CN109543246B - 一种确定变压器直流偏磁温度场分布的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种确定变压器直流偏磁温度场分布的方法和系统，其中，该方法包括：S1、将磁场和电场两个物理场进行耦合，计算变压器铁芯各个点上的电场量和磁场量，根据电场量和磁场量计算变压器铁芯的瞬时总损耗值；S2、根据变压器绕组的电阻值计算绕组的瞬时损耗值；S3、根据铁芯的瞬时总损耗值计算铁芯的体积损耗密度，根据绕组的瞬时损耗值计算绕组的体积损耗密度；S4、将固体传热和层流两个物理场进行耦合，并将铁芯的体积损耗密度和绕组的体积损耗密度作为固体传热的热源，仿真计算获得变压器直流偏磁温度场的分布。本发明可以准确快速地得到直流偏磁下的变压器温度场的分布，比传统的变压器温度场计算方法误差更小、计算更精确。

Description

一种确定变压器直流偏磁温度场分布的方法和系统

技术领域

本发明涉及变压器温度场计算领域，尤其涉及一种确定变压器直流偏磁温度场分布的方法和系统。

背景技术

变压器的直流偏磁会引起磁通的半波饱和，造成损耗增加和温度升高，若最热点温度高于允许值会给变压器的正常运行造成危害，温度过高会导致绝缘材料的老化，缩短变压器的使用寿命，所以变压器内部的温度场分布计算变得很有必要。

温度场计算的两个关键环节是损耗的计算和多物理场的耦合方法。目前对温度场的损耗求解主要有经验公式法和热点类比法。当根据经验公式法由磁通密度的最大值计算得到损耗时，由于在直流偏磁下正负半波磁通密度的最大值不相同，导致计算结果存在较大的误差。热点类比法对不同结构和参数的变压器在求解过程中存在一定误差。多物理场的耦合目前有两种计算方法，一种是传统的根据经验公式得到热源，仅固体传热和层流两个物理场耦合求解温度场；一种是电路、磁场、固体传热和层流四个物理场同时耦合求解温度场，热源由前两个物理场耦合得到。第一种耦合方法因为输入的热源是一个存在较大误差的数值，所以该方法不能准确的表示电磁场产生的损耗构成的温度场。第二种方法在求取温度场瞬态分布和稳态分布时都比较准确，可是计算时间长，占用的内存大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种确定变压器直流偏磁温度场分布的方法和系统，该方法和系统通过计算铁芯和绕组的瞬时损耗值，并基于瞬时损耗值计算铁芯和绕组的体积损耗密度，能够准确快速的得到直流偏磁温度场的变压器温度场的分布。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种确定变压器直流偏磁温度场分布的方法，包括如下步骤：

S1、将磁场和电场两个物理场进行耦合，计算变压器铁芯各个点上的电场量和磁场量，根据电场量和磁场量计算变压器铁芯的瞬时总损耗值；

S2、根据变压器绕组的电阻值计算绕组的瞬时损耗值；

S3、根据铁芯的瞬时总损耗值计算铁芯的体积损耗密度，根据绕组的瞬时损耗值计算绕组的体积损耗密度；

S4、将固体传热和层流两个物理场进行耦合，并将铁芯的体积损耗密度和绕组的体积损耗密度作为固体传热的热源，利用COMSOL仿真计算获得变压器直流偏磁温度场的分布。

其中，所述步骤S1具体包括：

采用下式计算铁芯的电损耗：

Qrh＝Jx*Ex+Jy*Ey+Jz*Ez

其中，Qrh为铁芯的电损耗，Jx、Jy、Jz为电流密度在x，y，z方向上的分量，Ex、Ey、Ez为电场强度的x，y，z方向上的分量；

采用下式计算铁芯的磁损耗：

其中，Qml为铁芯的磁损耗，Bx、By、Bz为磁通密度在x，y，z方向的磁通密度分量，Hx、Hy、Hz为磁场强度在x、y、z方向上的磁场强度分量，t为时间；

采用下式计算铁芯的瞬时总损耗值：

Q_FE＝Qrh+Qml

其中，Q_FE为铁芯的瞬时总损耗值。

其中，所述步骤S2具体包括：

采用下式计算绕组的瞬时损耗值：

Qcoil＝i*i*R/V＝Im²*cos²wt*R

其中，Qcoil为瞬时绕组损耗，i为绕组瞬时电流值，Im为电流瞬时值的幅值，R为绕组的电阻，w为角频率。

其中，所述步骤S3具体包括：

采用下式计算铁芯的损耗密度：

采用下式计算绕组的损耗密度：

其中，P_FE为铁芯的体积损耗密度，V_FE为铁芯的体积，P为绕组的体积损耗密度，V为绕组的体积，T为周期。

本发明还提供一种确定变压器直流偏磁温度场分布的系统，包括：

电场磁场耦合计算单元，用于将磁场和电场两个物理场进行耦合，计算变压器铁芯各个点上的电场量和磁场量；

铁芯瞬时总损耗计算单元，用于根据电场量和磁场量计算变压器铁芯的瞬时总损耗值；

绕组瞬时损耗计算单元，用于根据变压器绕组的电阻值计算绕组的瞬时损耗；

铁芯体积损耗密度计算单元，用于根据铁芯的瞬时总损耗值计算铁芯的体积损耗密度，

绕组体积损耗密度计算单元，用于根据绕组的瞬时损耗值计算绕组的体积损耗密度；

温度场分布计算单元，用于将固体传热和层流两个物理场进行耦合，并将铁芯的体积损耗密度和绕组的体积损耗密度作为固体传热的热源，利用COMSOL仿真计算获得变压器直流偏磁温度场的分布。

其中，所述铁芯瞬时总损耗值计算单元采用下式计算铁芯的瞬时总损耗值：

Q_FE＝Qrh+Qml

Qrh＝Jx*Ex+Jy*Ey+Jz*Ez

其中，Qrh为铁芯的电损耗，Jx、Jy、Jz为电流密度在x，y，z方向上的分量，Ex、Ey、Ez为电场强度的x，y，z方向上的分量，Qml为铁芯的磁损耗，Bx、By、Bz为磁通密度在x，y，z方向的磁通密度分量，Hx、Hy、Hz为磁场强度在x、y、z方向上的磁场强度分量，t为时间，Q_FE为铁芯的瞬时总损耗值。

其中，所述铁芯体积损耗密度单元采用下式计算铁芯的体积损耗密度：

其中，P_FE为铁芯的损耗密度，V_FE为铁芯的体积，T为周期。

其中，所述绕组瞬时损耗值计算单元采用下式计算绕组的瞬时损耗值：

Qcoil＝i*i*R/V＝Im²*cos²wt*R

其中，Qcoil为绕组损耗，i为绕组瞬时电流值，Im为电流瞬时值的幅值，R为绕组的电阻，w为角频率。

其中，所述绕组体积损耗密度计算单元采用下式计算绕组的体积密度损耗值：

P为绕组的体积损耗密度，V为绕组的体积，T为周期。

本发明实施例的有益效果在于：本发明通过计算铁芯的瞬时总损耗和绕组的瞬时损耗，并根据瞬时损耗值计算铁芯的体积损耗密度和绕组的体积损耗密度，并把该损耗密度值作为热源输入到固体传热和层流耦合模块中求解温度场，可以准确快速的得到直流偏磁下的变压器温度场的分布，本发明的确定方法比传统的变压器温度场计算方法误差更小、计算更精确。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一种确定变压器直流偏磁温度场分布的方法的流程图。

图2是本发明实施例简化后的BH曲线的示意图。

图3为本发明实施例的外部电路结构示意图。

图4是本发明实施例无直流入侵时的磁场强度的曲线图。

图5是本发明实施例的有直流入侵时的磁场强度的曲线图。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。

以下结合图1进行说明，本发明实施例一提出了一种确定变压器直流偏磁温度场的分布方法，具体包括如下步骤：

S1、将磁场和电场两个物理场进行耦合，计算变压器铁芯各个点上的电场量和磁场量，根据电场量和磁场量计算变压器铁芯的瞬时总损耗值。

具体地，采用下式计算铁芯的电损耗：

Qrh＝Jx*Ex+Jy*Ey+Jz*Ez

其中，Qrh为铁芯的电损耗，Jx、Jy、Jz为电流密度在x，y，z方向上的分量，Ex、Ey、Ez为电场强度在x，y，z方向上的分量；

采用下式计算铁芯的磁损耗：

其中，Qml为铁芯的磁损耗，Bx、By、Bz为磁通密度在x，y，z方向的磁通密度分量，Hx、Hy、Hz为磁场强度在x、y、z方向上的磁场强度分量，t为时间；

采用下式计算铁芯的瞬时总损耗：

Q_FE＝Qrh+Qml，

其中，Q_FE为铁芯的瞬时总损耗值。

S2、根据变压器绕组的电阻值计算变压器绕组的瞬时损耗值。

具体地，采用下式计算绕组的瞬时损耗值：

Qcoil＝i*i*R/V＝Im²*cos²wt*R

其中，Qcoil为绕组损耗，i为绕组瞬时电流值，Im为电流瞬时值的幅值，R为绕组的电阻，w为角频率。

S3、根据铁芯的瞬时总损耗值计算铁芯的体积损耗密度，根据绕组的瞬时损耗值计算绕组的体积损耗密度。

其中，采用下式计算铁芯的损耗密度：

采用下式计算绕组的损耗密度：

其中，P_FE为铁芯的体积损耗密度，V_FE为铁芯的体积，P为绕组的体积损耗密度，V为绕组的体积，T为周期。

S4、将固体传热和层流两个物理场进行耦合，并将铁芯的体积损耗密度和绕组的体积损耗密度作为固体传热的热源，利用COMSOL仿真计算获得变压器直流偏磁温度场的分布。

在获得了体积损耗密度值后，在另一个研究中单独添加固体传热和层流两个物理场，使两者相互耦合。并将铁芯的体积损耗密度和绕组的体积损耗密度作为固体传热的激励源，将铁芯的体积损耗密度和绕组的损耗密度作为固体传热的热源后，对铁芯、绕组和变压器油进行网格划分。网格划分是利用有限元法进行多物理场仿真的关键，网格质量的好坏直接关系到模拟能够进行以及是否正确。

具体地，可根据绕组、铁芯以及变压器油的特性进行网格划分。在进行网格划分完之后，设置仿真步长以及求解器，即可获得温度场的分布。

以下结合图2-5举例说明上述方法。

以单相两绕组变压器为例，首先在COMSOL软件的几何模块中画出单相两柱式变压器的几何结构，包括铁芯的几何尺寸、绕组的几何尺寸和油箱的尺寸。

在材料模块中设置铁芯、绕组、变压器油的物理属性，铁芯的导磁特性由内插的BH曲线表示，如图2所示，简化后的BH曲线由三段磁导率不同的线段组成，分别表示初始磁导率段、线性段和饱和段。绕组设置为铜，变压器油需要设置动力粘度、恒压热容、密度和导热系数等参数。

然后设置物理场。磁场中铁芯的本构关系设置为BH曲线。线圈的激励选“外部IVs.U”，表示线圈的激励由外部电路提供，线圈的横截面积为1e-6[m^2]，线圈的电导率为6e7[S/m]。

其中，外部电路如图3所示，每一个元件的两端均设置有编号，直流电源的负极编号为0，正极编号为1，与直流电源正极连接的交流电源的一端编号为1，另外一端编号为2，与交流电源另外一端连接的电阻的一端编号为2，电阻的另外一端编号为3，与电阻的另外一端连接的变压器，变压器的两个同名端分别标为3和4。

由电路和磁场两个物理场的耦合计算得到铁芯瞬时总损耗值和绕组的瞬时损耗值，通过铁芯的瞬时总损耗值计算获得铁芯的体积损耗密度，通过绕组的瞬时损耗值计算获得绕组的体积损耗密度，计算结果如表1所示：

项目	铁芯	一次侧绕组	二次侧绕组
				损耗W·m-3	33007	73743	96693

在固体传热模块中添加3个热源边界条件，选择铁芯、一次侧绕组、二次侧绕组3个作用区域，并把表1中相应的3个体积损耗密度值输入进去。

设置好激励源之后，需要进行网格划分。划分网格是利用有限元法进行多物理场仿真的关键，网格质量的好坏直接关系到模拟能否进行以及是否正确。网格太粗会导致误差很大，太细就对计算机内存要求过高。将网格剖分为三个等级，首先划分绕组部分的网格，由于绕组的厚度较薄，因此其整体网格相对较密。然后划分铁芯的网格，铁芯的尺寸较大，网格相对绕组较为稀疏。最后再划分变压器油的网格，最为稀疏。

最后在研究1中添加线圈几何分析和瞬态求解器，计算“电路”和“磁场”两个物理场，步长设置为0.001s，总仿真时长为0.18s。在研究2中添加稳态求解器，计算“固体传热”和“层流”两个物理场。

在变压器高压侧有50V直流入侵造成变压器直流偏磁时，由“电路”和“磁场”两物理场耦合得到的铁芯和绕组的体积损耗密度如表2所示。

项目	铁芯	一次侧绕组	二次侧绕组
				损耗W·m-3	34432	74331	96740

有直流入侵时磁场强度半波饱和，铁芯和绕组的损耗增大，附图4为无直流入侵时的磁场强度分布图，图5为有直流入侵时的磁场强度分布图，分别对无直流入侵和有直流入侵的温度场分布进行仿真，获得相应的温度场分布仿真结果。从仿真结果中可以看出变压器的最热点温度出现在绕组的上端，这是因为绕组的损耗功率大，但是散热面积小，且绕组和变压器铁芯柱之间的油道很小，至使散热效果不好。直流入侵造成变压器直流偏磁后的最热点温度由原来的52℃升高到70℃。油和绕组、铁芯发生热对流，温度升高的变压器油上升到顶层，然后再从油箱壁流回，从而把热量散发出去。油流的最大流速为2.6*10-2m/s。

本发明实施例通过计算铁芯的瞬时总损耗和绕组的瞬时损耗，并根据瞬时总损耗值计算铁芯的体积损耗密度和绕组的体积损耗密度，并把该损耗密度值作为热源输入到固体传热和层流耦合模块中求解温度场，可以准确快速的得到直流偏磁下的变压器温度场的分布，该确定方法比传统的变压器温度场计算方法误差更小、计算更精确。

基于本发明实施例一，本发明还提供一种确定变压器直流偏磁温度场分布的系统，包括：

电场磁场耦合计算单元，用于将磁场和电场两个物理场进行耦合，计算变压器铁芯各个点上的电场量和磁场量；

铁芯瞬时总损耗计算单元，用于根据电场量和磁场量计算变压器铁芯的瞬时总损耗值；

绕组瞬时损耗计算单元，用于根据变压器绕组的电阻值计算绕组的瞬时损耗；

铁芯体积损耗密度计算单元，用于根据铁芯的瞬时总损耗值计算铁芯的体积损耗密度，

绕组体积损耗密度计算单元，用于根据绕组的瞬时损耗值计算绕组的体积损耗密度；

温度场分布计算单元，用于将固体传热和层流两个物理场进行耦合，并将铁芯的体积损耗密度和绕组的体积损耗密度作为固体传热的热源，利用COMSOL仿真计算获得变压器直流偏磁温度场的分布。

其中，所述铁芯瞬时总损耗值计算单元采用下式计算铁芯的瞬时总损耗值：

Q_FE＝Qrh+Qml

Qrh＝Jx*Ex+Jy*Ey+Jz*Ez

其中，Qrh为铁芯的电损耗，Jx、Jy、Jz为电流密度在x，y，z方向上的分量，Ex、Ey、Ez为电场强度的x，y，z方向上的分量，Qml为铁芯的磁损耗，Bx、By、Bz为磁通密度在x，y，z方向的磁通密度分量，Hx、Hy、Hz为磁场强度在x、y、z方向上的磁场强度分量，t为时间，Q_FE为铁芯的瞬时总损耗值。

其中，所述铁芯体积损耗密度单元采用下式计算铁芯的体积损耗密度：

其中，P_FE为铁芯的损耗密度，V_FE为铁芯的体积，T为周期。

其中，所述绕组瞬时损耗值计算单元采用下式计算绕组的瞬时损耗值：

Qcoil＝i*i*R/V＝Im²*cos²wt*R

其中，Qcoil为绕组损耗，i为绕组瞬时电流值，Im为电流瞬时值的幅值，R为绕组的电阻，w为角频率。

其中，所述绕组体积损耗密度计算单元采用下式计算绕组的体积密度损耗值：

P为绕组的体积损耗密度，V为绕组的体积，T为周期。

有关本实施例的工作原理以及所带来的有益效果请参照本发明实施例一的说明，此处不再赘述。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (2)

1.一种确定变压器直流偏磁温度场分布的方法，包括如下步骤：

S1、将磁场和电场两个物理场进行耦合，计算变压器铁芯各个点上的电场量和磁场量，根据电场量和磁场量计算变压器铁芯的瞬时总损耗值；

其中，采用下式计算铁芯的电损耗：

Qrh＝Jx*Ex+Jy*Ey+Jz*Ez

Qrh为铁芯的电损耗，Jx、Jy、Jz为电流密度在x，y，z方向上的分量，Ex、Ey、Ez为电场强度在x，y，z方向上的分量；

采用下式计算铁芯的磁损耗：

Qml为铁芯的磁损耗，Bx、By、Bz为磁通密度在x，y，z方向的磁通密度分量，Hx、Hy、Hz为磁场强度在x、y、z方向上的磁场强度分量，t为时间；

采用下式计算铁芯的瞬时总损耗值：

Q_FE＝Qrh+Qml

Q_FE为铁芯的瞬时总损耗值；

S2、根据变压器绕组的电阻值计算变压器绕组的瞬时损耗值；

采用下式计算绕组的瞬时损耗值：

Qcoil＝i*i*R/V＝Im²*cos²wt*R

其中，Qcoil为绕组瞬时损耗，i为绕组瞬时电流值，Im为电流瞬时值的幅值，R为绕组的电阻，w为角频率；

S3、根据铁芯的瞬时总损耗值计算铁芯的体积损耗密度，根据绕组的瞬时损耗值计算绕组的体积损耗密度；

其中，采用下式计算铁芯的损耗密度：

采用下式计算绕组的损耗密度：

P_FE为铁芯的体积损耗密度，V_FE为铁芯的体积，P为绕组的体积损耗密度，V为绕组的体积，T为周期；

S4、将固体传热和层流两个物理场进行耦合，并将铁芯的体积损耗密度和绕组的体积损耗密度作为固体传热的热源，利用COMSOL仿真计算获得变压器直流偏磁温度场的分布。

2.一种确定变压器直流偏磁温度场分布的系统，其特征在于，包括：

电场磁场耦合计算单元，用于将磁场和电场两个物理场进行耦合，计算变压器铁芯各个点上的电场量和磁场量；

铁芯瞬时总损耗计算单元，用于根据电场量和磁场量计算变压器铁芯的瞬时总损耗值；所述铁芯瞬时总损耗值计算单元采用下式计算铁芯的瞬时总损耗值：

Q_FE＝Qrh+Qml

Qrh＝Jx*Ex+Jy*Ey+Jz*Ez

其中，Qrh为铁芯的电损耗，Jx、Jy、Jz为电流密度在x，y，z方向上的分量，Ex、Ey、Ez为电场强度在x，y，z方向上的分量，Qml为铁芯的磁损耗，Bx、By、Bz为磁通密度在x，y，z方向的磁通密度分量，Hx、Hy、Hz为磁场强度在x、y、z方向上的磁场强度分量，t为时间，Q_FE为铁芯的瞬时总损耗值；

绕组瞬时损耗计算单元，用于根据变压器绕组的电阻值计算绕组的瞬时损耗；所述绕组瞬时损耗计算单元采用下式计算绕组的瞬时损耗值：Qcoil＝i*i*R/V＝Im²*cos² wt*R；其中，Qcoil为绕组瞬时损耗，i为绕组瞬时电流值，Im为电流瞬时值的幅值，R为绕组的电阻，w为角频率；

铁芯体积损耗密度计算单元，用于根据铁芯的瞬时总损耗值计算铁芯的体积损耗密度，所述铁芯体积损耗密度计算单元采用下式计算铁芯的损耗密度：

绕组体积损耗密度计算单元，用于根据绕组的瞬时损耗值计算绕组的体积损耗密度；所述绕组体积损耗密度计算单元采用下式计算绕组的损耗密度：P_FE为铁芯的体积损耗密度，V_FE为铁芯的体积，P为绕组的体积损耗密度，V为绕组的体积，T为周期；

温度场分布计算单元，用于将固体传热和层流两个物理场进行耦合，并将铁芯的体积损耗密度和绕组的体积损耗密度作为固体传热的热源，利用COMSOL仿真计算获得变压器直流偏磁温度场的分布。