本发明涉及一种低温条件下变压器绕组热点温度预测方法。
背景技术：
根据相关气象统计资料，我国的东北和内蒙古东部地区是极端低温事件的频发区，在户外的电力变压器会受到低的环境温度的考验。温度降低导致油的物理特性改变，会对变压器内部的散热产生较大的负面影响。在低温下，变压器的散热性能与常规条件下不尽相同，针对低温条件下变压器的内部温度的研究具有重要意义。
目前变压器热点温度的研究主要是间接测量法，其中热路模型法不但所需参数较少、计算实时性好，且计算准确度满足工程精度要求。G Swift利用热点类比法将变压器内部传热过程等效为集总参数电路模型，首次对集总热容和非线性热阻进行定义。D Susa等在此基础上考虑油粘度和损耗随温度的变化，分析了变压器热阻热容的物理意义。Tang等人对变压器绕组、铁心、油和油箱4部分进行建模，运用热电类比法建立了具有物理意义的电力变压器等效热路模型。国内的江淘莎，滕黎，张爱兰，陈曦等人也对变压器的热路模型进行了改进和分析。
现有技术CN 103324215A所采用的三热路模型如图1所示，其中，qfe和qcu分别表示变压器空载损耗及负载损耗，在热路模型中共同作为热源；Coil表示传热物质的热容；Roil表示传热物质热阻；θamb为环境温度；θmoil为平均油温；θhoil为顶层油温。热阻Rmoil为(额定平均温升)/(qcu+qfe)，热阻Rhoil-moil为(额定顶油温升-额定平均油温升)/(qcu+qfe)，热阻Rhs-oil为(额定热点温升-额定顶油温升)/qcu，利用该模型，首先基于环境温度计算出平均油温θmoil，而后再将计算得来的平均油温作为上一层模型的参考温度，计算出上一层模型中的顶层油温，最后进一步计算热点温度值。
该三热路模型虽然很好的说明了变压器内部的热量传递过程，但除了环境温度这个因素外，没有在模型中表现出变压器中热量与自然界中其他因素的热交换过程，例如变压器箱体的自然对流散热、自然风造成的强制对流散热以及日照辐射引起的温度升高等情况。所以有必要在以上热路模型的基础上，进行一定的改进与优化，使之更能反映出真实的传热过程。
技术实现要素：
为克服现有热路模型的不足，本发明的目的在于提供一种考虑低温条件下变压器特殊的散热条件，容易实施且计算准确的低温条件下变压器绕组热点温度的预测方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种低温条件下变压器绕组热点温度预测方法，包括以下步骤：
a、首先测定及计算变压器油的密度、粘度、热导率、比热容随温度的变化规律，然后测量及计算变压器的平均油温、变压器油的热阻、变压器箱体的传导热阻、变压器箱体的表面对流散热热阻以及变压器散热片的散热热阻，从而建立改进后的三热路模型；
b、根据不同油流冷却方式对改进后的三热路模型进行修正；
c、将测温传感器检测的变压器油的温升值与通过修正后的三热路模型计算出的温度值进行比对，修正得到接近实际的变压器热路模型；
d、基于环境温度，通过接近实际的变压器热路模型计算出变压器的平均油温，然后将变压器的平均油温作为改进后的三热路模型中层油温的参考温度，计算出该模型中的顶层油温，最后计算变压器绕组的热点温度值。
本发明进一步的改进在于，步骤b中修正的具体过程如下：对于ON冷却方式的变压器，绕组顶部油温等于油箱中顶层油温；对于OF冷却方式的变压器以及OD冷却方式的变压器，变压器绕组顶部的油温等于底部油温加上该绕组内部的平均油温与底部油温之间差值的二倍。
本发明进一步的改进在于，步骤d中计算变压器的平均油温以及该模型中的顶层油温时，均增加了由日照引起的热源qsun＝AαPsun，A为变压器箱体受到辐射的面积，单位为m2；α为变压器箱体表面材料的辐射吸收率。
本发明进一步的改进在于，测量及计算变压器油的热阻的过程如下：测得油的热导率k、油密度ρ、油的比热容cp、油粘度u后，通过式(1)-(4)中，计算出该温度下，变压器油的热阻Rth-oil；
其中，A为变压器箱体受到辐射的面积、h为传热系数、Nu为计算传热系数h所需要的努赛尔数，Pr为普朗特数，Gr为格拉肖夫数；L为特征尺寸、g为万有引力系数、k为油的热导率、ρ为油密度、β为油热膨胀系、cp为油的比热容、u为油粘度、Δθoil为油对环境温度梯度。
本发明进一步的改进在于，步骤c中修正方法为：由于变压器在进行出厂试验时并没有受到外界风速的影响，所以利用修正后的三热路模型计算出的温度值计算出理想条件下变压器片式散热器的散热热阻，然后再与通过测温传感器检测的变压器油的温升值计算得到的片式散热器强迫对流散热热阻相叠加，求得总的散热热阻，从而得到接近实际的变压器热路模型。
本发明进一步的改进在于，所述测温传感器采用测温电缆。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明基于变压器的平均油温建立热路模型，在计算热点温度时不考虑空载损耗这部分发热所引发的热效应，在变压器油循环过程中，铁芯周围的散热油道并不与绕组周围的散热油道直接相连。铁芯发热所产生的热量对顶油温升会产生直接的影响，而对绕组热点温升则不会产生直接影响，绕组导线中的直流电阻损耗和涡流损耗产生的热量才是造成绕组热点温升的主要因素。因此，在计算热点温度时不考虑空载损耗这部分发热所引发的热效应。用实验测量的方式得到低温对变压器油密度、粘度、比热容、热导率的影响，计算特定温度下变压器油的热阻，提高了变压器绕组热点温度的预测精度。
2、本发明弥补了在低温条件下常规热路模型计算不精确的不足，并且本发明设计简单、容易实施，易于推广实施，为低温条件下变压器抗短路能力校核提供依据，从而提高变压器运行的安全及稳定性，具有较好的经济效益。
进一步的，本发明考虑了太阳辐射对变压器热点温度的影响，在每层热路模型的计算中都加入了太阳辐射的热源，使得低温条件下变压器绕组热点温度预测更加精确。
附图说明
图1为现有技术中三热路模型的原理图。
图2为实验测得变压器油热导率随温度的变化规律。
图3为实验测得变压器油粘度随温度的变化规律。
图4为实验测得变压器油密度随温度的变化规律。
图5为实验测得变压器油比热容随温度的变化规律。
图6为改进后的三热路模型原理图。
图7为单个热路模型计算方法示意图。
图8为本模型(基于平均油温)与现有技术模型(基于底层油温)的实验对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
参见图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8，一种低温条件(-20℃到0℃)下变压器绕组热点温度预测方法，包括以下步骤：
a、由于热路模型中油的非线性热阻与变压器油的密度、粘度、热导率、比热容相关，所以测定及计算变压器油的密度、粘度、热导率、比热容随温度的变化规律，利用该规律计算变压器油的热阻。本发明考虑低温对变压器油密度、粘度、比热容、热导率的影响。变压器油的密度、粘度、比热容、热导率随温度变化较大，在计算变压器油的热阻时必须考虑这部分影响。温度对变压器油密度、粘度、比热容、热导率的影响如图2～图5所示。
b、测量及计算变压器的平均油温、变压器油的热阻，变压器箱体的传导热阻、变压器箱体的表面对流散热热阻、变压器散热片的散热热阻，从而建立改进后的三热路模型，参见图6。
本发明考虑太阳辐射对变压器热点温度的影响。为记及室外变压器在实际运行情况下受到的来自太阳辐射的影响，可以将太阳辐射带来的热量qsun作为一个热源(电流源)加设到热路模型中(如图6所示)。在计算平均油温和顶油温度的两层模型中，均增加了由日照引起的热源。图中：热源qsun＝AαPsun，A为变压器箱体受到辐射的面积，单位为m2；α为变压器箱体表面材料的辐射吸收率，决定于材料性质、颜色以及表面粗糙度等；Psun为太阳到达地球表面单位面积上的辐射功率。
其中，根据传热学理论，变压器油的非线性热阻Rth-oil由以下公式得出
其中，A为变压器箱体受到辐射的面积、h为传热系数、Nu为计算传热系数h所需要的努赛尔数、Pr为普朗特数、Gr为格拉肖夫数、L为特征尺寸(物体长度、宽度或直径等)、g为万有引力系数、k为油的热导率、ρ为油密度、β为油热膨胀系、cp为油的比热容、u为油粘度、Δθoil为油对环境温度梯度。
测得油的热导率k、油密度ρ、油的比热容cp、油粘度u后，带入到式(1)-(4)中，可以计算出该温度下，变压器油的热阻。
本发明三热路模型的每层油温的具体计算方法，以一层热路模型为例进行说明，如图7所示。
图7中q为变压器内部热源，一般理解为变压器负载损耗和空载损耗总和，电压源θ表示导致热量转移的温度，热电阻Rth(即非线性热阻)以及热电容Cth均为集总参数。根据热电类比法，热电阻Rth常定义为：
而热电容Cth则定义为：
Cth＝cm (6)
其中，c为物质比热容，m为物质质量。
将式(5)、式(6)式带入式(7)中，即可得到节点温度θ'，节点温度即上一层油温；
本发明改进后的三热路模型中热阻具体如下：
其中Rmoil为底层模型的热阻，Δθamb为环境温升值，qcu、qfe、q'sun分别为变压器空载损耗及负载损耗以及太阳辐射热源。
其中Rwd-moil为绕组-油温热路的热阻，θwd为绕组温度，θmoil为平均油温。
其中Rhoil-moil为中层热路模型的热阻，θhoil为顶层油温。
其中θhs为顶层热路模型的绕组热点温度。
c、根据不同油流冷却方式对改进后的三热路模型进行修正；
考虑到油浸式变压器不同油流方式的适用性。油浸式电力变压器内部油流循环方式通常分为如下三种：
油浸式电力变压器油流循环方式
不同的油流冷却方式对绕组温升的影响如下：
1)ON冷却方式的变压器：由于油的循环是由温差驱动，各绕组油道之间的差异不明显，因而可认为绕组顶部油温等于油箱中顶层油温。
2)OF冷却方式的变压器：由于油的循环是由泵驱动，变压器油循环速度加快了，有部分油流经绕组和箱壁间空隙未经加热而流到顶部与经绕组加热而流到顶部的油流混合，因而绕组顶部油温度也不同于油箱中顶层油温度，且差别较大。
3)OD冷却方式的变压器：油的循环是由泵驱动，与温度无关，油流为强迫导向循环。并且有部分油流未经绕组加热而流到顶部，因而绕组顶部油温度不同于油箱中顶层油温度。IEC 60354：1991《油浸式电力变压器负载导则》中指出，对于OF和OD冷却方式，变压器绕组顶部的油温等于底部油温加上该绕组内部的平均油温与底部油温之间差值的二倍。
变压器冷却方式(包括ONAN油浸自冷、ONAF油浸风冷)的不同，热阻的求取也略微不同。在ONAN冷却方式下，片式散热器表面对流散热热阻RAN为：
其中，W为片式散热器宽度，H为片式散热器高度，h为散热系数。
ONAF冷却方式片式散热器表面对流散热的热阻RAF为：
其中，nF为风扇对应面积下的片式散热器数目，nN为未受风扇作用的片式散热器数目。
d、将测温传感器(即测温电缆)检测的变压器油的温升值与通过步骤c修正后的三热路模型计算出的温度值进行比对，由于变压器在进行出厂试验时并没有受到外界风速的影响，所以利用修正后的三热路模型计算出的温度值计算出理想条件(即自然对流)下变压器片式散热器的散热热阻，然后再与通过测温传感器检测的变压器油的温升值计算得到的片式散热器强迫对流散热热阻相叠加，求得总的散热热阻，从而得到接近实际的变压器热路模型。不断修正得到接近实际的变压器热路模型；
e、基于环境温度，通过接近实际的变压器热路模型计算出平均油温θmoil，将计算得来的平均油温θmoil作为改进后的三热路模型中层的参考温度，计算出该模型中的顶层油温，最后由GB/T 1094.7—2008油浸式电力变压器负载导则中给出的油浸式变压器绕组内部温度分布的数学模型对变压器内部热点温度进行推算，得到变压器绕组的热点温度值；
本发明在计算热点温度时不考虑空载损耗这部分发热所引发的热效应，在变压器油循环过程中，铁芯周围的散热油道并不与绕组周围的散热油道直接相连。铁芯发热所产生的热量对顶油温升会产生直接的影响，而对绕组热点温升则不会产生直接影响，绕组导线中的直流电阻损耗和涡流损耗产生的热量才是造成绕组热点温升的主要因素。因此，在计算热点温度时不考虑空载损耗这部分发热所引发的热效应。
将本发明中模型(基于平均油温)与现有技术模型(基于底层油温)进行了实验对比，从图8可以看出，实测顶油温升有一些较大的波动，为此，增加了平均油温升和底油温升的对比。从图中可以看出，相较于底油热路模型，基于平均油温模型的温度变化规律更接近于试验实测数据，这说明使用基于平均油温度的热路模型的计算精度要高于底油温度模型。