CN107066799B - 一种地下变电站分体式冷却变压器热点温度计算方法 - Google Patents

一种地下变电站分体式冷却变压器热点温度计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种地下变电站分体式冷却变压器热点温度计算方法，通过获取分体式冷却系统变压器的设备参数；进行分体式变压器空载试验和负载试验，分别测量得到变压器的空载损耗和负载损耗；进行额定负载温升试验，得到额定顶层油温温升和绕组温升；基于热电等效原理，建立分体式变压器热路模型，并进行优化，得到变压器顶油温度热路模型和热点温度模型；采用四阶龙格库塔法实现热路微分方程的求解，计算给定负载曲线和环境温度曲线下的顶层油温时间序列和热点温度时间序列。本发明有利于更充分地利用分体式冷却变压器的动态负载能力，促进变压器在线监测信息的深度应用。

Description

一种地下变电站分体式冷却变压器热点温度计算方法
技术领域
本发明涉及一种地下变电站分体式冷却变压器热点温度计算方法。
背景技术
随着城市用电负荷的快速增加，城区内变电站的数量增多，综合考虑土地占用面积和城市环境协调等问题，城市变电站中地下变电站和户内变电站的比例越来越大，地下变电站由于空间限制和电力设备散热需求，其变压器的冷却系统往往需采用与变压器本体分体设计的方式。伴随用电负荷不断增加，变压器散热问题日显突出。为保证散热效果，地下变压器冷却器形式及布置方式与常规变电站有很大差异，一般使用散热器和变压器本体上下式布置。与传统变压器相同，其绕组热点温度的准确预测是决定变压器过载能力和油纸绝缘老化率、防止变压器出现过热故障的关键因素。
因此，精确可靠计算分体变压器热点温度具有十分重要的意义，目前，针对传统一体式冷却变压器绕组热点温度的计算方法较多，但国内外尚未有分体式变压器温度计算的相关研究。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种地下变电站分体式冷却变压器热点温度计算方法，本方法基于热电等效原理，合理实现了地下变电站自然油循环的分体式冷却变压器的热路计算模型建立，可获得精度较高的热点温度计算结果，能够准确地得到热点温度的变化趋势。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种地下变电站分体式冷却变压器热点温度计算方法，包括以下步骤：
(1)获取分体式冷却系统变压器的设备参数；
(2)进行分体式变压器空载试验和负载试验，分别测量得到变压器的空载损耗和负载损耗；
(3)进行额定负载温升试验，得到额定顶层油温温升和绕组热点温升；
(4)基于热电等效原理，建立分体式变压器热路模型，并进行优化，得到变压器顶油温度热路模型和热点温度热路模型；
(5)采用四阶龙格库塔法实现热路微分方程的求解，计算给定负载曲线和环境温度曲线下的顶层油温时间序列和热点温度时间序列。
所述步骤(1)中，根据出厂变压器参数，记录试验用分体式变压器型号、额定容量、额定电压、额定电流值、变压器铁芯质量、变压器的高压、低压和调压绕组质量、变压器油质量与比热容。
所述步骤(2)中，进行空载损耗试验，在低压绕组施加额定频率正弦波形的额定电压，而高压绕组处于开路状态下，根据在低压侧的功率表数值即得到变压器空载损耗。
所述步骤(2)中，进行负载损耗试验，变压器低压绕组短接，而在高压绕组施加低于额定值的电压，并使短路绕组中流过电流值为额定电流，高压侧功率表数值即得到变压器的负载损耗值。
所述步骤(3)中，温升试验的过程为：关闭分体式变压器散热器的上油管和下油管，即隔绝变压器本体和散热器，给变压器施加额定负载电流，测量其额定顶层油温升Δθoil-atm1,R1；再分别打开变压器上油管和下油管，进行额定负载试验，测量额定顶层油温升Δθoil-atm1,R2和Δθoil-atm2,R2，分别为顶层油温相对于地下环境温度的温升和地上环境温度的温升。
所述步骤(3)中，分体式冷却变压器绕组到顶层油的热阻为：当打开变压器上下油管，额定负载状态下运行，测得额定热点温度与顶层油温温差与额定运行条件下的铜损的比值。
所述步骤(4)中，根据分体式变压器顶层油温热路模型，基于电路的基尔霍夫定律和热电等效原理，利用热阻和热容等热参数列出了求取顶层油温度的等式方程。
所述步骤(4)中，引入描述这热阻的变化非线性特性的变化因子，对热路模型的计算进行修正。
所述步骤(4)中，在非额定负载条件下需要根据实时负载情况对变压器计算模型方程进行修正，根据负载电流与额定电流的关系，考虑到铜损耗与电流平方成正比，得到实际运行总损耗。
所述步骤(4)中，热点温度模型把本体和散热器两部分的油看成一个整体，由于铁损耗通过提高顶层油温的方式影响绕组热点温度，忽略铁损耗对绕组热点温度的直接影响。
所述步骤(4)中，对热点温度模型进行热阻非线性修正、油粘度修正、实际负载修正和负载损耗随温度变化修正。
本发明的有益效果为：
本发明基于热电等效原理合理实现了地下变电站自然油循环的分体式冷却变压器的热路计算模型建立，可获得精度较高的热点温度计算结果，能够准确地得到热点温度的变化趋势，有利于更充分地利用分体式冷却变压器的动态负载能力，促进变压器在线监测信息的深度应用。
附图说明
图1为传统一体式冷却变压器Swift顶层油温热路模型原理图；
图2为分体式冷却变压器结构和油流示意图；
图3为分体式冷却变压器顶层油温热路模型图；
图4为简化的分体式冷却变压器顶层油温热路模型图；
图5为分体式冷却变压器热点温度热路计算模型图；
图6为分体式变压器热点温度计算结果对比曲线图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施示例对本发明作进一步说明。
分体式冷却变压器热点温度计算方法，包括以下步骤：
(1)获取在变压器厂投入运行并用于试验研究的该分体式冷却系统变压器的各项出厂参数。
(2)进行变压器的空载试验和短路试验，试验测得分体式变压器的空载损耗和负载损耗，用于后面的热路计算。
(3)通过对变压器进行温升试验来实现模型重要未知参数变压器油计算参数热阻的求取。
(4)根据变压器swift热路模型推导出分体式变压器热路计算模型图。
(5)根据分体式变压器两个模型图进行推导计算，并逐步修正完善变压器热路温度计算方程。
(6)实测热点温升变化曲线与热路计算值相对比，验证结果的正确性。
所述步骤(1)中，分体式冷却变压器参数包括变压器型号、额定容量、额定电压、额定电流值、变压器铁芯质量、变压器绕组质量(包含高压、低压、调压绕组)、变压器油参数(油质量、比热容)
所述步骤(2)中，对试验分体式变压器分别进行空载试验和短路试验，用功率表测出变压器的空载损耗(铁损)和负载损耗(铜损)。
所述步骤(3)中，温升试验过程包括：
步骤3.1隔绝变压器本体和散热器，额定负载条件下测量其额定顶层油温升Δθoil-atm1,R1。
步骤3.2打开变压器上下油管，额定负载下测量额定顶层油温升Δθoil-atm1,R2和Δθoil-atm2,R2，并测量此时热点温度和顶层油温温差。
求得热路计算所用热阻值为：
Figure GDA0002791854600000041
Figure GDA0002791854600000042
Figure GDA0002791854600000043
其中qrated为额定损耗，为铜损和铁损之和，Roil1、Roil2分别为顶油模型中，变压器额定运行情况下变压器油相对地下和地上环境的热阻值，Rth,rated为热点模型中，变压器额定运行情况下变压器油的额定热阻值，PCu为铜损耗。
所述步骤(4)中，建立分体上下式布置冷却系统模型图，基于传统传热计算模型，利用热电等效和能量守恒原理建立分体式冷却系统顶层油温热路模型和热点温度热路模型。
步骤(5)中，根据分体式变压器两个模型图进行推导计算，并逐步从油热阻的非线性、实际负载、油粘度的变化、负载损耗随温度变化方面修正完善变压器热路温度计算方程。
顶层油温热路计算方程：
Figure GDA0002791854600000044
热点温度热路计算方程
Figure GDA0002791854600000045
上述公式中，β为变压器铜损耗和铁损耗比值，K为负载实际电流和额定电流的比值，C为变压器本体和散热器油的整体热容值，PCu，pu(θhs)为负载损耗随温度变化比例系数，R1,rated、R2,rated为前述温升试验测量计算得出的油相对低下和地上环境的热阻值，μ1,pu、μ2,pu为油粘度标幺值，Cth-wdg为绕组到油的热容值，近似等于油的热容，待求量θoil为顶层油温度，θhs为热点温度。
步骤1：获取在变压器厂投入运行并用于试验研究的该分体式冷却系统变压器的各项出厂参数，用于后续计算。
步骤2：进行变压器的例行试验，变压器的空载试验和短路试验，试验测得分体式变压器的空载损耗和负载损耗，两者之和为变压器总损耗，用于后面的热路计算。
步骤3：进行额定负载温升试验，测量额定负载损耗，得到额定顶层油温温升和绕组热点温升，以实现热路模型中重要参数的计算求取。
步骤4：根据热电等效原理推出分体式冷却变压器热路计算模型。
步骤5：根据分体式冷却变压器两个模型图进行推导计算，并逐步修正完善分体式冷却变压器温度热路计算方程。
步骤6：采用四阶龙格库塔法实现热路微分方程的求解，计算给定负载曲线和环境温度曲线下的顶层油温时间序列和热点温度时间序列。
所述步骤1的具体内容为：
根据出厂变压器参数，记录试验用分体式变压器型号、额定容量、额定电压、额定电流值、变压器铁芯质量、变压器绕组质量(包含高压、低压、调压绕组)、变压器油参数(油质量、比热容)，以便后续计算使用。表1为变压器参数示例。
表1分体式冷却变压器基本参数
Figure GDA0002791854600000051
Figure GDA0002791854600000061
所述步骤2的具体内容为：
进行分体式变压器空载试验和负载试验，分别测量变压器的空载损耗和负载损耗。
步骤2.1空载损耗试验，在低压绕组施加额定频率正弦波形的额定电压，而高压绕组处于开路状态下，根据在低压侧的功率表数值即得到变压器空载损耗。
步骤2.2负载损耗试验，变压器低压绕组短接，而在高压绕组施加低于额定值的电压，并使短路绕组中流过电流值为额定电流，高压侧功率表数值即得到变压器的负载损耗值。表2为试验结果示例。
表2空载试验和负载试验结果记录
Figure GDA0002791854600000062
空载损耗和负载损耗分别对应测试变压器的铁损耗和铜损耗。
所述步骤3的具体内容为：
热路模型重要参数(热阻)的求取需要进行温升试验，设计分体式冷却变压器的温升试验如下：
步骤3.1关闭分体式变压器散热器的上油管和下油管，即隔绝变压器本体和散热器，给变压器施加额定负载电流，测量其额定顶层油温升Δθoil-atm1,R1。
步骤3.2打开变压器上油管和下油管，进行额定负载试验，测量额定顶层油温升Δθoil-atm1,R2和Δθoil-atm2,R2，分别为顶层油温相对于地下环境温度(变压器本体所处环境)的温升和地上环境温度(散热器所处环境)的温升。
求出两部分油额定热阻为
Figure GDA0002791854600000063
Figure GDA0002791854600000071
Roil1,rated、Roil2,rated为额定负载情况下分体式变压器本体部分顶层油对地下环境和对地上环境的热阻值。
步骤3.3分体式冷却变压器绕组到顶层油的热阻为：当打开变压器上下油管，额定负载状态下运行，测得额定热点温度与顶层油温温差与额定运行条件下的铜损的比值。
Figure GDA0002791854600000072
所述步骤4的具体内容是：
变压器损耗产生热量(铜损和铁损之和)一部分扩散到变压器油中(用于提升变压器油温)，一部分散失到外界环境中。扩散到油中热量用热容元件吸收的热量表示，散失到外界环境中的热量损耗用流经热阻的热量表示，具体热电等效的实现如图1变压器swift热路模型所示。
基于热电等效原理，建立分体式变压器热路模型，图2为分体式变压器自然油循环冷却系统原理图，地下、地上分别对应于环境温度θamb1、θamb2，建立分体式冷却变压器顶层油温热路模型如图3所示。
所述步骤5的具体内容是：
计算分体式冷却变压器热点温度需要根据两部分进行，一部分通过计算变压器顶层油对环境温度的温升计算出顶层油温时间序列，一部分通过计算变压器热点对顶层油的温升计算出变压器热点温度时间序列。
步骤5.1变压器顶油温度热路模型
步骤5.1.1将分体式变压器顶层油温热路模型图简化为如图4顶层油温计算模型，基于电路的基尔霍夫定律有以下等式：
Figure GDA0002791854600000073
上式左端损耗为实际情况下变压器的总损耗，根据一体式冷却变压器负载导则中的推荐公式，分体式冷却变压器的油热容C为：
Cth-oil＝0.48·MFLUID (5)
其中MFLUID为变压器油的质量，R1、R2分别为变压器顶层油对地下环境和地上环境的热阻，该热阻随着油温变化呈非线性。由于油箱壁为金属，热阻小，油到外界的热阻可近似等于油的热阻。
根据热电等效原理，在额定情况下变压器油热阻为：
Figure GDA0002791854600000081
步骤5.1.2对油热阻的非线性修正
实际运行过程中，油热阻随温度变化呈现非线性关系，引入因子
Figure GDA0002791854600000082
来描述这热阻的变化非线性特性，所以有：
Figure GDA0002791854600000083
Figure GDA0002791854600000084
所以顶层油温计算方程修正为：
Figure GDA0002791854600000085
步骤5.1.3对变压器实际负载的修正
在非额定负载条件下需要根据实时负载情况对变压器计算模型方程进行修正，负载电流与额定电流的关系如下
Figure GDA0002791854600000086
Figure GDA0002791854600000087
考虑到铜损耗与电流平方成正比，铁损耗基本不随电流变化，所以实际运行总损耗为：
Figure GDA0002791854600000088
步骤5.1.4油粘度修正
在决定热阻的各项参数中，油粘度随温度变化最大，对热阻的变化影响最大，油粘度随油温度的变化通过热阻体现出来。
Figure GDA0002791854600000091
Figure GDA0002791854600000092
Figure GDA0002791854600000093
其中C1为由油密度、油热膨胀系数、油热导率、油比热容等决定的一个几乎不变的常数，A为传热等效面积，h为传热系数，C1和A看作不变。
实际变压器本体和散热器的热阻R1、R2转化为额定热阻在该顶油温度下和特定油粘度下的表示形式。
Figure GDA0002791854600000094
对两热阻表达式(1)和(2)分别代入式(16)中有
Figure GDA0002791854600000095
步骤5.1.5负载损耗随温度变化修正
Figure GDA0002791854600000096
PCu,pu(θoil)为铜损耗随温度的变化函数，Pa,pu为涡流损耗和杂散损耗之和，Pdc,pu为直流损耗，θk＝235。
步骤5.1.6将以上修正式代入顶油温度热路模型计算方程中得到最终修正结果计算方程如下：
Figure GDA0002791854600000101
步骤5.2热点温度模型
热点温度模型如图5，此时把本体和散热器两部分的油看成一个整体，由于铁损耗通过提高油温的方式影响绕组热点温度，而对绕组热点温度的直接影响可以忽略，因此该部分热路模型的热源部分只考虑铜损耗，实际运行情况下绕组到两部分油的等效传递热阻为Rwdg-oil。
步骤5.2.1根据热路等效电路的基尔霍夫定律列出方程如下：
Figure GDA0002791854600000102
非线性绕组到油的热阻近似等于油的热阻(绕阻和绝缘部件的热阻相对较小被忽略)所以：
Figure GDA0002791854600000103
将热阻表达式代入有
Figure GDA0002791854600000104
步骤5.2.2热阻非线性修正，同以上对油热阻的修正，引入系数
Figure GDA0002791854600000105
来描述热阻的非线性变化特性。
Figure GDA0002791854600000106
步骤5.2.3实际负载修正，负载损耗铜损由直流损耗和涡流损耗组成，近似与负载电流成正比例关系，所以有：
Figure GDA0002791854600000107
Figure GDA0002791854600000111
步骤5.2.4油粘度修正，油粘度变化通过热阻体现，根据油热阻关系式(3)推得出实际情况下的热阻，代入热点温度模型方程如下：
Figure GDA0002791854600000112
步骤5.2.5负载损耗随温度变化修正
负载损耗只有铜损，铜损随着温度变化。
Figure GDA0002791854600000113
其中单位量负载铜损随热点温度变化量为：
Figure GDA0002791854600000114
所述步骤6的具体内容是根据给定的变压器负载曲线和环境温度曲线来求解微分方程(19)，求出系列变压器顶层油温数值，代入热点温度模型(27)中求得变压器热点温度在上述特定状态下的随时间变化的特定值。所求得分体式变压器热点温度计算值与实测热点温度值对比曲线如图6所示。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种地下变电站分体式冷却变压器热点温度计算方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)获取分体式冷却系统变压器的设备参数；
(2)进行分体式变压器空载试验和负载试验，分别测量得到变压器的空载损耗和负载损耗；
(3)采用进行额定负载温升试验，得到额定顶层油温温升和绕组温升；
(4)基于热电等效原理，建立分体式变压器热路模型，并进行优化，得到变压器顶油温度热路模型和热点热路温度模型；
优化后的顶层油温热路计算方程：
Figure FDA0002791854590000011
优化后的热点温度热路计算方程：
Figure FDA0002791854590000012
上述公式中，qrated为额定损耗，为铜损和铁损之和；β为变压器铜损耗和铁损耗比值，K为负载实际电流和额定电流的比值，C为变压器本体和散热器油的整体热容值，PCu，pu(θhs)为负载损耗随温度变化比例系数，R1,rated、R2,rated为前述温升试验测量计算得出的油相对地下和地上环境的热阻值，θamb1为地下环境温度，θamb2为地上环境温度，μ1,pu、μ2,pu为油粘度标幺值，Cth-wdg为绕组到油的热容值，待求量θoil为顶层油温度，θhs为热点温度；
(5)采用四阶龙格库塔法实现热路微分方程的求解，计算给定负载曲线和环境温度曲线下的顶层油温时间序列和热点温度时间序列。
2.如权利要求1所述的一种地下变电站分体式冷却变压器热点温度计算方法，其特征是：所述步骤(1)中，根据出厂变压器参数，记录试验用分体式变压器型号、额定容量、额定电压、额定电流值、变压器铁芯质量、变压器的高压、低压和调压绕组质量、变压器油质量与比热容。
3.如权利要求1所述的一种地下变电站分体式冷却变压器热点温度计算方法，其特征是：所述步骤(2)中，进行空载损耗试验，在低压绕组施加额定频率正弦波形的额定电压，而高压绕组处于开路状态下，根据在低压侧的功率表数值即得到变压器空载损耗。
4.如权利要求1所述的一种地下变电站分体式冷却变压器热点温度计算方法，其特征是：所述步骤(2)中，进行负载损耗试验，变压器低压绕组短接，而在高压绕组施加低于额定值的电压，并使短路绕组中流过电流值为额定电流，高压侧功率表数值即得到变压器的负载损耗值。
5.如权利要求1所述的一种地下变电站分体式冷却变压器热点温度计算方法，其特征是：所述步骤(3)中，温升试验的过程为：关闭分体式变压器散热器的上油管和下油管，即隔绝变压器本体和散热器，给变压器施加额定负载电流，测量其额定顶层油温升Δθoil-atm1,R1；再分别打开变压器上油管和下油管，进行额定负载试验，测量额定顶层油温升Δθoil-atm1,R2和Δθoil-atm2,R2，分别为顶层油温相对于地下环境温度的温升和地上环境温度的温升。
6.如权利要求1所述的一种地下变电站分体式冷却变压器热点温度计算方法，其特征是：所述步骤(3)中，分体式冷却变压器绕组到顶层油的热阻为：当打开变压器上下油管，额定负载状态下运行，测得额定热点温度与顶层油温温差与额定运行条件下的铜损的比值。
7.如权利要求1所述的一种地下变电站分体式冷却变压器热点温度计算方法，其特征是：所述步骤(4)中，根据分体式变压器顶层油温热路模型，基于电路的基尔霍夫定律和热电等效原理，利用热阻和热容等热参数列出了求取顶油温度的等式方程。
8.如权利要求1所述的一种地下变电站分体式冷却变压器热点温度计算方法，其特征是：所述步骤(4)中，引入描述这热阻的变化非线性特性的变化因子，对热路模型的计算进行修正。
9.如权利要求1所述的一种地下变电站分体式冷却变压器热点温度计算方法，其特征是：所述步骤(4)中，在非额定负载条件下需要根据实时负载情况对变压器计算模型方程进行修正，根据负载电流与额定电流的关系，考虑到铜损耗与电流平方成正比，得到实际运行总损耗。
10.如权利要求1所述的一种地下变电站分体式冷却变压器热点温度计算方法，其特征是：所述步骤(4)中，对热点温度模型进行热阻非线性修正、油粘度修正、实际负载修正和负载损耗随温度变化修正。
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