伞裙片组成，自上至下均匀套装于变压器套管主体(1)外侧构成整个套管伞裙(2)，伞裙片数量记为n，伞裙片编号为n，垂直方向上最下侧的伞裙片编号为1，即n＝1；最上侧伞裙片编号为n，即n＝n；套管法兰(5)安装于变压器套管主体(1)底部，套管法兰(5)通过法兰固定螺栓(6)与试验平台底座(7)固定；套管导杆上接线端子(3)位于变压器套管主体(1)顶部，在水平方向上位于套管主体(1)中央；套管导杆
下接线端子(4)位于套管法兰(5)底部，在水平方向上位于套管主体(1)中央；风机(18)安装于恒温试验箱箱体(19)左壁面，使得套管伞裙(2)左侧为迎风侧、右侧为背风侧；套管伞裙(2)每个伞裙片的迎风侧表面均布置一只光纤温度传感器，迎风侧的所有传感器相连共n只构成套管伞裙迎风侧温度传感器阵列(8)，套管伞裙迎风侧温度传感器阵列(8)与光纤测温主机(22)相连；套管伞裙(2)每个伞裙片的背风侧表面均布置一只光纤温度传感器，背风侧的所有传感器相连共n只构成套管伞裙背风侧温度传感器阵列(9)，套管伞裙背风侧温度传感器阵列(9)与光纤测温主机(22)相连；上述结构均放置于恒温试验箱箱体(19)中央；
8.试验箱底层左前侧温度传感器(10)安装于恒温试验箱箱体(19)内部底层的左前侧，试验箱底层左后侧温度传感器(11)安装于恒温试验箱箱体(19)内部底层的左后侧，试验箱底层右前侧温度传感器(12)安装于恒温试验箱箱体(19)内部底层的右前侧，试验箱底层右后侧温度传感器(13)安装于恒温试验箱箱体(19)内部底层的右后侧；试验箱顶层左前侧温度传感器(14)安装于恒温试验箱箱体(19)内部顶层的左前侧，试验箱顶层左后侧温度传感器(15)安装于恒温试验箱箱体(19)内部顶层的左后侧，试验箱顶层右前侧温度传感器(16)安装于恒温试验箱箱体(19)内部顶层的右前侧，试验箱顶层右后侧温度传感器(17)安装于恒温试验箱箱体(19)内部顶层的右后侧；
9.直流电阻测试仪(20)的i+端口与套管导杆上接线端子(3)相连，直流电阻测试仪(20)的i-端口与套管导杆下接线端子(4)相连；可调交流电源(21)的l端口与套管导杆上接线端子(3)相连，可调交流电源(21)的n端口与套管导杆下接线端子(4)相连，可调交流电源(21)的gnd端口与法兰固定螺栓(6)相连；直流电阻测试仪(20)、可调交流电源(21)、光纤测温主机(22)均与上位机(23)相连；
10.第二步、获取自然对流条件下套管冷却系数cn11.设定可调交流电源(21)的电流输出有效值为套管的额定电流，开启可调交流电源(21)，使得套管主体(1)在额定电流作用下发热；获得套管伞裙迎风侧温度传感器阵列(8)得到的n个温度数据，自下而上编号为t
ny1
～t
nyn
，n∈[1,n]，其中温度最大值记为t
nymax
；获得套管伞裙背风侧温度传感器阵列(9)得到的n个温度数据，自下而上编号为t
nb1
～t
nbn
，其中温度最大值记为t
nbmax
；当t
nymax
或t
nbmax
自可调交流电源(21)开启后首次波动小于0.5℃时，记录此时的t
ny1
～t
nyn
及t
nb1
～t
nbn
值，断开可调交流电源(21)的同时立即使用直流电阻测试仪(20)测量导杆直流电阻rd并记录；根据公式(1)，计算自然对流条件下套管冷却系数cn；
[0012][0013]
第三步、获取侧风条件下套管冷却系数cf[0014]
设定风机(18)风速，开启风机(18)，使恒温试验箱箱体(19)产生方向为自左向右的平行冷却气流；设定可调交流电源(21)的电流输出有效值为套管的额定电流，开启可调交流电源(21)，使得套管主体(1)在额定电流作用下发热；获得套管伞裙迎风侧温度传感器阵列(8)得到的n个温度数据，自下而上编号为t
fy1
～t
fyn
，n∈[1,n]，其中温度最大值记为t
fymax
；获得套管伞裙背风侧温度传感器阵列(9)得到的n个温度数据，自下而上编号为t
fb1
～t
fbn
，其中温度最大值记为t
fbmax
；当t
fymax
或t
fbmax
自可调交流电源(21)开启后首次波动小于0.5℃时，记录此时的t
fy1
～t
fyn
及t
fb1
～t
fbn
值，以及获取此时试验箱底层左前侧温度t1、试验箱底层左后侧温度t2、试验箱底层右前侧温度t3、试验箱底层右后侧温度t4、试验箱顶层
左前侧温度t5、试验箱顶层左后侧温度t6、试验箱顶层右前侧温度t7、试验箱顶层右后侧温度t8，全部数据记录完毕后断开可调交流电源(21)，同时立即使用直流电阻测试仪(20)测量导杆直流电阻rd并记录；测量第n片伞裙片距离套管法兰(5)上表面的垂直距离，记为hn，由此可得(h1,t
fy1
)、(h2,t
fy2
)、
…
、(hn,t
fyn
)共n组数据，以及(h1,t
fb1
)、(h2,t
fb2
)、
…
、(hn,t
fbn
)共n组数据；
[0015]
以距离套管法兰(5)上表面的垂直距离h为自变量分别拟合上述n组(hn,t
fyn
)和n组(hn,t
fbn
)数据，得到t
fy
＝f1(h)、t
fb
＝f2(h)的函数关系式；t
fy
和t
fb
分别为根据(hn,t
fyn
)和(hn,t
fbn
)数据拟合所得函数的因变量；根据公式(2)，计算侧风条件下套管冷却系数cf；
[0016][0017]
第四步、计算变压器直装式套管冷却性能综合评估系数cs[0018][0019]
第五步、评估变压器直装式套管冷却性能
[0020]
若cs》1，则该变压器直装式套管的冷却性能较好；若0.4《cs≤1，则该变压器直装式套管的冷却性能一般；若cs≤0.4，则该变压器直装式套管的冷却性能较差，不能满足使用要求。
[0021]
本发明的有益效果在于，一种变压器直装式套管冷却性能综合评估系数计算方法具有以下优点：
[0022]
1)本发明首次提出了评判变压器直装式套管冷却性能的指标，能够科学合理的综合考虑直装式套管在自然对流和强迫对流下的冷却效果，实现电力变压器直装式套管冷却性能的科学评估；
[0023]
2)本发明为套管的冷却设计与温度在线监测提供了更为高效和准确的新方法，能够减少人力物力的消耗。
附图说明
[0024]
图1是本发明涉及的变压器直装式套管冷却性能综合试验平台的结构示意图。
具体实施方式
[0025]
下面结合附图和具体实施过程对本发明进行进一步说明。需要强调的是，此处所描述的具体实施案例仅仅用于解释本发明，并不限定本发明构思及其权利要求之范围。
[0026]
第一步、建立变压器直装式套管冷却性能综合试验平台
[0027]
变压器直装式套管冷却性能综合试验平台包括：变压器套管主体(1)、套管伞裙(2)、套管导杆上接线端子(3)、套管导杆下接线端子(4)、套管法兰(5)、法兰固定螺栓(6)、试验平台底座(7)、套管伞裙迎风侧温度传感器阵列(8)、套管伞裙背风侧温度传感器阵列
(9)、试验箱底层左前侧温度传感器(10)、试验箱底层左后侧温度传感器(11)、试验箱底层右前侧温度传感器(12)、试验箱底层右后侧温度传感器(13)、试验箱顶层左前侧温度传感器(14)、试验箱顶层左后侧温度传感器(15)、试验箱顶层右前侧温度传感器(16)、试验箱顶层右后侧温度传感器(17)、风机(18)、恒温试验箱箱体(19)、直流电阻测试仪(20)、可调交流电源(21)、光纤测温主机(22)、上位机(23)；
[0028]
套管伞裙(2)由大小相间的多个环形伞裙片组成，自上至下间距均匀套装于变压器套管主体(1)外侧构成整个套管伞裙(2)，伞裙片数量n＝20；伞裙片编号为n，垂直方向上最下侧的伞裙片编号为1，即n＝1；最上侧伞裙片编号为20，即n＝20；套管法兰(5)安装于变压器套管主体(1)底部，套管法兰(5)通过法兰固定螺栓(6)与试验平台底座(7)固定；套管导杆上接线端子(3)位于变压器套管主体(1)顶部，在水平方向上位于套管主体(1)中央；套管导杆下接线端子(4)位于套管法兰(5)底部，在水平方向上位于套管主体(1)中央；风机(18)安装于恒温试验箱箱体(19)左壁面，使得套管伞裙(2)左侧为迎风侧、右侧为背风侧；套管伞裙(2)每个伞裙片的迎风侧表面均布置一只光纤温度传感器，迎风侧的所有传感器相连共20只构成套管伞裙迎风侧温度传感器阵列(8)，套管伞裙迎风侧温度传感器阵列(8)与光纤测温主机(22)相连；套管伞裙(2)每个伞裙片的背风侧表面均布置一只光纤温度传感器，背风侧的所有传感器相连共20只构成套管伞裙背风侧温度传感器阵列(9)，套管伞裙背风侧温度传感器阵列(9)与光纤测温主机(22)相连；上述结构均放置于恒温试验箱箱体(19)中央；
[0029]
试验箱底层左前侧温度传感器(10)安装于恒温试验箱箱体(19)内部底层的左前侧，试验箱底层左后侧温度传感器(11)安装于恒温试验箱箱体(19)内部底层的左后侧，试验箱底层右前侧温度传感器(12)安装于恒温试验箱箱体(19)内部底层的右前侧，试验箱底层右后侧温度传感器(13)安装于恒温试验箱箱体(19)内部底层的右后侧；试验箱顶层左前侧温度传感器(14)安装于恒温试验箱箱体(19)内部顶层的左前侧，试验箱顶层左后侧温度传感器(15)安装于恒温试验箱箱体(19)内部顶层的左后侧，试验箱顶层右前侧温度传感器(16)安装于恒温试验箱箱体(19)内部顶层的右前侧，试验箱顶层右后侧温度传感器(17)安装于恒温试验箱箱体(19)内部顶层的右后侧；
[0030]
直流电阻测试仪(20)的i+端口与套管导杆上接线端子(3)相连，直流电阻测试仪(20)的i-端口与套管导杆下接线端子(4)相连；可调交流电源(21)的l端口与套管导杆上接线端子(3)相连，可调交流电源(21)的n端口与套管导杆下接线端子(4)相连，可调交流电源(21)的gnd端口与法兰固定螺栓(6)相连；直流电阻测试仪(20)、可调交流电源(21)、光纤测温主机(22)均与上位机(23)相连；
[0031]
第二步、获取自然对流条件下套管冷却系数cn[0032]
设定可调交流电源(21)的电流输出有效值为套管的额定电流1000a，开启可调交流电源(21)，使得套管主体(1)在额定电流作用下发热；获得套管伞裙迎风侧温度传感器阵列(8)得到的20个温度数据，自下而上记为t
ny1
、t
ny2
、
…
、t
ny20
，单位为℃，后同，其中温度最大值的温度值记为t
nymax
；获得套管伞裙背风侧温度传感器阵列(9)得到的20个温度数据，自下而上记为t
nb1
、t
nb2
、
…
、t
nb20
，其中温度最大值的数值记为t
nbmax
；当t
nymax
或t
nbmax
自可调交流电源(21)开启后首次波动小于0.5℃时，记录此时的t
ny1
～t
ny20
及t
nb1
～t
nb20
值，断开可调交流电源(21)的同时立即使用直流电阻测试仪(20)测量导杆直流电阻rd并记录，单位为
ω；根据公式(1)，计算自然对流条件下套管冷却系数cn；
[0033][0034]
第三步、获取侧风条件下套管冷却系数cf[0035]
设定风机(18)风速，开启风机(18)，使恒温试验箱箱体(19)产生方向为自左向右的平行冷却气流；设定可调交流电源(21)的电流输出有效值为套管的额定电流，开启可调交流电源(21)，使得套管主体(1)在额定电流作用下发热；获得套管伞裙迎风侧温度传感器阵列(8)得到的20个温度数据，自下而上编号为t
fy1
、t
fy2
、
…
、t
fy20
，其中温度最大值的数值记为t
fymax
；获得套管伞裙背风侧温度传感器阵列(9)得到的20个温度数据，自下而上编号为t
fb1
、t
fb2
、
…
、t
fb20
，其中温度最大值的数值记为t
fbmax
；当t
fymax
或t
fbmax
自可调交流电源(21)开启后首次波动小于0.5℃时，记录此时的t
fy1
～t
fyn
及t
fb1
～t
fbn
值，以及获取此时试验箱底层左前侧温度t1、试验箱底层左后侧温度t2、试验箱底层右前侧温度t3、试验箱底层右后侧温度t4、试验箱顶层左前侧温度t5、试验箱顶层左后侧温度t6、试验箱顶层右前侧温度t7、试验箱顶层右后侧温度t8，全部数据记录完毕后断开可调交流电源(21)，同时立即使用直流电阻测试仪(20)测量导杆直流电阻rd并记录；测量第n片伞裙片距离套管法兰(5)上表面的垂直距离，记为hn，单位为m，由此可得(h1,t
fy1
)、(h2,t
fy2
)、
…
、(h
20
,t
fy20
)共20组数据，以及(h1,t
fb1
)、(h2,t
fb2
)、
…
、(h
20
,t
fb20
)共20组数据；
[0036]
以距离套管法兰(5)上表面的垂直距离h为自变量分别拟合上述20组(hn,t
fyn
)和20组(hn,t
fbn
)数据，得到t
fy
＝f1(h)、t
fb
＝f2(h)的函数关系式，分别为：
[0037]
t
fy
＝f1(h)＝-63.13131h3+97.72727h
2-24.29293h+26.93333
[0038]
t
fb
＝f2(h)＝-93.04584h3+121.32867h
2-12.2397h+39.96667
[0039]
t
fy
和t
fb
分别为根据(hn,t
fyn
)和(hn,t
fbn
)数据拟合所得函数的因变量；根据公式(2)，计算侧风条件下套管冷却系数cf；
[0040][0041]
第四步、计算变压器直装式套管冷却性能综合评估系数cs[0042][0043]
第五步、评估变压器直装式套管冷却性能
[0044]
若cs》1，则该变压器直装式套管的冷却性能较好；若0.4《cs≤1，则该变压器直装式套管的冷却性能一般；若cs≤0.4，则该变压器直装式套管的冷却性能较差，不能满足使用要求。