CN107273628A - 一种地下配电室的温度场计算方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地下配电室的温度场计算方法，包括：根据变压器内部各元件的传热系数以及各所述元件的发热功率，利用基于有限元分析方法，建立变压器内部温度场；根据地下配电室的空气流速以及空气传热系数，利用基于计算流体力学方法，建立地下配电室的空间温度场；根据所述变压器与周围空气的对流传递以及所述变压器中铁芯和绕组表面的热辐射，建立地下配电室的温度场的边界条件；将所述变压器内部温度场、所述空间温度场以及所述边界条件建立方程组，形成地下配电室的温度场；该温度场可以提高地下配电室热监测和故障分析的可靠性和准确性；本发明还公开了一种地下配电室的温度场系统，具有上述有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及电气技术领域，特别涉及一种地下配电室的温度场计算方法及系统。
背景技术
随着人口的增加，智能用电设备的普及，人们对能源的需求逐渐提升，但是城市用地越来越紧张，地下室内变电站为解决这一问题提供了可行途径。其中电力设备的寿命和能否无故障运行很大程度上取决于电力设备的运行状况。对于地下变电站来说，诸如空气对流、冷却策略等影响其热状况的因素对其中电力设备特别是变压器的寿命和运行至关重要。温度越限将导致变压器的绝缘加速老化、崩溃，减少剩余寿命，也可能导致停电事故造成巨大经济损失。因此为了提高供电的可靠性，热监测和故障分析很有必要。
目前关于地下配电室热模型研究主要分为3个方面：第一数学计算模型。第二等值热电路模型。第三有限元分析(FEM)/计算流体力学(CFD)。但是目前所有的研究均没有在模型中考虑到变压器的运行状况、运行环境和冷却策略，以及它们间的相互作用关系。因此，如何提高热监测和故障分析的可靠性和准确性，是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种地下配电室的温度场计算方法及系统，该温度场可以提高地下配电室热监测和故障分析的可靠性和准确性。
为解决上述技术问题，本发明提供一种地下配电室的温度场计算方法，所述方法包括：
根据变压器内部各元件的传热系数以及各所述元件的发热功率，利用有限元分析方法，建立变压器内部温度场；
根据地下配电室的空气流速以及空气传热系数，利用计算流体力学方法，建立地下配电室的空间温度场；
根据所述变压器与周围空气的对流传递以及所述变压器中铁芯和绕组表面的热辐射，建立地下配电室的温度场的边界条件；
将所述变压器内部温度场、所述空间温度场以及所述边界条件建立方程组，形成地下配电室的温度场。
可选的，所述变压器内部温度场具体为：
其中，kx，ky，kz分别代表x，y，z方向的传热系数，(x,y,z)为质点的坐标，T为该点的温度，Q为该点的热源功率密度，ρ1为该点质量密度，cp1为比热，t为时间。
可选的，所述空间温度场具体为：
其中，E代表内能，T为该点的温度，vx，vy，vz代表x，y，z方向上的空气流速，kT为空气的传热系数，ρ2为该点质量密度，cp2为比热，t为时间。
可选的，根据所述变压器与周围空气的对流传递以及所述变压器中铁芯和绕组表面的热辐射，建立地下配电室的温度场的边界条件，包括：
利用公式qco＝hco(Ts-Tair)得到对流传热边界条件；
利用公式得到热辐射边界条件；
其中，qco为单位面积的传热功率，hco为传热系数，Ts为表面温度，Tair为周围空气的温度，qra为单位面积的热辐射功率，ε为发射系数，σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数。
可选的，所述传热系数包括：绕组传热系数和铁芯传热系数；其中，
所述绕组传热系数ka,eff为：
所述铁芯传热系数kp,eff为：
其中，La为铁芯上绕组的长度，ki为第i层材料的传热系数，Li1为第i层材料沿绕组方向的长度，Lp为铁芯的所有硅钢片的厚度，Li2为第i层材料的厚度。
可选的，本方案还包括：
利用Ansys软件求解所述地下配电室的温度场，得到地下配电室的温度场的空间分布。
本发明还提供了一种地下配电室的温度场计算系统，所述系统包括：
变压器内部温度场计算模块，用于根据变压器内部各元件的传热系数以及各所述元件的发热功率，利用有限元分析方法，建立变压器内部温度场；
空间温度场计算模块，用于根据地下配电室的空气流速以及空气传热系数，利用计算流体力学方法，建立地下配电室的空间温度场；
边界条件计算模块，用于根据所述变压器与周围空气的对流传递以及所述变压器中铁芯和绕组表面的热辐射，建立地下配电室的温度场的边界条件；
温度场模块，用于将所述变压器内部温度场、所述空间温度场以及所述边界条件建立方程组，形成地下配电室的温度场。
可选的，所述边界条件计算模块，包括：
第一边界条件单元，用于利用公式qco＝hco(Ts-Tair)得到对流传热边界条件；
第二边界条件单元，用于利用公式得到热辐射边界条件；
其中，qco为单位面积的传热功率，hco为传热系数，Ts为表面温度，Tair为周围空气的温度，qra为单位面积的热辐射功率，ε为发射系数，σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数。
可选的，本方案还包括：
温度场求解模块，用于利用Ansys软件求解所述地下配电室的温度场，得到地下配电室的温度场的空间分布。
本发明所提供的一种地下配电室的温度场计算，包括：根据变压器内部各元件的传热系数以及各所述元件的发热功率，利用基于有限元分析方法，建立变压器内部温度场；根据地下配电室的空气流速以及空气传热系数，利用基于计算流体力学方法，建立地下配电室的空间温度场；根据所述变压器与周围空气的对流传递以及所述变压器中铁芯和绕组表面的热辐射，建立地下配电室的温度场的边界条件；将所述变压器内部温度场、所述空间温度场以及所述边界条件建立方程组，形成地下配电室的温度场。
可见，该温度场的建立考虑了变压器各元件热传导系数的计算，并分别建立变压器内部温度场以及地下配电室的空间温度场，建立过程中考虑各自温度场的特点；最后为了提高温度场求解的准确性还设置地下配电室的温度场的边界条件；即该温度场可以提高地下配电室热监测和故障分析的可靠性和准确性；本发明还提供了一种地下配电室的温度场系统，具有上述有益效果，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的地下配电室结构示意图，其中，1(a)为地下配电室俯视结构，1(b)地下配电室侧视结构图；
图2为本发明实施例所提供的地下配电室的温度场计算方法的流程图；
图3为本发明实施例所提供的地下配电室的温度场在负载为10％时的温度分布图；
图4为本发明实施例所提供的地下配电室的温度场在通风流量为2m3/min时的温度分布图；
图5为本发明实施例所提供的地下配电室的温度场在通风流量为0.2m3/min时的温度分布图；
图6为本发明实施例所提供的地下配电室的温度场计算系统的结构框图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种地下配电室的温度场计算方法及系统，该温度场可以提高地下配电室热监测和故障分析的可靠性和准确性。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提出的三维有限元变压器地下配电室热模型(即温度场)结合了变压器的运行状况和冷却条件，可以为地下变电站的热监测，以及电力设备的温度预测和状态估计提供很大帮助。本实施例在建立温度场时考虑了变压器的运行情况、空间情况以及边界条件。例如请参考图1，该地下配电室(本实施例是以地下配电室为研究对象的后续可以简称为配电室)里面有3个处于在保护柜的ABB干式变压器和3个西门子低压开关柜，配电室里面还布置有3个空调设备。配电室的冷却通风功能由空调完成。可以通过空调选择配电室的不同冷却策略，即设置配电室内冷却气体的流动速度和温度。冷却策略影响着配电室空间的温度分布，而变压器的运行工况、所带负载的多少确定了变压器的发热，影响着变压器内部的温度分布。边界条件在变压器内部温度场和配电室空间温度场之间建立了联系。综上可以得到准确度高的温度场。具体请参考图2，图2为本发明实施例所提供的地下配电室的温度场计算方法的流程图；该方法可以包括：
S100、根据变压器内部各元件的传热系数以及各元件的发热功率，利用有限元分析方法，建立变压器内部温度场；
具体的，本实施例并不限定变压器内部具体的需要考虑传热系数的元件。用户可以根据实际温度场的准确度的需求进行选择。例如变压器内部对温度影响较大的是铁芯和绕组，因此可以在建立变压器内部温度场时可以主要考虑这两个元件的传热系数。同理，本实施例并不限定变压器内部具体的需要考虑发热功率的元件。用户可以根据实际温度场的准确度的需求进行选择。例如变压器内部对发热功率影响较大的是铁芯、绕组以及介质和开关，因此可以在建立变压器内部温度场时可以考虑上述元件的发热功率。
其中，有限元分析方法FEM为Finite Element Method的缩写，译为有限元分析法，其实际应用中往往被称为有限元分析(FEM)，是一个数值方法解偏微分方程。FEM是一种高效能、常用的计算方法，它将连续体离散化为若干个有限大小的单元体的集合，以求解连续体力学问题。利用有限元分析方法建立变压器内部温度场具体为：
其中，kx，ky，kz分别代表x，y，z方向的传热系数，(x,y,z)为质点的坐标，T为该点的温度，Q为该点的热源功率密度，ρ1为该点质量密度，cp1为比热，t为时间。
具体的，x，y，z方向的传热系数在同一个元件处基本相同，因此本实施例可以近似理解传热系数为在(x,y,z)处对应的元件的传热系数，Q代表热源功率密度，只要用该点所处元件的发热功率除以该元件的体积就可以近似得到该点的热源功率密度。
综上，可选的，为了使温度场可以充分考虑变压器的运行情况，本实施例中主要体现在铁芯损耗、绕组损耗和介质损耗与变压器的运行情况相关，而计算温度场的模型中又将这3方面计入了热源。即本优选实施例中传热系数可以包括：绕组传热系数和铁芯传热系数；其中，
绕组传热系数ka,eff为：
铁芯传热系数kp,eff为：
其中，La为铁芯上绕组的长度，ki为第i层材料的传热系数，Li1为第i层材料沿绕组方向的长度，Lp为铁芯的所有硅钢片的厚度，Li2为第i层材料的厚度。
请参考图3和图4，其中，图3为10％负载、通风流量2m3/min、冷却气体20℃下配电室的温度场分布；图4为满负载、通风流量2m3/min、冷却气体20℃下配电室的温度场分布。它们从左到右分别为变压器铁芯、绕组的表面温度分布图，配电室的横截面温度分布图以及配电室的纵截面温度分布图。两者比较可以得到随着负载的增加，变压器内部温度明显增加，但对配电室其余空间的温度影响不大。负载的增加，导致明显导致变压器内部的绕组损耗增加。这时主要考虑的发热功率(即损耗)的元件可以是铁芯、绕组以及介质和开关。
具体的，绕组损耗即绕组的发热功率为
其中，Ps是变压器的短路损耗，β是负载率，Im是测量电流，Ir是额定电流。变压器绕组中除了电流导致的焦耳损耗外，也有杂散损耗和涡流损耗，大约占总损耗的10％，不能被忽略。然而这些损耗都包含在在变压器的短路损耗Ps中，生产厂家提供变压器的短路损耗数据。因此上式可以直接应用于变压器的绕组Pw计算。
变压器内部的损耗还有铁芯损耗和介质损耗。铁芯损耗Pc计算公式如下：
Pc＝Ph+Pe
其中，η是磁滞损耗系数，f是频率，Bmax是磁密幅值，V是铁芯的体积，d是硅钢片的厚度。
变压器的介质损耗Pd由电介质应力产生，计算公式如下：
Pd＝U2ωC tanδ
其中，U为介质层的电压差，ω是角频率，C是介质的等值电容，δ是介质损耗角。在中小型变压器中，介质损耗很小，因为介质层两端的电压较低。
配电室的热源除了变压器以外，还有开关产生的热量，开关设备的损耗Psg的热量来源于接触电阻的焦耳热，计算公式如下：
其中，Pr是额定电流下的损耗。
至此，变压器的内部损耗有绕组损耗、铁芯损耗和介质损耗3种，加上开关设备的损耗，构成了配电室的热源，即配电室内的能产生热量的元件有：变压器绕组、铁芯、绝缘介质和开关设备。
S110、根据地下配电室的空气流速以及空气传热系数，利用计算流体力学方法，建立地下配电室的空间温度场。
具体的，请参考图4和图5，其中，图4为满负载、通风流量2m3/min、冷却气体20℃下配电室的温度场分布；图5为满负载、通风流量0.2m3/min、冷却气体20℃下配电室的温度场分布。它们从左到右分别为变压器铁芯、绕组的表面温度分布图，配电室的横截面温度分布图以及配电室的纵截面温度分布图。通过图4和图5可以看到配电室的温度分布情况。其中，以变压器绕组、铁芯的温度最高，通风口的温度最低。两者相比较可以得出通风速度越快，配电室空间温度越低，但是变压器绕组、铁芯的温度变化不大。基于计算流体力学的配电室空间温度场的建立解决的是配电室中空气温度的分布，即除开变压器箱体其余空间位置的温度分布情况，利用计算流体力学方法(FCD)建立地下配电室的空间温度场，其空间温度场具体为：
其中，E代表内能，正比于温度T，T为该点的温度，vx，vy，vz代表x，y，z方向上的空气流速，kT为空气的传热系数，三个方向的空气传热系数是一样的，ρ2为该点空气的质量密度，cp2为空气的比热，t为时间。为求解空间温度场，除此之外，还有动量守恒等式：
以及连续性等式：
其中，代表空气流速的矢量，p代表压强，μ为常数。
计算空间温度场主要是考虑到了配电室通风设备冷却策略对配电室温度的影响。主要在空间温度场模型中考虑到了压强、通风速度这两个可以由配电室空调控制的物理量。
S120、根据变压器与周围空气的对流传递以及变压器中铁芯和绕组表面的热辐射，建立地下配电室的温度场的边界条件。
具体的，本实施例提出了联系配电室空间温度场与变压器内部温度场的边界条件，通过此边界条件可以构建配电室完整的温度场模型。边界条件是联系变压器内部温度场和外部温度场(配电室空间温度场)的桥梁。需要边界条件才可以求出整个配电室的温度场分布。本发明的边界条件主要涵盖固体和气体交界面出的热量的对流传递以及铁芯和绕组表面的热辐射这两方面。即配电室内变压器与周围空气的热量对流传递；铁芯和绕组表面的热辐射。
其中，利用公式qco＝hco(Ts-Tair)得到对流传热边界条件；
利用公式得到热辐射边界条件；
其中，qco为单位面积的传热功率，hco为传热系数，Ts为表面温度，Tair为周围空气的温度，qra为单位面积的热辐射功率，ε为发射系数，σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数(5.78×10-8W/m2K4)。
S130、将变压器内部温度场、空间温度场以及边界条件建立方程组，形成地下配电室的温度场。
进一步，以上根据有限元分析FEM、计算流体力学FCD和边界条件建立的一系列方程可以通过Ansys,Cosmo等商业软件来进行数值求解，最后得到温度场的空间分布。例如利用Ansys软件求解地下配电室的温度场，得到地下配电室的温度场的空间分布。
其中，ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程(CAE)软件，能与多数计算机辅助设计(CAD，computerAided design)软件接口，实现数据的共享和交换。
基于上述技术方案，本发明实施例提的地下配电室的温度场计算方法，考虑了变压器各元件热传导系数的计算，并分别建立变压器内部温度场以及地下配电室的空间温度场，建立过程中考虑各自温度场的特点；最后为了提高温度场求解的准确性还设置地下配电室的温度场的边界条件；即该温度场可以提高地下配电室热监测和故障分析的可靠性和准确性。
下面对本发明实施例提供的地下配电室的温度场计算系统进行介绍，下文描述的地下配电室的温度场计算系统与上文描述的地下配电室的温度场计算方法可相互对应参照。
请参考图6，图6为本发明实施例所提供的地下配电室的温度场计算系统的结构框图；该系统可以包括：
变压器内部温度场计算模块100，用于根据变压器内部各元件的传热系数以及各元件的发热功率，利用有限元分析方法，建立变压器内部温度场；
空间温度场计算模块200，用于根据地下配电室的空气流速以及空气传热系数，利用计算流体力学方法，建立地下配电室的空间温度场；
边界条件计算模块300，用于根据变压器与周围空气的对流传递以及变压器中铁芯和绕组表面的热辐射，建立地下配电室的温度场的边界条件；
温度场模块400，用于将变压器内部温度场、空间温度场以及边界条件建立方程组，形成地下配电室的温度场。
基于上述实施例，边界条件计算模块300可以包括：
第一边界条件单元，用于利用公式qco＝hco(Ts-Tair)得到对流传热边界条件；
第二边界条件单元，用于利用公式得到热辐射边界条件；
其中，qco为单位面积的传热功率，hco为传热系数，Ts为表面温度，Tair为周围空气的温度，qra为单位面积的热辐射功率，ε为发射系数，σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数。
基于上述实施例，该系统还包括：
温度场求解模块，用于利用Ansys软件求解地下配电室的温度场，得到地下配电室的温度场的空间分布。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上对本发明所提供的一种地下配电室的温度场计算方法及系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种地下配电室的温度场计算方法，其特征在于，所述方法包括：
根据变压器内部各元件的传热系数以及各所述元件的发热功率，利用有限元分析方法，建立变压器内部温度场；
根据地下配电室的空气流速以及空气传热系数，利用计算流体力学方法，建立地下配电室的空间温度场；
根据所述变压器与周围空气的对流传递以及所述变压器中铁芯和绕组表面的热辐射，建立地下配电室的温度场的边界条件；
将所述变压器内部温度场、所述空间温度场以及所述边界条件建立方程组，形成地下配电室的温度场。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变压器内部温度场具体为：
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其中，kx，ky，kz分别代表x，y，z方向的传热系数，(x,y,z)为质点的坐标，T为该点的温度，Q为该点的热源功率密度，ρ1为该点质量密度，cp1为比热，t为时间。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述空间温度场具体为：
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其中，E代表内能，T为该点的温度，vx，vy，vz代表x，y，z方向上的空气流速，kT为空气的传热系数，ρ2为该点质量密度，cp2为比热，t为时间。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述变压器与周围空气的对流传递以及所述变压器中铁芯和绕组表面的热辐射，建立地下配电室的温度场的边界条件，包括：
利用公式qco＝hco(Ts-Tair)得到对流传热边界条件；
利用公式得到热辐射边界条件；
其中，qco为单位面积的传热功率，hco为传热系数，Ts为表面温度，Tair为周围空气的温度，qra为单位面积的热辐射功率，ε为发射系数，σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述传热系数包括：绕组传热系数和铁芯传热系数；其中，
所述绕组传热系数ka,eff为：
所述铁芯传热系数kp,eff为：
其中，La为铁芯上绕组的长度，ki为第i层材料的传热系数，Li1为第i层材料沿绕组方向的长度，Lp为铁芯的所有硅钢片的厚度，Li2为第i层材料的厚度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：
利用Ansys软件求解所述地下配电室的温度场，得到地下配电室的温度场的空间分布。
7.一种地下配电室的温度场计算系统，其特征在于，所述系统包括：
变压器内部温度场计算模块，用于根据变压器内部各元件的传热系数以及各所述元件的发热功率，利用有限元分析方法，建立变压器内部温度场；
空间温度场计算模块，用于根据地下配电室的空气流速以及空气传热系数，利用计算流体力学方法，建立地下配电室的空间温度场；
边界条件计算模块，用于根据所述变压器与周围空气的对流传递以及所述变压器中铁芯和绕组表面的热辐射，建立地下配电室的温度场的边界条件；
温度场模块，用于将所述变压器内部温度场、所述空间温度场以及所述边界条件建立方程组，形成地下配电室的温度场。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述边界条件计算模块，包括：
第一边界条件单元，用于利用公式qco＝hco(Ts-Tair)得到对流传热边界条件；
第二边界条件单元，用于利用公式得到热辐射边界条件；
其中，qco为单位面积的传热功率，hco为传热系数，Ts为表面温度，Tair为周围空气的温度，qra为单位面积的热辐射功率，ε为发射系数，σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括：
温度场求解模块，用于利用Ansys软件求解所述地下配电室的温度场，得到地下配电室的温度场的空间分布。
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