CN110361109A - 一种室内变电站的温度计算方法，系统及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内变电站的温度计算方法，包括：建立变压器热电等值电路，且变压器热电等值电路中以电弧放电功率，铜耗功率以及铁耗功率作为热源功率；基于变压器热电等值电路，采用有限元法FEM以及计算流体力学法，建立内部电弧故障下的变电站温度场模型；通过固体与流体交界面的换热约束确定出的边界条件，确定出变电站温度场模型以得到室内变电站的温度场。应用本申请的方案，有利于提高室内变电站的温度计算的精度，进而便于更准确地进行室内变电站的温度监控以及风险评估。本申请还提供了一种室内变电站的温度计算系统以及设备，具有相应技术效果。

Description

一种室内变电站的温度计算方法，系统及装置

技术领域

本发明涉及变电站温度分析技术领域，特别是涉及一种室内变电站的温度计算方法，系统及装置。

背景技术

室内变电站适用于人口密集、用地紧张的城市环境中，但由于室内变电站的散热不如室外变电站，因此温度是室内变电站需要衡量的重要因素之一。例如，变电站中的变压器温度过高，将加速绝缘层的老化以及绝缘击穿，降低变压器的使用寿命甚至导致电力事故，造成巨大的经济损失。因此，室内变电站的温度计算对于室内变电站的安全运行，供电可靠性及使用寿命等均有着十分重要的意义。

在进行室内变电站的温度计算时，通常是基于变电站热模型来进行，例如传统的方案中，可以基于热量传递机制，运用数值分析方法建立数学计算模型，通常用于变电站中的热点温度的预测。又如，传统的热电等值电路模型常用于油浸式变压器及变电站的热分析。由于FEM(Finite Element Method，有限元)分析能够精准地获取空间中各点温度的动态变化过程及稳态值，并具有良好的边界适应性，近年来，被越来越多地应用到变压器热模型的构建中。但是由于变压器运行状态复杂，特别是容易出现内部电弧故障的情况，改变了变压器的温度场，使得传统方案中的室内变电站的温度计算存在一定程度的误差。

综上所述，如何有效地提高室内变电站的温度计算的精度，以便于更准确地进行室内变电站的温度监控以及风险评估，是目前本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种室内变电站的温度计算方法，系统及装置，以有效地提高室内变电站的温度计算的精度。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种室内变电站的温度计算方法，包括：

建立变压器热电等值电路，且所述变压器热电等值电路中以电弧放电功率，铜耗功率以及铁耗功率作为热源功率；

基于所述变压器热电等值电路，采用有限元法FEM以及计算流体力学法，建立内部电弧故障下的变电站温度场模型；

通过固体与流体交界面的换热约束确定出的边界条件，确定出所述变电站温度场模型以得到所述室内变电站的温度场。

优选的，所述基于所述变压器热电等值电路，采用有限元法FEM以及计算流体力学法，建立内部电弧故障下的变电站温度场模型，包括：

基于所述变压器热电等值电路，采用有限元法FEM将室内变电站空间以及变压器的内部空间分割为多个微元；

建立每一个所述微元的能量守恒方程，以及每一个流体微元的动量守恒方程和质量守恒方程，以建立出内部电弧故障下的变电站温度场模型；

其中，流体微元的能量守恒方程表示为：

固体微元的能量守恒方程表示为：

其中，k_x，k_y，k_z分别表示微元在x，y，z三个方向的热传导系数，v_x、v_y、v_z分别表示流体微元在x，y，z三个方向的流速，T表示温度，ρ表示密度，c_p表示比热，Q表示热源功率密度。

优选的，所述变电站温度场模型中，变压器铁芯微元的热源功率密度为通过铁芯损耗功率P_c除以铁芯体积计算出的热源功率密度；

所述铁芯损耗功率P_c表示为：P_c＝P_h+P_e；

其中，P_h为磁滞损耗功率，η为磁滞损耗系数，f为频率，B_max为磁密幅值，V为铁芯体积，P_e为涡流损耗功率，d为硅钢片的厚度。

优选的，所述变电站温度场模型中，变压器绕组微元的热源功率密度为通过绕组铜耗功率P_w除以绕组体积计算出的热源功率密度；

所述绕组铜耗功率P_w为基于变压器的短路损耗功率P_s计算出的绕组铜耗功率，表示为：

其中，β为负载率，I_m为测量电流，I_r为额定电流。

优选的，所述变电站温度场模型中，开关设备微元的热源功率密度为通过开关设备的热源功率P_sg除以开关设备体积计算出的热源功率密度；

所述开关设备的热源功率P_sg表示为：

其中，P_r为额定电流下的损耗功率，I_m为测量电流，I_r为额定电流。

优选的，所述变电站温度场模型中，绝缘油微元的能量守恒方程表示为：

其中，k表示绝缘油微元在三个方向的热传导系数均相等，Q_arc表示电弧放电的功率密度。

优选的，所述通过固体与流体交界面的换热约束确定出的边界条件，确定出所述变电站温度场模型以得到所述室内变电站的温度场，包括：

通过固体与流体交界面的对流换热约束以及辐射换热约束确定出边界条件，确定出所述变电站温度场模型以得到所述室内变电站的温度场；

且所述对流换热约束表示为：q_co＝h_co(T_s-T_fluid)；

所述辐射换热约束表示为：

其中，q_co为对流换热单位面积功率，h_co为对流换热系数，T_s为固体表面温度，T_fluid为固体周围流体温度；q_ra为辐射换热单位面积功率，ε为表面发射系数，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常量。

优选的，建立的所述变压器热电等值电路具体为：

第一电流源的正极分别与第一电容的第一端，第一电阻的第一端以及第二电阻的第一端连接；第二电流源的正极分别与第二电容的第一端，第三电阻的第一端以及第四电阻的第一端连接；第三电流源的正极分别与第三电容的第一端，第五电阻的第一端以及第六电阻的第一端连接；

所述第一电阻的第二端，所述第二电阻的第二端，所述第三电阻的第二端，所述第四电阻的第二端，所述第五电阻的第二端以及所述第六电阻的第二端均与第七电阻的第一端连接；所述第七电阻的第二端与第八电阻的第一端连接；所述第八电阻的第二端分别与第九电阻的第一端，第十电阻的第一端以及第十一电阻的第一端连接；所述第九电阻的第二端，所述第十电阻的第二端以及所述第十一电阻的第二端连接均与第一电压源的正极连接，所述第一电压源的负极与所述第一电流源的负极连接；第四电容的第一端与所述第八电阻的第二端连接；

所述第一电容的第二端，所述第二电容的第二端，所述第三电容的第二端，所述第四电容的第二端，所述第一电流源的负极，所述第二电流源的负极以及所述第三电流源的负极均相互连接；

其中，所述第一电流源，所述第二电流源以及所述第三电流源依次表示变压器的电弧放电功率，铜耗功率以及铁耗功率；所述第一电容，所述第二电容，所述第三电容，以及所述第四电容依次表示变压器绝缘油的热容，绕组热容，铁芯热容以及箱体热容；所述第一电阻至所述第六电阻依次表示为，电弧放电点与绝缘油的强迫对流热阻，电弧放电点与绝缘油的自然对流热阻；绕组与绝缘油的强迫对流热阻，绕组与绝缘油的自然对流热阻，铁芯与绝缘油的强迫对流热阻，铁芯与绝缘油的自然对流热阻；所述第七电阻表示为强迫油循环方式下，不同温度的绝缘油相混合时对应的热阻；所述第八电阻表示为上层绝缘油与箱体的热阻；所述第九电阻，所述第十电阻以及所述第十一电阻依次表示为风冷散热中空气自然对流的热阻，风冷散热中空气强迫对流的热阻，散热器向周围空气传热的辐射热阻；所述第一电压源表示变电站外部的环境温度。

一种室内变电站的温度计算系统，包括：

变压器热电等值电路建立模块，用于建立变压器热电等值电路，且所述变压器热电等值电路中以电弧放电功率，铜耗功率以及铁耗功率作为热源功率；

变电站温度场模型建立模块，用于基于所述变压器热电等值电路，采用有限元法FEM以及计算流体力学法，建立内部电弧故障下的变电站温度场模型；

模型求解模块，用于通过固体与流体交界面的换热约束确定出的边界条件，确定出所述变电站温度场模型以得到所述室内变电站的温度场。

一种室内变电站的温度计算设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序以实现上述任一项所述的室内变电站的温度计算方法的步骤。

应用本发明实施例所提供的技术方案，包括：建立变压器热电等值电路，且变压器热电等值电路中以电弧放电功率，铜耗功率以及铁耗功率作为热源功率；基于变压器热电等值电路，采用有限元法FEM以及计算流体力学法，建立内部电弧故障下的变电站温度场模型；通过固体与流体交界面的换热约束确定出的边界条件，确定出变电站温度场模型以得到室内变电站的温度场。

本申请的方案中，由于考虑了变压器存在内部电弧故障的情况，内部电弧故障会产生热量，因此对室内变电站进行温度计算时，建立了内部电弧故障下的变电站温度场模型。进而通过边界条件确定出该变电站温度场模型后，便可以得到室内变电站的温度场，该温度场体现了内部电弧故障对变电站温度的影响，因此本申请的方案有利于提高室内变电站的温度计算的精度，进而便于更准确地进行室内变电站的温度监控以及风险评估。

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为本发明中一种室内变电站的温度计算方法的实施流程图；

图2为传统方案中的热电等值电路的示意图；

图3为本发明一种具体实施方式中的变压器热电等值电路的示意图；

图4为本发明一种具体实施方式中的变电站温度场模型的示意图；

图5为本发明中一种室内变电站的温度计算系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种室内变电站的温度计算方法，有利于提高室内变电站的温度计算的精度。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。

请参考图1，图1为本发明中一种室内变电站的温度计算方法的实施流程图，该方法可以包括以下步骤：

步骤S101：建立变压器热电等值电路，且变压器热电等值电路中以电弧放电功率，铜耗功率以及铁耗功率作为热源功率。

传统的变压器热电等值电路构成简单，可参阅图2，国标GBT1094.7-2008电力变压器第7部分的油浸式电力变压器负载导则规定了变压器热点温度、顶层油温、以及环境温度三者的一阶微分关系，对应的热电等值电路便如图2所示。图2中的电流源q_t代表热源功率，C_th为变压器绝缘油、绕组和油箱等部件组成的等值热容，物体的热容正比于其比热，电位代表温度，具体的，θ_a，θ_to，θ_w依次为环境温度，顶层油温以及绕组温度。电阻R_oth代表绕组铁芯与顶层绝缘油之间的热阻，电阻R_ath代表顶层绝缘油与空气的热阻。

而本申请建立的变压器热电等值电路中以电弧放电功率，铜耗功率以及铁耗功率作为热源功率，使得可以建立内部电弧故障下的变电站温度场模型，也就有利于提高室内变电站的温度计算的精度。

进一步地，申请人考虑到室内变电站会有人工降温措施，具体的，变压器的绝缘油处于循环状态，使得铁芯、绕组以及铁芯夹件与绝缘油之间的热量传递有自然对流和强迫对流两种方式。底层绝缘油与顶层绝缘油之间也存在着热量传递过程。此外，室内变电站中通常还装有通风设备来达到降温的目的，因此，顶层绝缘油与变压器周围环境空气存在辐射换热、自然对流、强迫对流这3种热量传递过程。

因此，在本发明的一种具体实施方式中，进一步地考虑了室内变电站的人工降温措施，可参阅图3，建立的变压器热电等值电路具体为：

第一电流源的正极分别与第一电容的第一端，第一电阻的第一端以及第二电阻的第一端连接；第二电流源的正极分别与第二电容的第一端，第三电阻的第一端以及第四电阻的第一端连接；第三电流源的正极分别与第三电容的第一端，第五电阻的第一端以及第六电阻的第一端连接；

第一电阻的第二端，第二电阻的第二端，第三电阻的第二端，第四电阻的第二端，第五电阻的第二端以及第六电阻的第二端均与第七电阻的第一端连接；第七电阻的第二端与第八电阻的第一端连接；第八电阻的第二端分别与第九电阻的第一端，第十电阻的第一端以及第十一电阻的第一端连接；第九电阻的第二端，第十电阻的第二端以及第十一电阻的第二端连接均与第一电压源的正极连接，第一电压源的负极与第一电流源的负极连接；第四电容的第一端与第八电阻的第二端连接；

第一电容的第二端，第二电容的第二端，第三电容的第二端，第四电容的第二端，第一电流源的负极，第二电流源的负极以及第三电流源的负极均相互连接；

其中，第一电流源，第二电流源以及第三电流源依次表示变压器的电弧放电功率，铜耗功率以及铁耗功率；第一电容，第二电容，第三电容，以及第四电容依次表示变压器绝缘油的热容，绕组热容，铁芯热容以及箱体热容；第一电阻至第六电阻依次表示为，电弧放电点与绝缘油的强迫对流热阻，电弧放电点与绝缘油的自然对流热阻；绕组与绝缘油的强迫对流热阻，绕组与绝缘油的自然对流热阻，铁芯与绝缘油的强迫对流热阻，铁芯与绝缘油的自然对流热阻；第七电阻表示为强迫油循环方式下，不同温度的绝缘油相混合时对应的热阻；第八电阻表示为上层绝缘油与箱体的热阻；第九电阻，第十电阻以及第十一电阻依次表示为风冷散热中空气自然对流的热阻，风冷散热中空气强迫对流的热阻，散热器向周围空气传热的辐射热阻；第一电压源表示变电站外部的环境温度。

图3中，第一电流源标示为q_arc，第二电流源标示为q_Cu，第三电流源标示为q_Fe，由于变压器热电等值电路中设置了表示变压器的电弧放电功率的第一电流源，即本申请考虑到了电弧放电的情况，因此有利于提高室内变电站的温度计算的精度。相应的，图3中的第一电容至第四电容依次标示为：C_o，C_wnd，C_Fe以及C_tank。需要说明的是，该实施例中，将变压器内部热源分为内部电弧放热、铜耗和铁耗，并且将杂散损耗包括在铜耗、铁耗之中。

第一电阻，第三电阻以及第五电阻依次标示为：R_f0，R_f1以及R_f2，依次表示电弧放电点，绕组以及铁芯与绝缘油之间的强迫对流热阻，相应的，第二电阻，第四电阻以及第六电阻依次标示为：R_n0，R_n1以及R_n2，依次表示电弧放电点，绕组以及铁芯与绝缘油之间的自然对流热阻，图3中的θ_bo便表示底层绝缘油中的热点温度，θ_arc，θ_wnd，θ_Fe依次表示电弧放电点，绕组，铁芯的温度。可以看出，由于考虑到了油循环这一降温措施，在变压器热电等值电路中设置了铁芯、绕组以及铁芯夹件与绝缘油之间的两种热量传递方式，有利于进一步地提高室内变电站的温度计算的精度。

图3中的第七电阻标示为R_bt，即本申请考虑到了底层绝缘油与顶层绝缘油之间也存在着热量传递过程，当然，通常情况下，油温分布均匀，当油温分布均匀时，可以近似认为R_bt＝0。第八电阻标示为R_th-tank。图3中的θ_to便表示顶层绝缘油的热点温度，θ_tank表示箱体温度。

图3中的第九电阻，第十电阻以及第十一电阻依次标示为R_an，R_af，R_dr，依次表示为风冷散热中空气自然对流的热阻，风冷散热中空气强迫对流的热阻，散热器向周围空气传热的辐射热阻。可以看出，由于考虑到了室内变电站中装有通风设备这一降温措施，在变压器热电等值电路中设置了第九电阻，第十电阻以及第十一电阻，有利于进一步地提高室内变电站的温度计算的精度。第一电压源标示为θ_a。

步骤S102：基于变压器热电等值电路，采用有限元法FEM以及计算流体力学法，建立内部电弧故障下的变电站温度场模型。

建立了变压器热电等值电路之后，便可以采用有限元法FEM以及计算流体力学法，建立内部电弧故障下的变电站温度场模型。

可参阅图4，为基于前述考虑了室内变电站的人工降温措施以及变压器内部电弧故障的实施方式中建立的变压器热电等值电路，采用有限元法FEM以及计算流体力学法，建立内部电弧故障下的且计及室内变电站的人工降温措施的影响的变电站温度场模型。

有限元建模的基本思想是将室内变电站空间及变压器内部空间分割成许多微元，再根据能量守恒，并结合计算流体力学建立变电站温度场模型，最后再运用边界条件确定出每个微元点的温度。

在本发明的一种具体实施方式中，步骤S102可以具体包括：

基于变压器热电等值电路，采用有限元法FEM将室内变电站空间以及变压器的内部空间分割为多个微元；

建立每一个微元的能量守恒方程，以及每一个流体微元的动量守恒方程和质量守恒方程，以建立出内部电弧故障下的变电站温度场模型；

其中，流体微元的能量守恒方程表示为：

固体微元的能量守恒方程表示为：

其中，k_x，k_y，k_z分别表示微元在x，y，z三个方向的热传导系数，量纲为Wm^-1·K^-1；v_x、v_y、v_z分别表示流体微元在x，y，z三个方向的流速，T表示温度，ρ表示密度，c_p表示比热，Q表示热源功率密度，量纲为W·m^-3。

能量守恒方程的物理意义为：将变压器内部划分为若干个微元体，对于单个微元体，其热量来源一方面是内部的热源，另一方面的来源是与外部的热量交换。其中热源功率密度Q便表示内部的热源。例如当微元体为绕组时，热源功率密度Q便由铜耗提供。便代表微元体与外部的热量交换，内部和外部的热量共同导致该微元体温度变化。

在本发明的一种具体实施方式中，变电站温度场模型中，变压器铁芯微元的热源功率密度为通过铁芯损耗功率P_c除以铁芯体积计算出的热源功率密度；

铁芯损耗功率P_c表示为：P_c＝P_h+P_e；

其中，P_h为磁滞损耗功率，η为磁滞损耗系数，f为频率，B_max为磁密幅值，V为铁芯体积，P_e为涡流损耗功率，d为硅钢片的厚度。

该种实施方式中，考虑到变压器的铁耗可以分为杂散损耗与基本铁耗，杂散损耗包括铁芯夹件和螺栓等部件的损耗，并且由于数值较小，该种实施方式中可以将其忽略，即铁芯损耗主要为基本铁耗。基本铁耗又包括磁滞损耗以及涡流损耗，其中，磁滞损耗功率涡流损耗功率可以看出，该种实施方式中忽略了铁耗中的杂散损耗，不会对计算精度有较大影响，又有利于提高计算的便捷性。

在本发明的一种具体实施方式中，变电站温度场模型中，变压器绕组微元的热源功率密度为通过绕组铜耗功率P_w除以绕组体积计算出的热源功率密度；

绕组铜耗功率P_w为基于变压器的短路损耗功率P_s计算出的绕组铜耗功率，表示为：

其中，β为负载率，I_m为测量电流，I_r为额定电流。

考虑到变压器的铜耗可以分为基本铜耗、杂散损耗和涡流损耗。其中杂散损耗和涡流损耗大约占总铜耗的10％，如果忽略可能会降低计算精度，因此该种实施方式中不将其忽略。而考虑到杂散损耗和涡流损耗都包含在变压器的短路损耗中，因此，该种实施方式中，基于变压器的短路损耗功率P_s计算出绕组铜耗功率P_w。通常，生产厂家会提供变压器的短路损耗数据。

变压器是室内变电站的主要热源，但申请人考虑到，除了变压器，变电站中的开关设备也会产生热量，虽然该热量低于变压器，但如果未考虑，不利于提高计算精度，因此，在一种具体实施方式中，在构建变电站温度场模型时也考虑进了开关设备产生的热量。

具体的，变电站温度场模型中，开关设备微元的热源功率密度为通过开关设备的热源功率P_sg除以开关设备体积计算出的热源功率密度；

开关设备的热源功率P_sg可以表示为：即开关设备热源主要来源于接触电阻的焦耳热。

其中，P_r为额定电流下的损耗功率，I_m为测量电流，I_r为额定电流。

在建立开关设备微元的能量守恒方程时，可以基于热源功率P_sg的计算方程以及前述的固体微元的能量守恒方程来完成建立。

在本发明的一种具体实施方式中，变电站温度场模型中，绝缘油微元的能量守恒方程表示为：

其中，k表示绝缘油微元在三个方向的热传导系数均相等，有利于提高计算的便捷性同时又不会影响计算精度，Q_arc表示电弧放电的功率密度。

固体微元以及流体微元均遵循能量守恒方程，根据CFD(Computational FluidDynamics，计算流体力学)，流体微元还需要遵循动量守恒方程和质量守恒方程，因此还需要建立每一个流体微元的动量守恒方程和质量守恒方程。

动量守恒方程可以表示为：

质量守恒方程可以表示为：

其中，p为压强，为速度矢量，μ为流体黏性系数，ρ为密度。

并且需要说明的是，考虑室内变电站的通风设备作用，变压器外部空间的空气视为流体，即空气的温度场的遵循能量守恒、动量守恒、质量守恒。

步骤S103：通过固体与流体交界面的换热约束确定出的边界条件，确定出变电站温度场模型以得到室内变电站的温度场。

在建立变电站温度场模型之后，便可以通过固体与流体交界面的换热约束确定出边界条件，进而运用边界条件求出每个微元点的温度，也即得到了变电站内部的温度场T(x,y,z)。在求解时，可以利用Ansys等软件进行数值求解。

在本发明的一种具体实施方式中，步骤S103可以具体为：

通过固体与流体交界面的对流换热约束以及辐射换热约束确定出边界条件，确定出变电站温度场模型以得到室内变电站的温度场；

且对流换热约束表示为：q_co＝h_co(T_s-T_fluid)；

辐射换热约束表示为：

其中，q_co为对流换热单位面积功率，量纲为W·m²，h_co为对流换热系数，可以取10W/K·m²，T的量纲为K，T_s为固体表面温度，T_fluid为固体周围流体温度；q_ra为辐射换热单位面积功率，ε为表面发射系数，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常量，为5.78×10^-8W/m²·K⁴。

在实际应用中，可以将室内变电站通风设备的进气口空气的温度、速度设置为定值，油循环速度也可以设为定值，室内压强可以视为一个标准大气压。求解出变电站温度场模型的具体数值之后，便可以进行变电站的热分析以及风险评估等操作，保障变电站的可靠运行，提高使用寿命。

应用本发明实施例所提供的技术方案，包括：建立变压器热电等值电路，且变压器热电等值电路中以电弧放电功率，铜耗功率以及铁耗功率作为热源功率；基于变压器热电等值电路，采用有限元法FEM以及计算流体力学法，建立内部电弧故障下的变电站温度场模型；通过固体与流体交界面的换热约束确定出的边界条件，确定出变电站温度场模型以得到室内变电站的温度场。

本申请的方案中，由于考虑了变压器存在内部电弧故障的情况，内部电弧故障会产生热量，因此对室内变电站进行温度计算时，建立了内部电弧故障下的变电站温度场模型。进而通过边界条件确定出该变电站温度场模型后，便可以得到室内变电站的温度场，该温度场体现了内部电弧故障对变电站温度的影响，因此本申请的方案有利于提高室内变电站的温度计算的精度，进而便于更准确地进行室内变电站的温度监控以及风险评估。

相应于上面的方法实施例，本发明实施例还提供了一种室内变电站的温度计算系统，可与上文相互对应参照。

参见图5所示，为本发明中一种室内变电站的温度计算系统的结构示意图，包括：

变压器热电等值电路建立模块501，用于建立变压器热电等值电路，且变压器热电等值电路中以电弧放电功率，铜耗功率以及铁耗功率作为热源功率；

变电站温度场模型建立模块502，用于基于变压器热电等值电路，采用有限元法FEM以及计算流体力学法，建立内部电弧故障下的变电站温度场模型；

模型求解模块503，用于通过固体与流体交界面的换热约束确定出的边界条件，确定出变电站温度场模型以得到室内变电站的温度场。

在本发明的一种具体实施方式中，变电站温度场模型建立模块502，具体用于：

基于变压器热电等值电路，采用有限元法FEM将室内变电站空间以及变压器的内部空间分割为多个微元；

建立每一个微元的能量守恒方程，以及每一个流体微元的动量守恒方程和质量守恒方程，以建立出内部电弧故障下的变电站温度场模型；

其中，流体微元的能量守恒方程表示为：

固体微元的能量守恒方程表示为：

其中，k_x，k_y，k_z分别表示微元在x，y，z三个方向的热传导系数，v_x、v_y、v_z分别表示流体微元在x，y，z三个方向的流速，T表示温度，ρ表示密度，c_p表示比热，Q表示热源功率密度。

在本发明的一种具体实施方式中，变电站温度场模型建立模块502建立的变电站温度场模型中，变压器铁芯微元的热源功率密度为通过铁芯损耗功率P_c除以铁芯体积计算出的热源功率密度；

铁芯损耗功率P_c表示为：P_c＝P_h+P_e；

其中，P_h为磁滞损耗功率，η为磁滞损耗系数，f为频率，B_max为磁密幅值，V为铁芯体积，P_e为涡流损耗功率，d为硅钢片的厚度。

在本发明的一种具体实施方式中，变电站温度场模型建立模块502建立的变电站温度场模型中，变压器绕组微元的热源功率密度为通过绕组铜耗功率P_w除以绕组体积计算出的热源功率密度；

绕组铜耗功率P_w为基于变压器的短路损耗功率P_s计算出的绕组铜耗功率，表示为：

其中，β为负载率，I_m为测量电流，I_r为额定电流。

在本发明的一种具体实施方式中，变电站温度场模型建立模块502建立的变电站温度场模型中，开关设备微元的热源功率密度为通过开关设备的热源功率P_sg除以开关设备体积计算出的热源功率密度；

开关设备的热源功率P_sg表示为：

其中，P_r为额定电流下的损耗功率，I_m为测量电流，I_r为额定电流。

在本发明的一种具体实施方式中，变电站温度场模型建立模块502建立的变电站温度场模型中，绝缘油微元的能量守恒方程表示为：

其中，k表示绝缘油微元在三个方向的热传导系数均相等，Q_arc表示电弧放电的功率密度。

在本发明的一种具体实施方式中，模型求解模块503具体用于，通过固体与流体交界面的换热约束确定出边界条件以求解出变电站温度场模型，包括：

通过固体与流体交界面的对流换热约束以及辐射换热约束确定出边界条件，确定出变电站温度场模型以得到室内变电站的温度场；

且对流换热约束表示为：q_co＝h_co(T_s-T_fluid)；

辐射换热约束表示为：

其中，q_co为对流换热单位面积功率，h_co为对流换热系数，T_s为固体表面温度，T_fluid为固体周围流体温度；q_ra为辐射换热单位面积功率，ε为表面发射系数，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常量。

相应于上面的方法和系统实施例，本发明实施例还提供了一种室内变电站的温度计算设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行计算机程序以实现上述任一实施例中的室内变电站的温度计算方法的步骤，此处不重复说明。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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。

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技术方案及其核心思想。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 (10)

1.一种室内变电站的温度计算方法，其特征在于，包括：

建立变压器热电等值电路，且所述变压器热电等值电路中以电弧放电功率，铜耗功率以及铁耗功率作为热源功率；

基于所述变压器热电等值电路，采用有限元法FEM以及计算流体力学法，建立内部电弧故障下的变电站温度场模型；

通过固体与流体交界面的换热约束确定出的边界条件，确定出所述变电站温度场模型以得到所述室内变电站的温度场。

2.根据权利要求1所述的室内变电站的温度计算方法，其特征在于，所述基于所述变压器热电等值电路，采用有限元法FEM以及计算流体力学法，建立内部电弧故障下的变电站温度场模型，包括：

基于所述变压器热电等值电路，采用有限元法FEM将室内变电站空间以及变压器的内部空间分割为多个微元；

建立每一个所述微元的能量守恒方程，以及每一个流体微元的动量守恒方程和质量守恒方程，以建立出内部电弧故障下的变电站温度场模型；

其中，流体微元的能量守恒方程表示为：

固体微元的能量守恒方程表示为：

其中，k_x，k_y，k_z分别表示微元在x，y，z三个方向的热传导系数，v_x、v_y、v_z分别表示流体微元在x，y，z三个方向的流速，T表示温度，ρ表示密度，c_p表示比热，Q表示热源功率密度。

3.根据权利要求2所述的室内变电站的温度计算方法，其特征在于，所述变电站温度场模型中，变压器铁芯微元的热源功率密度为通过铁芯损耗功率P_c除以铁芯体积计算出的热源功率密度；

所述铁芯损耗功率P_c表示为：P_c＝P_h+P_e；

其中，P_h为磁滞损耗功率，η为磁滞损耗系数，f为频率，B_max为磁密幅值，V为铁芯体积，P_e为涡流损耗功率，d为硅钢片的厚度。

4.根据权利要求2所述的室内变电站的温度计算方法，其特征在于，所述变电站温度场模型中，变压器绕组微元的热源功率密度为通过绕组铜耗功率P_w除以绕组体积计算出的热源功率密度；

所述绕组铜耗功率P_w为基于变压器的短路损耗功率P_s计算出的绕组铜耗功率，表示为：

其中，β为负载率，I_m为测量电流，I_r为额定电流。

5.根据权利要求2所述的室内变电站的温度计算方法，其特征在于，所述变电站温度场模型中，开关设备微元的热源功率密度为通过开关设备的热源功率P_sg除以开关设备体积计算出的热源功率密度；

所述开关设备的热源功率P_sg表示为：

其中，P_r为额定电流下的损耗功率，I_m为测量电流，I_r为额定电流。

6.根据权利要求2至5任一项所述的室内变电站的温度计算方法，其特征在于，所述变电站温度场模型中，绝缘油微元的能量守恒方程表示为：

其中，k表示绝缘油微元在三个方向的热传导系数均相等，Q_arc表示电弧放电的功率密度。

7.根据权利要求1所述的室内变电站的温度计算方法，其特征在于，所述通过固体与流体交界面的换热约束确定出的边界条件，确定出所述变电站温度场模型以得到所述室内变电站的温度场，包括：

通过固体与流体交界面的对流换热约束以及辐射换热约束确定出边界条件，确定出所述变电站温度场模型以得到所述室内变电站的温度场；

且所述对流换热约束表示为：q_co＝h_co(T_s-T_fluid)；

所述辐射换热约束表示为：

其中，q_co为对流换热单位面积功率，h_co为对流换热系数，T_s为固体表面温度，T_fluid为固体周围流体温度；q_ra为辐射换热单位面积功率，ε为表面发射系数，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常量。

8.根据权利要求1所述的室内变电站的温度计算方法，其特征在于，建立的所述变压器热电等值电路具体为：

第一电流源的正极分别与第一电容的第一端，第一电阻的第一端以及第二电阻的第一端连接；第二电流源的正极分别与第二电容的第一端，第三电阻的第一端以及第四电阻的第一端连接；第三电流源的正极分别与第三电容的第一端，第五电阻的第一端以及第六电阻的第一端连接；

所述第一电阻的第二端，所述第二电阻的第二端，所述第三电阻的第二端，所述第四电阻的第二端，所述第五电阻的第二端以及所述第六电阻的第二端均与第七电阻的第一端连接；所述第七电阻的第二端与第八电阻的第一端连接；所述第八电阻的第二端分别与第九电阻的第一端，第十电阻的第一端以及第十一电阻的第一端连接；所述第九电阻的第二端，所述第十电阻的第二端以及所述第十一电阻的第二端连接均与第一电压源的正极连接，所述第一电压源的负极与所述第一电流源的负极连接；第四电容的第一端与所述第八电阻的第二端连接；

所述第一电容的第二端，所述第二电容的第二端，所述第三电容的第二端，所述第四电容的第二端，所述第一电流源的负极，所述第二电流源的负极以及所述第三电流源的负极均相互连接；

其中，所述第一电流源，所述第二电流源以及所述第三电流源依次表示变压器的电弧放电功率，铜耗功率以及铁耗功率；所述第一电容，所述第二电容，所述第三电容，以及所述第四电容依次表示变压器绝缘油的热容，绕组热容，铁芯热容以及箱体热容；所述第一电阻至所述第六电阻依次表示为，电弧放电点与绝缘油的强迫对流热阻，电弧放电点与绝缘油的自然对流热阻；绕组与绝缘油的强迫对流热阻，绕组与绝缘油的自然对流热阻，铁芯与绝缘油的强迫对流热阻，铁芯与绝缘油的自然对流热阻；所述第七电阻表示为强迫油循环方式下，不同温度的绝缘油相混合时对应的热阻；所述第八电阻表示为上层绝缘油与箱体的热阻；所述第九电阻，所述第十电阻以及所述第十一电阻依次表示为风冷散热中空气自然对流的热阻，风冷散热中空气强迫对流的热阻，散热器向周围空气传热的辐射热阻；所述第一电压源表示变电站外部的环境温度。

9.一种室内变电站的温度计算系统，其特征在于，包括：

变压器热电等值电路建立模块，用于建立变压器热电等值电路，且所述变压器热电等值电路中以电弧放电功率，铜耗功率以及铁耗功率作为热源功率；

变电站温度场模型建立模块，用于基于所述变压器热电等值电路，采用有限元法FEM以及计算流体力学法，建立内部电弧故障下的变电站温度场模型；

模型求解模块，用于通过固体与流体交界面的换热约束确定出的边界条件，确定出所述变电站温度场模型以得到所述室内变电站的温度场。

10.一种室内变电站的温度计算设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序以实现如权利要求1至8任一项所述的室内变电站的温度计算方法的步骤。