一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法技术

本发明专利技术属于油浸式变压器绕组温度计算技术领域，尤其涉及一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法。本发明专利技术包括：建立变压器物理模型确定空间坐标，由日负荷曲线做电流激励进行电磁仿真，得到变压器内空间坐标下磁密分布函数；根据光纤测温点温度及油温、根据传热方程反向解析测点磁密数据；利用测点磁密数据修正磁密分布函数，输入绕组空间坐标，分别计算绕组轴向和辐向的磁密分布，并计算涡流损耗；将计算所得的损耗作为热源进行传热仿真，得到绕组温度分布。本发明专利技术节省了电磁耦合计算的时间，解决了传统变压器绕组温度模拟方法计算时间长，而导致的难以应用于电力设备数字孪生建设的问题，适用于光纤测温变压器。器。器。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法


[0001]本专利技术属于油浸式变压器绕组温度计算
，尤其涉及一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法。

技术介绍

[0002]数字孪生融合了众多前沿信息技术，通过虚实交互，实现了物理实体全寿命周期状态的虚拟映射以及行业运营绩效的改善，正成为推动各行业数字化、网络化、智能化发展的强大动力，因此如何实现电力设备数字孪生成为需要解决的问题。
[0003]传统的温度场计算模拟方法，先进行瞬态电磁场仿真，得到绕组漏磁密分布。然后计算绕组涡流损耗与直流损耗，代入传热物理场作为热源设置，设置流体属性以及流入条件，对各接触面设置传热边界条件，进行流固传热仿真。以上过程在同一时间进行，即电磁场结果耦合进温度场与流体场，三个物理场进行耦合计算，温度场计算结果如图6a所示，为现有温度场仿真结果。
[0004]随着智能变电站的日益增加，内埋光纤测温变压器成为当前智能变电站的主要选择。光纤传感器不受变压器内高磁场环境的影响，可以准确测量出绕组和铁芯表面测点温度。然而传统的变压器绕组温度模拟方法，需要对模型进行电
‑
磁
‑
热
‑
流
‑
固耦合仿真分析，先对模型进行瞬态磁场仿真，计算空间漏磁密分布以及涡流损耗的数值，然后将直流和涡流损耗最为热力学仿真中的热源设置，进行流体与传热耦合仿真计算温度分布，其中所设置的参数、边界条件、激励、材料属性稍有偏差便会导致计算结果不正确。同时，由于耦合了大量的物理场，对于求解多物理场的有限元问题，计算时间也会随着物理场的增加而急剧增长。相对于电力数字孪生的需求，对数据采集接入到电力设备状态的实时模拟，采用传统的绕组温度仿真很难应用到电力设备数字孪生建设中。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术中存在的不足之处，本专利技术提供了一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法。其目的是为了实现缩短电磁耦合计算的时间，根据现场所测的光纤测温点温度，油温，变压器负荷等监测数据快速模拟出变压器绕组温度场的分布的专利技术目的。
[0006]本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：
[0007]一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法，包括以下步骤：
[0008]建立变压器物理模型确定空间坐标，由日负荷曲线做电流激励进行电磁仿真，得到变压器内空间坐标下磁密分布函数；
[0009]根据光纤测温点温度及油温、根据传热方程反向解析测点磁密数据；
[0010]利用测点磁密数据修正磁密分布函数，输入绕组空间坐标，分别计算绕组轴向和辐向的磁密分布，并计算涡流损耗；
[0011]将计算所得的损耗作为热源进行传热仿真，得到绕组温度分布。
[0012]更进一步的，所述建立变压器物理模型，确定空间坐标，包括以下步骤：
[0013]步骤1.1建模时以光纤测温变压器中心为空间坐标零点，变压器模型的测点坐标与实际光线测温点对应；
[0014]步骤1.2在变压器未超容的情况下，解析日负荷曲线，计算光纤测温变压器一日内所承受的电流曲线，实现物理模型对不同负荷时的温度模拟；
[0015]步骤1.3设置电流激励为模型中的变量，对所建立的光纤测温变压器模型进行瞬态电磁仿真，得到不同电流激励下，绕组表面磁密随空间位置的分布情况；
[0016]步骤1.4将不同电流激励下的磁密分布进行数据拟合，构造不同电流激励下的磁密沿绕组轴向及辐向分布函数库。
[0017]更进一步的，所述根据光纤测温点温度及油温、根据传热方程反向解析测点磁密数据，具体包括：
[0018]将光纤测温点温度作为输入数据，根据对流换热方程反向推导测点位置的热流量，根据直流损耗及涡流损耗公式推导测点磁密，方程如下：
[0019]q＝a(T
s
‑
T
w
)
ꢀꢀ
(1)
[0020][0021][0022]P
e
＝P
r
+P
h
ꢀꢀ
(4)
[0023]P
R
＝I2R
i
ꢀꢀ
(5)
[0024][0025]式中：q为单位体积的热流量；a为换热系数；T
s
,T
w
为绕组表面温度和冷却介质温度；P
r
,P
h
为单位体积下辐向涡流损耗；ξ为电阻率；f为电流工频；b,d为导线宽度和高度；B
r
为测点位置磁密；V
i
为单位体积；P
e
,P
R
为涡流损耗和直流损耗；I为绕组电流；R
i
为绕组单位体积下的电阻。
[0026]更进一步的，所述利用测点磁密数据修正磁密分布函数，输入绕组空间坐标，分别计算绕组轴向和辐向的磁密分布，并计算涡流损耗；包括：
[0027]按光纤测温变压器测点安装位置，由测点磁密数据修正磁密分布函数，轴向和辐向修正方程如下：
[0028]B
i
＝f(x
i
)+(B
r
‑
f(x
r
))(7)
[0029]B
j
＝g(x
j
)+(B
i
‑
g(x
i
))(8)
[0030]式中：f()为电磁仿真数据所拟合的轴向磁密分布函数；B
i
为修正后的轴向磁密数值；B
r
为测点位置磁密；x
i
为轴向坐标；x
r
为测点坐标；g()电磁仿真数据所拟合单个线饼辐向磁密分布函数；B
j
为修正后的单个线饼辐向磁密数值；x
j
为单个线饼的辐向坐标。
[0031]更进一步的，所述将计算所得的损耗作为热源进行传热仿真，得到绕组温度分布，包括：
[0032]将计算所得的涡流损耗作为热源进行传热仿真，传热仿真条件包括：
[0033]传热边界：选择薄层模块，利用无厚度边界层作为流固传热边界条件，用于流固边
界传热系数的计算；
[0034]流体性质：按实际油流冷却方式设置，包括流体流向、流速、压力和流体属性；
[0035]边界条件：按第一类边界条件设置，即给定边界温度，按环境温度数值设定；
[0036]按上述条件进行传热仿真，最后得到绕组温度分布。
[0037]更进一步的，所述建立变压器物理模型，是采用铁芯横截面位置建立二维变压器物理模型，物理模型的结构参数选用120000kVA/220kV的三相三柱主变压器，内埋光纤测温传感器；
[0038]所述设置电流激励为模型中的变量，对所建立的光纤测温变压器模型进行瞬态电磁仿真，得到不同电流激励下，绕组表面磁密随空间位置的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法，其特征是：包括以下步骤：建立变压器物理模型确定空间坐标，由日负荷曲线做电流激励进行电磁仿真，得到变压器内空间坐标下磁密分布函数；根据光纤测温点温度及油温、根据传热方程反向解析测点磁密数据；利用测点磁密数据修正磁密分布函数，输入绕组空间坐标，分别计算绕组轴向和辐向的磁密分布，并计算涡流损耗；将计算所得的损耗作为热源进行传热仿真，得到绕组温度分布。2.根据权利要求1所述的一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法，其特征是：所述建立变压器物理模型确定空间坐标，包括以下步骤：步骤1.1建模时以光纤测温变压器中心为空间坐标零点，变压器模型的测点坐标与实际光线测温点对应；步骤1.2在变压器未超容的情况下，解析日负荷曲线，计算光纤测温变压器一日内所承受的电流曲线，实现物理模型对不同负荷时的温度模拟；步骤1.3设置电流激励为模型中的变量，对所建立的光纤测温变压器模型进行瞬态电磁仿真，得到不同电流激励下，绕组表面磁密随空间位置的分布情况；步骤1.4将不同电流激励下的磁密分布进行数据拟合，构造不同电流激励下的磁密沿绕组轴向及辐向分布函数库。3.根据权利要求1所述的一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法，其特征是：所述根据光纤测温点温度及油温、根据传热方程反向解析测点磁密数据，具体包括：将光纤测温点温度作为输入数据，根据对流换热方程反向推导测点位置的热流量，根据直流损耗及涡流损耗公式推导测点磁密，方程如下：q＝a(T
s
‑
T
w
) (1)(1)P
e
＝P
r
+P
h (4)P
R
＝I2R
i (5)式中：q为单位体积的热流量；a为换热系数；T
s
,T
w
为绕组表面温度和冷却介质温度；P
r
,P
h
为单位体积下辐向涡流损耗；ξ为电阻率；f为电流工频；b,d为导线宽度和高度；B
r
为测点位置磁密；V
i
为单位体积；P
e
,P
R
为涡流损耗和直流损耗；I为绕组电流；R
i
为绕组单位体积下的电阻。4.根据权利要求1所述的一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法，其特征是：所述利用测点磁密数据修正磁密分布函数，输入绕组空间坐标，分别计算绕组轴向和辐向的磁密分布，并计算涡流损耗；包括：
按光纤测温变压器测点安装位置，由测点磁密数据修正磁密分布函数，轴向和辐向修正方程如下：B
i
＝f(x
i
)+(B
r
‑
f(x
r
)) (7)B
j
＝g(x
j
)+(B
i
‑
g(x
i
)) (8)式中：f()为电磁仿真数据所拟合的轴向磁密分布函数；B
i
为修正后的轴向磁密数值；B
r
为测点位置磁密；x
i
为轴向坐标；x
r
为测点坐标；g()电磁仿真数据所拟合单个线饼辐向磁密分布函数；B
j
为修正后的单个线饼辐向磁密数值；x
j
为单个线饼的辐向坐标。5.根据权利要求1所述的一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法，其特征是：所述将计算所得的损耗作为热源进行传热仿真，得到绕组温度分布，包括：将计算所得的涡流损耗作为热源进行传热仿真，传热仿真条件包括：传热边界：选择薄层模块，利用无厚度边界层作为流固传热边界条件，用于流固边界传热系数的计算；流体性质：按实际油流冷却方式设置，包括流体流向、流速、压力和流体属性；边界条件：按第一类边界条件设置，即给定边界温度，按环境温度数值设定；按上述条件进行传热仿真，最后得到绕组温度分布。6.根据权利要求2所述的一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法，其特征是：所述建立变压器物理模型，是采用铁芯横截面位置建立二维变压器物理模型，物理模型的结构参数选用120000kVA/220kV的三相三柱主变压器，内埋光纤测温传感器；所述设置电流激励为模型中的变量，对所建立的光纤测温变压器模型进行瞬态电磁仿真，得到不同电流激励下，绕组表面磁密随空间位置的分布情况，是对所应用变压器的日负荷曲线进行解析，得到电流变化曲线，运用COMSOL平台，按最大负荷的10％、50％和80％所对应的不同线圈电流的工况下分别进行瞬态电磁仿真，得到不同负荷下变压器绕组的轴向及辐向的磁密分布结果；电磁仿真包括：变压器电磁仿真需要设置外电路激励模拟线圈电流，选择磁场
‑
电流物理场作为整体电磁仿真的架构；由变压器结构参数建立物理模型并导入，设置相应几何区域的材料属性，完成电磁场计算的初步设置；由负荷归算一次电流数值...

【专利技术属性】
技术研发人员：张彬，刘志力，顾洪群，宋进良，李广野，荆澜涛，石啸林，张佳鑫，王亮，李斌，田野，史可鉴，孙赫阳，阎宇航，刘扬，李欢，李桐，姜力行，李菁菁，杨璐羽，迟丹一，孙茜，
申请(专利权)人：沈阳工程学院国网辽宁省电力有限公司国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：