变压器关键点温度计算方法与流程

本发明涉及变压器维护领域，具体而言，涉及一种变压器关键点温度计算方法。

背景技术：

国外科研人员对于变压器的热特性研究较早，早在1977年，捷克的s.v.preimin等人便对给定线饼周围油平均温度和平均对流换热系数的单个线饼进行了温度场数值计算和模型试验研究；2001年，英国的swift提出了应用热电类比理论建立变压器热路模型的理念，对以后变压器热点温度的研究有着重要的推动，在此之后，美国的dejansusa等人再次基础上对热路模型法做出了进一步的改进，并取得了较为满意的结果。另外，国外确立的iec、ieee等变压器负载标准，对之后变压器热特性的研究也有着较大的推动作用。

总体来说国外仍然停留在单独对变压器热点温度的研究层面上，并没有结合实际环境及运行条件对变压器节能、增容运行进行评估和分析，实际工程应用价值较小。

相比于国外，我国对变压器热效应的研究起步较晚，且大多数对变压器内部温度的研究都是基于数值计算法，实际应用价值不大。

国内有学者提出了基于底层油温的三热路模型法求解热点温度。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，均没有在模型中表现出变压器的负载损耗对计算结果的影响，在实际应用中需要不断验证和修正热路模型参数。

技术实现要素：

本发明提供了一种变压器关键点温度计算方法，以至少解决相关技术中三热路模型求解变压器关键点温度存在的无法表现出变压器的负载损耗对计算结果的影响，在实际应用中需要不断验证和修正热路模型参数的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种变压器关键点温度计算方法，包括：

获取第一热路模型参数、设定温度初始值、实际运行参数、实际环境参数，其中，所述第一热路模型参数至少包括：变压器损耗参数和变压器热路参数，所述实际运行参数至少包括：变压器运行电压参数、变压器运行电流参数，所述实际环境参数至少包括：外界温度参数；

根据所述实际运行参数修正所述变压器损耗参数，并根据所述实际环境参数修正所述变压器热路参数，得到第二热路模型参数；

使用所述第二热路模型参数和所述设定温度初始值，利用热路模型求解底层油温、热油区域温度和热点温度。

可选地，在使用所述第二热路模型参数和所述设定温度初始值，利用热路模型求解底层油温、热油区域温度和热点温度中，

底层油温热路模型为：

热油区域温度热路模型为：

热点温度热路模型为：

其中，θboil为底层油温；θwo为热油区域温度；θhs为热点温度；τboil为底层油温热路模型的时间常数；τwo为热油区域温度热路模型的时间常数；τhs为热点温度热路模型的时间常数；r为额定电流下负载损耗与空载损耗之比；k为负载电流与额定电流之比；pboil,pu为底层油温热路模型的单位负载损耗；pwo,pu为热油区域温度热路模型的单位负载损耗；phs,pu为热点温度热路模型的单位负载损耗；δθboil,r为变压器额定状态下底层的传热过程的温度差；δθwo,r为变压器额定状态下热油区域的传热过程的温度差；δθhs,r为变压器额定状态下热点的传热过程的温度差；θboil为底层油温；θwo为热油区域温度；θhs为热点温度；θamb为环境温度；μp为变压器的实际油粘度与变压器额定状态下油粘度的比值；n、n'和n”均为经验常数，其中n、n'的值取0.2～0.5，n”的值取0.25～1。

可选地，底层油温热路模型的单位负载损耗受温度的影响：

热油区域温度热路模型的单位负载损耗受温度的影响：

热点温度热路模型的单位负载损耗受温度的影响：

其中，pdc,pu为变压器额定温度下绕组的单位直流损耗；pa,pu为变压器额定温度下绕组的单位附加损耗；pe,pu为变压器额定温度下的单位涡流损耗。θk为负载损耗校正温度。

可选地，变压器的实际油粘度与变压器额定状态下油粘度的比值：

其中，θoil为油温。θoil,r为变压器额定状态下的油温。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行如下操作：

获取第一热路模型参数、设定温度初始值、实际运行参数、实际环境参数，其中，所述第一热路模型参数至少包括：变压器损耗参数和变压器热路参数，所述实际运行参数至少包括：变压器运行电压参数、变压器运行电流参数，所述实际环境参数至少包括：外界温度参数；

根据所述实际运行参数修正所述变压器损耗参数，并根据所述实际环境参数修正所述变压器热路参数，得到第二热路模型参数；

使用所述第二热路模型参数和所述设定温度初始值，利用热路模型求解底层油温、热油区域温度和热点温度。

通过本发明，采用获取第一热路模型参数、设定温度初始值、实际运行参数、实际环境参数，其中，第一热路模型参数至少包括：变压器损耗参数和变压器热路参数，实际运行参数至少包括：变压器运行电压参数、变压器运行电流参数，实际环境参数至少包括：外界温度参数；根据实际运行参数修正变压器损耗参数，并根据实际环境参数修正变压器热路参数，得到第二热路模型参数；使用第二热路模型参数和设定温度初始值，利用热路模型求解底层油温、热油区域温度和热点温度的方式，解决了相关技术中三热路模型求解变压器关键点温度存在的无法表现出变压器的负载损耗对计算结果的影响，在实际应用中需要不断验证和修正热路模型参数的问题，提高了温度计算准确度和经济效益。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的rc电路(1-1)与类比的热路(1-2)的示意图；

图2是根据本发明实施例的底层油温热路模型(2-1)、底层油温和绕组热油区域热路模型(2-2)和热点和热油区域热路模型(2-3)的示意图；

图3是根据本发明实施例的变压器关键点温度计算方法的流程图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

(1)变压器内部的热传递过程

铁芯、绕组及各部分夹件上产生的热量传递到发热部件的表面。在这个过程中，由于铜、铁具有良好的导热性，故可以认为铁芯绕组上的温度可以直接传导到物体的表面，其热阻非常小可忽略不计。在铁芯、绕组及各部分夹件表面和变压器油之间，热量以对流和传导的方式传递到变压器油及油箱壁。又因为热传导传递的热量比热对流传递的热量要小很多，故在这个过程中可以认为热量以对流的方式传递。在油箱壁表面热量通过热传导、热对流及热辐射的方式传递到外部环境中。

(2)热路模型

根据模拟理论，若描述两个物理现象的数学方程模型相似，并实现边界条件、几何条件与物理量相似，则两者方程的解析解和数值解可以完全通用。这是热电类比法的基本理论依据。

由于电磁场中有电路和磁路的概念，按照热电类比的原理，可在热场中类比出热路的概念，并且可以把热场简化为热路进行处理，电路与相应的简化热路如图1所示。

通过类比热路中热量的流动和电路中电流的流动，可以得到热路参数与电路参数的类比关系，如表1所示。

表1热路参数和电路参数类比

根据上述油浸式变压器内部产热和传热过程分析，可构建基于底层油温的热路模型如图2所示。这样油浸式电力变压器的传热过程就可用三个相关联的热路模型进行描述。这样就利用基尔霍夫定律求解节点电压的方法来求解热路中的节点温度。在图2中，模型(2-1)的节点温度值可视作是模型(2-2)的环境温度，模型(2-2)的节点温度可以作为模型(2-3)的环境温度，通过这种类推关系，就可根据环境温度推出油浸式变压器的热点温度。

在图2中，qfe表示铁芯损耗(即空载损耗)产热(w)；ql1表示绕组损耗(即短路损耗)产热(w)；ql2表示绕组损耗(即短路损耗)产热(w)；ql3表示热点区域产热(w)；cth-oil表示绝缘油的热容(j/k)；cth-wnd表示绕组的热容(j/k)；cth-hs表示热点区域热容(j/k)；rth-boil-air表示底层油到空气的热阻(k/w)；rth-wnd-boil表示绕组到底层油的热阻(k/w)；rth-hs-wo表示热点到热点区域的热阻(k/w)；θamb为环境温度(℃)；θboil为底层油温(℃)；θwo为热点区域温度(℃)；θhs为热点温度(℃)；t为时间(s)。

根据图2及类比的电压-电流定律，可得基于底层油温的变压器热路模型的动态方程为：

i)底层油温热路模型

ii)底层油温和绕组热油区域热路模型

iii)热点和热油区域热路模型

(3)热点温度动态模型的计算模型推导

i)换热系数的计算

基于底层油温的三层热路模型中换热过程主要以变压器油的对流方式进行，根据传热学原理可对对流换热的热阻定义为

式(4)中：hc为换热系数；a为换热面积。

因为从环境温度到底层油温、从底层油温到热油区油温和从热油区油温到热点温度之间的传热过程中导热和辐射散热量要比对流换热量小得多。故可认为变压器内部传热主要以对流传热为主。根据传热学理论，在垂直、倾斜和水平盘状物及桶状物中自然对流的油流有如式(5)所示经验公式。

式(5)中，nu为努赛尔系数；gr为格拉晓夫系数；pr为普特朗系数；c和n为工质流态(层流或湍流)来确定的经验常数，如表2所示。

表2c和n的经验常数表

根据传热学理论，nu、gr、pr的定义式如式(6)至(8)所示。

式中l为传热面特征尺寸(m)；g为重力常数(m/s2)；λ为油导热率ρ为油密度(kg/m3)；β为油的膨胀系数(1/k)；cx为热容(j/k)；μ为油粘度(m2/s)；δθx为传热过程的温度差(℃)。

将式(6)至(8)代入式(5)可得：

当油温度变化较大时，油粘度随温度的变化较其他物理参数会高得多。因此油粘度随温度的变化不能忽略，而其它参数可近似看作常数，则可将换热系数的计算公式简化为式(10)。

式中，为常系数，且由式(9)(10)可知：

ii)热阻计算

将式(9)代入式(4)可得

若已知传热温差δθx和热流密度qx，则对流换热的热阻定义式还可变为式(13)。

考虑到温度变化对变压器油粘度的影响，可将油粘度μ定义为额定负荷下的油粘度μr乘以比例μp的值。

μ＝μpμr(15)

由式(14)(15)可推出μp的计算公式如式(16)所示。

上式中θoil为油温。θoil,r为变压器额定状态下的油温。

因此，可将(15)代入式(12)中，得：

额定负荷下的热阻可定义为：

对式(17)和式(18)进行整合，可导出任意负荷热阻与额定负荷热阻的关系式(19)。

iii)热容与时间常数

根据热电容的定义

cth＝cρv＝cm(20)

式中c和ρ分别为对应绕组、铁芯、绝缘油、冷扎制钢油箱壁的比热容和质量，v和m分别对应相应介质的体积和质量。

时间常数的计算公式τx的计算公式为

τx＝rx,rcx(21)

iv)热路模型计算方程

由上可知，式(1)至(3)所示的三个温度热路模型可用一个通式表示：

将式(19)和式(21)代入式(22)可得：

定义r为额定电流下负载损耗与空载损耗之比：

定义负载系数k为负载电流与额定电流之比：

考虑变压器负载损耗受到内部温度变化的影响，单位负载损耗的表达式分别如式(26)(27)(28)所示。

在式中，pboil,pu(θboil)、phs,pu(θhs)、pwo,pu(θwo)分别表示单位负载损耗受温度的影响。pdc,pu为额定温度下变压器绕组的单位直流损耗；pa,pu为额定温度下变压器绕组的单位附加损耗(即涡流损耗和杂散损耗之和)；pe,pu为额定温度下变压器的单位涡流损耗。θk为负载损耗校正温度(用铜材时取235，用铝材时取225)。

针对基于底层油温的三层热路模型，三种损耗产热与额定损耗产热流之比分别如下：

通过上述推导，变压器热路计算模型可由式(1)至(3)得到如式(32)至(34)所示计算模型。

在上述变压器绕组热路可计算模型中，时间常数和额定负荷的温差值可根据变压器试验测试数据计算获得；随温度变化的μp和px,pu则应根据温度实时计算；k值根据负载电流换算获得。

v)主变关键点温度计算流程

图3是根据本发明实施例的变压器关键点温度计算方法的流程图，如图3所示，输入实际中的运行参数和环境参数，计算各个位置的温度，得到底层油温、热油区域温度和热点温度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。