一种油浸式变压器绕组温升的快速计算方法

本发明涉及变压器，特别涉及一种油浸式变压器绕组温升的快速计算方法。

背景技术：

1、电力变压器是电力传输中重要的电气设备之一，其可靠性对于电力系统的安全运行具有十分重要的作用。当电力变压器绕组温升超出国标规定限值时，油浸纸绝缘80℃～140℃范围内，热点温度每升高6k绝缘老化率将增加一倍。温升过高会使绝缘材料提前老化而降低绝缘性能，缩短使用寿命，进而影响电力变压器的效率和正常运行。因此，定量、准确计算变压器的温升特性是很有必要的。

2、然而，由于变压器绕组等部件以及油流温升的计算是一个多学科问题，且变压器的结构较复杂，影响传热的因素较多，因此对电力变压器内部各点温升的计算具有一定的难度。

3、目前，国内大部分学者采用gb/t15164—94《油浸式电力变压器负载导则》推荐的热点温度计算方法，以绕组热点温度140℃为约束条件，评估变压器温升特性，但该方法存在以下问题：1)忽略了电力变压器内变压器油的流场对温升特性的影响；2)在评估变压器温升特性时，未能评估动态负载下的温升特性，不利于实际应用。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种油浸式变压器绕组温升的快速计算方法，其以有限元法、流体力学及计算传热学为基础，并利用软件采用温度-流体场耦合的数值计算模型，提出了基于流速分析的油浸式变压器绕组热点温升的仿真计算方法。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种油浸式变压器绕组温升的快速计算方法，包括以下步骤，

3、步骤s1、获得变压器初始参数，根据变压器的油箱箱体、高压绕组、低压绕组和铁心的实际尺寸在有限元仿真软件中建立模型并获得变压器铁心和绕组周围的磁场分布及损耗；

4、步骤s2、利用有限元仿真软件的自适应网格划分对该模型进行有限元划分并将步骤s1得到的损耗作为热源施加在有限元仿真软件上；

5、步骤s3、设置变压器油物理参数，包括变压器油密度、导热系数、动力粘度和定压比热容设置；

6、步骤s4、设置变压器部件参数，包括变压器铁心、绝缘纸、高压绕组和低压绕组的材料属性设置，材料属性包括密度、等效比热容以及等效导热系数；

7、步骤s5、设置边界条件，包括变压器与外界的对流换热系数设置；

8、步骤s6、利用有限元仿真软件进行温度场与流体场之间的双向耦合计算，根据材料属性随温度和流速的变化进行迭代，直至满足收敛条件，即可得到变压器温升特性；

9、步骤s7、分别建立变压器三维模型与二维轴对称模型，提取低压绕组油流入口流速，作为计算变压器绕组温升时的边界条件；

10、步骤s8、将入口流速边界条件设置为在低压绕组处提取的油流速度，分别对低压绕组三维模型和二维轴对称模型进行流场-温度场耦合计算，得到低压绕组两种模型流场分布以及温度分布。

11、优选的方案中，所述步骤s1中，在有限元仿真软件中建立模型，包括如下假设：

12、热源为铁心、高压绕组和低压绕组；

13、所述高压绕组和低压绕组沿圆周径向方向温度相同；

14、油道内外侧绝缘筒及挡油板热导率很小，故不考虑这些部件与油流的热交换，即此部分温度边界条件设置为绝热边界条件。

15、优选的方案中，所述步骤s4中，等效比热容和等效导热系数的计算过程如下：

16、单位面积条件下，材料热阻rth与材料本身的厚度和热导率的关系为：

17、rth＝d/k   (1)

18、油浸绝缘纸包裹在绕组导体层上，变压器绕组在径向上整体的等效热阻rthr为：

19、rthr＝rthr1+rthr2   (2)

20、其中，rthr1为变压器绕组径向导体层金属导体热阻；rthr2为变压器径向油浸绝缘纸热阻；

21、绕组径向整体厚度dr为：

22、dr＝dr1+dr2   (3)

23、其中，dr1为变压器绕组径向导体层金属导体总厚度；dr2为变压器径向油浸绝缘纸总厚度，通过上述三式可以得出：

24、

25、其中，kr为变压器绕组在径向上的等效热导率；k1为变压器绕组导体层金属导体热导率；k2为变压器油浸绝缘纸热导率；

26、则变压器绕组在径向上的等效热导率kr为：

27、

28、变压器绕组在轴向上整体的等效热阻rtha为：

29、

30、其中，rtha1为变压器绕组轴向导体层金属导体热阻；rtha2为变压器轴向油浸绝缘纸热阻；

31、绕组轴向整体厚度da为：

32、da＝da1+da2    (7)

33、其中，da1为变压器绕组轴向导体层金属导体总厚度；da2为变压器轴向油浸绝缘纸总厚度；

34、变压器绕组在轴向上的等效热导率ka为：

35、

36、变压器绕组油浸绝缘纸包裹在绕组导体层上，因此有：

37、cemδt＝c1m1δt+c2m2δt     (9)

38、其中，ce为变压器绕组等效比热容；m为变压器绕组整体总质量；δt为变压器绕组温度变化量；c1为变压器绕组导体层比热容；c2为变压器油浸绝缘纸比热容；m1为变压器绕组导体层总质量；m2为变压器油浸绝缘纸总质量。

39、优选的方案中，所述步骤s5中，设置边界条件包括如下步骤：

40、s501、定义模型的初始温度；

41、s502、设定变压器的外界环境温度，并假设外界环境温度恒定；

42、s503、计算变压器等效对流换热系数；

43、等效对流换热系数he表示为：

44、he(s1+s2)＝h1s1+h2s2

45、其中：s1为油箱箱体的表面积，s2为散热片的总面积，h1为油箱对流换热系数，h2为散热片对流换热系数；

46、s504、油流运动时，油流在线饼、绝缘边界处设置为无滑移的壁面边界条件。

47、优选的方案中，所述步骤s6中，温度场与流体场之间的双向耦合计算数学模型表达式如下：

48、

49、

50、

51、式中：ρ为流体密度；v为速度矢量；p为流体压力；τ为黏性应力张量；f为外力；g为重力加速度；cp为恒压热容；t为温度；kt为导热系数；q为内热源；为哈密顿算子。

52、优选的方案中，所述步骤s6中，还包括绕组损耗修正计算，绕组损耗修正通过以下方式实现：

53、q(t)＝q0[1+α(ts-t0)]   (13)

54、其中：q0为初始温度t0时的绕组损耗，ts为迭代求解得到的实时温度，α为电阻校正温度因子。

55、本发明提供的一种油浸式变压器绕组温升的快速计算方法，具有以下有益效果：

56、1、本发明所述的变压器绕组温升特性的仿真计算方法，以有限元法、流体力学及计算传热学为基础，并利用仿真软件采用温度-流场耦合的数值计算模型，提出了油浸式变压器绕组热点温升的仿真计算方法。

57、2、采用三维仿真模型分析变压器的温度分布，具有结构复杂、网格众多、求解速度慢的不足。本专利提供一种通过电磁-热-流场有限元计算方法获得变压器绕组温度分布的新方法，通过分析低压绕组的入口流速将复杂的三维模型简化为二维轴对称模型，大大降低了计算成本，该方法可以快速计算绕组的温度和油流分布，进而指导油浸式变压器绕组结构的优化设计。

58、3、本发明步骤s1中，利用仿真软件研究油浸式变压器需要根据实际变压器各部件尺寸在仿真软件中建立模型，研究油浸式变压器温度场分布需计算出铁心以及绕组损耗。

59、2、本发明步骤s2中，利用有限元仿真软件对模型划分是为了准确计算油浸式变压器流场以及温度场，将步骤s1得到的损耗作为热源施加在有限元仿真软件上的方法为非平均热源法，通过异构网格映射方法将电磁场分析中绕组的损耗作为热源加载到温度场中进行计算，并根据温度对热源进行修正，实现了绕组电磁-流热的耦合计算。相比于传统的平均热源，虽然都能预测到绕组热点温度位置，但非平均热源法误差更小，计算更准确。

60、3、本发明步骤s3中，变压器油的物性参数会由于温度的变化而发生变化，因此需拟合出变压器油密度、导热系数、动力粘度和定压比热容与温度之间的关系式。

61、4、本发明步骤s4中，变压器部件为变压器重要组成部分，应根据实际设置变压器部件参数；由于变压器绕组实际是分匝状态，每一匝的导热系数与比热容相同，本发明采用不分匝状态，因此需计算等效导热系数与等效比热容，经检验，将绕组结构简化后的热点温度位置一致，热点温度相差3.0k，误差仅为0.85％。