[發明專利]一種基于磁-熱-流耦合的變壓器熱穩定計算方法

有效

• 申請號: 201710840949.6
• 申請日: 2017-09-18
• 公開（公告）號: CN107451381B
• 公開（公告）日: 2020-12-18
• 發明（設計）人: 萬信書;王爽;王錄亮;高澤華;梁鈺;陳林聰;王曙鴻;李元
• 申請（專利權）人: 海南電網有限責任公司電力科學研究院;西安交通大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/08
• 代理公司: 北京瑞思知識產權代理事務所(普通合伙) 11341
• 代理人: 李濤

一種基于磁?熱?流耦合的變壓器熱穩定計算方法，對任意一般變壓器建立磁—熱—流多物理場全耦合模型；分析計算變壓器本體穩態溫度場分布，并以此作為短路故障發生時的瞬態初值；計算出短路故障后2s內變壓器本體產生的焦耳熱。再以單位體積的焦耳熱作為熱源，對瞬態溫度場進行分析，并考慮油流速和溫度的相互作用以及變壓器本體的物理參數對溫度的依賴關系，隨著溫度變化不斷修正材料參數，得到故障發生2s后的溫度場分布作為判別變壓器本體熱穩定性的依據。

技術領域

本發明屬于電力變壓器技術領域，涉及的是一種基于磁-熱-流耦合的變壓器熱穩定計算方法。

背景技術

變壓器是電力系統能量傳輸和轉換的關鍵樞紐設備。在運行工程中變壓器的高損耗所引起的變壓器的局部過熱和溫升過高，將會直接影響變壓器的絕緣特性和使用壽命。

現階段研究變壓器溫度場的方法主要有經驗公式法、熱路模型法和數值分析法。經驗公式法可快速得到變壓器的熱點溫度，在常規變壓器的實際運行中具有一定的指導意義，但不適用于特殊結構的變壓器，如立體卷芯變壓器和新型變阻抗變壓器。熱路模型法以熱電類比法為基礎，用電路模型的方法簡化變壓器內部傳熱過程，將變壓器內熱交換過程簡化為熱路。該方法可直接得到反映變壓器熱交換物理過程的熱路模型，并得到變壓器熱點溫度的計算公式，計算結果的精度與熱路參數的準確性密切相關。目前傳統的熱點溫升的計算研究均假設其繞組熱源的產熱是均勻分布，實際上各個線餅的位置不同，每匝線圈的產熱量并不相同。數值計算法是利用電磁場、傳熱學以及流體力學原理，通過建立變壓器實體模型，研究繞組、鐵心和變壓器油之間的熱量傳遞問題，并作適當簡化，通過三個物理場之間的相互關系，聯立求解微分方程組，得變壓器溫度場分布，變壓器電磁損耗的計算直接影響溫度場計算的準確性。

目前大多數的數值計算方法都是采用經驗公式計算損耗，計算存在一定誤差，其次磁-熱-流三種物理場耦合分析時，將材料參數設置為常數，如銅的電導率、變壓器油的比熱容、熱導率和粘度等，均未考慮材料屬性對溫度變化的依賴關系，從而溫度場的計算精度無法保證。故對變壓器本體在短路狀況下的溫度場分析時，有必要采用有限元方法計算變壓器繞組、鐵心和油箱等產生的電磁損耗，考慮溫度變化對材料參數的影響，并且進一步采用磁-熱-流耦合場的方法分別計算變壓器本體的穩態溫度場和暫態溫度場分布。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于磁-熱-流耦合的變壓器熱穩定計算方法，可直接應用于實際系統中，具有較強的實用性。

本發明技術方案如下：

一種基于磁-熱-流耦合的變壓器熱穩定計算方法，包括以下步驟：

步驟一：首先將變壓器正常運行情況下的穩態電流值作為磁場的激勵，進行穩態磁場計算，得出其各部件的單位體積的電磁損耗(電磁熱)；

步驟二：將各部件單位體積的電磁熱作為溫度場分析的熱源，溫度場分布受變壓器油流速的影響，油流速又受溫度場的控制，同時計及變壓器本體的物理參數，如油的熱導率、動力粘度、比熱容以及銅導線的電阻率依據溫度變化的特性。如此循環迭代多次，直至溫度和流速均不隨時間變化，達到穩態，停止計算；

步驟三：將上述穩態計算的結果作為暫態初值，暫態磁場計算的瞬態激勵取為流過變壓器繞組的短路電流，磁場計算得到故障發生后2s內變壓器本體產生的焦耳熱；

步驟四：將單位體積的焦耳熱作為溫度場的熱源，進行瞬態溫度場的分析，同時考慮流速和溫度的相互作用，計算過程中計及變壓器本體的物理參數對溫度的依賴關系，根據溫度變化不斷修正其材料參數；

步驟五：由電力變壓器手冊可知，計算變壓器短路熱穩定能力的持續時間是 2s，故瞬態計算結束的判據是時間t2s，最終得到變壓器本體在短路故障發生 2s后的溫度場分布作為判別變壓器本體熱穩定性的依據。