基于流体网络的电力变压器绕组温度预测

发布时间：2016-08-06 07:05

第1章 绪论 

1.1 本研究课题的背景和意义
随着国家经济的快速发展，工业用电和国民用电的需求逐年提高，电力系统作为先行行业，近年来得到了长足的发展。主要表现为电网输电量不断提高，并有向超高电压，特大容量方向发展的趋势。电力变压器是电力系统主要的电气设备之一，其能否安全可靠运行对电力系统整体的安全性和稳定性影响巨大[1-3]。 目前，我国的电力变压器市场，民营企业份额在 50%左右，外企占 30%，国企占 20%。跨国企业如 ABB、阿海珐、西门子、东芝等在我国均已建厂，并且常州东芝变压器有限公司、重庆 ABB 变压器有限公司等均有能力生产 500KV级大型电力变压器。所以，目前国内变压器市场竞争十分激烈，如何在保证变压器质量的前提下降低生产成本就显得意义重大[4]。降低成本的主要方法有：（1）缩小变压器体积，降低结构钢和冷却油的使用量；（2）提高绕组的利用率，减少铜的使用量；（3）提高铁心平均磁密，降低硅钢片使用量。但以上做法无疑对变压器热承载能力又产生了新的要求。 大型电力变压器一般为强迫油循环结构，通过油泵强迫冷却油内部循环，带出绕组和铁心热量。该冷却回路主要包括冷却器、冷却回路连接结构和绕组油路，整体油路所占体积大，结构复杂[5]。一般说来，变压器绕组平均温度每降低 6°C，绝缘乃至变压器寿命就可延长一倍。因此，研究如何优化变压器散热性能，降低绕组温度，在经济效益和实际应用等方面，都有着极其重要的意义。 目前变压器绕组温度计算主要使用解析法和数值分析法。在具体应用中，前者多采用经验公式，计算误差大，温度预测结果常不准确。而后者建模困难，计算量大，边界条件不易确定。 本文以大容量油浸式电力变压器为例，提出了一种基于流体网络的绕组温度计算方法。该方法局部进行流体场数值分析，整体通过全域流体网络模型计算，在保证计算准确的前提下，降低了建模难度，减少计算量，有着较大的工业应用价值和现实意义。
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1.2 国内外研究现状及发展趋势 
根据实际经验，很多变压器短路事故都是由绝缘老化引起的，而绝缘寿命与绕组热点温度关系密切。《油浸式变压器负载导则》中指出：“绕组最热区域内达到的温度，是变压器负载值的最主要限制因素”，变压器所能达到的最大寿命，往往取决于绕组最热点的绝缘寿命[6]。绕组热点温度计算的意义，就在于通过此类计算，达到变压器安全长期运行和节约制造材料之间的最优平衡点，并对变压器在不同条件下的工作寿命和安全指标有正确的评估。 一般说来，变压器热点温度计算的主要方法包括解析法和数值分析方法。解析法又分为热路法和国标模型计算方法。 热路法是用电路的模型来模拟变压器内热传导的过程，如 SWIFT 提出顶层油温计算模型[7-8]和继而出现的改进温度计算模型。此类方法能够较为精确直观的表现变压器内部传热散热过程，但整体计算准确性依赖于能否正确确定热阻和油流量。 国标计算方法一般采用 IEEE  Std  C57.91-1995 和国家标准 GB  1094.2-1996《电力变压器，温升》（等效采用 IEC 76.2-1993）中给出的油浸式电力变压器内部温度计算模型。在该模型中，有如下假设： 1．绕组油路中油温从底部到顶部线性升高。 2．绕组沿高度任何位置上的温升，从底部到顶部线性增加，此变化线为直线，且与绕组油路油温温升直线平行，两平行线之间的差值为常数 g,g 为用电阻法测出的绕组平均温升和油平均温升之间的差值。 根据以上假设，顶层油温可由其相对于环境温度的温升计算得到；同样，绕组热点温度可以通过其相对于顶层油温的温升计算得到。这种简化的经验计算公式应用简单，总的来说可以表现绕组油路和绕组的平均温升，在工业生产中得到了较为广泛的应用。但由于变压器冷却结构复杂，而这种线性温升模型本身过于简化，基本假设过于理想，因此不能准确的预测绕组热点温度。关于此点，结合本文提出的公式，在后文会有进一步的说明。 
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第2章 流体网络模型及热源计算 

电力变压器是电力网中的主要电气设备，如升高发电机组产生的交流电压，向电力网输出电能的升压变压器、供火力发电厂启动机组用的厂用电变压器、降低电压，输入电器设备的配电变压器、以及联络不同电压网络的联络变压器等。 因此，电力变压器的正常稳定工作，与电网安全运行密切相关。根据国家电网对变压器运行事故的统计，有相当比例的变压器事故的原因是绕组热点热升超标，烧损绝缘，最终导致短路。因此，准确分析变压器热性能，通过优化设计减少热事故，具有重要的实际意义[33-35]。下文即对变压器油路结构进行分析，建立相应的流体网络模型，并初步计算网络热源参数。 

2.1 油路结构 
大型电力变压器损耗巨大，发热严重，工作时需要将大量热量传至空气中，因此一般采用体积较大的冷却器进行散热。并且常在冷却回路中安装变压器油泵，利用油泵来提高变压器油回路中油的流速，并克服提高油的流速后增加的油的阻力，以提高变压器内部油路热交换和冷却器侧散热的能力。如图 2-1 所示，在绕组中被加热的油沿着路径 a 与顺着油箱壁未被加热的并联油路 b 的油流混合，进入冷却器将热量散入空气。此时器身的传热仍以自然循环为主，传热性能受油泵的影响较小，且传热量远低于冷却器散热量[36]。
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2.2网络构架

在油浸式变压器流体网络中，热结构为绕组和冷却器。其中，ABC 三相绕组互为并联。单相绕组油路包含并联的高中低压绕组，相互间有不利于散热的围屏结构，因此也采取并联的构建方式。由于 ABC 三相绕组的结构完全相同，故仅需对一相绕组油路进行分析，即可得到绕组油路整体的流体和热特性。整体网络如图 2-5 所示，由于绕组沿垂直方向损耗密度分布不均匀，故将绕组线饼作为发热单元，在网络中予以体现。 冷却油从绕组油路流出，带走绕组热量后流入冷却部分。对于本文所用样机，其冷却部分由四组 YFZL3-315 冷却器构成。网络中作为热源的绕组损耗，在后文通过三维电磁仿真得出，计算中考虑铁心及结构件所产生的的漏磁对绕组损耗的影响。作为网络串联变量的油流量以场路耦合的方法得到，根据样机的实际结构，将整体油路分段建模，进行局部三维流体有限元仿真，结果代入流体网络。最终根据以上数据，结合绕组结构重复性，确定变压器绕组热点温度及位置。  

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第 3 章 油路流量计算 ...... 17 
3.1 油路结构模型 ..... 17 
3.2 油路分段流阻计算 ....... 19 
3.2.1 数学模型建立 .... 20 
3.2.2 流场数值计算 .... 21 
3.3 本章小结 ............. 28 
第 4 章 绕组温度场计算 ............ 29 
4.1 绕组冷却过程 ..... 29 
4.2 单段绕组温度场计算 ............. 30 
4.2.1 基本假设 ............ 32 
4.2.2 求解条件 ............ 32 
4.2.3 温度场求解 ........ 33 
4.3 流体网络计算 ..... 36 
4.4 实验数据对比分析 ....... 38 
4.5 本章小结 ............. 41 

第4章 绕组温度场计算 

变压器内发热部件多，热交换过程复杂，常有多重冷却方式并行存在。一般说来，变压器热特性与流体动力学、传热学、电磁学和制造工艺等均有相关。尤其对于大型电力变压器，其热校核是一个重要的问题，但又常常难于准确计算。目前常用研究方法主要包括 IEEE 线性温度模型、热网络法和电磁-热耦合有限元计算。前文已经讨论过 IEEE 温度模型关于线性假设的缺陷，此类模型仅适用于厂用温度粗略估计；热网络法准确度依托于是否能准确估计网络热阻，而热阻又依赖于经验公式，因此热网络法精度有限；耦合有限元计算显然可靠度最高，但该可靠性建立在模型准确的基础上，且计算耗时大，设备要求高，计算过程繁杂。 在通常的网络计算中，由章节 2 中的式（2-1）可以算出网络中单个绕组线饼两端截面的平均油温。但在计算绕组温度时，需要得到式（2-2）中的每个线饼上的平均换热系数k 和散热面积ΔA 。换热系数由油流速，流固材料，散热面形状决定，而变压器循环油路中，油流动复杂，换热面形状不规则， k 值很难采用经验公式计算。本文结合热网络法和有限元计算的优点，采取绕组分段建模、数值分析的方法计算换热系数，得到准确的网络热阻，即解决了网络计算中过于依赖经验公式的问题，又避免了仿真模型过大引起的计算困难。 

4.1 绕组冷却过程 
变压器绕组中热源主要分为两个部分，第一部分是电流流经绕组时，由铜导线电阻引起的电阻损耗，这是变压器热量的主要来源。第二部分是漏磁场在绕组内部产生的涡流损耗，虽然涡流损耗所占比例较小，但同样会影响到绕组的温升。绕组产生的热量一部分提高自身温度，一部分散发出去。 绕组主要散热形式为热传导和对流散热[44]。当两个温度不同物体相接触或者一个物体的两端温度不同时，热量就会从高温侧沿物体向低温侧传递，这种传热方式叫做热传导。热量传导的速率与材料的物理性质和温差大小有关，材料传热系数和温度差越大，热传导越快。该过程在变压器内主要表现为绕组线饼与绝缘、绝缘与垫块间的接触传热。 
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结论 

以往变压器内温度场及热点计算中，解析法过分依赖经验公式，计算误差大，温度预测结果常不准确；数值分析法在具体应用中建模困难，计算量大，边界条件不易确定。本文针对这些实际问题，提出了基于流体网络的绕组温度计算方法。将局部有限元分析与流体网路结合起来，对变压器内流体场及温度场进行了研究，阐述了全域流体场与其温度分布之间的内在关系，给出了详细的计算公式，并得到以下结论： 
1．根据大型电力变压器冷却油路结构，采用流体网络的方法对其绕组温度进行了计算。将冷却油路分为绕组油路，冷却器和连接结构三部分，局部进行流体场数值分析，整体通过全域流体网络模型计算，降低了建模难度，减少计算量。以一台 330k V，容量为 240000k VA 的油浸式电力变压器高压绕组为例，三维有限元模型可减少 3/4，理论计算与实验数据最大相对误差为 3.57%，，计算结果验证准确。 
2．绕组温度场建模分析时，仅对典型绕组结构部分建模计算，其他绕组段考虑其轴向油路的重复性，在油流的作用下通过流体网络予以求解，场路耦合计算绕组全域温度分布。绕组表面换热系数通过温度场分析动态确定，保证了计算的准确性。 
3．采用的全域流体网络的耦合变量是变压器油的流量。通过对冷却结构进行建模和有限元计算，分析了各处流阻特性及对油流的作用，确定了油流对整体温度分布的影响。采用这种油路分段有限元计算，局部流阻与油泵扬程通过流体网络联立确定油流量的方法，改变任意段油路结构模型，便可反映局部设计变化对全域流场状态的影响，而不需要对油路整体重新建模，有利于变压器冷却结构的优化设计。 
4．在电磁计算中，考虑了拉板和夹件等结构件对漏磁分布和绕组损耗的影响，依照样机结构建立了切合实际的电磁仿真模型。避免了以往计算中，由二维模型和过分粗糙的三维模型导致的计算精度降低。同样，在绕组油路计算中，考虑了撑条、垫块和绝缘纸等结构对流体场和温度分布的影响，给出了详细的边界条件，提出了一系列合理的假设，对单段绕组油路 1/16 流场进行了分析计算。 
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参考文献(略)

本文编号：86173