一种基于有限元的牵引变压器温度场仿真分析方法与流程

本申请涉及电气设备故障诊断技术，更具体地说，涉及一种基于有限元的牵引变压器温度场仿真分析方法。

背景技术：

1、随着我国城市化进程的推进和城市人口的持续增长，有限的道路交通资源急剧消耗，交通拥堵成为制约城市可持续发展的重要问题。按照新时期高质量发展的要求，国内很多城市开始大力发展城市轨道交通，建立以大运量轨道交通为骨干，公交线路为辅助的公共交通系统。发展城市轨道交通，在缓解交通压力的同时，也有利于改善能源消费结构，贯彻可持续发展，促进节能减排。随着城市轨道交通的不断发展，与机车牵引电源配套的牵引变压器的需求也将日益增多。牵引变压器运行可靠性取决于其绝缘性能，绝缘性能又和牵引变压器内部的生热和散热密切相关。因此，对牵引变压器内部温度场的准确分析计算对提高牵引变压器运行可靠性、保证机车安全稳定运行具有重要意义。

2、现有的研究大多针对负荷额定或者负荷小范围波动的情况，对牵引变压器工况的研究较少，对于动态变化的温度场已不能用稳态时的参数来表征。

3、牵引变压器运行环境复杂，在机车高速或重载通过供电区间时该区间内的牵引变压器时常处于过负荷状态下，绕组温升剧烈，而过负荷时长又远低于变压器内部温度场达到稳态所需时间，变压器内部温度场处于动态变化过程中。由于牵引负荷的特殊性，牵引变压器内部的温度场分布情况与变化规律有别于电力变压器，因此其绝缘老化情况也有别于电力变压器，有必要对牵引变压器的温度场分布情况及变化规律展开研究，预测牵引变压器的热点分布，为制定牵引变压器的维护、更换计划提供依据。

技术实现思路

1、鉴于此，为了解决或改善上述现有技术中的不良现象，本申请提出了一种基于有限元的牵引变压器温度场仿真分析方法，能够考虑牵引变压器随运行温度的变化其负载损耗的变化，计算结果更方便准确，使电力系统运行更可靠、安全、稳定。

2、为了实现上述目的，本申请提供了一种基于有限元的牵引变压器温度场仿真分析方法，包括：根据牵引变压器出厂手册计算出变压器的损耗，并得到铁芯损耗和绕组损耗；根据牵引变压器的内部结构，结合傅里叶定律和能量守恒方程，得到直角坐标下的导热微分方程；根据所述变压器的损耗，将空载损耗和负载损耗等效为牵引变压器的内热源，将铁芯和高低压绕组均看成均匀的发热体，采用单位体积发热率来描述牵引变压器的生热情况；建立数值计算模型，根据变压器所属环境设置合理的初始值和边界条件；进行仿真计算，得到牵引变压器内部温度场的分布和变化情况。

3、在一种可能的实现方式中，包括：所述铁芯损耗和绕组损耗包括空载损耗和负载损耗，其表达式为：

4、

5、

6、式中，phl为磁滞损耗；pcl为祸流损耗；σh和σc均为与铁芯材料有关的系数；f为电源频率；bm为磁场强度的最大值；v为铁芯材料的体积；iln为低压绕组额定电流；rh,75℃和rh,75℃分别为折合到75℃时高压绕组和低压绕组的总电阻。

7、在一种可能的实现方式中，包括：所述导热微分方程为：

8、

9、式中，a为热扩散率，又称导温系数，φ为单位时间内、单位体积中内热源生成的热量。

10、在一种可能的实现方式中，包括：牵引变压器的第三类边界条件为：

11、

12、式中，h为给定物体边界与周围流体间的表面传热系数，tf为流体的温度。

13、在一种可能的实现方式中，所述根据变压器所属环境设置合理的初始值和边界条件，包括：

14、把空载损耗和负载损耗等效为牵引变压器的内热源，并设为恒定热源；负载损耗跟温度成正相关关系；则初级绕组和次级绕组在75℃、额定负荷下的损耗数学表达式为：

15、

16、式中，k为牵引变压器的负荷率；t为牵引变压器初级绕组或次级绕组的平均温度，pf0为初级绕组损耗，ps0为次级绕组损耗。

17、在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：根据comsol平台构建独立运行的牵引变压器温度场求解app。

18、有益效果

19、与现有技术相比，本申请的技术方案具有的优点是：该方法通过建立数值模型对牵引变压器内部温度场进行研究，考虑根据实际牵引变压器的结构和尺寸建立对应的三维数值计算模型，可以使计算结果更为准确，更有利于判断牵引变压器绝缘状态，进而判断其剩余寿命，有助于发现牵引变压器绝缘系统的潜在风险，为变压器的运行维护、检修提供重要的参考依据，进而使电力系统运行更加可靠、安全、稳定。。

技术特征：

1.一种基于有限元的牵引变压器温度场仿真分析方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于有限元的牵引变压器温度场仿真分析方法，其特征在于，包括：

3.根据权利要求1所述的基于有限元的牵引变压器温度场仿真分析方法，其特征在于，包括：

4.根据权利要求3所述的基于有限元的牵引变压器温度场仿真分析方法，其特征在于，包括：

5.根据权利要求1所述的基于有限元的牵引变压器温度场仿真分析方法，其特征在于，所述根据变压器所属环境设置合理的初始值和边界条件，包括：

6.根据权利要求1所述的基于有限元的牵引变压器温度场仿真分析方法，其特征在于，所述方法还包括：

技术总结
本申请公开了一种基于有限元的牵引变压器温度场仿真分析方法，涉及电气设备故障诊断技术领域。该方法包括：根据牵引变压器出厂手册计算出变压器的损耗，并得到铁芯损耗和绕组损耗；根据牵引变压器的内部结构，结合傅里叶定律和能量守恒方程，得到直角坐标下的导热微分方程；根据所述变压器的损耗，将空载损耗和负载损耗等效为牵引变压器的内热源，将铁芯和高低压绕组均看成均匀的发热体，采用单位体积发热率来描述牵引变压器的生热情况；建立数值计算模型，根据变压器所属环境设置合理的初始值和边界条件；进行仿真计算，得到牵引变压器内部温度场的分布和变化情况。该方法计算结果更方便准确，使电力系统运行更可靠、安全、稳定。

技术研发人员：唐小峰,姚秋月,周洪立,姚峥,周静芳,肖善升,胡碟,陈志豪
受保护的技术使用者：广西电网有限责任公司南宁供电局
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16