一种基于箱壁温度的油浸式变压器热点温度简化计算方法与流程

本发明涉及油浸式变压器运行过程的温度检测技术，具体涉及一种基于箱壁温度的油浸式变压器热点温度简化计算方法。
背景技术：
：绕组热点温度是油浸式变压器运行过程中可能达到的最高温度，其大小直接决定变压器的过负荷能力和使用寿命，因此准确预测绕组热点温度值是油浸式变压器状态监测的重要课题。但变压器内部热过程复杂，热点温度的大小及产生位置难以预测，如何准确计算热点温度仍是国内外研究的热点。目前热点温度计算方法主要包括ieee导则法、有限元软件计算法、热电类比法等。其中导则法应用最广泛，计算简便，但该法假设变压器内部温升呈线性，与实际存在偏差；有限元法精度高，但计算复杂，花费时间长，边界条件确定困难，条件的微小变化会导致结果的大幅改变，通用性差；热电类比法建立热路模型求解热点温度，准确度高，物理意义明确，能够较真实地模拟变压器内部的非线性，是热点温度求解的重要研究方向。目前较为成熟的热路模型均需建立微分方程组进行求解，每个微分方程组包含2～3个微分方程不等，迭代过程复杂，易产生累积误差，因此如何在保证热点温度计算准确度的同时降低其计算难度仍有待进一步探索，已经成为一项亟待解决的关键技术问题。目前已有学者建立了基于箱壁温度的热路模型，由于该模型先通过箱壁温度求取顶层油温，再由顶层油温求取热点温度，故可称作箱壁-顶油-热点模型，该模型如图1所示。图1中，各参量含义如下：q1和q2分别为顶油-热点模型和箱壁-顶油模型中的热源，θhs为热点温度，θoil为顶层油温，θtank为箱壁温度，rhs-oil和roil-tank分别为顶油-热点非线性热阻和箱壁-顶油非线性热阻，chs和coil分别为绕组热容和油热容。由图1可知，箱壁-顶油-热点模型包含两个热路模型，根据模型可列出式(1)所示方程组：式(1)中，τoil为油时间常数，τw为绕组时间常数，二者均为热阻与热容的乘积；k为负载率；β为变压器短路损耗与空载损耗的比值；△θoil·r为额定条件下顶层油温与箱壁温度梯度；△θhs·r为额定情况下热点温度与顶层油温梯度；n为经验常数，与冷却方式和油流循环方式有关，针对onan冷却方式的油浸式变压器通常取0.25；其余参量含义详见图1。求解方程组(1)共需进行两次微分方程的求解，且第一个方程解得的顶层油温值将作为求解条件代入第二个方程，计算过程复杂，易产生累积误差。技术实现要素：本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种通过建立直接由箱壁温度求取热点温度的热路模型实现基于箱壁温度的油浸式变压器热点温度简化计算，能够在保证计算准确度的同时降低热点温度计算难度、避免微分方程组的迭代求解、减小累积误差的基于箱壁温度的油浸式变压器热点温度简化计算方法。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于箱壁温度的油浸式变压器热点温度简化计算方法，实施步骤包括：1)输入目标油浸式变压器当前的负载率k、负载率k下的环境温度θa及箱壁温度θtank，并确定目标油浸式变压器所采用的绝缘油类型；2)根据所采用的绝缘油类型确定绝缘油参数m的值；3)求解式(2)所示简化箱壁-热点热回路模型的热点温度求解方程，得到负载率k下的热点温度预测值θhs；式(2)中，k表示目标油浸式变压器当前的负载率，β表示变压器短路损耗与空载损耗的比值，△θhs-tank·r为额定条件下变压器绕组的热点温度与箱壁温度梯度，m表示绝缘油参数，θ,θr均为温度中间参量，v表示绝缘油的粘度指数，τw表示变压器绕组的时间常数，△θhs-tank表示变压器绕组的热点与箱壁的温差，t表示时间；θhs表示变压器绕组的热点温度预测值，θa表示环境温度；θhs.r表示额定条件下变压器绕组的热点温度值，θa.r表示额定条件下的环境温度。优选地，步骤2)中根据所采用的绝缘油类型确定绝缘油参数m的值时，如果所采用的绝缘油类型为植物油，则绝缘油参数m的值为4030.5；如果所采用的绝缘油类型为矿物油，则绝缘油参数m的值为2797.3。本发明基于箱壁温度的油浸式变压器热点温度简化计算方法具有下述优点：1、本发明的油浸式变压器热点温度简化计算方法输入目标油浸式变压器当前的负载率k、负载率k下的环境温度θa及箱壁温度θtank，并确定目标油浸式变压器所采用的绝缘油类型，根据所采用的绝缘油类型确定绝缘油参数m的值，求解基于箱壁温度θtank的简化箱壁-热点热回路模型，得到负载率k下的热点温度预测值θhs，通过建立直接由箱壁温度求取热点温度的热路模型实现基于箱壁温度的油浸式变压器热点温度简化计算，能够在保证计算准确度的同时降低热点温度计算难度、避免微分方程组的迭代求解、减小累积误差。2、本发明的油浸式变压器热点温度简化计算方法根据所采用的绝缘油类型确定绝缘油参数m的值，能够适用于采用植物绝缘油和矿物绝缘油的油浸式变压器。附图说明图1为现有技术的箱壁-顶油-热点模型示意图。图2为本发明实施例方法的基本流程示意图。图3为本发明实施例中变压器内部沿水平方向的温度分布示意图。图4为本发明实施例中的简化箱壁-热点热回路模型。图5为本发明实施例中的热点温度变化情况对比(k＝0.8)示意图。图6为本发明实施例中的热点温度变化情况对比(k＝1.1)示意图。图7为本发明实施例中的热点温度变化情况对比(变负载)示意图。具体实施方式如图2所示，本实施例的油浸式变压器热点温度简化计算方法的实施步骤包括：1)输入目标油浸式变压器当前的负载率k、负载率k下的环境温度θa及箱壁温度θtank，并确定目标油浸式变压器所采用的绝缘油类型；2)根据所采用的绝缘油类型确定绝缘油参数m的值；3)求解式(2)所示简化箱壁-热点热回路模型的热点温度求解方程，得到负载率k下的热点温度预测值θhs；式(2)中，k表示目标油浸式变压器当前的负载率，β表示变压器短路损耗与空载损耗的比值，△θhs-tank·r为额定条件下变压器绕组的热点温度与箱壁温度梯度，m表示绝缘油参数，θ,θr均为温度中间参量，v表示绝缘油的粘度指数，τw表示变压器绕组的时间常数，△θhs-tank表示变压器绕组的热点与箱壁的温差，t表示时间；θhs表示变压器绕组的热点温度预测值，θa表示环境温度；θhs.r表示额定条件下变压器绕组的热点温度值，θa.r表示额定条件下的环境温度。本实施例中，步骤2)中根据所采用的绝缘油类型确定绝缘油参数m的值时，如果所采用的绝缘油类型为植物油，则绝缘油参数m的值为4030.5；如果所采用的绝缘油类型为矿物油，则绝缘油参数m的值为2797.3。本实施例中简化箱壁-热点热回路模型的热点温度求解方程的推导过程如下：首先定义变压器绕组热点区域对箱壁的非线性热阻rhs-tank，以表征变压器绕组热点区域到箱壁的传热过程，再据此建立直接由箱壁温度求解热点温度的热路模型。油浸式变压器内部热传递过程为：绕组和铁心发热，通过传导和对流方式传递热量至绝缘油，绝缘油再将热量传递到箱壁，最后散失到空气中。图3所示为变压器内部沿水平方向的温度分布。参见图3，将变压器内部水平方向的温度分布按区域进行划分，图中各点含义如下：a1为绕组热点温度，a2为绕组表面温度，a3为靠近绕组区域的变压器油温度，a4为靠近箱壁区域的变压器油温度，a5为油箱壁内表面温度，a6为油箱壁外表面温度，a7为环境温度。a1～a2代表绕组和铁心内部至表面的热传导；a2～a3代表绕组和铁心与绝缘油之间的热对流，其温差约为绕组对环境温升的20％～30％；a4～a5代表变压器油与油箱内壁之间的热对流；a5～a6代表油箱内壁与油箱外壁之间的热传导；a6～a7代表油箱外壁与环境之间的热对流和热辐射，这部分温差最大，高达绕组热点对环境温升的60％～70％。综上所述，a1～a6表示热点至箱壁的温差，a1～a7表示热点至环境的温差，热点至箱壁的温差约占热点至环境温差的35％。基于上述分析，绕组热点至环境温度的传热过程可由式(3)描述：式(3)中，△θhs-a表示热点与环境温差，μ表示绝缘油粘度，v表示绝缘油的粘度指数，qfe+cu表示变压器总损耗，参量c”由参量c'和参量a决定，a表示热传递表面积，参量c'的函数表达式如式(4)所示；式(4)中，c为常数，k为绝缘油热导率，l为油对流散热面的特性尺度，co为绝缘油比热容，ρ为绝缘油密度，g为变压器所在地的重力加速度，β'为绝缘油热膨胀系数。由于绝缘油的比热容、热导率、热膨胀系数等参数相对于粘度参数变化十分缓慢，可近似看作常数，因此参量c'和c”亦可看作常数。由上述分析，绕组热点至箱壁的传热过程可描述如式(5)所示；△θhs-tank＝35％×△θhs-a＝0.35c”·μv·qfe+cu(5)式(5)中，△θhs-tank为热点与箱壁的温差，△θhs-a表示热点与环境的温差，参量c”为常数，μ表示绝缘油粘度，v表示绝缘油的粘度指数，qfe+cu表示变压器总损耗。在式(5)的基础上，可推导得出变压器绕组热点区域对箱壁的非线性热阻rhs-tank可描述如式(6)所示；式(6)中，rhs-tank表示变压器绕组热点区域对箱壁的非线性热阻，△θhs-tank为热点与箱壁的温差，qfe+cu表示变压器总损耗，参量c”为常数，μ表示绝缘油粘度，v表示绝缘油的粘度指数。式(5)所示变压器绕组热点区域对箱壁的非线性热阻rhs-tank的函数表达式中，绝缘油粘度μ受到绝缘液体种类和温度的共同影响。对植物油而言绝缘油粘度μ如式(7)所示，对矿物油而言绝缘油粘度μ如式(8)所示。式(7)和式(8)中，μ表示绝缘油粘度，θ表示计算油粘度时的温度，计算油粘度时的温度θ的函数表达式如式(9)所示；式(9)中，θ表示计算油粘度时的温度，θhs表示变压器绕组的热点温度预测值，θa表示环境温度。基于箱壁温度的简化热路模型直接由箱壁温度求取热点温度，称为简化箱壁-热点热回路模型，如图4所示。该简化箱壁-热点热回路模型包括相互并联的三条支路，第一条支路上串联有变压器总损耗qfe+cu(即热源)，第二条支路上串联有绕组热容chs，第三条支路上串联有变压器绕组热点区域对箱壁的非线性热阻rhs-tank和箱壁温度θtank，其中三条支路的正极并联点的值为变压器绕组的热点温度预测值θhs。图4所示简化箱壁-热点热回路模型的热回路方程如式(10)所示；式(10)中，qfe+cu表示变压器总损耗，chs表示绕组热容，θhs表示热点温度，θtank表示箱壁温度，rhs-tank为变压器绕组热点区域对箱壁的非线性热阻。参见式(10)的简化箱壁-热点热回路模型的热回路方程可知，求解简化箱壁-热点热回路模型只需求解一个微分方程，降低了计算难度，避免了累积误差的产生。由式(6)所示变压器绕组热点区域对箱壁的非线性热阻rhs-tank可得到式(11)；式(11)中，rhs-tank表示变压器绕组热点区域对箱壁的非线性热阻，rhs-tank·r表示额定条件下箱壁-热点非线性热阻，μ表示绝缘油粘度，v表示绝缘油的粘度指数，μr为额定条件下绝缘油粘度。对式(11)进行简化，可得到简化箱壁-热点热回路模型的热点温度求解方程如式(12)所示；式(12)中，k表示目标油浸式变压器当前的负载率，β表示变压器短路损耗与空载损耗的比值，△θhs-tank·r为额定条件下变压器绕组的热点温度与箱壁温度梯度，μ表示绝缘油粘度，v表示绝缘油的粘度指数，μr为额定条件下绝缘油粘度，τw表示变压器绕组的时间常数，θhs表示变压器绕组的热点温度预测值，△θhs-tank表示变压器绕组的热点与箱壁的温差，t表示时间。结合不同绝缘油粘度μ的计算通式[式(7)～式(8)]，可设置绝缘油参数表以确定绝缘油参数m：如果所采用的绝缘油类型为植物油，则绝缘油参数m的值为4030.5；如果所采用的绝缘油类型为矿物油，则绝缘油参数m的值为2797.3。同时，将式(12)所示简化箱壁-热点热回路模型的热点温度求解方程和式(7)～式(8)结合，即可推导得到式(2)所示简化箱壁-热点热回路模型的热点温度求解方程。式(2)中：β、△θhs-tank·r、θhs·r、θa·r、τw均为已知值。输入实时负载率k、实时环境温度θa及实时箱壁温度θtank，通过式(2)所示简化箱壁-热点热回路模型的热点温度求解方程，可求取该负载率下的热点温度预测值θhs。本实施例中，求解式(2)所示简化箱壁-热点热回路模型的热点温度求解方程，得到负载率k下的热点温度预测值θhs是基于matlab软件平台实现的，输入初始值以及式(2)所示简化箱壁-热点热回路模型的热点温度求解方程后直接求解即可。为了对本实施例的油浸式变压器热点温度简化计算方法进行进一步验证，下文分别在欠负载、过负载、变负载3种负载调节下，针对本实施例方法提出的简化箱壁-热点热回路模型(简称箱壁-热点模型)、图1所示现有技术的箱壁-顶油-热点模型、gb1094.7-2008导则模型(简称导则模型)进行仿真。(1)欠负载情况。当变压器在额定负载下运行达到稳定状态时，将目标油浸式变压器当前的负载率k降至0.8，得到不同模型中热点温度变化情况如图5所示。如图5所示，在负载率改变的初始阶段，降温速率较快，约50％的降温幅度发生在前50min，其后降温趋于平缓。3种模型的计算结果较接近，相差在2℃以内。本实施例方法提出的简化箱壁-热点热回路模型(简称“箱壁-热点模型”)与图1所示现有技术的箱壁-顶油-热点模型误差分布范围大体相同，准确度相当。(2)过负载情况当变压器在额定负载下运行达到稳定状态时，将目标油浸式变压器当前的负载率k升至1.1，得到不同模型中热点温度变化情况如图6所示。由图6可得：负载率改变的初始阶段，热点温度上升速率较快，约50％的升温幅度发生在前50min，其后温升趋于平缓。本实施例方法提出的简化箱壁-热点热回路模型(简称“箱壁-热点模型”)与图1所示现有技术的箱壁-顶油-热点模型的计算结果基本相近，二者较导则模型计算结果约低2℃，误差分布范围大体相同，准确度相当。(3)变负载情况为确保不同负载率下热点温度均能达到稳态，将各阶段仿真时长均设为360min(6h)，施加变负载情况如表1所示，热点温度变化情况如图7所示。表1：变负载阶段施加负载情况表。时间/h负载率k0～61.36～120.812～181.118～241.0如图7所示，在负载率频繁改变时，本实施例方法提出的简化箱壁-热点热回路模型(简称“箱壁-热点模型”)与图1所示现有技术的箱壁-顶油-热点模型的热点温度变化曲线更平滑，动态响应性能优于导则模型；且两种热路模型计算结果接近，相差在2℃以内，误差分布范围基本一致，准确度与动态响应性能相当。综上所述，根据仿真验证可知，本实施例方法提出的简化箱壁-热点热回路模型(简称“箱壁-热点模型”)与图1所示现有技术的箱壁-顶油-热点模型在欠负载、过负载和变负载情况下与箱壁-顶油-热点模型的计算结果误差小于2％，动态响应性能相当。本实施例提出的简化箱壁-热点热回路模型无需求解微分方程组，计算简单，且与箱壁-顶油-热点模型准确度相当，动态响应性能良好。以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12