一种变压器热点温度多物理场计算中热源分布确定方法技术

本发明专利技术属于变压器损耗检测技术领域，尤其涉及一种变压器热点温度多物理场计算中热源分布确定方法，包括：结合所研究的变压器，建立相对应的三维有限元计算模型，基于有限元法对变压器进行仿真计算，对变压器成品进行空载试验和负载试验，将计算得到的各结构件损耗和绕组损耗Pt，Pc，Po，P作为热源，进行变压器流热多物理场计算，本发明专利技术计算简单，效率高，相对于解析公式计算精度更高，可以更好地应用于工程实际。

A method to determine the distribution of heat source in the calculation of multi physical field of transformer hot spot temperature

【技术实现步骤摘要】
一种变压器热点温度多物理场计算中热源分布确定方法
本专利技术属于变压器损耗检测
，尤其涉及一种变压器热点温度多物理场计算中热源分布确定方法。
技术介绍
变压器作为电力系统中最重要的设备之一，数量众多，结构复杂，直接关系到供电的可靠性和安全性。变压器运行时，在铁心、绕组、钢结构件中均要产生损耗，这些损耗将转变为热量散发到周围介质中，继而引起变压器各部件发热，当温度超过绝缘材料所允许的最高工作温度时，就会加速绝缘材料的老化继而影响变压器的寿命。损耗大小以及分布是影响热点温升的最主要原因，对变压器各部件损耗的精确分析是计算变压器热点温升问题非常重要的基础性研究。损耗大小可通过实测值或者经验公式计算值确定，其中实测值认可度较高，但是变压器负载试验得到的负载损耗无法分离各结构件及绕组产生的损耗，因此工程研究者们在长期工作中总结出计算变压器各部分损耗的解析公式，但是随着变压器等级和容量的提升，大型电力变压器要承受很高的电磁负荷密度，变压器漏磁通显著增加，漏磁通穿过夹件、拉板、油箱以及屏蔽等金属结构件时所产生的杂散损耗也随之增大。这些方法的准确性有待提升。而准确地计算出夹件、拉板、油箱、绕组、铁心等对温升影响较大的部件损耗，为后续流热耦合分析中研究由其引发的变压器内部热点温升等问题的基础。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种变压器热点温度多物理场计算中热源分布确定方法，将仿真计算与试验相结合，该方法精度高、效率高、且切实可行。本专利技术为一种变压器热点温度多物理场计算中热源分布确定方法，包括步骤：S1结合所研究的变压器，建立相对应的三维有限元计算模型：根据实际图纸信息确定铁心参数、绕组尺寸和匝数、油箱尺寸等，并对模型各部件材料属性进行设置；对各绕组设置电流激励，包括大小以及方向；设置求解边界条件，对模型进行网格，设置求解参数进行有限元仿真计算；S2基于有限元法对变压器进行仿真计算：得到变压器二次侧绕组在额定电流下变压器的漏磁分布，得到涡流密度J等，涡流区域损耗(不包含铁损)通过下式计算：式中：J为涡流密度，Pe为欧姆损耗，v为划分的网格单元，σ为电导率；计算磁滞损耗部分可以由求得的磁通密度峰值基础上通过N个有限元量使用Ph-Bm表示：式中：Ph为磁滞损耗，N为有限元单元数量，Ph(i)表示第i个单元的磁滞损耗，Bm(i)为第i个单元的磁通密度峰值，V(i)为体积元，ρ为钢板材料密度；基于上述公式，通过软件后处理功能得到结构件如拉板、夹件、油箱的损耗，分别记为Pt，Pc，Po；S3对变压器成品进行空载试验和负载试验，得到空载损耗Pk和负载损耗Pf，Pf包括绕组的直流电阻损耗，绕组内产生的涡流损耗、环流损耗以及变压器铁心、油箱、夹件、拉板等结构件内产生的损耗；根据负载试验结果和仿真计算得到的拉板、夹件、油箱上的损耗计算绕组产生的损耗计算绕组损耗，记为P，P＝Pf-Pt-Pc-Po；S4将计算得到的各结构件损耗和绕组损耗Pt，Pc，Po，P作为热源，进行变压器流热多物理场计算；进一步的，所述考虑的变压器三维模型包括铁心、绕组、拉板、夹件、油箱根据对称性可以按照全模型、1/2模型、1/4模型进行建模分析。进一步的，步骤S1进一步包括：建立变压器的几何模型时，将高、低压侧的绕组都采用圆筒式绕组代替，并作以下假设：绕组内部的电流分布均匀；几何模型中各部件的材料属性包括设置铁心和绕组部位材料的电阻率、相对磁导率、密度；网格划分时，对于拉板，夹件、油箱等设置分层网格，便于得到精确的计算结果。进一步的，步骤S3中进行空载试验时，具体操作为将变压器二次侧开路，一次侧施加额定电压，从电源输入的功率亦为空载损耗Pk；负载试验时，将变压器二次侧短路，在一次侧施加一定的电压，当绕组电流达到额定值时，从电源输入的功率亦为负载损耗Pf。和现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：(1)本专利技术建立了变压器的三维模型，通过计算得到了夹件、拉板、油箱等结构件的损耗，绕组的损耗通过变压器短路试验得到的总损耗减去仿真计算得到的结构件损耗确定；(2)计算简单，避免了解析公式误差，精度高，效率高，切实可行。附图说明图1是本专利技术实施方法的基本流程示意图；图2为本专利技术实施方法包含的一种变压器三维有限元计算模型；图3为本专利技术实施方法包含的一种变压器网格剖分示意图；图4为本专利技术实施方法包含的一种变压器短路试验电路图；图5为本专利技术实施方法包含的一种变压器空载试验电路图；为了更清楚地说明本专利技术或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本专利技术的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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，并获得其他的实施方式。图1所示为变压器热点温度多物理场计算中热源分布确定具体流程，可应用于10kV及以上变压器的热源分布确定，具体步骤如下：步骤1：结合所研究的变压器对象，建立相对应的三维有限元计算模型：根据实际图纸信息确定铁心参数、绕组尺寸和匝数、油箱尺寸等，并对模型各部件材料属性进行设置，对各绕组设置电流激励大小以及方向，对求解边界条件进行设定，对模型进行划分网格，设置求解参数。本步骤进一步包括：1.1建立铁心、绕组、拉板、夹件、油箱三维模型；绕组采用圆筒式绕组代替。忽略夹件，拉板、油箱上的孔、肢板等一些对损耗计算结果影响很小的结构部件。在模型外建立空气包作为边界，将模型包在其中；1.2对各部件材料属性进行设置进一步包括：设置铁芯和绕组部位材料的B-H曲线、损耗曲线、电阻率、相对磁导率、密度等材料参数；1.3采用四面体网格对模型进行剖分；进一步包括：选取夹件、拉板，油箱各壁面，设置分层网格，由内到外分四层进行剖分；1.4设置绕组电流激励大小以及方向。进一步包括：高压绕组和低压绕组的电流流向相反，安匝数数值上相等。步骤2：仿真计算得到变压器结构件损耗。本步骤进一步包括：通过商用软件后处理功能，基于公式(3)、公式(4)得到拉板、夹件、油箱上的损耗，包括涡流损耗和磁滞损耗，分别记为Pt，Pc，Po；变压器铁磁结构件的损耗包括磁滞损耗和涡流损耗两部分组成，涡流区域损耗(不包含铁损)：式中：J为涡流密度，Pe为欧姆损耗，v为划分的网格单元，σ为电导率；计算磁滞损耗部分可以由求得的磁通密度峰值基础上通过N个有限元量使用Ph-Bm表示：P＝Pe+Ph(5)式中：Ph为磁滞损耗，N为有限元单元数量，Ph(i)表示第i个单元的磁滞损耗，Bm(i)为第i个单元的磁通密度峰值，V(i)为体积元，ρ为钢板材料密度；步骤3：对变压器进行负载试验和空载试验。本步骤进一步包括：3.1将变压器二次侧短路，一次侧施加一定幅值的电压使二次侧电流达到额定值，读出电源输入的功率，亦为负本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变压器热点温度多物理场计算中热源分布确定方法，其特征是，包括：/nS1结合变压器，建立相对应的三维有限元计算模型：根据实际图纸信息确定铁心参数、绕组尺寸和匝数、油箱尺寸，并对模型各部件材料属性进行设置；对各绕组设置电流激励，包括大小以及方向；设置求解边界条件，对模型进行网格划分，设置求解参数进行有限元仿真计算；/nS2基于有限元分析软件进行仿真计算：得到二次侧绕组在额定电流下变压器的漏磁分布，得到涡流密度J等，涡流区域损耗(不包含铁损)通过下式计算：/n

【技术特征摘要】
1.一种变压器热点温度多物理场计算中热源分布确定方法，其特征是，包括：
S1结合变压器，建立相对应的三维有限元计算模型：根据实际图纸信息确定铁心参数、绕组尺寸和匝数、油箱尺寸，并对模型各部件材料属性进行设置；对各绕组设置电流激励，包括大小以及方向；设置求解边界条件，对模型进行网格划分，设置求解参数进行有限元仿真计算；
S2基于有限元分析软件进行仿真计算：得到二次侧绕组在额定电流下变压器的漏磁分布，得到涡流密度J等，涡流区域损耗(不包含铁损)通过下式计算：



计算磁滞损耗部分可以由求得的磁通密度峰值基础上通过N个有限元量使用Ph-Bm表示：



基于上述公式，得到结构件如拉板、夹件、油箱的损耗，分别记为Pt，Pc，Po；
S3对变压器成品进行空载试验和负载试验，得到空载损耗Pk和负载损耗Pf，Pf包括绕组的直流电阻损耗，绕组内产生的涡流损耗、环流损耗以及变压器铁心、油箱、夹件、拉板结构件内产生的损耗；
根据负载试验结果和仿真计算得到的拉板、夹件、油箱上的损耗计算绕组产生的损耗计算绕组损耗，记为P，P＝Pf-Pt-Pc-Po；
S4将计算得到的各结构件损耗...

【专利技术属性】
技术研发人员：亢银柱，晋涛，牛曙，任勇，王璇，李国栋，张琛，邓永清，阮江军，骆小满，徐惠，江翼，
申请(专利权)人：国网山西省电力公司电力科学研究院，武汉黉门电工科技有限公司，国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，
类型：发明
国别省市：山西;14