电力变压器热点温升的计算方法、系统、设备及存储介质与流程

本发明涉及电力变压器温度检测技术领域，特别是涉及一种电力变压器热点温升的计算方法、系统、设备及存储介质。

背景技术：

现今，输电网中的变压器在电能的传输，分配和使用中起着重要作用，并且随着电网的不断发展，变压器的应用范围以及变压器的容量均呈现出快速增长的趋势。变压器的容量增长，也就意味着变压器具有更高的功率损耗，更容易出现过热的情况。变压器的热性能是影响变压器寿命，决定变压器是否能够正常运行的重要参数，也会影响变压器的结构设计，其中，变压器结构部件中的热点温升更是需要考虑的重要因素。

在以往的研究中，对变压器结构件的热点温升的计算进行了广泛的讨论。决定变压器热点温升主要有两个特征量：电磁杂散损耗和结构件的对流换热系数，再采用磁热耦合法计算出热点温升。传统方案中，确定电磁杂散损耗以及对流换热系数的方式都较为简单，导致精确度较低。具体的，变压器结构件的不同位置对应的损耗密度不同，传统方案中通常直接利用平均损耗密度计算电磁杂散损耗。而进行对流换热系数的预测时，通常是采用经验公式进行简单粗略的计算，由于电力变压器内部的油流动的复杂性，也就使得传统方案中确定出的对流换热系数精确度较低。由于确定出电磁杂散损耗以及对流换热系数的方式都较为简单，导致精确度较低，进而便会降低计算出的热点温升的精度，也就不利于变压器的稳定运行及保障变压器的寿命。

综上所述，如何有效地提高电力变压器热点温升的计算精度，是目前本领域技术人员急需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电力变压器热点温升的计算方法、系统、设备及存储介质，以有效地提高电力变压器热点温升的计算精度。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种电力变压器热点温升的计算方法，包括：

利用有限元法进行磁场分析，获取电力变压器的各个结构件的杂散损耗；

采用热流耦合分析法计算所述电力变压器的各个结构件的对流换热系数；

通过对各个结构件进行的磁热耦合分析，确定出各个结构件的热点温升值，其中，针对每一个结构件，利用该结构件的对流换热系数确定出磁热耦合分析时的边界条件，并利用该结构件的杂散损耗作为磁热耦合分析时的热源。

优选的，所述利用有限元法进行磁场分析，获取电力变压器的各个结构件的杂散损耗，包括：

利用有限元法将所述电力变压器分割为多个单元；

使用t-ω法计算出每一个结构件的涡流密度，并基于各个结构件的所述涡流密度计算出各个结构件的涡流损耗；其中，每个结构件包括一个或多个单元；

利用磁滞回线计算出各个结构件的磁滞损耗；

针对任意一个结构件，将该结构件的涡流损耗与该结构件的磁滞损耗的和作为该结构件的杂散损耗。

优选的，所述基于各个结构件的所述涡流密度计算出各个结构件的涡流损耗，包括：

基于各个结构件的所述涡流密度计算出各个结构件的涡流损耗，且计算出的涡流损耗其中，j为涡流密度，σ为电导率，v表示该结构件中的单元。

优选的，所述利用磁滞回线计算出各个结构件的磁滞损耗，包括：

利用磁滞回线计算出各个结构件的磁滞损耗，且计算出的磁滞损耗表示为：

其中，n为该结构件中的单元数量，为第i单元的磁滞损耗，为第i单元的磁通密度峰值，ρ为钢板密度，v⁽ⁱ⁾为体积元。

优选的，所述采用热流耦合分析法计算所述电力变压器的各个结构件的对流换热系数，包括：

基于热传导以及有限体积法，建立变压器内的油流模型；

其中，所述油流模型中，流体的质量守恒方程为：

ρ为流体密度，u，v，w依次为速度矢量u在x，y，z三个方向的分量；

流体的动量守恒方程为：p为流体单元体上的压力，μ为动力粘度，su，sv和sw表述为：

ρ0为空气密度，g为重力加速度，γ为第二粘度；

流体的能量守恒方程为：

cp为流体比热容，st为油粘性与流体内部热源共同作用下流体机械能转换成的热能，tw为流体温度，k为传热系数；

基于建立的所述油流模型，结合所述流体密度ρ和所述流体单元体上的压力p之间的状态方程，并将结构件表面温度tb作为已知量，计算所述电力变压器的各个结构件的对流换热系数；

其中，当任意一个结构件同时接触绝缘油以及空气时，计算出该结构件的外侧对流换热系数以及内侧对流换热系数且传热系数当任意一个结构件仅接触绝缘油不接触空气时，计算出该结构件的内侧对流换热系数且传热系数其中，δ为结构件的厚度，λb为结构件的导热系数，tb为结构件表面温度，qw为单位时间的传热量，nu为努赛尔数，λa为空气的热导率，l为交界面的长度。

优选的，所述通过对各个结构件进行的磁热耦合分析，确定出各个结构件的热点温升值，包括：

针对每一个结构件，在进行磁热耦合分析时的传热方程表示为：其中，ρb为该结构件的材料密度，cb为该结构件的比热容，q为通过该结构件的杂散损耗p计算出的热源功率密度；

针对每一个结构件，利用该结构件的对流换热系数确定出的边界条件表示为：其中，n为边界外法向矢量，nx，ny，nz依次表示边界外法向矢量n在x，y，z三个方向的分量，λx，λy，λz，依次表示在x，y，z三个方向的导热系数；

利用确定出的所述边界条件求解所述传热方程，确定出该结构件的热点温升值。

一种电力变压器热点温升的计算系统，包括：

磁场分析模块，用于利用有限元法进行磁场分析，获取电力变压器的各个结构件的杂散损耗；

对流换热系数计算模块，用于采用热流耦合分析法计算所述电力变压器的各个结构件的对流换热系数；

热点温升计算模块，用于通过对各个结构件进行的磁热耦合分析，确定出各个结构件的热点温升值，其中，针对每一个结构件，利用该结构件的对流换热系数确定出磁热耦合分析时的边界条件，并利用该结构件的杂散损耗作为磁热耦合分析时的热源。

优选的，所述磁场分析模块，具体用于：

利用有限元法将所述电力变压器分割为多个单元；

使用t-ω法计算出每一个结构件的涡流密度，并基于各个结构件的所述涡流密度计算出各个结构件的涡流损耗；其中，每个结构件包括一个或多个单元；

利用磁滞回线计算出各个结构件的磁滞损耗；

针对任意一个结构件，将该结构件的涡流损耗与该结构件的磁滞损耗的和作为该结构件的杂散损耗。

一种电力变压器热点温升的计算设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序指令；

处理器，用于执行所述计算机程序以实现上述任一项所述的电力变压器热点温升的计算方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的电力变压器热点温升的计算方法的步骤。

应用本发明实施例所提供的技术方案，包括：利用有限元法进行磁场分析，获取电力变压器的各个结构件的杂散损耗；采用热流耦合分析法计算电力变压器的各个结构件的对流换热系数；通过对各个结构件进行的磁热耦合分析，确定出各个结构件的热点温升值，其中，针对每一个结构件，利用该结构件的对流换热系数确定出磁热耦合分析时的边界条件，并利用该结构件的杂散损耗作为磁热耦合分析时的热源。

本申请的方案中，将磁场分析与热流耦合分析相结合，提高电力变压器热点温升的计算精度。具体的，在进行磁热耦合分析时，作为磁热耦合分析时的热源的杂散损耗，是利用有限元法进行磁场分析而获取到的杂散损耗。由于利用有限元法进了磁场分析，有利于更为精确地确定出各个结构件在各个位置的磁场状态，从而提高计算出的杂散损耗的准确度。而由于是采用热流耦合分析法计算电力变压器的各个结构件的对流换热系数，有利于反映出变压器的油流情况，再利用结构件的对流换热系数作为已知的边界条件进行磁热耦合分析，便可以精确地获知各个结构件的热点温升。因此，本申请的方案有利于提高电力变压器热点温升的计算精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中一种电力变压器热点温升的计算方法的实施流程图；

图2为本发明中一种电力变压器热点温升的计算系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种电力变压器热点温升的计算方法，本申请的方案有利于提高电力变压器热点温升的计算精度。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明中一种电力变压器热点温升的计算方法的实施流程图，该电力变压器热点温升的计算方法可以包括以下步骤：

步骤s101：利用有限元法进行磁场分析，获取电力变压器的各个结构件的杂散损耗。

在进行磁场分析时，可以建立电力变压器的计算流体动力学模型，该计算流体动力学模型中可以包括绕组，压板，铁轭夹件，铁芯，垫板，油箱以及绝缘纸筒这些变压器的结构件，此外，为了简化计算，也可以只对电力变压器实体的一半进行建模。

在获取电力变压器的各个结构件的杂散损耗时，通常是分别确定出涡流损耗以及磁滞损耗，再求和以确定出杂散损耗。

在本发明的一种具体实施方式中，步骤s101可以具体为：

利用有限元法将电力变压器分割为多个单元；

使用t-ω法计算出每一个结构件的涡流密度，并基于各个结构件的涡流密度计算出各个结构件的涡流损耗；其中，每个结构件包括一个或多个单元；

利用磁滞回线计算出各个结构件的磁滞损耗；

针对任意一个结构件，将该结构件的涡流损耗与该结构件的磁滞损耗的和作为该结构件的杂散损耗。

具体的，使用t-ω法计算时，首先可以根据麦克斯韦方程，确定出涡流区域的控制方程，可以表示为：

再基于库仑规范，并且引入罚函数可以得到：

再根据即涡流区域的磁场旋度为0，可得：

非涡流区域包括非导电部件，铁芯以及源电流区域，控制方程可以表示为：

上式中，hs为源电流产生的磁场，ω为磁标量势，t为电矢量势，σ为电导率，μ为磁导率。

给定初始条件：便可以在任意有限的立体单元内求出磁标量势ω和电矢量势t，进而求得导体中的涡流密度。

在计算出每一个结构件的涡流密度之后，便可以基于各个结构件的涡流密度计算出各个结构件的涡流损耗。

在一种具体实施方式中，涡流损耗可以通过来计算，其中，j为涡流密度，σ为电导率，v表示该结构件中的单元，j0为与j相关的相量。

计算各个结构件的磁滞损耗可以有多种方式，例如可以在漏磁场计算的基础上引入磁滞回线来计算，即引入wh-bm曲线，在该种具体实施方式中，计算出的磁滞损耗表示为：其中，n为该结构件中的单元数量，为第i单元的磁滞损耗，为第i单元的磁通密度峰值，ρ为钢板密度，v⁽ⁱ⁾为体积元。

可以将任意一个结构件的涡流损耗与该结构件的磁滞损耗的和作为该结构件的杂散损耗，表示为：p＝pe+ph。

步骤s102：采用热流耦合分析法计算电力变压器的各个结构件的对流换热系数。

具体的，可以基于热传导以及有限体积法，建立变压器内的油流模型，再分别确定出各个结构件的对流换热系数。

在一种具体实施方式中，步骤s102可以具体包括以下两个步骤：

步骤一：基于热传导以及有限体积法，建立变压器内的油流模型；

其中，油流模型中，流体的质量守恒方程为：

ρ为流体密度，u，v，w依次为速度矢量u在x，y，z三个方向的分量；

流体的动量守恒方程为：p为流体单元体上的压力，μ为动力粘度，su，sv和sw为动量守恒方程的广义源项，表述为：

ρ0为空气密度，g为重力加速度，γ为第二粘度，通常可以取γ＝-2/3μ。

流体的能量守恒方程为：

cp为流体比热容，st为油粘性与流体内部热源共同作用下流体机械能转换成的热能，tw为流体温度，k为传热系数；

步骤二：基于建立的油流模型，结合流体密度ρ和流体单元体上的压力p之间的状态方程，并将结构件表面温度tb作为已知量，计算电力变压器的各个结构件的对流换热系数；

其中，当任意一个结构件同时接触绝缘油以及空气时，计算出该结构件的外侧对流换热系数以及内侧对流换热系数且传热系数当任意一个结构件仅接触绝缘油不接触空气时，计算出该结构件的内侧对流换热系数且传热系数其中，δ为结构件的厚度，λb为结构件的导热系数，tb为结构件表面温度，qw为单位时间的传热量，nu为努赛尔数，λa为空气的热导率，l为交界面的长度。

流体密度ρ和流体单元体上的压力p之间的状态方程可以表示为：p＝p(ρ,tw)，该状态方程的具体形式可以通过实验数据来确定，即可以通过变压器的温升实验进行拟合。

努赛尔数nu可以表述为：其中的gr为格拉晓夫数，pr为普朗特数，m表示定性温度为边界层流体的平均温度，c和n均为实验常数可查表获得。

格拉晓夫数gr以及普朗特数pr可以表述为：式中β为空气流体的容积膨胀系数，δt1为空气和结构件壁面的温度差，ρa为空气密度，va为空气流体运动粘度，ca为空气比热，μa为空气粘度。

可以看出，利用状态方程p＝p(ρ,tw)，将p用ρ和tw代换之后，油流模型的质量守恒方程，动量守恒方程以及能量守恒方程中包括未知量：流体温度tw，流体速度矢量u以及传热系数k。再将传热系数k用内、外侧对流换热系数的表达式代换之后，可以看出，未知量一共包括：流体温度tw，流体速度矢量u，结构件在单位时间的传热量qw，以及结构件的表面温度tb。

联立质量守恒方程，动量守恒方程以及能量守恒方程，并且将结构件的表面温度tb视为已知量，便可以进行方程组的求解，也就可以确定出结构件的对流换热系数。具体的，当结构件同时接触绝缘油以及空气时，确定出该结构件的外侧对流换热系数ho以及内侧对流换热系数hi。相应的，当结构件仅接触绝缘油不接触空气时，计算出该结构件的内侧对流换热系数hi。

需要说明的是，由于是将结构件表面温度tb作为已知量，因此，计算出的外侧对流换热系数ho以及内侧对流换热系数hi中，均会含有结构件表面温度tb。或者可以理解为，将外侧对流换热系数ho以及内侧对流换热系数hi，使用携带有tb的表达式进行表示。

步骤s103：通过对各个结构件进行的磁热耦合分析，确定出各个结构件的热点温升值，其中，针对每一个结构件，利用该结构件的对流换热系数确定出磁热耦合分析时的边界条件，并利用该结构件的杂散损耗作为磁热耦合分析时的热源。

在进行磁热耦合分析时，针对每一个结构件，可以利用稳态条件下的传热方程以及边界条件确定出该结构件的热点温升值。并且，针对每一个结构件，可以将步骤s102中计算出的该结构件的对流换热系数作为已知量，确定出磁热耦合分析时的边界条件，而传热方程中的热源可以利用该结构件的杂散损耗来表示。

在本发明的一种具体实施方式中，步骤s103可以具体为：

针对每一个结构件，在进行磁热耦合分析时的传热方程表示为：其中，ρb为该结构件的材料密度，cb为该结构件的比热容，q为通过该结构件的杂散损耗p计算出的热源功率密度，具体的，可以将杂散损耗p除以该结构体的体积，得出该结构体的热源功率密度q。

针对每一个结构件，利用该结构件的对流换热系数确定出的边界条件表示为：其中，n为边界外法向矢量，nx，ny，nz依次表示边界外法向矢量n在x，y，z三个方向的分量，λx，λy，λz，依次表示在x，y，z三个方向的导热系数；

利用确定出的边界条件求解传热方程，确定出该结构件的热点温升值。

应用本发明实施例所提供的技术方案，包括：利用有限元法进行磁场分析，获取电力变压器的各个结构件的杂散损耗；采用热流耦合分析法计算电力变压器的各个结构件的对流换热系数；通过对各个结构件进行的磁热耦合分析，确定出各个结构件的热点温升值，其中，针对每一个结构件，利用该结构件的对流换热系数确定出磁热耦合分析时的边界条件，并利用该结构件的杂散损耗作为磁热耦合分析时的热源。

本申请的方案中，将磁场分析与热流耦合分析相结合，提高电力变压器热点温升的计算精度。具体的，在进行磁热耦合分析时，作为磁热耦合分析时的热源的杂散损耗，是利用有限元法进行磁场分析而获取到的杂散损耗。由于利用有限元法进了磁场分析，有利于更为精确地确定出各个结构件在各个位置的磁场状态，从而提高计算出的杂散损耗的准确度。而由于是采用热流耦合分析法计算电力变压器的各个结构件的对流换热系数，有利于反映出变压器的油流情况，再利用结构件的对流换热系数作为已知的边界条件进行磁热耦合分析，便可以精确地获知各个结构件的热点温升。因此，本申请的方案有利于提高电力变压器热点温升的计算精度。

相应于上面的方法实施例，本发明实施例还提供了一种电力变压器热点温升的计算系统，可与上文相互对应参照。

参见图2所示，为本发明中一种电力变压器热点温升的计算系统的结构示意图，包括：

磁场分析模块201，用于利用有限元法进行磁场分析，获取电力变压器的各个结构件的杂散损耗；

对流换热系数计算模块202，用于采用热流耦合分析法计算电力变压器的各个结构件的对流换热系数；

热点温升计算模块203，用于通过对各个结构件进行的磁热耦合分析，确定出各个结构件的热点温升值，其中，针对每一个结构件，利用该结构件的对流换热系数确定出磁热耦合分析时的边界条件，并利用该结构件的杂散损耗作为磁热耦合分析时的热源。

在本发明的一种具体实施方式中，磁场分析模块201，具体用于：

利用有限元法将电力变压器分割为多个单元；

使用t-ω法计算出每一个结构件的涡流密度，并基于各个结构件的涡流密度计算出各个结构件的涡流损耗；其中，每个结构件包括一个或多个单元；

利用磁滞回线计算出各个结构件的磁滞损耗；

针对任意一个结构件，将该结构件的涡流损耗与该结构件的磁滞损耗的和作为该结构件的杂散损耗。

在本发明的一种具体实施方式中，对流换热系数计算模块202，具体用于：

基于热传导以及有限体积法，建立变压器内的油流模型；

其中，油流模型中，流体的质量守恒方程为：

ρ为流体密度，u，v，w依次为速度矢量u在x，y，z三个方向的分量；

流体的动量守恒方程为：p为流体单元体上的压力，μ为动力粘度，su，sv和sw表述为：

ρ0为空气密度，g为重力加速度，γ为第二粘度；

流体的能量守恒方程为：

cp为流体比热容，st为油粘性与流体内部热源共同作用下流体机械能转换成的热能，tw为流体温度，k为传热系数；

基于建立的油流模型，结合流体密度ρ和流体单元体上的压力p之间的状态方程，并将结构件表面温度tb作为已知量，计算电力变压器的各个结构件的对流换热系数；

其中，当任意一个结构件同时接触绝缘油以及空气时，计算出该结构件的外侧对流换热系数以及内侧对流换热系数且传热系数当任意一个结构件仅接触绝缘油不接触空气时，计算出该结构件的内侧对流换热系数且传热系数其中，δ为结构件的厚度，λb为结构件的导热系数，tb为结构件表面温度，qw为单位时间的传热量，nu为努赛尔数，λa为空气的热导率，l为交界面的长度。

在本发明的一种具体实施方式中，热点温升计算模块203，具体用于：

针对每一个结构件，在进行磁热耦合分析时的传热方程表示为：其中，ρb为该结构件的材料密度，cb为该结构件的比热容，q为通过该结构件的杂散损耗p计算出的热源功率密度；

针对每一个结构件，利用该结构件的对流换热系数确定出的边界条件表示为：其中，n为边界外法向矢量，nx，ny，nz依次表示边界外法向矢量n在x，y，z三个方向的分量，λx，λy，λz，依次表示在x，y，z三个方向的导热系数；

利用确定出的边界条件求解传热方程，确定出该结构件的热点温升值。

相应于上面的方法和系统实施例，本发明实施例还提供了一种电力变压器热点温升的计算设备以及一种计算机可读存储介质。该电力变压器热点温升的计算设备，可以包括：

存储器，用于存储计算机程序指令；

处理器，用于执行计算机程序以实现上述任一实施例中的电力变压器热点温升的计算方法的步骤。

该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述任一实施例中的电力变压器热点温升的计算方法的步骤。这里所说的计算机可读存储介质包括随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想。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的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。