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變壓器關鍵點溫度計算方法與流程

文檔序號:11729571閱讀:468來源:國知局
變壓器關鍵點溫度計算方法與流程

本發(fā)明涉及變壓器維護領域,具體而言,涉及一種變壓器關鍵點溫度計算方法。



背景技術:

國外科研人員對于變壓器的熱特性研究較早,早在1977年,捷克的s.v.preimin等人便對給定線餅周圍油平均溫度和平均對流換熱系數的單個線餅進行了溫度場數值計算和模型試驗研究;2001年,英國的swift提出了應用熱電類比理論建立變壓器熱路模型的理念,對以后變壓器熱點溫度的研究有著重要的推動,在此之后,美國的dejansusa等人再次基礎上對熱路模型法做出了進一步的改進,并取得了較為滿意的結果。另外,國外確立的iec、ieee等變壓器負載標準,對之后變壓器熱特性的研究也有著較大的推動作用。

總體來說國外仍然停留在單獨對變壓器熱點溫度的研究層面上,并沒有結合實際環(huán)境及運行條件對變壓器節(jié)能、增容運行進行評估和分析,實際工程應用價值較小。

相比于國外,我國對變壓器熱效應的研究起步較晚,且大多數對變壓器內部溫度的研究都是基于數值計算法,實際應用價值不大。

國內有學者提出了基于底層油溫的三熱路模型法求解熱點溫度。三熱路模型,雖然很好的說明了變壓器內部的熱量傳遞過程,但除了環(huán)境溫度這個因素外,均沒有在模型中表現出變壓器的負載損耗對計算結果的影響,在實際應用中需要不斷驗證和修正熱路模型參數。



技術實現要素:

本發(fā)明提供了一種變壓器關鍵點溫度計算方法,以至少解決相關技術中三熱路模型求解變壓器關鍵點溫度存在的無法表現出變壓器的負載損耗對計算結果的影響,在實際應用中需要不斷驗證和修正熱路模型參數的問題。

根據本發(fā)明的一個方面,提供了一種變壓器關鍵點溫度計算方法,包括:

獲取第一熱路模型參數、設定溫度初始值、實際運行參數、實際環(huán)境參數,其中,所述第一熱路模型參數至少包括:變壓器損耗參數和變壓器熱路參數,所述實際運行參數至少包括:變壓器運行電壓參數、變壓器運行電流參數,所述實際環(huán)境參數至少包括:外界溫度參數;

根據所述實際運行參數修正所述變壓器損耗參數,并根據所述實際環(huán)境參數修正所述變壓器熱路參數,得到第二熱路模型參數;

使用所述第二熱路模型參數和所述設定溫度初始值,利用熱路模型求解底層油溫、熱油區(qū)域溫度和熱點溫度。

可選地,在使用所述第二熱路模型參數和所述設定溫度初始值,利用熱路模型求解底層油溫、熱油區(qū)域溫度和熱點溫度中,

底層油溫熱路模型為:

熱油區(qū)域溫度熱路模型為:

熱點溫度熱路模型為:

其中,θboil為底層油溫;θwo為熱油區(qū)域溫度;θhs為熱點溫度;τboil為底層油溫熱路模型的時間常數;τwo為熱油區(qū)域溫度熱路模型的時間常數;τhs為熱點溫度熱路模型的時間常數;r為額定電流下負載損耗與空載損耗之比;k為負載電流與額定電流之比;pboil,pu為底層油溫熱路模型的單位負載損耗;pwo,pu為熱油區(qū)域溫度熱路模型的單位負載損耗;phs,pu為熱點溫度熱路模型的單位負載損耗;δθboil,r為變壓器額定狀態(tài)下底層的傳熱過程的溫度差;δθwo,r為變壓器額定狀態(tài)下熱油區(qū)域的傳熱過程的溫度差;δθhs,r為變壓器額定狀態(tài)下熱點的傳熱過程的溫度差;θboil為底層油溫;θwo為熱油區(qū)域溫度;θhs為熱點溫度;θamb為環(huán)境溫度;μp為變壓器的實際油粘度與變壓器額定狀態(tài)下油粘度的比值;n、n'和n”均為經驗常數,其中n、n'的值取0.2~0.5,n”的值取0.25~1。

可選地,底層油溫熱路模型的單位負載損耗受溫度的影響:

熱油區(qū)域溫度熱路模型的單位負載損耗受溫度的影響:

熱點溫度熱路模型的單位負載損耗受溫度的影響:

其中,pdc,pu為變壓器額定溫度下繞組的單位直流損耗;pa,pu為變壓器額定溫度下繞組的單位附加損耗;pe,pu為變壓器額定溫度下的單位渦流損耗。θk為負載損耗校正溫度。

可選地,變壓器的實際油粘度與變壓器額定狀態(tài)下油粘度的比值:

其中,θoil為油溫。θoil,r為變壓器額定狀態(tài)下的油溫。

根據本發(fā)明的另一個方面,還提供了一種存儲介質,所述存儲介質包括存儲的程序,其中,在所述程序運行時控制所述存儲介質所在的設備執(zhí)行如下操作:

獲取第一熱路模型參數、設定溫度初始值、實際運行參數、實際環(huán)境參數,其中,所述第一熱路模型參數至少包括:變壓器損耗參數和變壓器熱路參數,所述實際運行參數至少包括:變壓器運行電壓參數、變壓器運行電流參數,所述實際環(huán)境參數至少包括:外界溫度參數;

根據所述實際運行參數修正所述變壓器損耗參數,并根據所述實際環(huán)境參數修正所述變壓器熱路參數,得到第二熱路模型參數;

使用所述第二熱路模型參數和所述設定溫度初始值,利用熱路模型求解底層油溫、熱油區(qū)域溫度和熱點溫度。

通過本發(fā)明,采用獲取第一熱路模型參數、設定溫度初始值、實際運行參數、實際環(huán)境參數,其中,第一熱路模型參數至少包括:變壓器損耗參數和變壓器熱路參數,實際運行參數至少包括:變壓器運行電壓參數、變壓器運行電流參數,實際環(huán)境參數至少包括:外界溫度參數;根據實際運行參數修正變壓器損耗參數,并根據實際環(huán)境參數修正變壓器熱路參數,得到第二熱路模型參數;使用第二熱路模型參數和設定溫度初始值,利用熱路模型求解底層油溫、熱油區(qū)域溫度和熱點溫度的方式,解決了相關技術中三熱路模型求解變壓器關鍵點溫度存在的無法表現出變壓器的負載損耗對計算結果的影響,在實際應用中需要不斷驗證和修正熱路模型參數的問題,提高了溫度計算準確度和經濟效益。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解,構成本申請的一部分,本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明,并不構成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中:

圖1是根據本發(fā)明實施例的rc電路(1-1)與類比的熱路(1-2)的示意圖;

圖2是根據本發(fā)明實施例的底層油溫熱路模型(2-1)、底層油溫和繞組熱油區(qū)域熱路模型(2-2)和熱點和熱油區(qū)域熱路模型(2-3)的示意圖;

圖3是根據本發(fā)明實施例的變壓器關鍵點溫度計算方法的流程圖。

具體實施方式

下文中將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發(fā)明。需要說明的是,在不沖突的情況下,本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

需要說明的是,本發(fā)明的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語“第一”、“第二”等是用于區(qū)別類似的對象,而不必用于描述特定的順序或先后次序。

(1)變壓器內部的熱傳遞過程

鐵芯、繞組及各部分夾件上產生的熱量傳遞到發(fā)熱部件的表面。在這個過程中,由于銅、鐵具有良好的導熱性,故可以認為鐵芯繞組上的溫度可以直接傳導到物體的表面,其熱阻非常小可忽略不計。在鐵芯、繞組及各部分夾件表面和變壓器油之間,熱量以對流和傳導的方式傳遞到變壓器油及油箱壁。又因為熱傳導傳遞的熱量比熱對流傳遞的熱量要小很多,故在這個過程中可以認為熱量以對流的方式傳遞。在油箱壁表面熱量通過熱傳導、熱對流及熱輻射的方式傳遞到外部環(huán)境中。

(2)熱路模型

根據模擬理論,若描述兩個物理現象的數學方程模型相似,并實現邊界條件、幾何條件與物理量相似,則兩者方程的解析解和數值解可以完全通用。這是熱電類比法的基本理論依據。

由于電磁場中有電路和磁路的概念,按照熱電類比的原理,可在熱場中類比出熱路的概念,并且可以把熱場簡化為熱路進行處理,電路與相應的簡化熱路如圖1所示。

通過類比熱路中熱量的流動和電路中電流的流動,可以得到熱路參數與電路參數的類比關系,如表1所示。

表1熱路參數和電路參數類比

根據上述油浸式變壓器內部產熱和傳熱過程分析,可構建基于底層油溫的熱路模型如圖2所示。這樣油浸式電力變壓器的傳熱過程就可用三個相關聯的熱路模型進行描述。這樣就利用基爾霍夫定律求解節(jié)點電壓的方法來求解熱路中的節(jié)點溫度。在圖2中,模型(2-1)的節(jié)點溫度值可視作是模型(2-2)的環(huán)境溫度,模型(2-2)的節(jié)點溫度可以作為模型(2-3)的環(huán)境溫度,通過這種類推關系,就可根據環(huán)境溫度推出油浸式變壓器的熱點溫度。

在圖2中,qfe表示鐵芯損耗(即空載損耗)產熱(w);ql1表示繞組損耗(即短路損耗)產熱(w);ql2表示繞組損耗(即短路損耗)產熱(w);ql3表示熱點區(qū)域產熱(w);cth-oil表示絕緣油的熱容(j/k);cth-wnd表示繞組的熱容(j/k);cth-hs表示熱點區(qū)域熱容(j/k);rth-boil-air表示底層油到空氣的熱阻(k/w);rth-wnd-boil表示繞組到底層油的熱阻(k/w);rth-hs-wo表示熱點到熱點區(qū)域的熱阻(k/w);θamb為環(huán)境溫度(℃);θboil為底層油溫(℃);θwo為熱點區(qū)域溫度(℃);θhs為熱點溫度(℃);t為時間(s)。

根據圖2及類比的電壓-電流定律,可得基于底層油溫的變壓器熱路模型的動態(tài)方程為:

i)底層油溫熱路模型

ii)底層油溫和繞組熱油區(qū)域熱路模型

iii)熱點和熱油區(qū)域熱路模型

(3)熱點溫度動態(tài)模型的計算模型推導

i)換熱系數的計算

基于底層油溫的三層熱路模型中換熱過程主要以變壓器油的對流方式進行,根據傳熱學原理可對對流換熱的熱阻定義為

式(4)中:hc為換熱系數;a為換熱面積。

因為從環(huán)境溫度到底層油溫、從底層油溫到熱油區(qū)油溫和從熱油區(qū)油溫到熱點溫度之間的傳熱過程中導熱和輻射散熱量要比對流換熱量小得多。故可認為變壓器內部傳熱主要以對流傳熱為主。根據傳熱學理論,在垂直、傾斜和水平盤狀物及桶狀物中自然對流的油流有如式(5)所示經驗公式。

式(5)中,nu為努賽爾系數;gr為格拉曉夫系數;pr為普特朗系數;c和n為工質流態(tài)(層流或湍流)來確定的經驗常數,如表2所示。

表2c和n的經驗常數表

根據傳熱學理論,nu、gr、pr的定義式如式(6)至(8)所示。

式中l(wèi)為傳熱面特征尺寸(m);g為重力常數(m/s2);λ為油導熱率ρ為油密度(kg/m3);β為油的膨脹系數(1/k);cx為熱容(j/k);μ為油粘度(m2/s);δθx為傳熱過程的溫度差(℃)。

將式(6)至(8)代入式(5)可得:

當油溫度變化較大時,油粘度隨溫度的變化較其他物理參數會高得多。因此油粘度隨溫度的變化不能忽略,而其它參數可近似看作常數,則可將換熱系數的計算公式簡化為式(10)。

式中,為常系數,且由式(9)(10)可知:

ii)熱阻計算

將式(9)代入式(4)可得

若已知傳熱溫差δθx和熱流密度qx,則對流換熱的熱阻定義式還可變?yōu)槭?13)。

考慮到溫度變化對變壓器油粘度的影響,可將油粘度μ定義為額定負荷下的油粘度μr乘以比例μp的值。

μ=μpμr(15)

由式(14)(15)可推出μp的計算公式如式(16)所示。

上式中θoil為油溫。θoil,r為變壓器額定狀態(tài)下的油溫。

因此,可將(15)代入式(12)中,得:

額定負荷下的熱阻可定義為:

對式(17)和式(18)進行整合,可導出任意負荷熱阻與額定負荷熱阻的關系式(19)。

iii)熱容與時間常數

根據熱電容的定義

cth=cρv=cm(20)

式中c和ρ分別為對應繞組、鐵芯、絕緣油、冷扎制鋼油箱壁的比熱容和質量,v和m分別對應相應介質的體積和質量。

時間常數的計算公式τx的計算公式為

τx=rx,rcx(21)

iv)熱路模型計算方程

由上可知,式(1)至(3)所示的三個溫度熱路模型可用一個通式表示:

將式(19)和式(21)代入式(22)可得:

定義r為額定電流下負載損耗與空載損耗之比:

定義負載系數k為負載電流與額定電流之比:

考慮變壓器負載損耗受到內部溫度變化的影響,單位負載損耗的表達式分別如式(26)(27)(28)所示。

在式中,pboil,pu(θboil)、phs,pu(θhs)、pwo,pu(θwo)分別表示單位負載損耗受溫度的影響。pdc,pu為額定溫度下變壓器繞組的單位直流損耗;pa,pu為額定溫度下變壓器繞組的單位附加損耗(即渦流損耗和雜散損耗之和);pe,pu為額定溫度下變壓器的單位渦流損耗。θk為負載損耗校正溫度(用銅材時取235,用鋁材時取225)。

針對基于底層油溫的三層熱路模型,三種損耗產熱與額定損耗產熱流之比分別如下:

通過上述推導,變壓器熱路計算模型可由式(1)至(3)得到如式(32)至(34)所示計算模型。

在上述變壓器繞組熱路可計算模型中,時間常數和額定負荷的溫差值可根據變壓器試驗測試數據計算獲得;隨溫度變化的μp和px,pu則應根據溫度實時計算;k值根據負載電流換算獲得。

v)主變關鍵點溫度計算流程

圖3是根據本發(fā)明實施例的變壓器關鍵點溫度計算方法的流程圖,如圖3所示,輸入實際中的運行參數和環(huán)境參數,計算各個位置的溫度,得到底層油溫、熱油區(qū)域溫度和熱點溫度。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已,并不用于限制本發(fā)明,對于本領域的技術人員來說,本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內,所作的任何修改、等同替換、改進等,均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。

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