CN109003781B - 一种变压器防絮罩及其网孔尺寸设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑接头导通性的变压器防絮罩及其网孔尺寸设计方法，采用“目”字形框架结构、合页正反拼接方式和电动升降方式，同时从保证变压器散热效果和提高防絮效果两个目标出发，建立了防絮罩网孔尺寸的优化模型，进而求解得到了最优网孔尺寸，具有结构简单、便于安装、对变压器散热效果影响较小且防絮效果好的优点。

Description

一种变压器防絮罩及其网孔尺寸设计方法

技术领域

本发明涉及一种变压器防絮罩及其网孔尺寸设计方法，属于高压电力设备技术领域。

背景技术

变压器的安全运行直接影响着电能的输送，影响着电力系统的稳定。文献《变压器强油风冷问题与改进》对变压器强迫油循环风冷冷却器误跳闸情况进行了分析并提出了改进措施。文献《主变压器辅助位冷却器控制方式分析及改进》针对变压器冷却器的设计及控制异常情况，分析了异常原因并提出了改进方案。文献《一种油浸式电力变压器绕组温升工程计算方法》在建立变压器绕组模型以及分析绕组内油流特性的基础上，提出了一种变压器绕组温升计算方法，并通过现场试验验证了该方法的有效性。文献《变压器故障诊断用油中溶解气流新特征参量》提出了基于支持向量机和遗传算法优选的DGA新特征参量分析变压器油中溶解气流来诊断变压器故障的方法，实验结果验证了该方法的有效性。目前，研究变压器的文献较多，理论也相对成熟，主要集中在工作原理、结构优化、故障分析与诊断、散热效果与温升分析等方面，但是在变压器防絮除尘降温方面少有学者研究。

实际上，变压器运行时，由于铁心和绕组的铜损、铁损作用，会产生大量的热量，需要及时排出，否则会造成绝缘损坏，影响变压器的正常运行。常见的变压器散热方式主要包括：油浸自冷、油浸风冷、强迫油循环风冷、强迫油循环水冷、强迫导向油循环风冷等。目前，大容量变压器，尤其在500KV变电站、1000kV变电站和±800kV换流站，都是采用强迫油循环风冷散热方式，但是冷却器中导油管长期暴露在空气中，由于静电作用和风扇抽风散热，容易把外部的灰尘、柳絮和昆虫等杂物吸入到散热器的后部，形成一道絮状物，影响变压器的散热效果，引起变压器温度上升，加速绝缘油劣化，严重时会降低变压器使用寿命，威胁电网的安全运行。

为了解决该问题，国家电网公司变电“五通”规定：变电站每年都要对变压器的冷却器进行一次带电水冲洗。采用带电水冲洗方式能够有效除去散热器后部的杂物，但是存在一定的安全隐患且工作量大、对作业环境要求高、易产生清扫死角，特别在每年的四、五月份，飞絮严重，往往需要多次清洗散热器，不利于变电站现场工作的开展，因此亟需研究一种安全、便捷的变压器防絮除尘方法。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种变压器防絮罩及其网孔尺寸设计方法，该防絮罩采用“目”字形框架结构、合页正反拼接方式和电动升降方式，同时基于变压器散热效果和防絮效果两个目标，设计了最优网孔尺寸，具有结构简单、便于安装、对变压器散热效果影响较小且防絮效果好的优点。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种变压器防絮罩，其特征在于：所述变压器防絮罩采用“目”字形框架结构、合页正反拼接方式和电动升降方式。

所述变压器防絮罩网孔尺寸设计方法如下：

步骤(1)：根据流体力学原理和能量守恒原则，建立变压器散热效果衰减率η(a)随防絮罩网孔尺寸a变化的数学模型；

步骤(2)：根据统计学原理和空中絮状物分布情况，建立防絮效果F(a)随防絮罩网孔尺寸a变化的数学模型；

步骤(3)：基于散热效果和防絮效果两个目标，建立防絮罩网孔尺寸a的优化模型，进而求解得到了最优网孔尺寸。

所述步骤(1)具体是指：

根据能量守恒定量，气流穿过防絮罩网孔之前的能量E₁应该等于气流穿过防絮罩网孔之后的动能E₂与气流克服网孔摩擦阻力所做功W_F的能量和，即为：

E₁＝E₂+W_F (1)

根据流体力学原理，防絮罩网孔内单位长度摩擦阻力R_m表示成：

式中，ρ表示空气密度，D表示网孔当量直径，λ表示摩擦阻力系数，v表示气流速度；

设防絮罩厚度为b，网孔当量直径D表示成：

摩擦阻力系数λ表示成：

式中，K表示网孔材质的粗糙度，R_e为雷诺数，表示成：

式中，u表示动力黏滞系数；

实际生产中，防絮罩一般工作在0～40℃，则对应的动力黏滞系数在1.37×10^-4～1.76×10^-4m²/s；根据文献《江苏省年最大风速的时空分布及突变分析》可知，江苏省近34年来最大风速在15m/s以上且波动趋势平稳，设最大风速为20m/s，则：

根据式(4)、(5)和(6)得摩擦阻力系数λ的简化表达式：

考虑到网孔粗糙度K对R_m的影响，采用K对R_m修正后，结合式(2)、(3)和(7)得到：

假设横截面积为a²，厚度为b的气流流过防絮罩网孔，则克服网孔摩擦阻力所做的功表示成：

将式(9)代入式(1)得：

防絮罩的长度为L₁，宽度为L₂，网孔之间的材质宽度为c，则气流穿过防絮罩之前的总动能E_1T表示成：

气流穿过防絮罩之后的总动能E_2T表示成：

气流克服防絮罩网孔摩擦阻力所做的总功W_FT表示成：

被防絮罩挡住，无法穿过防絮罩的气流能量E_3T表示成：

根据能量守恒定量，可得：

E_1T＝E_2T+E_3T+W_FT

则气流能量衰减率表示成：

实际上，气流能量大小与冷却器散热效果成正比，当气流能量减少时，也就意味着冷却器散热效果降低，因此，可以用气流能量衰减率来等效冷却器散热效果降低率。

作为优选方案，所述的变压器防絮罩，其特征在于：防絮罩网孔材质采用不锈钢材质时，K取0.1mm。

所述步骤(2)具体是指：防絮罩的主要目的是防止柳絮、杨絮、漂浮物等吸入散热器影响散热，一般情况下，漂浮物比较大，防絮罩可以全部滤除，主要考虑如何有效滤除柳絮和杨絮；查阅植物百科全书发现，柳絮的大小为2-4mm，杨絮的大小为3-3.5mm，根据统计学原理，设柳絮和杨絮的大小服从正态分布，依据正态分布的定义，可得柳絮大小的正态分布函数应满足：

求解式(17)并查阅标准正态分布表可得：

u₁＝3,σ₁＝0.25 (18)

则柳絮大小的正态分布函数F₁(x)表示成：

x表示柳絮大小；

同理可得杨絮大小的正态分布函数F₂(y)：

y表示杨絮大小；

设柳絮和杨絮含量一样，则防絮罩网孔尺寸与防絮罩滤除效果的关系表示成：

根据式(19)、(20)和(21)绘制防絮罩网孔尺寸与防絮罩滤除物的分布曲线图。

所述步骤(3)具体是指：首先将变压器散热效果衰减率η(a)和防絮效果F(a)进行统一，则基于散热效果和防絮效果两个目标的优化模型表示成：

式中，w₁，w₂为优化模型权重值，T(a)为优化模型目标值。

有益效果：本发明提供的一种变压器防絮罩及其网孔尺寸设计方法，考虑接头导通性，防絮罩采用“目”字形框架结构、合页正反拼接方式和电动升降方式，同时基于变压器散热效果和防絮效果两个目标，设计了最优网孔尺寸，具有结构简单、便于安装、对变压器散热效果影响较小且防絮效果好的优点。具有以下优点：1.采用“目”字形框架，结构简单。2.采用合页正反拼接方式和电动升降方式，方便现场安装，可以节约人力物力，经济效益显著。3.基于变压器散热效果和防絮效果两个目标，设计的最优网孔尺寸，可以在有效滤出杂物的基础上保证变压器的散热效果。

附图说明

图1是本发明变压器防絮罩框架结构；

图2是本发明变压器防絮罩网孔尺寸与滤除物的分布曲线；

图3是本发明目标函数随网孔尺寸的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图3所示，一种变压器防絮罩，采用“目”字形框架结构、合页正反拼接方式和电动升降方式。

本发明变压器防絮罩网孔尺寸设计方法，包括以下步骤：

步骤(1)：根据流体力学原理和能量守恒原则，建立变压器散热效果衰减率η(a)随防絮罩网孔尺寸a变化的数学模型：

根据能量守恒定量，气流穿过防絮罩网孔之前的能量E₁应该等于气流穿过防絮罩网孔之后的动能E₂与气流克服网孔摩擦阻力所做功W_F的能量和，即为：

E₁＝E₂+W_F (1)

根据流体力学原理，防絮罩网孔内单位长度摩擦阻力R_m可以表示成：

式中，ρ表示空气密度，D表示网孔当量直径，λ表示摩擦阻力系数，v表示气流速度。

设防絮罩厚度为b，网孔当量直径D可以表示成：

摩擦阻力系数λ可以表示成：

式中，K表示网孔材质的粗糙度，文中采用不锈钢材质，K取0.1mm，R_e为雷诺数，可以表示成：

式中，u表示动力黏滞系数。

实际生产中，防絮罩一般工作在0～40℃，则对应的动力黏滞系数在1.37×10^-4～1.76×10^-4m²/s；根据文献《江苏省年最大风速的时空分布及突变分析》可知，江苏省近34年来最大风速在15m/s以上且波动趋势平稳，设最大风速为20m/s，则：

根据式(4)、(5)和(6)可得摩擦阻力系数λ的简化表达式：

考虑到网孔粗糙度K对R_m的影响，采用K对R_m修正后，结合式(2)、(3)和(7)可以得到：

假设横截面积为a²，厚度为b的气流流过防絮罩网孔，则克服网孔摩擦阻力所做的功可以表示成：

将式(9)代入式(1)可得：

防絮罩的长度为L₁，宽度为L₂，网孔之间的不锈钢材质宽度为c，则气流穿过防絮罩之前的总动能可以表示成：

气流穿过防絮罩之后的总动能可以表示成：

气流克服防絮罩网孔摩擦阻力所做的总功可以表示成：

被防絮罩挡住，无法穿过防絮罩的气流能量可以表示成：

根据能量守恒定量，可得：

E_1T＝E_2T+E_3T+W_FT

则气流能量衰减率可以表示成：

实际上，气流能量大小与冷却器散热效果成正比，当气流能量减少时，也就意味着冷却器散热效果降低，因此，可以用气流能量衰减率来等效冷却器散热效果降低率。

步骤(2)：根据统计学原理和空中絮状物分布情况，建立防絮效果F(a)随防絮罩网孔尺寸a变化的数学模型：

防絮罩的主要目的是防止柳絮、杨絮、漂浮物等吸入散热器影响散热，一般情况下，漂浮物比较大，防絮罩可以全部滤除，主要考虑如何有效滤除柳絮和杨絮。查阅植物百科全书发现，柳絮的大小为2-4mm，杨絮的大小为3-3.5mm，根据统计学原理，设柳絮和杨絮的大小服从正态分布，依据正态分布的定义，可得柳絮大小的正态分布函数应满足：

求解式(17)并查阅标准正态分布表可得：

u₁＝3,σ₁＝0.25 (18)

则柳絮大小的正态分布函数可以表示成：

x表示柳絮大小；

同理可得杨絮大小的正态分布函数：

y表示杨絮大小；

设柳絮和杨絮含量一样，则防絮罩网孔尺寸与防絮罩滤除效果的关系可以表示成：

根据式(19)、(20)和(21)绘制了防絮罩网孔尺寸与防絮罩滤除物的分布曲线图，如图2所示。

步骤(3)：基于散热效果和防絮效果两个目标，建立防絮罩网孔尺寸a的优化模型，进而求解得到了最优网孔尺寸a：

首先将变压器散热效果衰减率η(a)和防絮效果F(a)进行统一，则基于散热效果和防絮效果两个目标的优化模型可以表示成：

式中，w₁，w₂为优化模型权重值，T(a)为优化模型目标值。

以特高压变压器为例进行说明，设防絮罩长度L₁＝1.5m，宽度L₂＝0.25m，厚度b＝0.0003m，材质宽度c＝0.0003m，不锈钢密度ρ_m＝7.93*10³kg/m³，空气密度ρ＝1.164kg/m³，动力黏滞系数u＝1.57*10^-4m²/s，优化权重值w₁＝0.5，w₂＝0.5，并结合优化模型可得目标函数随网孔尺寸的变化曲线，如图3所示，显然变压器散热效果衰减率随网孔尺寸的增大而减小，防絮效果随网孔尺寸的增大而减小；对于优化模型目标函数而言，当a≤2mm时，优化模型目标函数是增函数，当a>2mm时，优化模型目标函数是减函数，可知防絮罩最优网孔尺寸为2mm。以上是以特高压变压器为例说明的，实际生产中，根据变压器尺寸、防絮罩参数不同，最优网孔尺寸也是变化的，本发明只是提供了一种考虑接头导通性的变压器防絮罩及其网孔尺寸设计方法，现场设计时需要根据实际情况而定。

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 (7)

1.一种变压器防絮罩网孔尺寸设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)：根据流体力学原理和能量守恒原则，建立变压器散热效果衰减率η(a)随防絮罩网孔尺寸a变化的数学模型；

步骤(2)：根据统计学原理和空中絮状物分布情况，建立防絮效果F(a)随防絮罩网孔尺寸a变化的数学模型；

步骤(3)：基于散热效果和防絮效果两个目标，建立防絮罩网孔尺寸a的优化模型，进而求解得到了最优网孔尺寸。

2.根据权利要求1所述的变压器防絮罩网孔尺寸设计方法，其特征在于：所述步骤(1)具体是指：

根据能量守恒定量，气流穿过防絮罩网孔之前的能量E₁应该等于气流穿过防絮罩网孔之后的动能E₂与气流克服网孔摩擦阻力所做功W_F的能量和，即为：

E₁＝E₂+W_F (1)

根据流体力学原理，防絮罩网孔内单位长度摩擦阻力R_m表示成：

式中，ρ表示空气密度，D表示网孔当量直径，λ表示摩擦阻力系数，v表示气流速度；

设防絮罩厚度为b，网孔当量直径D表示成：

摩擦阻力系数λ表示成：

式中，K表示网孔材质的粗糙度，R_e为雷诺数，表示成：

式中，u表示动力黏滞系数；

实际生产中，防絮罩一般工作在0～40℃，则对应的动力黏滞系数在1.37×10^-4～1.76×10^-4m²/s；设最大风速为20m/s，则：

根据式(4)、(5)和(6)得摩擦阻力系数λ的简化表达式：

考虑到网孔粗糙度K对R_m的影响，采用K对R_m修正后，结合式(2)、(3)和(7)得到：

假设横截面积为a²，厚度为b的气流流过防絮罩网孔，则克服网孔摩擦阻力所做的功表示成：

将式(9)代入式(1)得：

防絮罩的长度为L₁，宽度为L₂，防絮罩网孔的材质宽度为c，则气流穿过防絮罩之前的总动能E_1T表示成：

气流穿过防絮罩之后的总动能E_2T表示成：

气流克服防絮罩网孔摩擦阻力所做的总功W_FT表示成：

被防絮罩挡住，无法穿过防絮罩的气流能量E_3T表示成：

根据能量守恒定量，可得：

E_1T＝E_2T+E_3T+W_FT

则气流能量衰减率表示成：

3.根据权利要求2所述的变压器防絮罩网孔尺寸设计方法，其特征在于：防絮罩网孔材质采用不锈钢材质时，K取0.1mm。

4.根据权利要求1所述的变压器防絮罩网孔尺寸设计方法，其特征在于：所述步骤(2)具体是指：柳絮的大小为2-4mm，杨絮的大小为3-3.5mm，根据统计学原理，设柳絮和杨絮的大小服从正态分布，依据正态分布的定义，可得柳絮大小的正态分布函数应满足：

求解式(17)并查阅标准正态分布表可得：

u₁＝3,σ₁＝0.25 (18)

则柳絮大小的正态分布函数F₁(x)表示成：

x表示柳絮大小；

同理可得杨絮大小的正态分布函数F₂(y)：

y表示杨絮大小；

设柳絮和杨絮含量一样，则防絮罩网孔尺寸与防絮罩滤除效果的关系表示成：

5.根据权利要求1所述的变压器防絮罩网孔尺寸设计方法，其特征在于：所述步骤(3)具体是指：首先将变压器散热效果衰减率η(a)和防絮效果F(a)进行统一，则基于散热效果和防絮效果两个目标的优化模型表示成：

式中，w₁，w₂为优化模型权重值，T(a)为优化模型目标值。

6.一种变压器防絮罩，其特征在于：所述变压器防絮罩采用“目”字形框架结构，防絮罩网固定在框架结构中，防絮罩网孔尺寸根据权利要求1-5任一项所述的变压器防絮罩网孔尺寸设计方法设计。

7.根据权利要求6所述的变压器防絮罩，其特征在于：所述变压器防絮罩采用合页正反拼接方式和电动升降方式。

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