一种基于变压器模型的温度场仿真计算方法及装置与流程

1.本发明涉及变压器的技术领域，特别是涉及一种基于变压器模型的温度场仿真计算方法及装置。


背景技术：

2.现阶段随着商业有限元分析软件的广泛应用，对变压器的模拟运行与相关存在危险损害的实验起到极大的推动作用，计算机算力的逐步提高使得采用有限元精细化模拟分析得以实现，伴随着模型精细化程度的提高与剖分细化，仍导致现有技术需要耗费大量的时间、精力与资源才能得到相对准确的计算结果。
3.现有的变压器模型大、结构复杂、需要较多的计算机资源和计算时间；如何对现有的变压器模型进行改进，使其能够在计算变压器抗短路能力与流体－温度场耦合仿真过程中得到较为精确的计算结果，是目前亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：提供一种基于变压器模型的温度场仿真计算方法及装置，能提高变压器三维一档模型仿真计算效率。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于变压器模型的温度场仿真计算方法，包括：
6.获取并根据变压器参数，构建变压器三维一档模型，其中，所述变压器三维一档模型包括铁芯、单相绕组和油箱；
7.基于算单计算所述变压器三维一档模型的模型单相电流，将计算出的所述模型单相电流输入到所述变压器三维一档模型中，得到变压器的单相损耗密度；
8.设置变压器的模型仿真参数，根据所模型仿真参数和所述单相损耗密度，对所述变压器三维一档模型进行迭代仿真处理，得到变压器温度场仿真结果。
9.在一种可能的实现方式中，所述单相绕组包括单相高压绕组和单相低压绕组；
10.其中，所述单相高压绕组包括第一线饼、第一垫块、第一撑条和第一端圈；
11.所述单相低压绕组包括第二线饼、第二垫块、第二撑条和第二端圈。
12.在一种可能的实现方式中，设置变压器的模型仿真参数，其中，所述模型仿真参数包括变压器温度场状态、重力加速度、变压器流体材料、变压器固体材料、流体速度和边界条件。
13.在一种可能的实现方式中，基于算单计算所述变压器三维一档模型的模型单相电流，将计算出的所述模型单相电流输入到所述变压器三维一档模型中，得到变压器的单相损耗密度，具体包括：
14.基于算单计算所述变压器的单相电流，并将所述单相电流作为所述变压器三维一档模型的模型单相电流；
15.将所述模型单相电流以公式输入的方式，输入到所述变压器三维一档模型中，以
使所述变压器三维一档模型对所述模型单相电流进行仿真处理，得到变压器的铁损和铜损，基于所述铁损和所述铜损，计算并输出变压器的单相损耗密度。
16.本发明还提供了一种基于变压器模型的温度场仿真计算装置，包括：变压器三维一档模型构建模块、单相损耗密度计算模块和变压器温度场仿真结果获取模块；
17.其中，所述变压器三维一档模型构建模块，用于获取并根据变压器参数，构建变压器三维一档模型，其中，所述变压器三维一档模型包括铁芯、单相绕组和油箱；
18.所述单相损耗密度计算模块，用于基于算单计算所述变压器三维一档模型的模型单相电流，将计算出的所述模型单相电流输入到所述变压器三维一档模型中，得到变压器的单相损耗密度；
19.所述变压器温度场仿真结果获取模块，用于设置变压器的模型仿真参数，根据所模型仿真参数和所述单相损耗密度，对所述变压器三维一档模型进行迭代仿真处理，得到变压器温度场仿真结果。
20.在一种可能的实现方式中，所述变压器三维一档模型构建模块中所述单相绕组包括单相高压绕组和单相低压绕组；
21.其中，所述单相高压绕组包括第一线饼、第一垫块、第一撑条和第一端圈；
22.所述单相低压绕组包括第二线饼、第二垫块、第二撑条和第二端圈。
23.在一种可能的实现方式中，所述变压器温度场仿真结果获取模块，用于设置变压器的模型仿真参数，其中，所述模型仿真参数包括变压器温度场状态、重力加速度、变压器流体材料、变压器固体材料、流体速度和边界条件。
24.在一种可能的实现方式中，所述单相损耗密度计算模块，用于基于算单计算所述变压器三维一档模型的模型单相电流，将计算出的所述模型单相电流输入到所述变压器三维一档模型中，得到变压器的单相损耗密度，具体包括：
25.基于算单计算所述变压器的单相电流，并将所述单相电流作为所述变压器三维一档模型的模型单相电流；
26.将所述模型单相电流以公式输入的方式，输入到所述变压器三维一档模型中，以使所述变压器三维一档模型对所述模型单相电流进行仿真处理，得到变压器的铁损和铜损，基于所述铁损和所述铜损，计算并输出变压器的单相损耗密度。
27.本发明还提供了一种终端设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任意一项所述的基于变压器模型的温度场仿真计算方法。
28.本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如上述任意一项所述的基于变压器模型的温度场仿真计算方法。
29.本发明实施例一种基于变压器模型的温度场仿真计算方法及装置，与现有技术相比，具有如下有益效果：
30.通过获取并根据变压器参数，构建变压器三维一档模型，其中，所述变压器三维一档模型包括铁芯、单相绕组和油箱；基于算单计算所述变压器三维一档模型的模型单相电流，将计算出的所述模型单相电流输入到所述变压器三维一档模型中，得到变压器的单相损耗密度；设置变压器的模型仿真参数，根据所模型仿真参数和所述单相损耗密度，对所述
变压器三维一档模型进行迭代仿真处理，得到变压器温度场仿真结果。与现有技术相比，本发明的技术方案对现有的变压器模型进行简化，解决了现有三维全模型运算量大，网格剖分困难，计算时间长的问题，能提高变压器三维一档模型仿真计算效率。
附图说明
31.图1是本发明提供的一种基于变压器模型的温度场仿真计算方法的一种实施例的流程示意图；
32.图2是本发明提供的一种基于变压器模型的温度场仿真计算装置的一种实施例的结构示意图；
33.图3是本发明提供的一种实施例的变压器三维一档模型示意；
34.图4是本发明提供的一种实施例的变压器三维一档模型示意；
35.图5是本发明提供的一种实施例的变压器三维一档模型迭代仿真过程示意图；
36.图6是本发明提供的一种实施例的单相高压绕组温度场分布云图；
37.图7是本发明提供的一种实施例的单相低压绕组温度场分布云图；
38.图8是本发明提供的一种实施例的变压器铁芯温度分布云图；
39.图9是本发明提供的一种实施例的撑条温度分布云图；
40.图10是本发明提供的一种实施例的垫块温度分布图；
41.图11是本发明提供的一种实施例的油流分布图；
42.图12是本发明提供的一种实施例的绕组区域油流分布图。
具体实施方式
43.下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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作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。
44.实施例1
45.参见图1，图1是本发明提供的一种基于变压器模型的温度场仿真计算方法的一种实施例的流程示意图，如图1所示，该方法包括步骤101－步骤104，具体如下：
46.步骤101：获取并根据变压器参数，构建变压器三维一档模型，其中，所述变压器三维一档模型包括铁芯、单相绕组和油箱。
47.一实施例中，现有在对变压器进行建模时，普遍都是对变压器建立三相全模型，但变压器器模型非常复杂，考虑三相全模型进行细致的网格剖分会导致运算量增大，在仿真运行过程中浮点数太多而报错。
48.一实施例中，由于变压器单相可以近似为一个全对称圆筒，基于该特征，对现有的三相变压器模型进行简化，将现有中包含a相绕组、b相绕组和c相绕组的三相变换器模型，简化为仅包含单相绕组，对所述单相绕组进行精细化建模，得到变压器三维一档模型，如图3所示，图3是变压器三维一档模型示意图。
49.优选的，由于b相绕组处于结构中部，温升最为明显，所述单相绕组设置为b相绕组。
50.一实施例中，所述单相绕组包括单相高压绕组和单相低压绕组，如图3所示，图3是变压器三维一档模型示意图，图中从左到右依次为铁芯、单相低压绕组的、单相高压绕组、油箱。
51.一实施例中，对所述单相绕组进行精细化建模，可包涵变压器绕组、撑条、垫块、端部绝缘等内容；具体的，由于所述单相绕组包括单相高压绕组和单相低压绕组；其中，所述单相高压绕组包括第一线饼、第一垫块、第一撑条和第一端圈；所述单相低压绕组包括第二线饼、第二垫块、第二撑条和第二端圈；根据获得的变压器算单中的变压器模型相关数据，根据实际变压器模型相关参数建立快速计算变压器流体－温度场耦合仿真的模型。
52.优选的，第一线饼、第一垫块、第一撑条、第一端圈、第二线饼、第二垫块、第二撑条和第二端圈均与实际变压器部件形状及尺寸相同；所述变压器算单为已知数据。
53.一实施例中，如图4所示，图4是变压器三维一档模型中单相绕组的网格剖分示意图；由图可知，变压器三维一档模型中包括单相低压绕组1与单相高压绕组2，变压器的撑条3，变压器垫块4；在短路电流冲击下，根据变压器运行方式，在高低压输入电流方向相反的条件下，会导致单相高低压绕组受到的电磁力方向相反(高压向外，低压向内，可以通过异向相吸原理得出)，在10ms时刻短路峰值电流的冲击下，单相高低压绕组受电磁力作用可能会发生形变，单相高低压绕组对应的撑条与垫块可在实际中，起到固定绕组的作用，同时作为绕组的层间支撑和绝缘，并形成散热油道或风道；在实际应用中，在短路电流的冲击下，撑条和垫块还可有效防止高低压绕组所受辐向、轴向力对绕组危害，在撑条和垫块的支撑和固定下，绕组抵抗坍塌、翘曲、失稳的能力大大提高。相较于二维仿真模型，无法将撑条和垫块加入到模型中，使得变压器在长期运行过程中，不断处于发热散热过程，在长期热应的作用下，绕组垫块、压板、撑条等材料出现弹性模量下降和厚度收缩，会逐步引起支撑结构的松弛，线圈刚度降低，进而影响线圈的短路承受能力。
54.步骤102：基于算单计算所述变压器三维一档模型的模型单相电流，将计算出的所述模型单相电流输入到所述变压器三维一档模型中，得到变压器的单相损耗密度。
55.一实施例中，根据变压器的三相对称性，在建模分析中，采用强加激励方式来分析，可以将变压器中的单个绕组拿出分析，基于算单计算所述变压器的单相电流，并将所述单相电流作为所述变压器三维一档模型的模型单相电流。
56.一实施例中，计算出模型单相电流后，在模型单相绕组切面处插入模型单相单流；具体的，将所述模型单相电流以公式输入的方式，输入到所述变压器三维一档模型中。
57.一实施例中，所述变压器三维一档模型对所述模型单相电流进行仿真处理，得到变压器的铁损和铜损，基于所述铁损和所述铜损，计算并输出变压器的单相损耗密度。具体的，变压器三维一档模型能基于插入的模型的单相电流，直接输出变压器的单相损耗密度，其中，所述变压器的单相损耗密度包括铁芯的损耗密度、高压绕组的损耗密度和低压绕组的损耗密度，且本实施例中，将所述变压器的单相损耗密度作为温度场计算热源。
58.步骤103：设置变压器的模型仿真参数，根据所模型仿真参数和所述单相损耗密度，对所述变压器三维一档模型进行迭代仿真处理，得到变压器温度场仿真结果。
59.一实施例中，设置变压器的模型仿真参数，其中，所述模型仿真参数包括变压器温度场状态、重力加速度、变压器流体材料、变压器固体材料、流体速度和边界条件。
60.具体的，可以设置变压器温度场状态为瞬态场或静态场。
61.具体的，由于重力会对油流产生影响，因此，还设置重力加速度，其重力加速度在z方向为－9.78。
62.具体的，设置变压器流体材料和变压器固体材料，其中，所述变压器流体材料为油，所述变压器固体材料为铜、硅钢和环氧树脂；对于设置的材料，还需要设置各材料对应的材料属性，如对于变压器流体材料由，设置其材料属性包括密度、比热、热导率和动力粘度。
63.优选的，将所述变压器三维一档模型中的单相绕组的材料设置为铜，将所述铁芯设置为硅钢。
64.具体的，还对所述变压器三维一档模型设置边界条件，包括设置进出口边界、内边界和固体边界，且对于进出口边界可以在进出口位置设置油流速度。
65.优选的，当设置的变压器的模型仿真参数发生更改时，仅需对更改的模型仿真参数进行初始化处理。
66.一实施例中，基于设置的变压器的模型参数和所述单相损耗密度，将所述变压器的模型参数代入到所述变压器三维一档模型中，以使完成对变压器三维一档模型的参数的设置。
67.一实施例中，对设置好的所述变压器三维一档模型进行迭代仿真处理，得到变压器温度场仿真结果。优选的，对变压器三维一档模型设置220次迭代仿真处理。
68.一实施例中，在对所述变压器三维一档模型进行迭代仿真处理时，还将所仿真处理过程转换为线条示意图，判断所述线条示意图中是否存在尖刺区域，若是，则对所述变压器三维一档模型增加迭代次数，以使所述变压器三维一档模型重新进行迭代仿真处理，直至判断所述线条示意图中不存在尖刺区域，如图5所示，图5是变压器三维一档模型迭代仿真过程示意图。
69.一实施例中，在完成对变压器三维一档模型的迭代仿真处理后，就可得到变压器温度场仿真结果，其中，所述得到变压器温度场仿真结果包括单相高压绕组温度场分布云图、单相低压绕组温度场分布云图、变压器铁芯温度分布云图、撑条温度分布云图、垫块温度分分布图、油流分布图和绕组区域油流分布图；如图6所示，图6是单相高压绕组温度场分布云图；如图7所示，图7是单相低压绕组温度场分布云图；如图8所示，图8是变压器铁芯温度分布云图；如图9所示，图9是撑条温度分布云图；如图10所示，图10是垫块温度分布图；如图11所示，图11是油流分布图；如图12所示，图12是绕组区域油流分布图。
70.综上，本发明提供的一种基于变压器模型的温度场仿真计算方法，通过对现有的变压器三维全模型进行简化，构建仅包含单相绕组的变压器三维一档模型，解决了现有的变压器三维全模型运算量大，网格剖分困难，计算时间长的问题，能提高后续模型仿真计算的效率；同时，相比于变压器二维单相模型，可在变压器三维一档模型中增加撑条和垫块，使得模型更精细化，不仅可以得到绕组油箱的温升效果，也可以得到撑条和垫快的温升以及对温度分部的影响。
71.实施例2
72.参见图2，图2是本发明提供的一种基于变压器模型的温度场仿真计算装置的一种实施例的结构示意图，如图2所示，该装置包括变压器三维一档模型构建模块201、单相损耗密度计算模块202和变压器温度场仿真结果获取模块203，具体如下：
73.所述变压器三维一档模型构建模块201，用于获取并根据变压器参数，构建变压器三维一档模型，其中，所述变压器三维一档模型包括铁芯、单相绕组和油箱。
74.所述单相损耗密度计算模块202，用于基于算单计算所述变压器三维一档模型的模型单相电流，将计算出的所述模型单相电流输入到所述变压器三维一档模型中，得到变压器的单相损耗密度。
75.所述变压器温度场仿真结果获取模块203，用于设置变压器的模型仿真参数，根据所模型仿真参数和所述单相损耗密度，对所述变压器三维一档模型进行迭代仿真处理，得到变压器温度场仿真结果。
76.一实施例中，所述变压器三维一档模型构建模块201中所述单相绕组包括单相高压绕组和单相低压绕组；其中，所述单相高压绕组包括第一线饼、第一垫块、第一撑条和第一端圈；所述单相低压绕组包括第二线饼、第二垫块、第二撑条和第二端圈。
77.一实施例中，所述变压器温度场仿真结果获取模块203，用于设置变压器的模型仿真参数，其中，所述模型仿真参数包括变压器温度场状态、重力加速度、变压器流体材料、变压器固体材料、流体速度和边界条件。
78.一实施例中，所述单相损耗密度计算模块202，用于基于算单计算所述变压器三维一档模型的模型单相电流，将计算出的所述模型单相电流输入到所述变压器三维一档模型中，得到变压器的单相损耗密度，具体包括：基于算单计算所述变压器的单相电流，并将所述单相电流作为所述变压器三维一档模型的模型单相电流；将所述模型单相电流以公式输入的方式，输入到所述变压器三维一档模型中，以使所述变压器三维一档模型对所述模型单相电流进行仿真处理，得到变压器的铁损和铜损，基于所述铁损和所述铜损，计算并输出变压器的单相损耗密度。
79.所属领域的技术人员可以清楚的了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不在赘述。
80.需要说明的是，上述基于变压器模型的温度场仿真计算装置的实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
81.在上述的基于变压器模型的温度场仿真计算方法的实施例的基础上，本发明另一实施例提供了一种基于变压器模型的温度场仿真计算终端设备，该基于变压器模型的温度场仿真计算终端设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现本发明任意一实施例的基于变压器模型的温度场仿真计算方法。
82.示例性的，在这一实施例中所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块，所述一个或者多个模块被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述基于变压器模型的温度场仿真计算终端设备中的执行过程。
83.所述基于变压器模型的温度场仿真计算终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述基于变压器模型的温度场仿真计算终端设备可包
括，但不仅限于，处理器、存储器。
84.所称处理器可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signalprocessor，dsp)、专用集成电路(application specificintegrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field－programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述基于变压器模型的温度场仿真计算终端设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个基于变压器模型的温度场仿真计算终端设备的各个部分。
85.所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述基于变压器模型的温度场仿真计算终端设备的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(smart media card，至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
86.在上述基于变压器模型的温度场仿真计算方法的实施例的基础上，本发明另一实施例提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时，控制所述存储介质所在的设备执行本发明任意一实施例的基于变压器模型的温度场仿真计算方法。
87.在这一实施例中，上述存储介质为计算机可读存储介质，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read－only memory)、随机存取存储器(ram，random accessmemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
88.综上，本发明公开了一种基于变压器模型的温度场仿真计算方法及装置，通过获取并根据变压器参数，构建变压器三维一档模型，其中，所述变压器三维一档模型包括铁芯、单相绕组和油箱；基于算单计算所述变压器三维一档模型的模型单相电流，将计算出的所述模型单相电流输入到所述变压器三维一档模型中，得到变压器的单相损耗密度；设置变压器的模型仿真参数，根据所模型仿真参数和所述单相损耗密度，对所述变压器三维一档模型进行迭代仿真处理，得到变压器温度场仿真结果。与现有技术相比，本发明的技术方案对现有的变压器模型进行简化，解决三维全模型运算量大，网格剖分困难，计算时间长的问题，能提高变压器三维一档模型仿真计算效率。
89.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。