CN108051105B - 一种研究变压器绕组温度分布的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于变压器技术领域，尤其涉及一种研究变压器绕组温度分布的实验装置。本发明提供了一种研究变压器绕组温度分布的实验装置，包括：第一油箱、第二油箱、油流管道、绕组模型、加热筒、油流加热器、阀门和温度传感器；所述第一油箱和所述第二油箱通过所述油流管道连接；所述绕组模型设置于所述第二油箱中，所述加热筒用于模拟绕组的工作发热；所述油流加热器用于控制所述油流管道的油温，所述油流管道的油温与所述绕组模型的入口处的油温相同；所述阀门设置于所述油流管道上；所述温度传感器的数量为两个或两个以上，所述温度传感器分布于所述绕组模型。本发明可改变加热筒的发热模拟不同的导体发热率，研究导体发热率对绕组温度分布的影响。

Description

一种研究变压器绕组温度分布的实验装置

技术领域

本发明属于变压器技术领域，尤其涉及一种研究变压器绕组温度分布的实验装置。

背景技术

电力变压器是电力系统中的重要设备，其运行状态对电力系统的安全性和可靠性具有十分重要的意义。在实际运行过程中，变压器损耗将引起其自身发热，而变压器局部过热则会加速绕组绝缘老化，同时影响变压器的安全稳定运行及使用寿命。因此，通过准确预测变压器热点温度辨识变压器运行状态已经成为近几年来变压器研究热点之一。

目前，实际工程应用中主要借助IEEE StdC57.91油浸式变压器负载导则模型和热电类比模型的方法对油浸变压器的内部温度场分布进行研究。导则模型应用最广，是一种计算变压器绕组热点温度的经验模型。在导则模型中，热点温度是环境温度、油箱内顶层油温与环境温度之差、热点温度与油箱内顶层油温之差的三者之和，此经验公式应用简单，但是误差较大。热电类比模型是由Swift等人通过类比热路和电路，利用电路中的基尔霍夫定律建立热路方程组，以此计算热点温度。热电类比模型的精度较高，但它计算的是热特征温度的节点值和平均值，基于这些非真实值计算变压器绕组温度分布是很困难的。而且目前的许多文献仅从温升计算的方向分析变压器温度场，并未对影响温度分布的具体原因进行分析。

随着计算机计算能力的不断提高，研究人员和工程师能够对电力变压器的热行为进行更详细的数值模拟。数值模拟主要基于计算流体力学(CFD)对流体流动控制方程的数值求解。通过CFD模拟可以准确地获得计算域中各处的压力、速度和温度场分布，从而可以更全面地了解变压器中的流体现象。然而，热仿真模型的精细程度直接决定了数值模拟结果的准确性。热仿真模型的改进和优化需要与电网中实际运行中的变压器测得的油流速度和温升数据进行对比。

国外ABB、Luxtron等公司开发了基于光纤技术的热点温度计，如ABB的FT1010型热点温度计、Luxtron公司的WTS系列热点温度计。用热点温度计直接测量变压器绕组热点温度是世界范围内的变压器厂商和电力部门一致认为的可靠方法，其缺点是传感器和光纤不能长时间浸泡在变压器油中，绕组热点位置主要靠设计经验确定且光纤传感器造价成本较高，在电网运行的变压器内安装大量测点是不现实的。基于以上原因，电网中只有少数变压器安装了光纤测温传感器，直接测量电网中运行的变压器内部温度在实际生产中并没有得到广泛的应用。

发明内容

本发明提供一种研究变压器绕组温度分布的实验装置，用于解决现有热仿真模型的准确性和可靠性不足的问题。

本发明的具体技术方案如下：

一种研究变压器绕组温度分布的实验装置，包括：第一油箱、第二油箱、油流管道、绕组模型、加热筒、油流加热器、阀门和温度传感器；

所述第一油箱和所述第二油箱通过所述油流管道连接；

所述绕组模型设置于所述第二油箱中，所述加热筒用于模拟绕组的工作发热；

所述油流加热器用于控制所述油流管道的油温，所述油流管道的油温与所述绕组模型的入口处的油温相同；

所述阀门设置于所述油流管道上；

所述温度传感器的数量为两个或两个以上，所述温度传感器分布于所述绕组模型。

优选的，还包括：流量计；

所述流量计和所述阀门非重叠设置于所述油流管道上。

优选的，所述绕组模型为长方体；

所述绕组模型包括第一绕组和第二绕组、第一玻璃和第二玻璃；

所述第一绕组和所述第二绕组平行同轴设置，所述第一绕组和所述第二绕组的第一端和第二端均对称设置有第一端部木块和第二端部木块；

所述第一绕组和所述第二绕组与所述第一端部木块连接处的上表面和下表面均分别设置有第一垫块和第二垫块，所述第一绕组和所述第二绕组与所述第二端部木块连接处的上表面和下表面均分别设置有第三垫块和第四垫块，所述第一垫块、所述第二垫块、所述第三垫块和所述第四垫块为矩形垫块；

所述第一绕组的第二垫块与所述第二绕组的第一垫块接触，所述第一垫块和所述第二垫块形成所述绕组模型的第一侧面，所述第一绕组的第四垫块与所述第二绕组的第三垫块接触，所述第三垫块和所述第四垫块形成所述绕组模型的第二侧面；

所述第一玻璃和所述第二玻璃分别为所述绕组模型的第三侧面和第四侧面；

所述第一绕组和所述第二绕组与所述第一玻璃和所述第二玻璃非接触设置。

优选的，所述绕组模型还包括第一垫圈和第二垫圈；

所述第一垫圈与所述第一玻璃垂直接触连接，所述第一垫圈与所述第二玻璃非接触设置；

所述第二垫圈与所述第二玻璃垂直接触连接，所述第二垫圈与所述第一玻璃非接触设置；

所述第一垫圈和所述第二垫圈形成一个分区。

优选的，所述加热筒设置于所述绕组模型中；

所述第一绕组和所述第二绕组上设置有所述温度传感器。

优选的，所述温度传感器包括热电偶；

所述第一玻璃与所述第一绕组和所述第二绕组形成第一垂直油道，所述第二玻璃与所述第一绕组和所述第二绕组形成第二垂直油道；

所述热电偶设置于所述第一垂直油道和所述第二垂直油道。

优选的，所述第一绕组和所述第二绕组形成水平油道；

所述第一油箱和所述第二油箱的油添加有追踪颗粒；

所述绕组模型上设置有相机，用于曝光拍摄所述水平油道的油流流动。

优选的，还包括：数据采集系统；

所述热电偶与所述数据采集系统电连接。

优选的，所述第一绕组和所述第二绕组为饼式绕组；

所述第一绕组和所述第二绕组均在径向上设置有两层或两层以上的导体。

优选的，还包括：第一撑条和第二撑条；

所述第一绕组的第二垫块与所述第二绕组的第一垫块通过所述第一撑条连接；

所述第一绕组的第四垫块与所述第二绕组的第三垫块通过所述第二撑条连接。

综上所述，本发明提供了一种研究变压器绕组温度分布的实验装置，包括：第一油箱、第二油箱、油流管道、绕组模型、加热筒、油流加热器、阀门和温度传感器；所述第一油箱和所述第二油箱通过所述油流管道连接；所述绕组模型设置于所述第二油箱中，所述加热筒用于模拟绕组的工作发热；所述油流加热器用于控制所述油流管道的油温，所述油流管道的油温与所述绕组模型的入口处的油温相同；所述阀门设置于所述油流管道上；所述温度传感器的数量为两个或两个以上，所述温度传感器分布于所述绕组模型。本发明中，绕组模型设置于第二油箱，加热筒能够模拟绕组的工作发热，绕组模型中分布有温度传感器，可通过改变加热筒的发热模拟不同的导体发热率，研究导体发热率对绕组温度分布的影响。

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。

图1为本发明实施例中研究变压器绕组温度分布的实验装置的示意图；

图2为本发明实施例中研究变压器绕组温度分布的实验装置的绕组模型的一个分区的侧视图；

图3为本发明实施例中研究变压器绕组温度分布的实验装置的绕组模型的一个分区的主视图；

图4为本发明实施例中研究变压器绕组温度分布的实验装置的绕组模型的一个分区的俯视图；

图5为本发明实施例中研究变压器绕组温度分布的实验装置的绕组的结构示意图；

图6为图5中A-A的剖视图；

图7为图5中B-B和C-C的剖视图；

图8为本发明实施例中研究变压器绕组温度分布的实验装置的绕组模型的油温测点分布图；

图示说明：1.第一油箱；2.第一截止阀；3.齿轮泵；4.第一球阀；5.第二球阀；6.油流加热器；7.第三球阀；8.控制阀门；9.流量计；10.第四球阀；11.螺杆阀；12.加热筒的控制端；13.绕组模型；14.第二油箱；15.第五球阀；16.第二截止阀；17.第三截止阀；18.油过滤器；19.第四截止阀；20.第一绕组；21.第二绕组；22.第一玻璃；23.第二玻璃；24.第一端部木块；25.第二端部木块；26.第一垫块；27.第二垫块；28.第三垫块；29.第四垫块；30.第一垫圈；31.第二垫圈；32.第一绕组测温点；33.第二绕组测温点；34.第三绕组测温点；35.热电偶。

具体实施方式

本发明提供了一种研究变压器绕组温度分布的实验装置，用于解决现有热仿真模型的准确性和可靠性不足的问题。

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

请参阅图1，为本发明实施例中研究变压器绕组温度分布的实验装置的示意图。一种研究变压器绕组温度分布的实验装置，包括：第一油箱1、第二油箱14、油流管道、绕组模型13、加热筒、油流加热器6、阀门和温度传感器；

第一油箱1和第二油箱14通过油流管道连接；

绕组模型13设置于第二油箱14中，加热筒用于模拟绕组的工作发热；

油流加热器6用于控制油流管道的油温，油流管道的油温与绕组模型13的入口处的油温相同；

阀门设置于油流管道上；

温度传感器的数量为两个或两个以上，温度传感器分布于绕组模型13。

绕组模型13设置于第二油箱14，加热筒能够模拟绕组的工作发热，绕组模型13中分布有温度传感器，可通过改变加热筒的发热模拟不同的导体发热率，研究导体发热率对绕组温度分布的影响。

进一步的，还包括：流量计9；

流量计9和阀门非重叠设置于油流管道上。

可通过改变油流管道的流速，研究绕组管道总流量对绕组温度分布的影响。

进一步的，本发明实施例中研究变压器绕组温度分布的实验装置还包括齿轮泵3和油过滤器18，阀门包括截止阀、球阀、控制阀门8和螺杆阀11，截止阀包括第一截止阀2、第二截止阀16、第三截止阀17和第四截止阀19，球阀包括第一球阀4、第二球阀5、第三球阀7、第四球阀10和第五球阀15。

本发明实施例中，第二油箱14充满了油，绕组模型13固定于第二油箱14内并将绕组模型13整个浸没在第二油箱14，能够最大限度地减少绕组模型到周围环境的热量泄漏。第二油箱14为开口油箱，油温通过油流加热器6控制，油流管道的油温与绕组模型13入口处的油流温度相同。通过流量计9、油流加热器6和齿轮泵3和用于向每个加热筒供电的控制单元能够精确地获得边界条件，包括绕组模型13油道入口的质量流量、绕组模型13的入口温度和绕组模型13的热源。在绕组模型13的入口处还设有两个温度传感器，以保证油流加热器6提供的油流管道的油温与进入绕组模型13的油温之间没有偏差。在实验过程中，通过油过滤器18和各种阀门的开关设置进行其他操作，如过滤油、排空油箱、增加实验装置的油量等。

请参阅图2至图7，图2至图4分别为本发明实施例中研究变压器绕组温度分布的实验装置的绕组模型的一个分区的侧视图、主视图和俯视图。

图5为本发明实施例中研究变压器绕组温度分布的实验装置的绕组的结构示意图；图6为图5中A-A的剖视图；图7为图5中B-B和C-C的剖视图。

本发明实施例中，绕组模型13为长方体；

绕组模型13包括第一绕组20和第二绕组21、第一玻璃22和第二玻璃23；

第一绕组20和第二绕组21平行同轴设置，第一绕组20和第二绕组21的第一端和第二端均对称设置有第一端部木块24和第二端部木块25；

第一绕组20和第二绕组21与第一端部木块24连接处的上表面和下表面均分别设置有第一垫块26和第二垫块27，第一绕组20和第二绕组21与第二端部木块25连接处的上表面和下表面均分别设置有第三垫块28和第四垫块29，第一垫块26、第二垫块27、第三垫块28和第四垫块29为矩形垫块；

第一绕组20的第二垫块27与第二绕组21的第一垫块26接触，第一垫块26和第二垫块27形成绕组模型13的第一侧面，第一绕组20的第四垫块29与第二绕组21的第三垫块28接触，第三垫块28和第四垫块29形成绕组模型13的第二侧面；

第一玻璃22和第二玻璃23分别为绕组模型13的第三侧面和第四侧面；

第一绕组20和第二绕组21与第一玻璃22和第二玻璃23非接触设置。

本发明实施例中，第一玻璃22和第二玻璃23为长方形聚碳酸酯玻璃，第一玻璃22和第二玻璃23被木制钳夹紧，第三侧面和第四侧面与相邻侧面均通过硅酮密封胶密封，以确保不会发生油流泄露。

进一步的，绕组模型13还包括第一垫圈30和第二垫圈31；

第一垫圈30与第一玻璃22垂直接触连接，第一垫圈30与第二玻璃23非接触设置；

第二垫圈31与第二玻璃23垂直接触连接，第二垫圈31与第一玻璃22非接触设置；

第一垫圈30和第二垫圈31形成一个分区。

本发明实施例中，加热筒设置于绕组模型13中；

第一绕组20和第二绕组21上设置有温度传感器。

为了在运行期间提供通常在电力变压器的绕组匝中消散的加热功率，本发明实施例研究变压器绕组温度分布的实验装置通过钻孔将加热筒注入到绕组模型13中，将加热筒的每一端焊接一根电缆，并通过第一端部木块24或第二端部木块25上的一个孔作为供电端子，本发明实施例研究变压器绕组温度分布的实验装置还包括加热筒的控制端12。

请参阅图8，为本发明实施例中研究变压器绕组温度分布的实验装置的绕组模型的油温测点分布图。

本发明实施例中，温度传感器包括热电偶35；

第一玻璃22与第一绕组20和第二绕组21形成第一垂直油道，第二玻璃23与第一绕组20和第二绕组21形成第二垂直油道；

热电偶35设置于第一垂直油道和第二垂直油道。

本发明实施例中，第一绕组20和第二绕组21形成水平油道；

第一油箱1和第二油箱14的油添加有追踪颗粒；

绕组模型13上设置有相机，用于曝光拍摄水平油道的油流流动。

本发明实施例中，油为变压器油，为透明液体。追踪颗粒根据变压器油的物理性质和应用条件进行选择。在使用时，为了追踪颗粒被相机曝光拍摄出，需在绕组模型13上安装强光源。本发明实施例中，在绕组模型13的水平油道的前面安装有大功率LED，通过相机曝光拍摄水平油道的油流流动，进而计算水平油道的油流速度，即研究绕组油流量。

进一步，还包括：数据采集系统；

热电偶35与数据采集系统电连接。

本发明实施例中，所有的热电偶35与数据采集系统电连接，以便进行即时温度测量。本发明实施例研究变压器绕组温度分布的实验装置运用时，当所有的测量温度保持恒定(在仪器精确度内)半小时时，对研究变压器绕组温度分布的实验装置的操作为稳定状态。一旦达到稳定状态，记录测量数据。

本发明实施例中，第一绕组20和第二绕组21为饼式绕组；

第一绕组20和第二绕组21均在径向上设置有两层或两层以上的导体。

本发明实施例中，第一绕组20和第二绕组21由多层纸绝缘矩形铜条制成。第一绕组20和第二绕组21在径向上共有11层导体，每层用绝缘纸包裹两次，并根据需求切成适当的周长。第一层和最后一层导体层是单铜棒，其它导体层由一对铜条组成。第一绕组20和第二绕组21的数量均为8个，交替设置，并有矩形垫块分开。

需要说明的是，根据需要，本发明实施例研究变压器绕组温度分布的实验装置分区数可不同，每个分区的第一绕组20和第二绕组21的数目可不同，第一绕组20和第二绕组21的尺寸可不同，第一垂直油道、第二垂直油道和水平油道的尺寸可不同，即可研究各种绕组管道几何形状对绕组油流量和温度分布的影响。

进一步，还包括：第一撑条和第二撑条；

第一绕组20的第二垫块27与第二绕组21的第一垫块26通过第一撑条连接；

第一绕组20的第四垫块29与第二绕组21的第三垫块28通过第二撑条连接。

本发明实施例中，第一撑条和第二撑条的数量均为两根。第一撑条和第二撑条与第一绕组20和第二绕组21垂直设置，并将第一绕组20和第二绕组21对齐。

本发明实施例研究变压器绕组温度分布的实验装置通过加热筒模拟绕组的工作发热，可以改变绕组的导体发热率。本发明实施例研究变压器绕组温度分布的实验装置可以探究各种几何结构的饼式绕组油道内油流速度和温度分布，还可以改变导体发热率、绕组管道总流量以研究在稳定状态下导体发热率和绕组管道总流量对绕组油流量和温度分布的影响，进而提高了热仿真模型的准确性和可靠性。

本发明实施例中，相邻的第一垫块26和第二垫块27、相邻的第三垫块28和第四垫块29、第一绕组20和第二绕组21之间的区域作为一个部分，各个部分的热力学和水力学现象是相似和相当的。本发明实施例研究变压器绕组温度分布的实验装置的模型尺度设计为1:1。

需要说明的是，本发明实施例研究变压器绕组温度分布的实验装置主要集中在研究油道油流速度和绕组温度分布上，图5是对实际的试验装置进行了一些简化和修改。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种研究变压器绕组温度分布的实验装置，其特征在于，包括：第一油箱、第二油箱、油流管道、绕组模型、加热筒、油流加热器、阀门和温度传感器；

所述第一油箱和所述第二油箱通过所述油流管道连接；

所述绕组模型设置于所述第二油箱中，所述加热筒用于模拟绕组的工作发热；

所述油流加热器用于控制所述油流管道的油温，所述油流管道的油温与所述绕组模型的入口处的油温相同；

所述阀门设置于所述油流管道上；

所述温度传感器的数量为两个或两个以上，所述温度传感器分布于所述绕组模型。

2.根据权利要求1所述的研究变压器绕组温度分布的实验装置，其特征在于，还包括：流量计；

所述流量计和所述阀门非重叠设置于所述油流管道上。

3.根据权利要求2所述的研究变压器绕组温度分布的实验装置，其特征在于，所述绕组模型为长方体；

所述绕组模型包括第一绕组和第二绕组、第一玻璃和第二玻璃；

所述第一绕组和第二绕组平行同轴设置，所述第一绕组和所述第二绕组的第一端和第二端均对称设置有第一端部木块和第二端部木块；

所述第一绕组和所述第二绕组与所述第一端部木块连接处的上表面和下表面均分别设置有第一垫块和第二垫块，所述第一绕组和所述第二绕组与所述第二端部木块连接处的上表面和下表面均分别设置有第三垫块和第四垫块，所述第一垫块、所述第二垫块、所述第三垫块和所述第四垫块为矩形垫块；

所述第一绕组的第二垫块与所述第二绕组的第一垫块接触，所述第一垫块和所述第二垫块形成所述绕组模型的第一侧面，所述第一绕组的第四垫块与所述第二绕组的第三垫块接触，所述第三垫块和所述第四垫块形成所述绕组模型的第二侧面；

所述第一玻璃和所述第二玻璃分别为所述绕组模型的第三侧面和第四侧面；

所述第一绕组和所述第二绕组与所述第一玻璃和所述第二玻璃非接触设置。

4.根据权利要求3所述的研究变压器绕组温度分布的实验装置，其特征在于，所述绕组模型还包括第一垫圈和第二垫圈；

所述第一垫圈与所述第一玻璃垂直接触连接，所述第一垫圈与所述第二玻璃非接触设置；

所述第二垫圈与所述第二玻璃垂直接触连接，所述第二垫圈与所述第一玻璃非接触设置；

所述第一垫圈和所述第二垫圈形成一个分区。

5.根据权利要求3所述的研究变压器绕组温度分布的实验装置，其特征在于，所述加热筒设置于所述绕组模型中；

所述第一绕组和所述第二绕组上设置有所述温度传感器。

6.根据权利要求3所述的研究变压器绕组温度分布的实验装置，其特征在于，所述温度传感器包括热电偶；

所述第一玻璃与所述第一绕组和所述第二绕组形成第一垂直油道，所述第二玻璃与所述第一绕组和所述第二绕组形成第二垂直油道；

所述热电偶设置于所述第一垂直油道和所述第二垂直油道。

7.根据权利要求3所述的研究变压器绕组温度分布的实验装置，其特征在于，所述第一绕组和所述第二绕组形成水平油道；

所述第一油箱和所述第二油箱的油添加有追踪颗粒；

所述绕组模型上设置有相机，用于曝光拍摄所述水平油道的油流流动。

8.根据权利要求6所述的研究变压器绕组温度分布的实验装置，其特征在于，还包括：数据采集系统；

所述热电偶与所述数据采集系统电连接。

9.根据权利要求3所述的研究变压器绕组温度分布的实验装置，其特征在于，所述第一绕组和所述第二绕组为饼式绕组；

所述第一绕组和所述第二绕组均在径向上设置有两层或两层以上的导体。

10.根据权利要求3所述的研究变压器绕组温度分布的实验装置，其特征在于，还包括：第一撑条和第二撑条；

所述第一绕组的第二垫块与所述第二绕组的第一垫块通过所述第一撑条连接；

所述第一绕组的第四垫块与所述第二绕组的第三垫块通过所述第二撑条连接。