本發(fā)明涉及一種地下變電站分體式冷卻變壓器熱點(diǎn)溫度計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

隨著城市用電負(fù)荷的快速增加，城區(qū)內(nèi)變電站的數(shù)量增多，綜合考慮土地占用面積和城市環(huán)境協(xié)調(diào)等問題，城市變電站中地下變電站和戶內(nèi)變電站的比例越來越大，地下變電站由于空間限制和電力設(shè)備散熱需求，其變壓器的冷卻系統(tǒng)往往需采用與變壓器本體分體設(shè)計(jì)的方式。伴隨用電負(fù)荷不斷增加，變壓器散熱問題日顯突出。為保證散熱效果，地下變壓器冷卻器形式及布置方式與常規(guī)變電站有很大差異，一般使用散熱器和變壓器本體上下式布置。與傳統(tǒng)變壓器相同，其繞組熱點(diǎn)溫度的準(zhǔn)確預(yù)測是決定變壓器過載能力和油紙絕緣老化率、防止變壓器出現(xiàn)過熱故障的關(guān)鍵因素。

因此，精確可靠計(jì)算分體變壓器熱點(diǎn)溫度具有十分重要的意義，目前，針對傳統(tǒng)一體式冷卻變壓器繞組熱點(diǎn)溫度的計(jì)算方法較多，但國內(nèi)外尚未有分體式變壓器溫度計(jì)算的相關(guān)研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種地下變電站分體式冷卻變壓器熱點(diǎn)溫度計(jì)算方法，本方法基于熱電等效原理，合理實(shí)現(xiàn)了地下變電站自然油循環(huán)的分體式冷卻變壓器的熱路計(jì)算模型建立，可獲得精度較高的熱點(diǎn)溫度計(jì)算結(jié)果，能夠準(zhǔn)確地得到熱點(diǎn)溫度的變化趨勢。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種地下變電站分體式冷卻變壓器熱點(diǎn)溫度計(jì)算方法，包括以下步驟：

(1)獲取分體式冷卻系統(tǒng)變壓器的設(shè)備參數(shù)；

(2)進(jìn)行分體式變壓器空載試驗(yàn)和負(fù)載試驗(yàn)，分別測量得到變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗；

(3)進(jìn)行額定負(fù)載溫升試驗(yàn)，得到額定頂層油溫溫升和繞組熱點(diǎn)溫升；

(4)基于熱電等效原理，建立分體式變壓器熱路模型，并進(jìn)行優(yōu)化，得到變壓器頂油溫度熱路模型和熱點(diǎn)溫度熱路模型；

(5)采用四階龍格庫塔法實(shí)現(xiàn)熱路微分方程的求解，計(jì)算給定負(fù)載曲線和環(huán)境溫度曲線下的頂層油溫時(shí)間序列和熱點(diǎn)溫度時(shí)間序列。

所述步驟(1)中，根據(jù)出廠變壓器參數(shù)，記錄試驗(yàn)用分體式變壓器型號、額定容量、額定電壓、額定電流值、變壓器鐵芯質(zhì)量、變壓器的高壓、低壓和調(diào)壓繞組質(zhì)量、變壓器油質(zhì)量與比熱容。

所述步驟(2)中，進(jìn)行空載損耗試驗(yàn)，在低壓繞組施加額定頻率正弦波形的額定電壓，而高壓繞組處于開路狀態(tài)下，根據(jù)在低壓側(cè)的功率表數(shù)值即得到變壓器空載損耗。

所述步驟(2)中，進(jìn)行負(fù)載損耗試驗(yàn)，變壓器低壓繞組短接，而在高壓繞組施加低于額定值的電壓，并使短路繞組中流過電流值為額定電流，高壓側(cè)功率表數(shù)值即得到變壓器的負(fù)載損耗值。

所述步驟(3)中，溫升試驗(yàn)的過程為：關(guān)閉分體式變壓器散熱器的上油管和下油管，即隔絕變壓器本體和散熱器，給變壓器施加額定負(fù)載電流，測量其額定頂層油溫升δθoil-atm1,r1；再分別打開變壓器上油管和下油管，進(jìn)行額定負(fù)載試驗(yàn)，測量額定頂層油溫升δθoil-atm1,r2和δθoil-atm2,r2，分別為頂層油溫相對于地下環(huán)境溫度的溫升和地上環(huán)境溫度的溫升。

所述步驟(3)中，分體式冷卻變壓器繞組到頂層油的熱阻為：當(dāng)打開變壓器上下油管，額定負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行，測得額定熱點(diǎn)溫度與頂層油溫溫差與額定運(yùn)行條件下的銅損的比值。

所述步驟(4)中，根據(jù)分體式變壓器頂層油溫?zé)崧纺Ｐ?，基于電路的基爾霍夫定律和熱電等效原理，利用熱阻和熱容等熱參?shù)列出了求取頂層油溫度的等式方程。

所述步驟(4)中，引入描述這熱阻的變化非線性特性的變化因子，對熱路模型的計(jì)算進(jìn)行修正。

所述步驟(4)中，在非額定負(fù)載條件下需要根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)載情況對變壓器計(jì)算模型方程進(jìn)行修正，根據(jù)負(fù)載電流與額定電流的關(guān)系，考慮到銅損耗與電流平方成正比，得到實(shí)際運(yùn)行總損耗。

所述步驟(4)中，熱點(diǎn)溫度模型把本體和散熱器兩部分的油看成一個(gè)整體，由于鐵損耗通過提高頂層油溫的方式影響繞組熱點(diǎn)溫度，忽略鐵損耗對繞組熱點(diǎn)溫度的直接影響。

所述步驟(4)中，對熱點(diǎn)溫度模型進(jìn)行熱阻非線性修正、油粘度修正、實(shí)際負(fù)載修正和負(fù)載損耗隨溫度變化修正。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明基于熱電等效原理合理實(shí)現(xiàn)了地下變電站自然油循環(huán)的分體式冷卻變壓器的熱路計(jì)算模型建立，可獲得精度較高的熱點(diǎn)溫度計(jì)算結(jié)果，能夠準(zhǔn)確地得到熱點(diǎn)溫度的變化趨勢，有利于更充分地利用分體式冷卻變壓器的動(dòng)態(tài)負(fù)載能力，促進(jìn)變壓器在線監(jiān)測信息的深度應(yīng)用。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)一體式冷卻變壓器swift頂層油溫?zé)崧纺Ｐ驮韴D；

圖2為分體式冷卻變壓器結(jié)構(gòu)和油流示意圖；

圖3為分體式冷卻變壓器頂層油溫?zé)崧纺Ｐ蛨D；

圖4為簡化的分體式冷卻變壓器頂層油溫?zé)崧纺Ｐ蛨D；

圖5為分體式冷卻變壓器熱點(diǎn)溫度熱路計(jì)算模型圖；

圖6為分體式變壓器熱點(diǎn)溫度計(jì)算結(jié)果對比曲線圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施示例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

分體式冷卻變壓器熱點(diǎn)溫度計(jì)算方法，包括以下步驟：

(1)獲取在變壓器廠投入運(yùn)行并用于試驗(yàn)研究的該分體式冷卻系統(tǒng)變壓器的各項(xiàng)出廠參數(shù)。

(2)進(jìn)行變壓器的空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)，試驗(yàn)測得分體式變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗，用于后面的熱路計(jì)算。

(3)通過對變壓器進(jìn)行溫升試驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)模型重要未知參數(shù)變壓器油計(jì)算參數(shù)熱阻的求取。

(4)根據(jù)變壓器swift熱路模型推導(dǎo)出分體式變壓器熱路計(jì)算模型圖。

(5)根據(jù)分體式變壓器兩個(gè)模型圖進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，并逐步修正完善變壓器熱路溫度計(jì)算方程。

(6)實(shí)測熱點(diǎn)溫升變化曲線與熱路計(jì)算值相對比，驗(yàn)證結(jié)果的正確性。

所述步驟(1)中，分體式冷卻變壓器參數(shù)包括變壓器型號、額定容量、額定電壓、額定電流值、變壓器鐵芯質(zhì)量、變壓器繞組質(zhì)量(包含高壓、低壓、調(diào)壓繞組)、變壓器油參數(shù)(油質(zhì)量、比熱容)

所述步驟(2)中，對試驗(yàn)分體式變壓器分別進(jìn)行空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)，用功率表測出變壓器的空載損耗(鐵損)和負(fù)載損耗(銅損)。

所述步驟(3)中，溫升試驗(yàn)過程包括：

步驟3.1隔絕變壓器本體和散熱器，額定負(fù)載條件下測量其額定頂層油溫升δθoil-atm1,r1。

步驟3.2打開變壓器上下油管，額定負(fù)載下測量額定頂層油溫升δθoil-atm1,r2和δθoil-atm2,r2，并測量此時(shí)熱點(diǎn)溫度和頂層油溫溫差。

求得熱路計(jì)算所用熱阻值為：

其中qrated為額定損耗，為銅損和鐵損之和，roil1、roil2分別為頂油模型中，變壓器額定運(yùn)行情況下變壓器油相對地下和地上環(huán)境的熱阻值，rth,rated為熱點(diǎn)模型中，變壓器額定運(yùn)行情況下變壓器油的額定熱阻值，pcu為銅損耗。

所述步驟(4)中，建立分體上下式布置冷卻系統(tǒng)模型圖，基于傳統(tǒng)傳熱計(jì)算模型，利用熱電等效和能量守恒原理建立分體式冷卻系統(tǒng)頂層油溫?zé)崧纺Ｐ秃蜔狳c(diǎn)溫度熱路模型。

步驟(5)中，根據(jù)分體式變壓器兩個(gè)模型圖進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，并逐步從油熱阻的非線性、實(shí)際負(fù)載、油粘度的變化、負(fù)載損耗隨溫度變化方面修正完善變壓器熱路溫度計(jì)算方程。

頂層油溫?zé)崧酚?jì)算方程：

熱點(diǎn)溫度熱路計(jì)算方程

上述公式中，β為變壓器銅損耗和鐵損耗比值，k為負(fù)載實(shí)際電流和額定電流的比值，c為變壓器本體和散熱器油的整體熱容值，pcu，pu(θhs)為負(fù)載損耗隨溫度變化比例系數(shù)，r1,rated、r2,rated為前述溫升試驗(yàn)測量計(jì)算得出的油相對低下和地上環(huán)境的熱阻值，μ1,pu、μ2,pu為油粘度標(biāo)幺值，cth-wdg為繞組到油的熱容值，近似等于油的熱容，待求量θoil為頂層油溫度，θhs為熱點(diǎn)溫度。

步驟1：獲取在變壓器廠投入運(yùn)行并用于試驗(yàn)研究的該分體式冷卻系統(tǒng)變壓器的各項(xiàng)出廠參數(shù)，用于后續(xù)計(jì)算。

步驟2：進(jìn)行變壓器的例行試驗(yàn)，變壓器的空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)，試驗(yàn)測得分體式變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗，兩者之和為變壓器總損耗，用于后面的熱路計(jì)算。

步驟3：進(jìn)行額定負(fù)載溫升試驗(yàn)，測量額定負(fù)載損耗，得到額定頂層油溫溫升和繞組熱點(diǎn)溫升，以實(shí)現(xiàn)熱路模型中重要參數(shù)的計(jì)算求取。

步驟4：根據(jù)熱電等效原理推出分體式冷卻變壓器熱路計(jì)算模型。

步驟5：根據(jù)分體式冷卻變壓器兩個(gè)模型圖進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，并逐步修正完善分體式冷卻變壓器溫度熱路計(jì)算方程。

步驟6：采用四階龍格庫塔法實(shí)現(xiàn)熱路微分方程的求解，計(jì)算給定負(fù)載曲線和環(huán)境溫度曲線下的頂層油溫時(shí)間序列和熱點(diǎn)溫度時(shí)間序列。

所述步驟1的具體內(nèi)容為：

根據(jù)出廠變壓器參數(shù)，記錄試驗(yàn)用分體式變壓器型號、額定容量、額定電壓、額定電流值、變壓器鐵芯質(zhì)量、變壓器繞組質(zhì)量(包含高壓、低壓、調(diào)壓繞組)、變壓器油參數(shù)(油質(zhì)量、比熱容)，以便后續(xù)計(jì)算使用。表1為變壓器參數(shù)示例。

表1分體式冷卻變壓器基本參數(shù)

所述步驟2的具體內(nèi)容為：

進(jìn)行分體式變壓器空載試驗(yàn)和負(fù)載試驗(yàn)，分別測量變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗。

步驟2.1空載損耗試驗(yàn)，在低壓繞組施加額定頻率正弦波形的額定電壓，而高壓繞組處于開路狀態(tài)下，根據(jù)在低壓側(cè)的功率表數(shù)值即得到變壓器空載損耗。

步驟2.2負(fù)載損耗試驗(yàn)，變壓器低壓繞組短接，而在高壓繞組施加低于額定值的電壓，并使短路繞組中流過電流值為額定電流，高壓側(cè)功率表數(shù)值即得到變壓器的負(fù)載損耗值。表2為試驗(yàn)結(jié)果示例。

表2空載試驗(yàn)和負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果記錄

空載損耗和負(fù)載損耗分別對應(yīng)測試變壓器的鐵損耗和銅損耗。

所述步驟3的具體內(nèi)容為：

熱路模型重要參數(shù)(熱阻)的求取需要進(jìn)行溫升試驗(yàn)，設(shè)計(jì)分體式冷卻變壓器的溫升試驗(yàn)如下：

步驟3.1關(guān)閉分體式變壓器散熱器的上油管和下油管，即隔絕變壓器本體和散熱器，給變壓器施加額定負(fù)載電流，測量其額定頂層油溫升δθoil-atm1,r1。

步驟3.2打開變壓器上油管和下油管，進(jìn)行額定負(fù)載試驗(yàn)，測量額定頂層油溫升δθoil-atm1,r2和δθoil-atm2,r2，分別為頂層油溫相對于地下環(huán)境溫度(變壓器本體所處環(huán)境)的溫升和地上環(huán)境溫度(散熱器所處環(huán)境)的溫升。

求出兩部分油額定熱阻為

roil1,rated、roil2,rated為額定負(fù)載情況下分體式變壓器本體部分頂層油對地下環(huán)境和對地上環(huán)境的熱阻值。

步驟3.3分體式冷卻變壓器繞組到頂層油的熱阻為：當(dāng)打開變壓器上下油管，額定負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行，測得額定熱點(diǎn)溫度與頂層油溫溫差與額定運(yùn)行條件下的銅損的比值。

所述步驟4的具體內(nèi)容是：

變壓器損耗產(chǎn)生熱量(銅損和鐵損之和)一部分?jǐn)U散到變壓器油中(用于提升變壓器油溫)，一部分散失到外界環(huán)境中。擴(kuò)散到油中熱量用熱容元件吸收的熱量表示，散失到外界環(huán)境中的熱量損耗用流經(jīng)熱阻的熱量表示，具體熱電等效的實(shí)現(xiàn)如圖1變壓器swift熱路模型所示。

基于熱電等效原理，建立分體式變壓器熱路模型，圖2為分體式變壓器自然油循環(huán)冷卻系統(tǒng)原理圖，地上、地下分別對應(yīng)于環(huán)境溫度θamb1、θamb2，建立分體式冷卻變壓器頂層油溫?zé)崧纺Ｐ腿鐖D3所示。

所述步驟5的具體內(nèi)容是：

計(jì)算分體式冷卻變壓器熱點(diǎn)溫度需要根據(jù)兩部分進(jìn)行，一部分通過計(jì)算變壓器頂層油對環(huán)境溫度的溫升計(jì)算出頂層油溫時(shí)間序列，一部分通過計(jì)算變壓器熱點(diǎn)對頂層油的溫升計(jì)算出變壓器熱點(diǎn)溫度時(shí)間序列。

步驟5.1變壓器頂油溫度熱路模型

步驟5.1.1將分體式變壓器頂層油溫?zé)崧纺Ｐ蛨D簡化為如圖4頂層油溫計(jì)算模型，基于電路的基爾霍夫定律有以下等式：

上式左端損耗為實(shí)際情況下變壓器的總損耗，根據(jù)一體式冷卻變壓器負(fù)載導(dǎo)則中的推薦公式，分體式冷卻變壓器的油熱容c為：

cth-oil＝0.48·mfluid(5)

其中mfluid為變壓器油的質(zhì)量，r1、r2分別為變壓器頂層油對地下環(huán)境和地上環(huán)境的熱阻，該熱阻隨著油溫變化呈非線性。由于油箱壁為金屬，熱阻小，油到外界的熱阻可近似等于油的熱阻。

根據(jù)熱電等效原理，在額定情況下變壓器油熱阻為：

步驟5.1.2對油熱阻的非線性修正

實(shí)際運(yùn)行過程中，油熱阻隨溫度變化呈現(xiàn)非線性關(guān)系，引入因子來描述這熱阻的變化非線性特性，所以有：

所以頂層油溫計(jì)算方程修正為：

步驟5.1.3對變壓器實(shí)際負(fù)載的修正

在非額定負(fù)載條件下需要根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)載情況對變壓器計(jì)算模型方程進(jìn)行修正，負(fù)載電流與額定電流的關(guān)系如下

考慮到銅損耗與電流平方成正比，鐵損耗基本不隨電流變化，所以實(shí)際運(yùn)行總損耗為：

步驟5.1.4油粘度修正

在決定熱阻的各項(xiàng)參數(shù)中，油粘度隨溫度變化最大，對熱阻的變化影響最大，油粘度隨油溫度的變化通過熱阻體現(xiàn)出來。

其中c1為由油密度、油熱膨脹系數(shù)、油熱導(dǎo)率、油比熱容等決定的一個(gè)幾乎不變的常數(shù)，a為傳熱等效面積，h為傳熱系數(shù)，c1和a看作不變。

實(shí)際變壓器本體和散熱器的熱阻r1、r2轉(zhuǎn)化為額定熱阻在該頂油溫度下和特定油粘度下的表示形式。

對兩熱阻表達(dá)式(1)和(2)分別代入式(16)中有

步驟5.1.5負(fù)載損耗隨溫度變化修正

pcu,pu(θoil)為銅損耗隨溫度的變化函數(shù)，pa,pu為渦流損耗和雜散損耗之和，pdc,pu為直流損耗，θk＝235。

步驟5.1.6將以上修正式代入頂油溫度熱路模型計(jì)算方程中得到最終修正結(jié)果計(jì)算方程如下：

步驟5.2熱點(diǎn)溫度模型

熱點(diǎn)溫度模型如圖5，此時(shí)把本體和散熱器兩部分的油看成一個(gè)整體，由于鐵損耗通過提高油溫的方式影響繞組熱點(diǎn)溫度，而對繞組熱點(diǎn)溫度的直接影響可以忽略，因此該部分熱路模型的熱源部分只考慮銅損耗，實(shí)際運(yùn)行情況下繞組到兩部分油的等效傳遞熱阻為rwdg-oil。

步驟5.2.1根據(jù)熱路等效電路的基爾霍夫定律列出方程如下：

非線性繞組到油的熱阻近似等于油的熱阻(繞阻和絕緣部件的熱阻相對較小被忽略)所以：

將熱阻表達(dá)式代入有

步驟5.2.2熱阻非線性修正，同以上對油熱阻的修正，引入系數(shù)來描述熱阻的非線性變化特性。

步驟5.2.3實(shí)際負(fù)載修正，負(fù)載損耗銅損由直流損耗和渦流損耗組成，近似與負(fù)載電流成正比例關(guān)系，所以有：

步驟5.2.4油粘度修正，油粘度變化通過熱阻體現(xiàn)，根據(jù)油熱阻關(guān)系式(3)推得出實(shí)際情況下的熱阻，代入熱點(diǎn)溫度模型方程如下：

步驟5.2.5負(fù)載損耗隨溫度變化修正

負(fù)載損耗只有銅損，銅損隨著溫度變化。

其中單位量負(fù)載銅損隨熱點(diǎn)溫度變化量為：

所述步驟6的具體內(nèi)容是根據(jù)給定的變壓器負(fù)載曲線和環(huán)境溫度曲線來求解微分方程(19)，求出系列變壓器頂層油溫?cái)?shù)值，代入熱點(diǎn)溫度模型(27)中求得變壓器熱點(diǎn)溫度在上述特定狀態(tài)下的隨時(shí)間變化的特定值。所求得分體式變壓器熱點(diǎn)溫度計(jì)算值與實(shí)測熱點(diǎn)溫度值對比曲線如圖6所示。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。