一种变压器的热量收集系统及方法与流程

1.本发明实施例涉及变压器技术领域，特别涉及一种变压器的热量收集系统及方法。


背景技术：

2.变压器运行期间铁芯和绕组会产生大量热量，所以控制温升对变压器的安全、稳定运行非常关键。油浸式变压器以变压器油为冷却及绝缘介质，具有散热能力好、负载能力强等特点，在电力系统应用最为广泛。
3.相关技术中，油浸式变压器的散热通常是采用冷却器散热的方式。然而，冷却器所散发的热量会提升变压器附件的温度，从而可能带来新的次生问题。
4.因此，目前亟待需要提供一种变压器的热量收集系统及方法来解决上述技术问题。


技术实现要素：

5.为了有效处理油浸式变压器产生的热量，本发明实施例提供了一种变压器的热量收集系统及方法。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种变压器的热量收集系统，包括：
7.油箱，其内容纳有变压器的铁芯和绕组；
8.储热装置，通过油管分别与所述油箱的顶端和底端连接，所述储热装置设置有储热介质，所述油箱和所述油管充满有变压器油，所述油管设置有油泵；
9.在变压器开始工作时，利用所述油泵带动所述变压器油由所述油箱的顶端经所述油管流至所述储热装置，并由所述储热装置经所述油管流至所述油箱的底端，从而使得所述变压器油的热量传递至所述储热介质，以实现对所述变压器油的热量收集。
10.第二方面，本发明实施例提供了一种变压器的热量收集方法，应用于上述所述的系统，包括：
11.步骤a1、对所述第一温度传感器设定所述第一预设温度；
12.步骤a2、在所述变压器开始工作时，所述变压器油从所述换热器流过，将热量传递给所述储热容器中的所述储热介质；同时，所述第一温度传感器向所述控制器实时发送油温信息；
13.步骤a3、在所述第一温度传感器检测到的温度大于所述第一预设温度时，所述控制器调整所述变压器油的流向，逐步增加分配给所述冷却器的流量；
14.步骤a4、在所述第一温度传感器检测到的温度不大于所述第一预设温度时，所述控制器逐步增加分配给所述换热器的流量；
15.步骤a5、在所述第一温度传感器检测到的温度大于所述第一预设温度时，重新进入步骤a3，如此往复，以使所述第一温度传感器检测到的温度始终在所述第一预设温度附近保持动态平衡。
16.第三方面，本发明实施例提供了一种变压器的热量收集方法，应用于上述所述的系统，包括：
17.步骤b1、对所述第一温度传感器设定所述第一预设温度；
18.步骤b2、在所述变压器开始工作时，所述变压器油从所述换热器流过，将热量传递给所述储热容器中的所述储热介质；同时，所述第一温度传感器向所述控制器实时发送油温信息；
19.步骤b3、所述控制器根据如下公式调整增加分配给所述冷却器的流量，以使所述第一温度传感器检测到的温度始终在所述第一预设温度附近保持动态平衡：
[0020][0021]
式中，n表示所述第一温度传感器的采样序号，n＝0，1，2
…
；u(n)表示输出控制量，即分配给所述冷却器的流量；kp表示比例增益；e(n)表示所述第一温度传感器检测到的温度与所述第一预设温度的差值；t表示采样时间步长；ti表示积分时间常数；td表示微分时间常数；其中，kp取0.1，t取1s，ti取2，td取0.5。
[0022]
本发明实施例提供了一种变压器的热量收集系统及方法，通过设置储热装置，并使储热装置和油箱循环连通，这样在变压器开始工作时，利用油泵带动变压器油由油箱的顶端经油管流至储热装置，并由储热装置经油管流至油箱的底端，从而使得变压器油的热量传递至储热介质，以实现对变压器油的热量收集。因此，上述方案能够在变压器运行期间，确保变压器温升满足要求的前提下收集其散发的热量，并储存在储热装置中，即在提高变压器运行经济性的同时，减轻其冷却系统带来的次生危害。
附图说明
[0023]
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。
[0024]
图1为本发明一实施例提供的变压器热量收集系统的结构示意图；
[0025]
图2为本发明一实施例提供的变压器热量收集方法的流程图；
[0026]
图3为本发明另一实施例提供的变压器热量收集方法的流程图；
[0027]
图4为采用图3的一个典型案例油温和时间的分析结果。
[0028]
附图标记：
[0029]
1-油箱；2-储热装置；21-储热容器；22-换热器；3-油管；4-油泵；5-冷却器；51-风扇；6-第一温度传感器；7-第二温度传感器；8-分流阀；9-合流阀。
具体实施方式
[0030]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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的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。
[0031]
相关技术中，油浸式变压器的散热通常是采用冷却器散热的方式，例如强迫油循环风冷(ofaf)和强迫导向油循环风冷(odaf)，其通过冷却器散发的热量可达到整个变压器散热量的75％以上。
[0032]
当前，变压器损耗热量一直未得到有效利用，一方面造成了能源浪费问题，另一方面冷却器工作时会产生较大的噪声，且散发的热量还会提升设备附近的温度，带来新的次生问题。因此，如何有效处理油浸式变压器产生的热量就显得尤为重要。
[0033]
为了解决该技术问题，发明人在研发过程中发现：可以通过设置储热装置，并使储热装置和油箱循环连通，从而利用储热装置实现对变压器油的热量收集。
[0034]
下面介绍本发明实施例的发明构思。
[0035]
请参考图1，本发明实施例提供了一种变压器的热量收集系统，该系统包括：
[0036]
油箱1，其内容纳有变压器的铁芯和绕组(图中未示出)；
[0037]
储热装置2，通过油管3分别与油箱1的顶端和底端连接，储热装置2设置有储热介质，油箱1和油管3充满有变压器油，油管3设置有油泵4；
[0038]
在变压器开始工作时，利用油泵4带动变压器油由油箱1的顶端经油管3流至储热装置2，并由储热装置2经油管3流至油箱1的底端，从而使得变压器油的热量传递至储热介质，以实现对变压器油的热量收集。
[0039]
在本实施例中，通过设置储热装置2，并使储热装置2和油箱1循环连通，这样在变压器开始工作时，利用油泵4带动变压器油由油箱1的顶端经油管3流至储热装置2，并由储热装置2经油管3流至油箱1的底端，从而使得变压器油的热量传递至储热介质，以实现对变压器油的热量收集。因此，上述方案能够在变压器运行期间，确保变压器温升满足要求的前提下收集其散发的热量，并储存在储热装置2中，即在提高变压器运行经济性的同时，减轻其冷却系统带来的次生危害。
[0040]
由于热量由下向上升，所以油箱1中顶部的变压器油的温度最高。如前所述，在变压器开始工作时，需要及时将温度高的变压器油排出油箱1，以保证变压器的安全运行。因此，可以考虑在油箱1的顶端设置变压器油的排出口。
[0041]
可以理解的是，储热介质可以是固态、液体(例如水)，在此对储热介质的具体类型不进行限定。
[0042]
在本发明一个实施例中，储热装置2包括设置有储热介质的储热容器21和设置于储热容器21内的换热器22，换热器22通过油管3分别与油箱1的顶端和底端连接。
[0043]
在本实施例中，通过设置换热器22，可以增大变压器油在储热容器21的换热面积，从而可以快速将变压器油的热量通过换热器22传递至储热介质中。
[0044]
在一些实施方式中，换热器22可以为盘管，在此不进行限定。
[0045]
在本发明一个实施例中，还包括控制器(图中未示出)和冷却器5，与油箱1的顶端连接的油管3设置有第一温度传感器6，控制器与第一温度传感器6电连接，冷却器5和储热装置2并联在油管3上；
[0046]
在第一温度传感器6检测到的温度大于第一预设温度时，控制器控制由油箱1流出的至少部分变压器油经油管3流至冷却器5，并由冷却器5经油管3流至油箱1的底端；其中，冷却器5用于对变压器油进行散热。
[0047]
在本实施例中，如果变压器油的热量不能快速通过储热介质进行收集，此时可能
出现油箱1中变压器油的油温过高的风险，即第一温度传感器6检测到的温度大于第一预设温度。因此，通过设置控制器、第一温度传感器6和冷却器5，可以在第一温度传感器6检测到的温度大于第一预设温度时，利用控制器控制由油箱1流出的至少部分变压器油经油管3流至冷却器5，并由冷却器5经油管3流至油箱1的底端，这样就可以快速实现对变压器油的散热，从而可以保证变压器的安全运行。
[0048]
在本发明一个实施例中，第一温度传感器6设置于与油箱1的顶端连接的油管3的入口处，如此可以确保第一温度传感器6检测到的温度为油箱1中变压器油的最高温度，从而可以保证及时利用冷却器5对变压器油进行散热。
[0049]
在本发明一个实施例中，储热容器21内设置有第二温度传感器7，储热容器21连接有循环装置(图中未示出)，第二温度传感器7和循环装置均与控制器电连接；
[0050]
在第二温度传感器7检测到的温度大于第二预设温度时，控制器控制循环装置对储热容器21内的储热介质进行循环利用，以降低回流至储热容器21的储热介质的温度；其中，第一预设温度大于第二预设温度。
[0051]
在本实施例中，通过设置第二温度传感器7和循环装置，可以及时将储热介质的热量排出，如此可以保证储热容器21内的储热介质的温度不会超过第二预设温度。
[0052]
在一些实施方式中，第一预设温度可以是50℃，第二预设温度可以是40℃，在此对第一预设温度和第二预设温度的具体数值不进行限定。
[0053]
也就是说，储热容器21可以为封闭式容器，也可以为开放式容器。通过设置第二温度传感器7在实时监测储热容器21内储热介质的温度，可以使得储热容器21切换为开放式容器，即与循环装置连通，如此可以实现对储热介质热量的利用，从而可以将降低温度后的储热介质重新回流至储热容器21中。可以理解的是，本发明实施例既可以采用储热容器21为封闭式容器和冷却器5相耦合的方案，也可以采用储热容器21为开放式容器的方案，还可以采用储热容器21为开放式容器和冷却器5相耦合的方案，在此不进行限定。
[0054]
在一些实施方式中，循环装置可以是任何能够吸收储热介质的结构，例如通过换热结构将热量吸收利用，在此对循环装置的具体组成不进行赘述。
[0055]
在本发明一个实施例中，冷却器5设置有风扇51，风扇51与控制器电连接；
[0056]
在第一温度传感器6检测到的温度大于第一预设温度且由油箱1流出的全部变压器油流至冷却器5时，控制器控制风扇51工作，以提高冷却器5的冷却能力。
[0057]
在本实施例中，如果由油箱1流出的全部变压器油流至冷却器5时，仍然出现第一温度传感器6检测到的温度大于第一预设温度的情况，那么还可以利用控制器控制风扇51工作，以提高冷却器5的冷却能力，从而可以进一步确保变压器的安全运行。
[0058]
在本发明一个实施例中，还包括分流阀8，分流阀8与控制器电连接，分流阀8设置于油管3上，分流阀8分别与油箱1的顶端、换热器22和冷却器5连通；
[0059]
在第一温度传感器6检测到的温度大于第一预设温度时，控制器控制分流阀8动作，以确定流至换热器22和冷却器5的变压器油的流量比例。
[0060]
在本实施例中，通过设置分流阀8，可以通过控制器来控制分流阀8的开度，以实现流至换热器22和冷却器5的变压器油的流量比例，从而可以有效地调节变压器油的油温。
[0061]
当然，分流阀8也可以由两个电磁阀来代替，即连接油箱1的顶端的油管3分别与两个电磁阀连通，然后该两个电磁阀又分别与换热器22和冷却器5连通。
[0062]
在本发明一个实施例中，还包括合流阀9，合流阀9与控制器电连接，合流阀9设置于油管3上，合流阀9分别与油箱1的底端、换热器22和冷却器5连通。
[0063]
在本实施例中，通过设置合流阀9，可以使得变压器油通过换热器22和/或冷却器5后更加顺畅地流回至油箱1的底端。
[0064]
当然，也可以不设置合流阀9，即换热器22和冷却器5均直接与连接油箱1底端的油管3连接。
[0065]
如图2所示，本发明实施例还提供了一种变压器的热量收集方法，应用于上述实施例提及到的系统，该方法包括：
[0066]
步骤a1、对第一温度传感器6设定第一预设温度；
[0067]
步骤a2、在变压器开始工作时，变压器油从换热器22流过，将热量传递给储热容器21中的储热介质；同时，第一温度传感器6向控制器实时发送油温信息；
[0068]
步骤a3、在第一温度传感器6检测到的温度大于第一预设温度时，控制器调整变压器油的流向，逐步增加分配给冷却器5的流量；
[0069]
步骤a4、在第一温度传感器6检测到的温度不大于第一预设温度时，控制器逐步增加分配给换热器22的流量；
[0070]
步骤a5、在第一温度传感器6检测到的温度大于第一预设温度时，重新进入步骤a3，如此往复，以使第一温度传感器6检测到的温度始终在第一预设温度附近保持动态平衡。
[0071]
可以理解的是，该方法与上述系统同属于相同的发明构思，因此二者具有相同的有益效果，在此对该方法的有益效果不进行赘述。
[0072]
需要说明的是，步骤a3中逐步增加分配给冷却器5的流量和步骤a4中逐步增加分配给换热器22的流量，可以是按照一定的阶梯原则来逐步增加，例如0:3、1:2、2:1、3:0。当然，也可以是其它更细或更粗粒度的阶梯原则，在此不进行限定。
[0073]
具体地，在步骤a3中，以尽量增加分配给冷却器5的流量为出发点，各阶梯的比例(冷却器5:换热器22)按照优先级依次为：0:3、1:2、2:1、3:0。当变压器油流量比例(冷却器5:换热器22)按0:3运行时，如果第一温度传感器6显示油温超过第一预设温度，可以首先将变压器油流量比例调整为1:2。如果第一温度传感器6显示油温上升，则进一步将变压器油流量比例调整为2:1。以此类推，直至第一温度传感器6显示油温下降且达到或者低于第一预设温度。
[0074]
具体地，在步骤a4中，假如第一温度传感器6显示油温达到或者低于目标值时，变压器油流量比例调整为3:0，则将变压器油流量比例调整为2:1；假如第一温度传感器6显示油温达到或者低于目标值时，变压器油流量比例调整为2:1，则将变压器油流量比例调整为1:2。以此类推。
[0075]
如图3所示，本发明实施例还提供了一种变压器的热量收集方法，应用于上述实施例提及到的系统，该方法包括：
[0076]
步骤b1、对第一温度传感器6设定第一预设温度；
[0077]
步骤b2、在变压器开始工作时，变压器油从换热器22流过，将热量传递给储热容器21中的储热介质；同时，第一温度传感器6向控制器实时发送油温信息；
[0078]
步骤b3、控制器根据如下公式(即基于pid算法)调整增加分配给冷却器5的流量，
以使第一温度传感器6检测到的温度始终在第一预设温度附近保持动态平衡：
[0079][0080]
式中，n表示第一温度传感器6的采样序号，n＝0，1，2
…
；u(n)表示输出控制量，即分配给冷却器5的流量；kp表示比例增益；e(n)表示第一温度传感器6检测到的温度与第一预设温度的差值；t表示采样时间步长；ti表示积分时间常数；td表示微分时间常数；其中，kp取0.1，t取1s，ti取2，td取0.5。
[0081]
可以理解的是，该方法与上述系统同属于相同的发明构思，因此二者具有相同的有益效果，在此对该方法的有益效果不进行赘述。
[0082]
为便于理解，基于pid算法，选取典型设备参数对油温和时间的关系进行了建模分析。模型中假设油温目标值(即第一预设温度)为60℃，油温初始值为65℃，外界对油温的影响为服从正态分布的随机数，并且变压器油比热容是恒定的，计算得到结果如图4所示。在实际运行过程中，变压器负荷、环境温度、储热介质温度等客观因素变化导致的油温波动是无法避免的，所以本系统的目的是使油温在目标值附近保持动态平衡，而不是绝对平衡。
[0083]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
…”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。
[0084]
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质中。
[0085]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。