一种提高油浸式电抗器绕组散热性能的方法技术

一种提高油浸式电抗器绕组散热性能的方法，包括构建油浸式铁心电抗器电磁场

【技术实现步骤摘要】
一种提高油浸式电抗器绕组散热性能的方法


[0001]本专利技术属于电抗器
，具体涉及电抗器绕组散热能力的方法。

技术介绍

[0002]在电力系统中，油浸式铁心电抗器广泛应用于无功补偿与谐波治理。随着输电系统电压等级高和容量大的特点，造成电抗器基本性能参数要求与经济性、安全性间的矛盾日益显著。
[0003]近年来，油浸式铁心电抗器在运行过程中出现过热甚至毁坏的现象，相关研究表明绕组局部温升过高是主要原因之一。当温升超过限值时，材料的绝缘和机械性能显著降低，直接影响电抗器的安全稳定运行。
[0004]目前通常采用增加导线截面和油道宽度等方法来降低绕组温升，然而该方法将导致绕组金属导体用量的增加，且未考虑绕组结构调整对电抗器电磁特性的影响，限制了其实际应用。
[0005]因此，在满足油浸式铁心电抗器电感和温升要求下提高电抗器散热效率，降低绕组金属导体用量至关重要。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了提供一种能在满足油浸式铁心电抗器电感和温升要求下提高电抗器散热效率，并能降低绕组金属导体用量的提高油浸式电抗器绕组散热性能的方法。
[0007]一种提高油浸式电抗器绕组散热性能的方法，它包括以下步骤：
[0008]步骤1：根据电抗器的初始参数，包括铁心尺寸、绕组线饼的层数、线饼的高度，宽度、水平散热油道的高度、绝缘纸的厚度。构建铁心电抗器电路-磁场耦合仿真模型，获得电抗器铁心和绕组周围的磁场分布及损耗；
[0009]步骤2：构建电抗器流场-温度场仿真模型，将所述损耗作为热源施加在电抗器流场-温度场仿真模型上；
[0010]步骤3：根据油浸式铁心电抗器的结构特点，选择影响电抗器绕组内水平油道内流体流速的主要因素，并确定各影响因素的取值范围；
[0011]步骤4：结合参数化扫描与有限元法，对绕组-油流导向结构参数进行排列组合，根据步骤2中电抗器流场-温度场仿真模型，得到不同结构参数下铁心电抗器温度场仿真结果；
[0012]步骤5：利用步骤4不同结构参数下铁心电抗器温度场仿真结果，提取绕组和油道内流体的温度分布，提取油道内流体流速分布，获得绕组散热过程；
[0013]步骤6：根据电抗器温度场仿真结果，获得油道内流体流速与绕组-油流导向结构电气及结构参数间的拟合关系式，结合步骤5中绕组散热过程，推导绕组温升与绕组-油流导向结构电气及结构参数间的拟合关系式；
[0014]步骤7：建立电抗器电感与铁心、绕组电气及结构参数间的关系式，建立电抗器绕组金属导体用量与绕组结构参数的解释式；
[0015]步骤8：在电抗器最高温升和电感恒定的前提下，结合金属导体用量表达式与绕组温升计算表达式得到电抗器绕组散热效率表达式，以绕组散热效率表达式作为优化的目标函数，通过优化算法(如遗传算法、粒子群算法等)获得在金属导体用量最小值时的最佳电气和结构参数，用该获得的结构参数替换步骤1中的初始参数，提高电抗器绕组散热效率。
[0016]在步骤3中，根据电抗器绕组-油流导向结构，选择水平散热油道的高度、绕组线饼的层数、线饼的宽度、线饼的高度、绝缘纸的厚度及油流入口流速作为影响电抗器绕组水平散热油道流速的主要因素，并确定各结构参数的选取范围。
[0017]对排列组合后的绕组-油流导向结构通过COMSOL搭建仿真模型，利用步骤1计算不同结构参数组合下电抗器的铁心与各层绕组损耗，将计算的损耗作为热源条件，根据步骤2电抗器流场-温度场耦合仿真模型得到不同结构参数下电抗器流场-温度场仿真结果。
[0018]在步骤6中，根据电抗器温度场仿真结果，采用多项式回归方法拟合得到油道内流体流速与绕组-油流导向结构参数表达式，表达式如下
[0019][0020]其中为绕组内水平油道流速，n为线饼的层数，r为绝缘纸的厚度，ρ
oil
、μ
oil
分别为变压器油的密度和动力粘度，W
disc
为线饼的宽度，W
in
为入口油道的宽度，H
disc
为线饼的高度，H
duct
为水平油道的高度，v
in
为油流入口流速；
[0021]结合步骤5绕组散热过程，推导出绕组温升与绕组-油流导向结构电气及结构参数间的表达式
[0022][0023]其中T
max
为绕组温升，q
w
为线饼的热流量，C
p
、k
oil
分别为变压器油的比热容和导热系数，k
p
为绝缘层的导热系数，N
u
为努塞尔系数
[0024]在步骤7中，利用步骤1电抗器磁场分布与初始结构参数，建立电抗器电感与铁心、绕组电气及结构参数间的关联式如下：
[0025]L＝f2(R,n,W
disc
,W
in
,H
disc
,H
duct
)；
[0026]其中L为电抗器电感，R为绕组到铁心的距离；
[0027]步骤7：建立电抗器绕组导体用量解析计算式如下：
[0028][0029]其中M为电抗器绕组导体用量，ρ
disc
为绕组金属材料密度，n为线饼层数，为线饼等效平均直径；
[0030]在步骤8中，
[0031]其中设初始设计参数变量值为x，选取该变量作为归一化标准，新设计中对应的变量值为x0，则定义比例因子k
x
为
[0032][0033]其中，绕组最大温升解析计算式中水平油道流速方程采用步骤5中水平油道流速
与绕组-油流导向结构参数的拟合关系式，定义绕组-油流导向结构参数比例因子，建立电抗器绕组最大温升比例因子与绕组-油流导向结构参数比例因子间的关系式：
[0034][0035]其中为优化前后电抗器绕组温升比例，为优化前后电抗器绕组热流量比例，为优化前后电抗器绕组线饼宽度比例，为优化前后电抗器绕组线饼高度比例，为优化前后电抗器绕组线饼宽度比例，k
v
为优化前后电抗器绕组油道流速比例，k
r
为优化前后电抗器绕组绝缘纸厚度比例，k
Nu
为优化前后电抗器绕组努塞尔系数比例。
[0036]其中，电抗器绕组优化的约束条件包括电感守恒及最大温升守恒，如下式所示
[0037][0038]其中k
L
为优化前后电抗器电感值比例
[0039]利用步骤8中约束条件，利用步骤6电抗器最大温升比例因子与步骤7导体用量比例因子k
M
表达式，最终形成电抗器绕组散热效率表达式，如所示：
[0040][0041]上式绕组散热效率表达式为目标函数，采用优化算法(如遗传算法，粒子群算法，人工鱼群算法等)，设置约束条件为电感守恒和最大温升守恒，对绕组结构参数寻优获得金属导体用量最小时的最佳电气和结构参数，提高电抗器绕组散热效率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高油浸式电抗器绕组散热性能的方法，其特征在于，它包括以下步骤：步骤1：根据电抗器的初始参数,构建铁心电抗器电路-磁场耦合仿真模型，获得电抗器铁心和绕组周围的磁场分布及损耗；步骤2：构建电抗器流场-温度场仿真模型，将所述损耗作为热源施加在电抗器流场-温度场仿真模型上；步骤3：根据油浸式铁心电抗器的结构特点，选择影响电抗器绕组内水平油道内流体流速的主要因素，并确定各影响因素的取值范围；步骤4：结合参数化扫描与有限元法，对绕组-油流导向结构参数进行排列组合，根据步骤2中电抗器流场-温度场仿真模型，得到不同结构参数下铁心电抗器温度场仿真结果；步骤5：利用步骤4不同结构参数下铁心电抗器温度场仿真结果，提取绕组和油道内流体的温度分布，提取油道内流体流速分布，获得绕组散热过程；步骤6：根据电抗器温度场仿真结果，获得油道内流体流速与绕组-油流导向结构电气及结构参数间的拟合关系式，结合步骤5中绕组散热过程，推导绕组温升与绕组-油流导向结构电气及结构参数间的拟合关系式；步骤7：建立电抗器电感与铁心、绕组电气及结构参数间的关系式，建立电抗器绕组金属导体用量与绕组结构参数的解释式；步骤8：在电抗器最高温升和电感恒定的前提下，结合金属导体用量表达式与绕组温升计算表达式获得电抗器绕组散热效率表达式，以绕组散热效率表达式作为优化的目标函数，获得在金属导体用量最小值时的最佳电气和结构参数，用该获得的结构参数替换步骤1中的初始参数，提高电抗器绕组散热效率。2.根据权利要求1所述的一种提高油浸式电抗器绕组散热性能的方法，其特征在于，在步骤3中，根据电抗器绕组-油流导向结构，选择水平散热油道的高度、绕组线饼的层数、线饼的宽度、线饼的高度、绝缘纸的厚度及油流入口流速作为影响电抗器绕组水平散热油道流速的主要因素，并确定各结构参数的选取范围。3.根据权利要求1所述的一种提高油浸式电抗器绕组散热性能的方法，其特征在于，对排列组合后的绕组-油流导向结构通过COMSOL搭建仿真模型，利用步骤1计算不同结构参数组合下电抗器的铁心与各层线饼损耗，将计算的损耗作为热源条件，根据步骤2电抗器流场-温度场耦合仿真模型得到不同结构参数下电抗器流场-温度场仿真结果。4.根据权利要求1所述的一种提高油浸式电抗器绕组散热性能的方法，其特征在于，在步骤6中，根据电抗器温度场仿真结果，采用多项式回归方法拟合得到油道内流体流速与绕组-油流导向结构参数表达式，表达式如下其中为绕组内水平油道流速，n为线饼的层数，r为绝缘纸的厚度，ρ
oil
、μ
oil
分别为变压器油的密度和动力粘度，W
disc
为线饼的宽度，W
in
为入口油道的宽度，H
disc
为线饼的高度，H
duct
为水平油道的高度，v
in
为油流入口流速；结合步骤5绕组...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁发庭，吕凯，唐波，杨守位，丁璨，王玥，杨文韬，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：