基于相似理论的油浸式变压器缩比模型模拟系统及方法与流程

本发明属于变压器多物理场仿真，尤其涉及一种基于相似理论的油浸式变压器缩比模型模拟方法。

背景技术：

1、变压器是电力输送最重要的设备之一，其数量众多结构复杂，运行安全性直接影响系统可靠性。变压器温升是影响变压器运行状态、物理条件和绝缘寿命的重要因素之一。为了保证变压器设备在运行中的安全性和高效性，避免在运行过程中出现故障，建立变压器模型进行运行状态的多物理场仿真和实验验证具有重要意义。

2、开展油浸式变压器模拟试验的手段主要包括原型模拟试验和相似模型模拟试验。开展原型模拟试验存在试验成本高、耗费时间长以及试验过程可控性差等不足，具体实施也存在极大困难。相似模型模拟试验因其良好的经济性和实用性，常用于代替原型模型，间接地模拟设备的性能，在飞机和船舶制造等不同领域得到了广泛的应用。利用相似模型深入了解变压器状态演变、温升变化规律以及故障概率，具有重要的实际工程应用价值。

技术实现思路

1、本发明的目的就是要提供一种基于相似理论的油浸式变压器缩比模型模拟系统及方法，该方法精度高、效率高、且切实可行。

2、为实现此目的，本发明所设计的基于相似理论的油浸式变压器缩比模型模拟系统，包括变压器缩比模型搭建模块、涡流场相似模型仿真模块、能量守恒相似模型确定模块、动量守恒相似模型确定模块、对流换热相似模型确定模块、温度流体场仿真模块；所述变压器缩比模型搭建模块用于确定变压器的型号与结构参数，以及物理现象模拟的缩比模型相似比；所述涡流场相似模型仿真模块用于确定与变压器电磁场相适应的涡流场控制方程，并基于相似理论推导得到涡流场相似准则，并进行涡流场仿真；所述能量守恒相似模型确定模块用于确定能量守恒相似准则；所述动量守恒相似模型确定模块用于确定动量守恒相似准则；所述对流换热相似模型确定模块用于根据对流传热边界条件确定对流换热相似准则；所述温度流体场仿真模块基于所述涡流场相似准则、能量守恒相似准则、动量守恒相似准则和对流换热相似准则确定热流补偿原则，进行温度流体场仿真，并与原结构模型仿真结果和原型实验结果相比较。

3、所述对流换热相似模型确定模块输出低压热源、高压热源、环境温度、上对流换热系数、下对流换热系数、侧边对流换热系数中的多种，其中，所述低压热源作为所述温度流体场仿真模块中低压绕组的损耗，所述高压热源作为温度流体场仿真模块中高压绕组的损耗，所述环境温度用来确定所述温度流体场仿真模块中的温度边界条件，所述上对流换热系数、下对流换热系数、侧边对流换热系数用来作为温度流体场仿真模块中的换热边界条件。

4、所述涡流场相似模型仿真模块的具体实现方式为：

5、基于所述变压器三维模型，通过涡流场控制方程推导得到涡流场相似准则，利用有限元法计算正弦激励稳态工况条件下变压器的损耗；以损耗作为热源，作为基于后续温度流体场相似理论下的模型的激励，并结合环境因素等边界条件，对各工况条件下的变压器进行温度流体场仿真，获得温度场和流体场分布图；

6、所述稳态工况包括额定负载、过负载、欠负载中的一种或多种；

7、所述变压器对流换热相似模型确定模块所需要的外部环境参数包括温度、风速、湿度中的一种或多种。

8、通过涡流场控制方程推导得到电磁场相似理论的具体实现方法为：

9、通过maxwell方程组确定与变压器电磁场相适应的涡流场控制方程，并基于方程分析法推导得到涡流场相似准则，分别为γ1＝μσlφ/a，γ2＝μσl2/t，γ3＝μjsl2/a，其中，γ1表示电位梯度与电场强度之比度量，γ2表示法拉第电磁感应定律，γ3表示麦克斯韦-安培定律，γ1、γ2与γ3代表涡流场相似模型所需要的三个相似准则。μ表示磁导率，σ表示电导率，l表示结构参数，φ表示磁通，a表示磁矢势，t表示与电源频率对应的时间常数，js表示源电流密度。

10、所述能量守恒相似模型确定模块的具体实现方法为：基于能量守恒方程确定能量守恒相似准则，得到γ4＝ρul/μf，表示变压器油惯性力与粘性力之比的度量，γ5＝μfcp/k，表示油流动量扩散厚度与热量扩散厚度之比的度量，其中ρ表示变压器油密度，u表示油流速度，l表示结构变量，μf表示动力粘度，cp变压器油定压热容，k表示变压器油热导率。

11、所述动量守恒相似模型确定模块的具体实现方法为：基于动量守恒方程确定动量守恒相似准则，得到γ6＝βgδtρ2l3/μf2，表示变压器油自然对流传热中浮升力和粘性力的度量，式中，β表示变压器油热膨胀系数，g表示重力加速度，δt表示温度梯度，ρ表示变压器油密度，l表示相似模型相似比，μf表示变压器油热导率。

12、所述对流换热相似模型确定模块的具体实现方法为：根据对流传热边界条件确定对流换热相似准则，得到γ7＝hl/k，表示变压器与固体换热壁面上的无量纲温度梯度的度量，h表示壁面的对流换热系数，l表示结构变量。

13、所述对流换热相似模型确定模块中的对流换热准则基于牛顿冷却定律和傅里叶换热定律得到。

14、一种基于相似理论的油浸式变压器缩比模型模拟方法，它包括如下步骤：

15、步骤1，确定变压器的型号与多物理场分析所需要的结构参数，以及物理现象模拟的缩比模型相似比；

16、步骤2，通过maxwell方程组确定与变压器电磁场相适应的涡流场控制方程，并基于相似理论推导得到涡流场相似准则，并进行涡流场仿真；

17、步骤3，基于能量守恒方程确定能量守恒相似准则；

18、步骤4，基于动量守恒方程确定动量守恒相似准则；

19、步骤5，根据对流传热边界条件确定对流换热相似准则；

20、步骤6，综合各相似准则确定热流补偿原则，进行温度-流体场仿真，并与原结构模型仿真结果和原型实验结果相比较。

21、所述步骤1中的结构参数包括绕组饼数与间距、油道长宽值以及挡油板位置；所述缩比模型相似比根据工程试验需要或控制制造成本来确定；

22、所述步骤2的具体实现方式为：基于变压器三维模型，通过涡流场控制方程推导得到涡流场相似准则，利用有限元法计算正弦激励稳态工况条件下变压器的损耗；以损耗作为热源，作为基于后续温度流体场相似理论下的模型的激励，并结合环境因素等边界条件，对各工况条件下的变压器进行温度流体场仿真，获得温度场和流体场分布图；

23、所述稳态工况包括额定负载、过负载、欠负载中的一种或多种；

24、所述变压器对流换热相似模型确定模块所需要的外部环境参数包括温度、风速、湿度中的一种或多种；

25、通过涡流场控制方程推导得到电磁场相似理论的具体实现方法为：

26、通过maxwell方程组确定与变压器电磁场相适应的涡流场控制方程，并基于方程分析法推导得到涡流场相似准则，分别为γ1＝μσlφ/a，γ2＝μσl2/t，γ3＝μjsl2/a，其中，γ1表示电位梯度与电场强度之比度量，γ2表示法拉第电磁感应定律，γ3表示麦克斯韦-安培定律，μ表示磁导率，σ表示电导率，l表示结构参数，φ表示磁通，a表示磁矢势，t表示与电源频率对应的时间常数，js表示源电流密度；

27、基于涡流场相似准则可知缩比模型的电磁场与原模型相似时，电源频率相似比应为结构相似比的倒数的平方倍数；

28、所述步骤3的具体实现方法为：基于能量守恒方程确定能量守恒相似准则，得到γ4＝ρul/μf，表示变压器油惯性力与粘性力之比的度量，γ5＝μfcp/k，表示油流动量扩散厚度与热量扩散厚度之比的度量，其中ρ表示变压器油密度，u表示油流速度，l表示结构变量，μf表示动力粘度，cp变压器油定压热容，k表示变压器油热导；

29、所述步骤4的具体实现方法为：基于动量守恒方程确定动量守恒相似准则，得到γ6＝βgδtρ2l3/μf2，表示变压器油自然对流传热中浮升力和粘性力的度量，式中，β表示变压器油热膨胀系数，g表示重力加速度，δt表示温度梯度，ρ表示变压器油密度，l表示相似模型相似比，μf表示变压器油热导率；

30、所述步骤5输出低压热源、高压热源、环境温度、上对流换热系数、下对流换热系数、侧边对流换热系数中的多种；所述步骤5中的对流换热准则基于牛顿冷却定律和傅里叶换热定律得到。

31、本发明的有益效果为：

32、(1)基于方程分析法、量纲分析法得到变压器缩比模型的多物理场仿真方法，以此指导缩比模型电磁场、温度流体场实验的实现，可以大大节省原型变压器实验的时间成本，可以很好地应用于工程实际。

33、(2)计算简单，精度高，效率高，切实可行。