基于有限元的牵引变压器温度场仿真分析方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及电气设备故障诊断技术领域，具体公开了一种基于有限元的牵引变压器温度场仿真分析方法及系统，包括：计算牵引变压器的空载损耗和负载损耗、分析牵引变压器的散热方式及传热情况、建立三维数值计算模型并设置初始值和第三类边界条件，仿真计算求解牵引变压器内部温度场的分布和变化情况；本发明专利技术基于COMSOL平台构建了独立运行的牵引变压器温度场求解APP，运行人员可根据实际情况对牵引变压器仿真模型进行修正，以得到更为精确的结果，本发明专利技术还考虑牵引变压器随运行温度的变化其负载损耗的变化使计算结果更方便准确、使电力系统运行更可靠、安全、稳定。

【技术实现步骤摘要】
基于有限元的牵引变压器温度场仿真分析方法及系统
本专利技术涉及电气设备故障诊断
，特别涉及一种基于有限元的牵引变压器温度场仿真分析方法及系统。
技术介绍
随着我国城市化进程的推进和城市人口的持续增长，有限的道路交通资源急剧消耗，交通拥堵成为制约城市可持续发展的重要问题。按照新时期高质量发展的要求，国内很多城市开始大力发展城市轨道交通，建立以大运量轨道交通为骨干，公交线路为辅助的公共交通系统。发展城市轨道交通，在缓解交通压力的同时，也有利于改善能源消费结构，贯彻可持续发展，促进节能减排。随着城市轨道交通的不断发展，与机车牵引电源配套的牵引变压器的需求也将日益增多。牵引变压器运行可靠性取决于其绝缘性能，绝缘性能又和牵引变压器内部的生热和散热密切相关。因此，对牵引变压器内部温度场的准确分析计算对提高牵引变压器运行可靠性、保证机车安全稳定运行具有重要意义。现有的研究大多针对负荷额定或者负荷小范围波动的情况，对牵引变压器工况的研究较少，对于动态变化的温度场已不能用稳态时的参数来表征。牵引变压器运行环境复杂，在机车高速或重载通过供电区本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于有限元的牵引变压器温度场仿真分析方法，其特征在于,包括：/nS101、计算牵引变压器的空载损耗和负载损耗；/n所述空载损耗记为P

【技术特征摘要】
1.一种基于有限元的牵引变压器温度场仿真分析方法，其特征在于,包括：
S101、计算牵引变压器的空载损耗和负载损耗；
所述空载损耗记为PNL所述负载损耗记为PLL其数学表达式分别为：






式中Phl为磁滞损耗；Pcl为祸流损耗；σh和σc均为与牵引变压器铁芯材料有关的系数；f为电源频率；Bm为磁场强度的最大值；V为铁芯材料的体积；IHN为高压绕组额定电流；ILN为低压绕组额定电流；rH,75℃和rH,75℃分别为折合到75℃时高压绕组和低压绕组的总电阻；
S102、分析牵引变压器的散热方式及传热情况；
所述散热方式及传热情况主要包括热转导、对流和辐射导热，建立微分方程表述连续物体内的温度分布与空间坐标和时间的内在联系，所述微分方程的表达式如下：
根据傅里叶定律和能量守恒方程，可得直角坐标下的导热微分方程为：



式中T是温度，τ表示时间，描述温度随时间的变化情况；a为热扩散率，又称导温系数，λ为材料的导热系数，ρ为材料的密度，c为材料的比热容；φ为单位时间内、单位体积中内热源生成的热量，x、y、z是直角坐标的坐标值；
S103、建立三维数值计算模型并设置初始值和第三类边界条件；
将空载损耗和负载损耗计算所用的电阻为折合到75℃时高压绕组和低压绕组的总电阻，得到的绕组损耗是75℃下的损耗，额定负荷下初级绕组损耗Pf0和次级绕组损耗Ps0，可得初级绕组和次级绕组在温度t时的损耗数学表达式为：



式中，k为牵引变压器的负荷率；t为牵引变压器初级绕组或次级绕组的平均温度；
对牵引变压器来说，给定物体边界与周围流体间的表面传热系数h及流体的温度tf，即第三类边界条件，其数学表达式为



式中Tw为材料的温度，Tf为空气的温度；n为向量，T为温度，表示为温度梯度；
S104仿真计算求解牵引变压器内部温度场的分布和变化情况。


2.根据权利要求1所述的一种基于有限元的牵引变压器温度场仿真分析方法，其特征在于，所述步骤S102还包括将步骤S101计算出的空载损耗和负载损耗等效为牵引变压器的内热源，把牵引变压器的铁芯和高低压绕组均看成均匀的发热体，采用单位体积发热率来描述牵引变压器的生热情况。


3.根据权利要求1所述的一种基于有限元的牵引变压器温度场仿真分析方法，其特征在于，所述步骤S104还包括基于COMSOL平台构建独立运行的牵引变压器温度场求解仿真APP。

【专利技术属性】
技术研发人员：张镱议，刘捷丰，韦行孝，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：广西;45