CN110162884A - 考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法，包括以下步骤：获取地埋式变电站中热源的分布和散热方式，其中，热源至少包括变压器和通风设备；根据热源的分布和散热方式对地埋式变电站的热传递进行分析，以得到地埋式变电站的热传递信息，其中，热传递信息包括变压器内的热传递信息和变压器外的热传递信息；根据热传递信息建立地埋式变压器热路模型；利用地埋式变压器热路模型对待测地埋式变电站进行评估和控制。该考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法，能够建立地埋式变压器热路模型，便于对地埋式变电站进行评估和控制。另外，本发明还公开了一种计算机可读存储介质。
Description
技术领域
本发明涉及变电站技术领域，尤其涉及一种考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法。
背景技术
随着城市化进程的不断推进，地上变电站在城市美化、土地资源利用等问题上逐渐显现出弊端，为此地埋式变电站的出现有效地解决了上述问题，但同时也带来了许多新的问题。由于处于封闭的地埋空间内，地埋式变压器的温升问题较地上变压器显得更为突出，因此，在社会用总电量的不断攀升的背景下，研究地埋式变压器运行时的温升过程对电力系统安全、高效运行具有重要意义。
然而，目前针对地埋式变电站内变压器温升的研究较少，温升问题的研究和散热方案的设计多是基于一般箱式变电站的设计准则，以较小的供电负荷为设计标准展开，且其不考虑天气和季节等环境因素对变压器油温的影响，使得变压器温升预测精度较低。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法，以提高地埋式变压器温升的预测精度。
为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法，包括以下步骤：获取地埋式变电站中热源的分布和散热方式，其中，所述热源至少包括变压器和通风设备；根据所述热源的分布和散热方式对所述地埋式变电站的热传递进行分析，以得到所述地埋式变电站的热传递信息，其中，所述热传递信息包括变压器内的热传递信息和变压器外的热传递信息；根据所述热传递信息建立地埋式变压器热路模型；利用所述地埋式变压器热路模型对待测地埋式变电站进行评估和控制。
本发明实施例的考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法，首先获取地埋式变电站中热源的分布和散热方式，进而根据热源的分布和散热方式对地埋式变电站的热传递进行分析，以得到所述地埋式变电站的热传递信息，根据热传递信息建立地埋式变压器热路模型，利用地埋式变压器热路模型而实现对待测地埋式变电站进行评估和控制，能够提高变压器温升的预测精度。
其中，所述地埋式变压器热路模型通过下式表示：
其中，qcu为所述变压器的绕组产生的热量，Chst为所述绕组的等效电容，Rhst为由所述绕组到变压器油散热路径上的等效热阻，θhst为所述绕组的热点温度，θoil为所述变压器的顶层油温，qfe为所述变压器的铁心产生的热量，Cth-oil为所述变压器内部的等效热容，Rth-oil-sta为变压器内部的总热阻，θsta为所述地埋式变电站内的环境温度，qsta为所述地埋式变电站内除变压器之外的设备产生的热量，Rsta-amb为由所述地埋式变电站内设备外壳到周围土壤散热路径上的总热阻,Ctot为与热阻Rsta-amb对应的总热容，θamb为所述周围土壤的温度，l、m、n均是反映流固耦合面处由流体形态不同导致的热阻的非线性比。
具体地，所述利用所述地埋式变压器热路模型对待测地埋式变电站进行评估和控制，包括：利用所述地埋式变压器热路模型对所述待测地埋式变电站中变压器的热点温度进行预测。
其中，通过下式对所述待测地埋式变电站中变压器的热点温度进行预测：
θH(K,t)＝θa(K,t)+Δθo(K,t)+Δθh(K,t)，
其中，Δθo(K,t)＝θo(K,t)-θa(K,t)，Δθh(K,t)＝θh(K,t)-θo(K,t)，K为负载系数，t为时间，θH为考虑累积效应后的变压器热点温度，θa为考虑累积效应后所述地埋式变电站内的环境温度，Δθo为所述变压器的顶层油温对环境温度的梯度，Δθh为变压器热点温度对变压器顶层油温的梯度。
进一步地，所述利用所述地埋式变压器热路模型对待测地埋式变电站进行评估和控制，还包括：根据预测得到的变压器的热点温度对所述待测地埋式变电站的负载能力进行评估。
具体地，所述根据预测得到的变压器的热点温度对所述待测地埋式变电站的负载能力进行评估，包括：根据所述预测得到的地埋式变压器的热点温度计算所述变压器的寿命损失；根据所述预测得到的地埋式变压器的热点温度和所述寿命损失对所述待测地埋式变电站的负载能力进行评估。
其中，通过下式计算所述寿命损失：
其中，FEQA是总时间周期内的等效老化率，n为时间间隔的序号，N为总时间间隔数，为第n时段所述变压器的老化加速系数，Δtn为时间间隔的长度，
进一步地，所述地埋式变电站站内设置有通风设备，所述利用所述地埋式变压器热路模型对待测地埋式变电站进行评估和控制，还包括：根据负载能力的评估结果对所述变压器的运行状态和所述通风设备进行控制。
更进一步地，所述根据负载能力的评估结果对所述变压器的运行状态和所述通风设备进行控制，包括：如果所述热点温度小于第一预设温度，且所述寿命损失小于第一预设损失，则控制所述通风设备停机；如果所述热点温度大于或者等于所述第一预设温度小于第二预设温度，且所述预期寿命损失大于或者等于所述第一预设损失小于第二预设损失，则控制所述通风设备启动；如果所述热点温度大于所述第二预设温度，且所述寿命损失大于所述第二预设损失，则控制所述通风设备的功率增大预设值，直至所述通风设备的功率增加至最大限值时，减小所述变压器的负载。
为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法。
该计算机可读存储介质，在其上存储的与上述考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法对应的计算机程序被处理器执行时，能够建立地埋式变压器热路模型，且可基于该模型实现对待测地埋式变电站的评估和控制。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明实施例的考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法的流程图；
图2(a)和图2(b)是地上变电站的变压器热路结构的示意图；
图3是本发明实施例的地埋式变压器热路模型的示意图；
图4是本发明一个示例的地埋式变电站的安装方式的示意图；
图5是本发明一个示例的温升预测的流程图；
图6是本发明一个示例的不同工况下的地坑环境温度的变化曲线；
图7是本发明一个示例的负载-环境温度拟合曲线；以及
图8是本发明一个示例的地埋式变压器负载能力评估的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法。
实施例1
图1是本发明实施例的考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法的流程图。如图1所示，考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法包括以下步骤：
S1，获取地埋式变电站中热源的分布和散热方式，其中，热源至少包括变压器和通风设备。
其中，通风设备可以是风机，该风机可设置在地埋式变电站箱体内，且在变压器壳体外，用于将站内热量通过通风管道散至地面空气中。
可选地，地埋式变电站中还可以设置有配电柜(如高压低压配电柜)、抽水泵、除湿机等，由于配电柜、抽水泵和除湿机在运行时也会散发热量，故其也为上述热源。
S2，根据热源的分布和散热方式对地埋式变电站的热传递进行分析，以得到地埋式变电站的热传递信息，其中，热传递信息包括变压器内的热传递信息和变压器外的热传递信息。
S3，根据热传递信息建立地埋式变压器热路模型。
具体地，地埋式变压器热路模型通过下式表示：
其中，qcu为变压器的绕组产生的热量，Chst为绕组的等效电容，Rhst为由绕组到变压器油散热路径上的等效热阻，θhst为绕组的热点温度，θoil为变压器的顶层油温，qfe为变压器的铁心产生的热量，Cth-oil为变压器内部的等效热容，Rth-oil-sta为变压器内部的总热阻，θsta为地埋式变电站内的环境温度，qsta为地埋式变电站内除变压器之外的设备产生的热量，Rsta-amb为由地埋式变电站到周围土壤散热路径上的总热阻,Ctot为与热阻Rsta-amb对应的总热容，θamb为周围土壤的温度，l、m、n均是反映流固耦合面处由流体形态不同导致的热阻的非线性比。
S4，利用地埋式变压器热路模型对待测地埋式变电站进行评估和控制。
在本发明的实施例中，可利用地埋式变压器热路模型对待测地埋式变电站中变压器的热点温度进行预测。具体地，可通过下式对待测地埋式变电站中变压器的热点温度进行预测：
θH(K,t)＝θa(K,t)+Δθo(K,t)+Δθh(K,t)，
其中，Δθo(K,t)＝θo(K,t)-θa(K,t)，Δθh(K,t)＝θh(K,t)-θo(K,t)，K为负载系数，t为时间，θH为考虑累积效应后的变压器热点温度，θa为考虑累积效应后地埋式变电站内的环境温度，Δθo为变压器的顶层油温对环境温度的梯度，Δθh为变压器热点温度对变压器顶层油温的梯度。
进一步地，还可根据预测得到的变压器的热点温度对待测地埋式变电站的负载能力进行评估。
具体地，根据预测得到的地埋式变压器的热点温度计算变压器的寿命损失；根据预测得到的地埋式变压器的热点温度和寿命损失对待测地埋式变电站的负载能力进行评估。
其中，可通过下式计算寿命损失：
其中，FEQA是总时间周期内的等效老化率，n为时间间隔的序号，N为总时间间隔数，为第n时段变压器的老化加速系数，Δtn为时间间隔的长度，
更进一步地，地埋式变电站站内设置有通风设备(如风机)，可根据负载能力的评估结果对变压器的运行状态和通风设备进行控制。
具体地，如果热点温度小于第一预设温度，且寿命损失小于第一预设损失，则控制通风设备停机；如果热点温度大于或者等于第一预设温度小于第二预设温度，且预期寿命损失大于或者等于第一预设损失小于第二预设损失，则控制通风设备启动；如果热点温度大于第二预设温度，且寿命损失大于第二预设损失，则控制通风设备的功率增大预设值，直至通风设备的功率增加至最大限值时，减小变压器的负载。
为便于理解，结合如下步骤1-4对本发明实施例的考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法进行说明：
步骤1：从变压器的物理模型出发，分析地埋式变电站运行时的热传递过程，结合基本热路模型扑结构，推导出地埋式变压器的热路模型。
不同于地上变电站，地埋式变电站箱体的四周为土壤，无法直接通过空气对变电站外部进行散热，通常在站内设置与地面空气相通的高低风道形成热自循环，这样的散热条件显然不利于变压器内热量的散发。结合传热学的基本理论，地埋式变电站内三种热量传递的基本形式为热传导、热辐射和热对流。变压器箱体通过对流换热将热量传递至站内空气中，同时变电站内运行的其他设备如配电柜、抽水泵等也会产生热量并散发至空气中，共同引起站内空气温度的升高。站内空气在密度差的作用下形成自循环，并在通风设备的作用下与外界的冷空气进行换热，完成大部分热量的散发，另一部分热量与地埋式变电站箱体进行换热，最终依靠地埋式变电站外土壤吸收变电站箱体所散发的热量达到热平衡状态。
基于地埋式变压器不同于地上变压器的散热机制，考虑地埋式变电站内的空气循环以及地埋式变电站外的土壤热学特性，提出适用于地埋式变压器的温升模型。
目前，广泛采用的热路模型的拓扑结构如图2(a)、图2(b)所示，
其中，理想的电流源表示由铁心损耗和铜损耗产生的热量qfe、qcu，θhs为变压器绕组的热点温度，θoil为变压器顶层油温，θamb变压器周围环境温度。Rhs、Roil分别为热量由绕组传导至变压器油、由变压器油传导至变压器箱体周围环境所经过路径的等效热阻，Chs、Coil分别为绕组和变压器油的等效热容。基于变压器温升过程分析，上述参数有如下关系：
qfe和qcu所产生的热量一部分被变压器油和绕组的热容Chs、Coil吸收，另一部分作为热源引起绕组温升和变压器油温升θhs、θoil，其余部分通过绕组和变压器油的热阻Rhs、Roil扩散至周围环境中。其中，热量从变压器油扩散至周围环境的物理过程可以用以下微分方程描述：
式中，n反映的是流固耦合面处由流体形态不同导致的热阻的非线性化，Roil,R为额定负载、油浸风冷、环境温度为30℃下的变压器油的额定热阻。热量qfe和qcu可以通过变压器的出厂试验或运行数据进行估算，热容、热阻和非线性系数均可由经验得出，则输入周围环境温度后求解式(1)可获得变压器的油温升，绕组-变压器油温升模型的微分形式与式(1)类似，不再列出，由此可进一步可求解绕组的热点温度以判断变压器温升能否满足安全运行的要求。
对于变压器箱体外为自然空气的变压器热路模型，可以视为其箱体散发的热量完全耗散于箱体外表面。对于地埋式变电站内的变压器而言，其热路模型是基于以下几部分构件的能量平衡：绕组、铁芯、变压器油、变压器箱体、变电站内空气、配电柜(如高低压配电柜)、其他站内设备(如风机、抽水泵)、变电站箱体及周围土壤。其中热量主要来自变压器内的功率损耗、配电柜、站内其他设备等运行产生的热量，热量最终在土壤环境中耗散。因此对图2(a)、图2(b)热路模型进行改进，提出一种考虑地埋式变电站站内环境及站外土壤热性质的地埋式变压器热路模型，模型结构如图3所示。
图3中虚线左侧对应地埋式变压器内的热路结构：qtr为变压器内部的总发热量，由铁芯损耗qfe和绕组损耗qcu构成，Rth-oil-sta为变压器内部的总热阻，由于杂散部件的等效热阻Rm＜5×105，因此忽略杂散损耗带来的热量贡献(即Rth-oil-sta中不包含Rm)，Cth-oil为变压器内部等效热容。
图3中虚线右侧对应地埋式变压器外环境的热路结构：qcabin为变电站运行过程中配电柜的发热量。Rsta-amb为由站内设备外壳到外土壤散热路径上的总热阻,包括由站内设备外壳到变电站箱体散热路径上的热阻Rin和由变电站箱体到外土壤散热路径上的热阻Rearth。Ctot为与热阻Rsta-amb对应的总热容，包括变电站内环境的热容Cin和变电站箱体外参与散热土壤的等效热容Cearth。
步骤2：以油浸式地埋变压器为分析对象，对热路模型参数进行分析，提出地埋式变压器的温升计算模型。
1)变压器热阻、热容计算
以油浸式变压器为例，从绕组到站内空气散热路径的等效热阻Rth-oil可由下式获得：
其中，Δθoil表示变压器顶层油对站内空气(即站内环境)的温升，qtr表示变压器内所有热源的总发热量，h为传热系数，A为有效散热面积。需要说明的是，Rth-oil为上述Rth-oil-sta的一部分。
由于变压器油的热阻在温度变化时也会发生变化，因此需定义相关的非线性热阻表达式，根据传热学理论，由垂直、倾斜、水平平板和圆柱周围的自然对流所形成的油流可用以下公式来描述：
Nu＝C×[Gr×Pr]N (3)
其中，C和N是依赖于油流是层流还是湍流的经验常数，如表1所示，其数值可通过查询。
表1
| 油流形态 | C | N |
| 层流 | 0.59 | 0.25 |
| 湍流 | 0.1 | 0.33 |
Nusselt数(Nu)、Prandtle数(Pr)和Grashof数(Gr)可由式(4)-式(6)求得：
其中，L为油道的特征尺寸、长度、宽度或直径，k为变压器油的导热系数，coil为变压器油的比热，μ为变压器油的热膨胀系数，ρoil为变压器油的密度，g为重力常数，β为热膨胀系数，Δθoil为变压器油的温度梯度。
将求得的Nusselt数、Prandtle数和Grashof数带入式(3)可得：
式中热参数随温度变化的关系式见表2：
表2
由表2可知，变压器油粘度的变化要明显高于其他参数随温度的变化，为简化模型，将其它参数近似为温度的常函数，则式(7)可改写为：
由此，在有效散热面积已知的情况下，根据式(8)、式(9)即可计算得到式(2)中的Rth-oil。
变压器的热容可根据负载导则中给出的经验公式获得：
Cth-oil＝0.132mc+0.0882mt,f+0.400moil (10)
Cth-oil＝0.132(mc+mt,f)+0.580moil (11)
其中，式(10)为油浸自冷式变压器，式(11)为油浸风冷式变压器，mc为铁芯和线圈组件的重量(kg)，mt,f为变压器箱体和配件的重量(kg)，moil为变压器油的质量(kg)。
2)变电站内环境热阻热容的计算
变电站内的环境热阻是指热量由站内设备(如变压器箱体、配电柜柜体等)外表面传递至变电站箱体所经过路径的热阻。环境热阻的值主要取决于站内空气的对流循环和空气对变电站箱体、变电站入口开盖的对流换热过程。该过程的热阻可用Rvent表示，该公式是由Hoppner公式演变而来，用以描述室内通风散热的能量交换关系：
式中，S表示变电站通风口的面积(m2)(假定出风口和进风口的大小一致)，Pl表示通过通风散热所散发的热量(kW)，R表示散热路径上的流体阻力，H表示变压器或机柜的中高点到出风口下边缘的垂直距离，θex表示出风口流体温度相对进风口的温升。以Pl为待求解量，可将式(12)写成：
其中，
则
式中，c的值经验公式(16)进行推算：
c＝64.899×(1-e-5.37S) (16)
变电站内环境热容反应了站内设备及站内空气对热量的储存能力。由于空气的热容量远远小于固体设备的热容，因此可以忽略不计，则：
Cin＝Ctr+Cfan+Cpump+Ccabin (17)
其中，Cin为变电站内环境热容，Ctr、Cfan、Cpump、Ccabin分别为变压器箱体、风机、抽水泵、配电柜柜体的热容。各个部件具体的热容可通过C＝0.22m(即比热(J/(kg·℃))0.22和质量(kg)的乘积)估算。
3)变电站外环境热阻热容的计算
地埋式变电站在进行建设前，应先按设计图预挖土坑，对地坑底部进行夯实并预埋钢板或预种螺栓，同时在箱体的四周打好接地桩，将变压器及高低压配电柜用起重设备吊起放入预制好的坑内后用地脚螺栓固定牢固,将变压器外壳有效接地。图4为一种常用的安装方式。
地埋式变电站内的积水量和湿度过大时，将对变压器的安全运行造成威胁，因此通常地埋式变电站采用防水型的混凝土建造地坑。因此，在分析地埋式变压器的温升模型时，有必要对站外土壤的热学性质进行研究。
将热路模型最外层的环境温度设置为土壤的平均温度，同时在模型中加入参与散热土壤的热阻和热容。土壤散热能力主要体现在其热阻即土壤的热导率上，受土壤的组分、温度、湿度以及孔隙等因素的影响，不同土壤的热传递模型也不同。本发明采用改进的Johansen模型对地埋式变电站周围土壤的热阻进行估算，计算公式如下：
Rearth＝(Rsat-Rdry)Ke+Rdry (18)
其中，Rearth表示土壤的热阻，单位为W/(m·K)，Rdry和Rsat分别表示干土、饱和土的导热率，Ke为Kersten数。
Rdry＝-aη+b (21)
α为土壤质地参数(砂土1.05、壤土0.9、黏土0.58)，Sr为土壤饱和度(含水率)，Rs为土壤基质热导率，Rw为20℃时水的热导率,1.33为形状系数，η为土壤的孔隙度，a、b为经验系数(0.2＜η＜0.6时，a＝0.56，b＝0.51)。本示例所采用的土壤参数见表3：
表3
| 土壤质地 | 质地参数 | 土壤饱和度S<sub>r</sub> | 孔隙度η | R<sub>s</sub> W/(m·K) | R<sub>w</sub>W/(m·K) |
| 壤土 | 0.9 | 0.6446 | 0.3 | 3.62 | 0.594 |
土壤的比热容根据经验值取1645J/(kg·K)
4)地埋式变压器热路模型：
由上述分析，可将地埋式变电站内变压器热点温升看作由外土壤温度、站内空气对土壤的温升、顶层油对站内空气的温升和绕组对顶层油的温升组成，热路模型的微分形式表示为如下三个部分：
需要说明的是，qsta为站内所有设备的总发热量，图3中的qcabin为变电站运行过程中高低压配电柜的发热量，qsta＞qcabin。
为方便计算和分析，令K为负载系数，β为空载损耗和负载损耗之比，以额定功率下的空载损耗和负载损耗作为基准值对总功率进行归一化处理，同时根据热阻的定义式(2)进行变化，可得：
其中，τhst、τoil、τtot分别为变压器绕组、顶层油和地埋式变电站整体的温升时间常数，Pfe、Pcu、Psta分别为变压器实际负载下的铁耗、铜耗通风散热所散发的热量、变电站内所有设备散热量，Pcu,R为变压器额定负载下铜耗散热量。
地埋式变电站正常运行时，站内空气温升和变压器顶层油温升的求解步骤如图5所示。
步骤3：研究变电站内的负荷动态变化时地坑环境对温度的累积效应，将其作为影响因素对地埋式变电站的动态负载能力进行评估。
从变压器热路模型结构可以看出，模型所考虑的热点温升是由变压器及变电站内部的负载损耗和设备运行损耗带来的，而通过对温升模型时间常数的计算，可以发现变压器内部的温升时间常数往往较大，变压器油的时间常数甚至为小时量级，远远小于负载变化的时间尺度。因此，在研究变压器的温升时，有必要考虑到在油温上升的过程中，变压器外部温度的变化给变压器温升所带来的影响。受制于传统变压器热路模型的分析模式，要分析动态负载情况下地坑环境内的温度变化存在很大的难度，因此借助有限元方法对不同负载情况下地埋式变电站内的稳态温升进行数值模拟，研究变电站内的负荷动态变化时地坑环境对温度的累积效应，将其作为影响因素对地埋式变电站的动态负载能力进行评估。
1)动态负载下地埋式变电站温度分布数值模拟
使用ANSYS Icepak软件对不同负载率下的地埋式变电站温度分布进行仿真，通过调节变压器铁芯的功率损耗以模拟负载率变化对地坑环境温度产生的影响。仿真模拟了负载率由0.5至1.2共17个工况下变压器环境温度的变化。
完成所有工况的数值计算后，利用Icepak中的Point点处理工具对变压器散热片周围的空气温度进行采样，并利用Trials plot工具对采样点的温度在不同工况下的变化曲线进行描绘，所获得的结果如图6所示，其中纵坐标为每次实验获得的地坑环境温度，横坐标为多次试验的排序而非具体的负载率，具体的负载率和地坑环境温度(即站内环境温度)数据见表4。
表4
| 工况ID | 负载系数K | 地坑温度θ<sub>d</sub> | 工况ID | 负载系数K | 地坑温度θ<sub>d</sub> |
| 0 | 0.5 | 34.2125 | 9 | 0.949 | 37.2214 |
| 1 | 0.6 | 34.8377 | 10 | 1 | 37.585 |
| 2 | 0.7 | 35.5796 | 11 | 1.049 | 38.1494 |
| 3 | 0.707 | 35.576 | 12 | 1.095 | 38.501 |
| 4 | 0.775 | 36.0498 | 13 | 1.1 | 38.6521 |
| 5 | 0.8 | 36.1492 | 14 | 1.140 | 39.0837 |
| 6 | 0.837 | 36.3709 | 15 | 1.183 | 40.4131 |
| 7 | 0.894 | 36.876 | 16 | 1.2 | 40.4897 |
| 8 | 0.9 | 36.8713 |
2)动态负载下地埋式变电站环境温度的函数拟合
式(27)描述了热点温升与负载率K和地坑环境温度θa的函数关系，将问题的待求解量设置为环境温度，拓扑模型中的理想电压源替换为绕组的热点温度，其他参数即为与环境温度有关的热阻热容，由此获得以环境温度为未知函数的一阶微分方程，其通解的表达式为式(28)。
θar＝a-exp(-t/c)*[b-θai(0)] (28)
其中，a、b、c为常数，θai(0)为环境温度的初始值。
为研究负载率K与环境温度的变化，将与K参数有关的常数值展开，通解可表示为：
θar＝a+(b+c·K2)-exp(-t/d)*[a+b+c*K2]+θai(0) (29)
其中，d为常数。
以该通解形式作为拟合函数使用MATLAB中的曲线拟合工具对表4中的数据进行拟合，得到负载率-环境温度函数(R2＝0.9886)如式(30)，拟合曲线如图7：
θar(K,t)＝7.449+(7.853+4.69K2)-exp(-t/0.8143)·(15.302+4.69K2)+θai(0) (30)
为表征地坑热量累积的动态过程，类比电路中时间常数的概念，提出地坑温度累积函数，如式(31)-式(33)：
其中，θai为初始的环境温度，τa为地坑环境的温升时间常数，fa,up和fa,d分别对应K变化引起的温度升高和温度降低的过程。
3)地埋式变压器动态负载下的温升计算
由热路模型可以看出，任意负载下变压器内部各部件的温度均是在环境温度的基础上叠加得到的，因此环境温度是决定变压器负载能力的一个重要因素。变压器的环境温度是指与散热器或热交换器所接触的空气温度，因此对于室外变压器及分体式散热的变压器，它们的环境温度即是大气温度，而对于室内变压器或地埋式变压器而言，其环境温度需要考虑由建筑结构的非线性热阻、热容和室内其他热源导致的空气温度变化，此时需要对热路模型中的环境温度进行调整。
基于变压器负载导则中的热点温度求解方法，考虑动态负载下地坑内的热量累积过程及地埋式变电站结构的热特性，本发明提出以下热点温度计算式：
θH(K,t)＝θa(K,t)+Δθo(K,t)+Δθh(K,t) (34)
其中，Δθo(K,t)＝θo(K,t)-θa(K,t)，Δθh(K,t)＝θh(K,t)-θo(K,t)。
对于K变化引起的温度上升过程：
θh(K,t)＝Δθhi+{HgrKy-Δθhi}×f2(t) (36)
其中，Δθoi、Δθor分别为顶层油初始温度变化、顶层油温升；R为总热阻，Psta、PR分别为变电站总散热、额定负载下损耗的散热量；Δθhi为初始热点温度变化；gr为热点对顶层油的温度梯度。
对于K变化引起的温度下降过程：
θh(K,t)＝HgrKy+{Δθhi-HgrKy}×f4(t) (38)
其中，当稳态值为1时，顶层油温及热点温度变化函数如下：
其中，τo、τw分别是变压器油、绕组的温升时间常数，k11、k21、k2均为常数。
地埋式变压器动态负载能力的评估：
过负载带来的危害主要体现在热点温度过高时，变压器内部的物理化学反应以及这些反应所导致的变压器寿命损失。因此主要根据各类负载下的变压器的寿命损失及热点温升限值对地埋式变压器的动态负载能力进行评估。
由于在变压器的各个部件中，温度的分布通常都不是均匀的，绝缘老化通常考虑变压器内的最热点温度造成的影响，结合基于Arrhenius反应速率理论的绝缘劣化表达式动态负载下地埋式变压器的温升计算式(34)可得：
其中，FAA为地埋式变压器的老化加速系数，θH为动态负载下地埋式变压器的热点温度。
对于给定时间周期、给定温度循环内的等效寿命损失可由式(44)表示：
其中，FEQA是总时间周期内的等效老化率，n为时间间隔的序号，N为总时间间隔数，为第n时段的老化加速系数，Δtn为时间间隔的长度(小时)。
地埋式变压器动态负载能力的评估流程如图8所示：
步骤4：根据负载能力评估的结果，通过与安全运行判据进行比对，对地埋式变压器的运行计划及站内设备的控制方式进行制定与修正。
1)地埋式变电站内温升的特点：
变压器的热点温度峰值较负载变化的峰值存在一定的延时。
(延时来自于系统热模型的时间常数，可通过数值仿真进行粗略求解；将延时的大小(温升特性曲线)与风机的运行特性曲线进行匹配，获得最优的通风控制策略)
地坑内的温度累积对变压器的热点温升存在一定范围内的抑制作用。
(考虑地坑内的热量累积，用计算所得的结果(热量累积对热点温度的抑制效果)对温升曲线、风机的控制策略进行修正)
2)控制原理：
根据负载能力评估的结果，可以获得当前环境温度与负载下变压器的预期温升值及预期寿命损失，通过与安全运行判据进行比对，对地埋式变压器的运行计划及站内设备的控制方式进行制定与修正。
主要的判据为：变压器最高允许温升Δθ、单位时间内的变压器绝缘寿命损失L(可自行规定，如实际运行1天变压器寿命损失＜5天)。
主要控制方式：
Δθ、L小于额定值：风机关闭。
Δθ、L大于额定值小于限值：风机启动。
Δθ、L大于规定值时，增大风机功率，风机功率达到限值时，切负荷。
3)控制流程：
输入：环境温度、实时负载。
计算：下一控制周期的预期热点温升、预期绝缘寿命损失
判定：变压器温升限值、变压器绝缘寿命损失限值。
控制量：变压器负载、风机启停和功率。
本发明实施例的考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法，考虑了地埋式变电站站内环境及站外土壤热性质，通过分析地埋式变电站运行时的热传递过程，结合基本热路模型拓扑结构，得到地埋式变压器的热路模型，进而以油浸式变压器为分析对象，对热路模型参数进行分析，得到变压器的温升计算模型，由此使得变压器的温升计算准确性更高。另外，将地埋式变电站内的负荷动态变化时地坑环境对温度的累积效应作为影响因素，能够实现对地埋式变电站的动态负载能力的评估，进而根据负载能力评估的结果，通过与安全运行判据进行比对，可对地埋式变压器的运行计划及站内设备的控制方式进行制定与修正，不仅为评估地埋式变压器负载能力并进行控制提供了新思路，也为地埋式变电站设计提供了参考。
实施例2
进一步地，本发明还提出了一种计算机可读存储介质。
在本发明的实施例中，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法。
本发明实施例的计算机可读存储介质，在其上存储的与上述考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法对应的计算机程序被处理器执行时，能够建立地埋式变压器热路模型，预测变压器的热点温度，评估变压器的负载能力，以及能够对变压器的负载和地埋式变电站内设备进行控制。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取地埋式变电站中热源的分布和散热方式，其中，所述热源至少包括变压器、通风设备；
根据所述热源的分布和散热方式对所述地埋式变电站的热传递进行分析，以得到所述地埋式变电站的热传递信息，其中，所述热传递信息包括变压器内的热传递信息和变压器外的热传递信息；
根据所述热传递信息建立地埋式变压器热路模型；
利用所述地埋式变压器热路模型对待测地埋式变电站进行评估和控制。
2.如权利要求1所述的考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法，其特征在于，所述地埋式变压器热路模型通过下式表示：
其中，qcu为所述变压器的绕组产生的热量，Chst为所述绕组的等效电容，Rhst为由所述绕组到变压器油散热路径上的等效热阻，θhst为所述绕组的热点温度，θoil为所述变压器的顶层油温，qfe为所述变压器的铁心产生的热量，Cth-oil为所述变压器内部的等效热容，Rth-oil-sta为变压器内部的总热阻，θsta为所述地埋式变电站内的环境温度，qsta为所述地埋式变电站内除变压器之外的设备产生的热量，Rsta-amb为由所述地埋式变电站内设备外壳到周围土壤散热路径上的总热阻,Ctot为与热阻Rsta-amb对应的总热容，θamb为所述周围土壤的温度，l、m、n均是反映流固耦合面处由流体形态不同导致的热阻的非线性比。
3.如权利要求1所述的考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法，其特征在于，所述利用所述地埋式变压器热路模型对待测地埋式变电站进行评估和控制，包括：
利用所述地埋式变压器热路模型对所述待测地埋式变电站中变压器的热点温度进行预测。
4.如权利要求3所述的考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法，其特征在于，通过下式对所述待测地埋式变电站中变压器的热点温度进行预测：
θH(K,t)＝θa(K,t)+Δθo(K,t)+Δθh(K,t)，
其中，Δθo(K,t)＝θo(K,t)-θa(K,t)，Δθh(K,t)＝θh(K,t)-θo(K,t)，K为负载系数，t为时间，θH为考虑累积效应后的变压器热点温度，θa为考虑累积效应后所述地埋式变电站内的环境温度，Δθo为所述变压器的顶层油温对环境温度的梯度，Δθh为变压器热点温度对变压器顶层油温的梯度。
5.如权利要求4所述的考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法，其特征在于，所述利用所述地埋式变压器热路模型对待测地埋式变电站进行评估和控制，还包括：
根据预测得到的变压器的热点温度对所述待测地埋式变电站的负载能力进行评估。
6.如权利要求5所述的考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法，其特征在于，所述根据预测得到的变压器的热点温度对所述待测地埋式变电站的负载能力进行评估，包括：
根据所述预测得到的地埋式变压器的热点温度计算所述变压器的寿命损失；
根据所述预测得到的地埋式变压器的热点温度和所述寿命损失对所述待测地埋式变电站的负载能力进行评估。
7.如权利要求5所述的考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法，其特征在于，通过下式计算所述寿命损失：
其中，FEQA是总时间周期内的等效老化率，n为时间间隔的序号，N为总时间间隔数，为第n时段所述变压器的老化加速系数，Δtn为时间间隔的长度，
8.如权利要求7所述的考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法，其特征在于，所述地埋式变电站站内设置有通风设备，所述利用所述地埋式变压器热路模型对待测地埋式变电站进行评估和控制，还包括：
根据负载能力的评估结果对所述变压器的运行状态和所述通风设备进行控制。
9.如权利要求6所述的考虑地坑热量累积效应的地埋式变电站评估控制方法，其特征在于，所述根据负载能力的评估结果对所述变压器的运行状态和所述通风设备进行控制，包括：
如果所述热点温度小于第一预设温度，且所述寿命损失小于第一预设损失，则控制所述通风设备停机；
如果所述热点温度大于或者等于所述第一预设温度小于第二预设温度，且所述预期寿命损失大于或者等于所述第一预设损失小于第二预设损失，则控制所述通风设备启动；
如果所述热点温度大于所述第二预设温度，且所述寿命损失大于所述第二预设损失，则控制所述通风设备的功率增大预设值，直至所述通风设备的功率增加至最大限值时，减小所述变压器的负载。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| CB02 | Change of applicant information | ||
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Address after: 413002 No. 1 Xuefu Road West, Longling Industrial Park, Heshan District, Yiyang City, Hunan Province Applicant after: Huaxiang XiangNeng Technology Co.,Ltd. Applicant after: HUNAN University Address before: 413002 No. 1 Xuefu Road West, Longling Industrial Park, Heshan District, Yiyang City, Hunan Province Applicant before: HXXN ELECTRICITY Co.,Ltd. Applicant before: HUNAN University |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20210220 Address after: 413002 No. 1 Xuefu Road West, Longling Industrial Park, Heshan District, Yiyang City, Hunan Province Applicant after: Huaxiang XiangNeng Technology Co.,Ltd. Address before: 413002 No. 1 Xuefu Road West, Longling Industrial Park, Heshan District, Yiyang City, Hunan Province Applicant before: Huaxiang XiangNeng Technology Co.,Ltd. Applicant before: HUNAN University |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Evaluation and Control Method for Buried Substation Considering the Accumulation Effect of Pit Heat Effective date of registration: 20231106 Granted publication date: 20221129 Pledgee: China Co. truction Bank Corp Yiyang branch Pledgor: Huaxiang XiangNeng Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2023980063452 |