一种轻量化车载牵引变压器的热点计算及定位方法与流程

本发明涉及电气绝缘在线检测与故障诊断领域，特别是一种轻量化车载牵引变压器的热点计算及定位方法。

背景技术：

运行中的变压器在绕组铜耗和铁耗的作用下内部温度会升高，其中温度最高的位置被称作热点。变压器的寿命在某种程度上可以等同于其绝缘的寿命，而热点温度是绝缘寿命的重要影响因素，因此变压器的热点温度与位置必须被准确获知。

轻量化车载牵引变压器由于取消了油箱和绝缘油等部件，重量远低于油浸式车载牵引变压器，有助于动车组性能的进一步提升，在近年受到了广泛关注。轻量化车载牵引变压器的散热条件相比地面变压器更为苛刻，且负载损耗远高于同容量地面变压器，因此热点温度控制对车载牵引变压器尤为重要。cfd方法是变压器内部温度计算的常用手段，其计算精度较高且能够提供丰富的流动和传热细节数据，但对时间和计算机资源消耗非常巨大，这就使得cfd方法在变压器设计等需要大量试探计算的场合具有一定局限性。因此，急需一种能够快速计算轻量化车载牵引变压器热点温度与位置的方法，以便针对性布置高耐热等级的绝缘材料，服务其整体结构优化设计和热特性提升，最终实现保障高速动车组运行安全、延长车载牵引变压器使用寿命、提高制造厂家生产经济性的目标。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明的目的是提出一种轻量化车载牵引变压器的热点计算及定位方法，能够实现轻量化车载牵引变压器热点温度与位置的快速计算。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种轻量化车载牵引变压器的热点温度计算及定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、建立轻量化车载牵引变压器的轴对称二维模型

根据轻量化车载牵引变压器结构特点进行初步处理：删除绕组出线端子、夹件、撑条等对温度分布影响较小的结构，将冷却风道简化为内外两个壁面同时或独立具有恒定的热流量的环空管道；

第二步、布置温度监测节点，所述温度监测节点包括：绕组温度节点、绝缘纸边界节点、环氧树脂边界节点和空气温度节点，节点之间通过热阻相连，形成轻量化车载牵引变压器热网络模型；节点的布置方法具体如下：

1)在绕组导体每一匝中心布置1个绕组温度节点，绕组温度节点间根据绕组结构在轴向和辐向对齐；

2)在绕组温度节点的上、下、左、右4个方向分别布置4个绝缘纸边界节点；

3)在上、下绝缘纸边界节点的上、下侧分别布置2个环氧树脂边界节点；

4)在冷却风道两侧的2个环氧树脂边界节点之间设置1个空气温度节点；

5)绕组温度节点与绝缘纸边界节点之间通过绝缘纸热阻相连，绝缘纸边界节点与环氧树脂边界节点之间通过环氧树脂热阻相连，环氧树脂边界节点与空气温度节点之间通过对流热阻相连，空气温度节点之间通过空气热阻相连；

第三步、计算各部分热阻

1)绝缘纸热阻rp使用如下公式计算：

式中，kp为绝缘纸的热导率(w·m^-1·k^-1)，lp为在该绝缘纸热阻的热流方向上绝缘纸的厚度(m)，sp为在该绝缘纸热阻的热流方向上绝缘纸与铜导体的接触面积(m²)；

2)环氧树脂热阻re使用如下公式计算：

式中，ke为环氧树脂的热导率(w·m^-1·k^-1)，le为在该环氧树脂热阻的热流方向上环氧树脂的厚度(m)，se为在该环氧树脂热阻的热流方向上环氧树脂与绝缘纸的接触面积(m²)；

3)空气热阻rair使用如下公式计算：

式中，mair为冷却风道空气的质量流量(kg·s^-1)，cp_air为空气的比热容(j·kg^-1·k^-1)，lduct为冷却风道的总长(m)，l为导体的轴向宽度(m)；

4)对流热阻rconv使用如下公式计算：

式中，do为冷却风道的外直径(m)，di为冷却风道的内直径(m)，nux为局部努塞尔数，kair为空气的热导率(w·m^-1·k^-1)，sduct为单个绕组温度节点外环氧树脂与冷却风道的接触面积(m²)；

所述对流热阻rconv的计算公式中，nux的计算公式如下：

式中，n为绕组温度节点的编号，其规则为：最内侧冷却风道入口处绕组温度节点编为1号，顺次往下编为2、3、4…直至最外侧冷却风道出口的绕组温度节点；x为距风道入口的距离(m)，r为冷却风道的中心线半径(m)，re为冷却风道雷诺数，使用如下公式计算：

式中，ρ为空气密度(kg·m^-3)，v为空气流速(m·s^-1)，μ为空气动力粘度(kg·m^-1·s^-1)；

第四步、为绕组温度节点分配发热功率

编号为n的绕组温度节点分配到的发热功率按照如下公式计算：

式中，vn为编号为n的绕组温度节点对应的导体体积(m³)，v总为绕组的总体积(m³)，q为该台变压器现场试验获取的负载损耗(w)；

第五步、根据第一步到第四步所述轻量化车载牵引变压器热网络模型结构，依照基尔霍夫定律列写节点电压方程求解绕组温度节点温度，获取全部绕组温度节点的温度值；

第六步、根据第五步的绕组温度节点的温度计算结果获取温度最高的绕组温度节点，该节点即为热点温度所在位置，从而实现轻量化车载牵引变压器的热点温度计算及热点定位。

本发明的有益效果在于，一种轻量化车载牵引变压器的热点计算及定位方法具有以下优点：

1)能够计算出轻量化车载牵引变压器的热点温度和热点位置，为轻量化车载牵引变压器的设计提供新的手段，有助于整体结构优化设计和热特性提升；

2)相比cfd方法，本发明所提方法的建模更加简单快捷，计算消耗的时间和计算机资源大大降低，能够有效提高变压器设计阶段的工作效率，减少人力物力的消耗。

附图说明

图1是本发明涉及的一种轻量化车载牵引变压器的热点计算及定位方法的流程图；

图2是某台待分析轻量化车载牵引变压器的结构参数示意图；

图3是待分析轻量化车载牵引变压器的轴对称二维模型；

图4是轻量化车载牵引变压器局部的温度监测节点布置示意图；

图5是全部绕组温度节点的温度值及热点温度与位置曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施过程对本发明进行进一步说明。需要强调的是，此处所描述的具体实施案例仅仅用于解释本发明，并不限定本发明构思及其权利要求之范围。

第一步、建立轻量化车载牵引变压器的轴对称二维模型

获取某台待分析轻量化车载牵引变压器的结构参数(见图2)，共两层绕组，168匝导体，根据其特点进行初步处理：删除绕组出线端子、夹件、撑条等对温度分布影响较小的结构，将冷却风道简化为内外两个壁面同时或独立具有恒定的热流量的环空管道，最终建立相应的轴对称二维模型(见图3)；

第二步、布置温度监测节点，所述温度监测节点包括：绕组温度节点、绝缘纸边界节点、环氧树脂边界节点和空气温度节点，节点之间通过热阻相连，形成轻量化车载牵引变压器热网络模型；节点的布置方法具体如下(见图4)：

1)在绕组导体每一匝中心布置1个绕组温度节点，绕组温度节点间根据绕组结构在轴向和辐向对齐；

2)在绕组温度节点的上、下、左、右4个方向分别布置4个绝缘纸边界节点；

3)在上、下绝缘纸边界节点的上、下侧分别布置2个环氧树脂边界节点；

4)在冷却风道两侧的2个环氧树脂边界节点之间设置1个空气温度节点；

5)绕组温度节点与绝缘纸边界节点之间通过绝缘纸热阻相连，绝缘纸边界节点与环氧树脂边界节点之间通过环氧树脂热阻相连，环氧树脂边界节点与空气温度节点之间通过对流热阻相连，空气温度节点之间通过空气热阻相连；

第三步、计算各部分热阻

1)绝缘纸热阻rp使用如下公式计算：

式中，kp为绝缘纸的热导率(w·m^-1·k^-1)，lp为在该绝缘纸热阻的热流方向上绝缘纸的厚度(m)，sp为在该绝缘纸热阻的热流方向上绝缘纸与铜导体的接触面积(m²)；

2)环氧树脂热阻re使用如下公式计算：

式中，ke为环氧树脂的热导率(w·m^-1·k^-1)，le为在该环氧树脂热阻的热流方向上环氧树脂的厚度(m)，se为在该环氧树脂热阻的热流方向上环氧树脂与绝缘纸的接触面积(m²)；

3)空气热阻rair使用如下公式计算：

式中，mair为冷却风道空气的质量流量(kg·s^-1)，cp_air为空气的比热容(j·kg^-1·k^-1)，lduct为冷却风道的总长(m)，l为导体的轴向宽度(m)；

4)对流热阻rconv使用如下公式计算：

式中，do为冷却风道的外直径(m)，di为冷却风道的内直径(m)，nux为局部努塞尔数，kair为空气的热导率(w·m^-1·k^-1)，sduct为单个绕组温度节点外环氧树脂与冷却风道的接触面积(m²)；

所述对流热阻rconv的计算公式中，nux的计算公式如下：

式中，n为绕组温度节点的编号，其规则为：最内侧冷却风道入口处绕组温度节点编为1号，顺次往下编为2、3、4…直至最外侧冷却风道出口的绕组温度节点；x为空气离开冷却风道入口的距离(m)，r为冷却风道的中心线半径(m)，re为冷却风道雷诺数，使用如下公式计算：

式中，ρ为空气密度(kg·m^-3)，v为空气流速(m·s^-1)，μ为空气动力粘度(kg·m^-1·s^-1)；

第四步、为绕组温度节点分配发热功率

编号为n的绕组温度节点分配到的发热功率按照如下公式计算：

式中，vn为编号为n的绕组温度节点对应的导体体积(m³)，v总为绕组的总体积(m³)，q为该台变压器现场试验获取的负载损耗(w)；

第五步、根据第一步到第四步所述轻量化车载牵引变压器热网络模型结构，依照基尔霍夫定律列写节点电压方程，使用matlab编程求解绕组温度节点温度，获取全部绕组温度节点的温度值(见图5)；

第六步、根据第五步的绕组温度节点的温度计算结果获取温度最高的绕组温度节点为编号161的绕组温度节点，即热点位置位于第二层第77匝，热点温度为442.638k，实现轻量化车载牵引变压器的热点定位。