CN110414080A - 一种提高电抗器各包封线圈生热散热能力的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种提高电抗器各包封线圈生热散热能力的设计方法，获得电抗器的初始设计参数，计算电抗器的互感矩阵，结合流过电抗器的总电流获得各包封线圈的电流。采用解析法获得包封中每匝线圈的损耗，计算电抗器各包封线圈的总损耗。搭建电抗器的模型，将计算得到的各包封线圈的总损耗，作为电抗器的模型中的热源条件，通过流场‑温度场耦合，获得电抗器的温度场仿真结果。根据温度场仿真结果，提取不同路径下的温度、流场及包封壁面热流密度，结合温升计算方法，形成最内、最外包封与内部包封间的热负荷分配系数；获得电抗器的优化设计结果。本发明设计方法借助于电抗器的流场‑温度场耦合仿真技术，实现电抗器各包封温升分布基本相同，提高金属导体利用率。

Description

一种提高电抗器各包封线圈生热散热能力的设计方法

技术领域

本发明属于电抗器技术领域，具体涉及一种提高电抗器各包封线圈生热散热能力的设计方法，通过优化分配包封热负荷来提高电抗器线圈的散热能力，提高金属导体利用率。

背景技术

随着电力系统的迅猛发展，电抗器在系统中的应用越来越广泛。其中，干式空心电抗器因结构简单、线性度好、重量轻等优点，成为大型电力电抗器的首选类型。目前常用的电抗器设计方法包括等电流法、等电密法及阻性压降模相等法，然而上述的方法存在内部各包封温升分布不均的问题；同时电抗器最内最外包封一侧与内部包封相邻，另一侧与大空间相邻，相比于内部包封具有更好的散热条件，温升较低，导致电抗器的金属导体利用率未能充分利用。目前工程设计中，常根据电抗器的包封壁面的有效散热面积来指导电抗器热负荷的优化分配，虽然在一定程度上能够提高金属导体利用率，但其准确性有待进一步的验证，限制了其实际应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种提高电抗器各包封线圈生热散热能力的设计方法，该方法适用于在自然风冷工况下，根据电抗器的生热散热特点，借助多物理场耦合的仿真技术，通过电抗器包封热负荷优化分配，实现电抗器各包封温升基本相等，提高金属导体利用率。

本发明采取的技术方案为：

一种提高电抗器各包封线圈生热散热能力的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：获得电抗器的初始设计参数，根据电抗器的初始设计参数，计算电抗器的互感矩阵，结合流过电抗器的总电流，从而获得各包封线圈的电流。

步骤2：根据电抗器各包封线圈的电流，采用解析法计算包封线圈周围的磁场分布，进而获得包封中每匝线圈的损耗；在此基础上，通过叠加原理，计算电抗器各包封线圈的总损耗。

步骤3：基于电抗器的初始设计参数，通过仿真软件搭建电抗器的模型，将计算得到的各包封线圈的总损耗，作为电抗器的模型中的热源条件，通过流场-温度场耦合，获得电抗器的温度场仿真结果。

步骤4：根据电抗器的温度场仿真结果，提取不同路径下的温度、流场及包封壁面热流密度，结合等效为竖直管道的温升计算方法，形成最内、最外包封与内部包封间的热负荷分配系数；结合编程软件形成等高、不等热流的设计方法，获得电抗器的优化设计结果。

本发明一种提高电抗器各包封线圈生热散热能力的设计方法，技术效果如下：

1：借助MATLAB等编程软件获得电抗器的初始设计参数，其中，电抗器初始参数需保证内部各包封具有相同的生热、散热能力，实现电抗器内部包封具有相同的温升分布，提高内部包封的导体利用率。

2：通过MATLAB等软件编程形成电抗器的初始参数，其中，设计程序中需满足的等式约束条件包括电抗器各包封高度、气道宽度及包封壁面热流密度等参数基本相等；按照上述设计方法，可以实现电抗器内部各包封具有基本相同的生热散热能力。

3：本发明设计方法，借助于电抗器的流场-温度场耦合仿真技术，优化最内最外包封与内部包封的热负荷分配，实现电抗器各包封温升分布基本相同，提高金属导体利用率。

附图说明

图1为本发明的计算流程图。

图2为本发明的电抗器整体结构示意图；

其中，1-气道、2-撑条、3-星型架、4-最内包封、5-最外包封。

图3为本发明的电抗器温度场仿真结果选取的路径示意图；

其中，6-电抗器内部包封、7-最内包封内侧、8-最内包封外侧、9-最外包封内侧、10-最外包封外侧、11-包封最高位置。

图4为本发明由十个包封构成的电抗器温度场仿真结果图。

图5为本发明电抗器包封-气道单元散热过程等效为竖直管道散热示意图。

图6为本发明的实施例中最内最外包封热负荷优化分配示意图。

图7为本发明优化后的仿真结果图。

具体实施方式

一种提高电抗器各包封线圈生热散热能力的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：获得电抗器的初始设计参数，其中，电抗器初始参数需保证内部各包封具有相同的生热、散热能力，实现电抗器内部包封具有相同的温升分布，提高内部包封的导体利用率。在此基础上，根据电抗器的初始设计参数，计算电抗器的互感矩阵，结合流过电抗器的总电流，从而获得各包封线圈的电流。

步骤2：根据电抗器各包封线圈的电流，采用解析法计算包封线圈周围的磁场分布，进而获得包封中每匝线圈的损耗；在此基础上，通过叠加原理，计算电抗器各包封线圈的总损耗。

步骤3：基于电抗器的初始设计参数，通过ANSYS等仿真软件搭建电抗器的模型，将计算得到的各包封线圈的总损耗，作为电抗器的模型中的热源条件，通过流场-温度场耦合，获得电抗器的温度场仿真结果。

步骤4：根据电抗器的温度场仿真结果，提取不同路径下的温度、流场及包封壁面热流密度，结合实验关联式的温升计算方法，形成最内、最外包封与内部包封间的热负荷分配系数；结合编程软件形成等高、不等热流的设计方法，获得电抗器的优化设计结果。

所述步骤1中，通过MATLAB软件编程，形成电抗器的初始参数，其中设计程序中需满足的等式约束条件包括电抗器各包封高度、气道宽度及包封壁面热流密度参数基本相等，通过该方法实现电抗器内部各包封具有基本相同的生热散热能力；

等式约束条件如式(1)所示：

其中,W_i,I_i,S_i H_i，d_i分别为：包封i的匝数、包封电流、导体截面积、高度及气道宽度；W_j、I_j、S_j、H_j、d_j分别为：包封j的匝数、包封电流、导体截面积、高度及气道宽度；H为设计的电抗器高度，d为设计的电抗器气道宽度。在上述约束条件下，电抗器仍需满足包封电压方程，以满足电感值要求。

各包封的电流计算方法为：

首先根据电抗器的初始设计参数，通过Matlab等编程软件计算电抗器的互感矩阵，如式(2)所示：

式中，M为电抗器的互感矩阵，M_i,j为包封i和j的互感；m为电抗器包封个数。根据上式中的互感矩阵，结合流过电抗器的总电流I，可以计算得到各包封电流，如下式所示。

所述步骤2中，电抗器包封线圈的总损耗主要包括两部分，即：电阻损耗、涡流损耗。电阻损耗计算的关键是计算电阻，根据焦耳定律，可以计算得到电抗器的电阻损耗P_0,i，如下式所示。

式中，κ为金属导体电导率，l_i，S_i为包封i的长度和单匝导体截面积。

涡流损耗计算的前提是已知包封线圈周围磁场，根据导线线径及频率等参数，计算得到电抗器包封内单匝线圈的涡流损耗；通过叠加原理，即在实际过程中电抗器包封线圈是由多匝导线绕制而成，包封涡流损耗为每匝导线的涡流损耗之和，因此可以获得整个包封线圈的涡流损耗。其中，涡流损耗的计算涉及到线圈周围的磁场、线径及频率等参数，以扁导线为例，线圈涡流损耗P_c,i，如下式(5)所示：

其中，a_i、b_i、W_i、D_i分布为第i包封扁导线截面长度、宽度、匝数及直径；分别为第i号包封轴向和径向磁通密度，ω为角频率。

根据电抗器的电阻损耗和涡流损耗，则可以得到电抗器包封i的总损耗P_i。

P_i＝P_o,i+P_c,i (6)

所述步骤3中，通过ANSYS仿真软件搭建电抗器的模型，将计算得到的各包封总损耗作为热源，施加到电抗器的模型中；考虑到实际的空心电抗器由多个同轴包封构成，为轴对称模型，因此建模中可以等效为二维模型；结合实际的电抗器金属导体及绝缘材料特性，在模型中设置相应的材料属性；在网格剖分方面，在距离包封线圈较近的位置划分的网格较密，在远离线圈的位置网格相对稀疏；边界条件结合实际的环境参数进行设置。按照上述的步骤，以十个包封线圈组成的空心电抗器为例，通过流场-温度场耦合，获得电抗器的温度场仿真结果如图4所示。

根据图4电抗器的温度场仿真结果，提取不同路径下的温度、包封壁面热流密度等参数，主要包括:最内最外包封两侧壁面热流密度分布，最高位置包封温升分布，气道内流体流速分布；选取的主要依据是根据电抗器的生热散热特点，包封线圈内金属导体产生的热量通过绝缘材料向气道散热，气道内的流体受热后流体向上浮动，包封最高温升接近于最高位置处，因此选取最高位置作为路径；同时最内、最外包封两侧壁面散热条件差异显著，两侧壁面热流密度分布不同；而内部包封具有基本相同的生热、散热能力，两侧壁面热流密度基本相同，选择最内最外包封两侧壁面作为路径；另外需要分析气道内流体的流速，因此提取的电抗器各位置的路径如示意图3所示。

所述步骤4中，根据温度场仿真结果得到的包封壁面热流密度及温升分布特点，将电抗器包封-气道单元散热过程等效为竖直管道散热，如图5所示。

以最外包封热负荷分配为例，若最外包封内侧与内部包封壁面热流密度基本相等，即q’_w＝q_w，则最外包封内侧的生热散热环境与内部包封基本相同；当忽略电抗器包封内部金属导体和绝缘材料通过热传导引起的温度差异，在此等式约束条件下，可以认为电抗器最外包封温升与内部包封温升分布基本相同。

根据传热学的知识，当竖直管道两侧等热流密度，包封的最高温升可以近似等于气道内流体的温升与气道与包封壁面的流固温差之和，如下式(7)所示。

式中，△T_m为电抗器包封最高温升，为包封间气道内流体平均流速，ρ为流体密度，C_p为流体比热容，λ为导热系数，Nu为努赛尔数。

设内部包封壁面热流密度为q_w，最外包封外侧通过对流换热和热辐射的热流密度分别为q’_w、q’_ww，如图6所示，根据传热学知识中最外包封外侧可以等效为竖直平板的大空间散热，因此最外包封平均热流密度如式(8)所示。

假定最外包封的平均热流密度与内部包封热流密度的比值定义为热负荷分配系数k_c10，即同理，可以获得最内包封的热负荷分配系数k_c1。

根据上述的热负荷系数分配系数，结合电抗器的等高、不等热流密度的设计方法，即电抗器在满足包封电压方程的前提下，且满足各包封高度基本相同，包封热流密度不相等。

其中各包封热负荷满足的等式约束条件如式(9)所示。

结合电抗器的初始设计参数，通过MATLAB编程软件，在上述的等式约束条件下可以获得电抗器的优化设计结果。根据优化设计结果建立了温度场仿真模型，优化后的仿真结果如图7所示。优化后最内最外包封与内部包封温升基本相等，电抗器各包封温升基本相同，包封线圈载流能力能够充分利用，提高了金属导体利用率。

Claims (9)

1.一种提高电抗器各包封线圈生热散热能力的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：获得电抗器的初始设计参数，根据电抗器的初始设计参数，计算电抗器的互感矩阵，结合流过电抗器的总电流，从而获得各包封线圈的电流；

步骤2：根据电抗器各包封线圈的电流，采用解析法计算包封线圈周围的磁场分布，进而获得包封中每匝线圈的损耗；在此基础上，通过叠加原理，计算电抗器各包封线圈的总损耗；

步骤3：基于电抗器的初始设计参数，通过仿真软件搭建电抗器的模型，将计算得到的各包封线圈的总损耗，作为电抗器模型中的热源条件，通过流场-温度场耦合，获得电抗器的温度场仿真结果；

步骤4：根据电抗器的温度场仿真结果，提取不同路径下的温度、流场及包封壁面热流密度，结合电抗器的温升计算方法，形成最内、最外包封与内部包封间的热负荷分配系数；结合编程软件形成等高、不等热流的设计方法，获得电抗器的优化设计结果。

2.根据权利要求1所述一种提高电抗器各包封线圈生热散热能力的设计方法，其特征在于：所述步骤1中，通过MATLAB软件编程，形成电抗器的初始参数，其中设计程序中需满足的等式约束条件包括电抗器各包封高度、气道宽度及包封壁面热流密度参数基本相等，实现电抗器内部各包封具有基本相同的生热散热能力；

等式约束条件如式(1)所示：

其中,W_i,I_i,S_i H_i，d_i分别为：包封i的匝数、包封电流、导体截面积、高度及气道宽度；W_j、I_j、S_j、H_j、d_j分别为：包封j的匝数、包封电流、导体截面积、高度及气道宽度；H为设计的电抗器高度，d为设计的电抗器气道宽度；在上述约束条件下，电抗器仍需满足包封电压方程，以满足电感值要求。

3.根据权利要求1所述一种提高电抗器各包封线圈生热散热能力的设计方法，其特征在于：所述步骤1中，各包封的电流计算方法为：

首先根据电抗器的初始设计参数，通过Matlab等编程软件计算电抗器的互感矩阵，如式(2)所示：

式中，M为电抗器的互感矩阵，M_i,j为包封i和j的互感；m为电抗器包封个数；根据上式中的互感矩阵，结合流过电抗器的总电流I，可以计算得到各包封电流，如下式(3)所示；

4.根据权利要求1所述一种提高电抗器各包封线圈生热散热能力的设计方法，其特征在于：所述步骤2中，电抗器包封线圈的总损耗主要包括两部分，即：电阻损耗、涡流损耗；电阻损耗计算的关键是计算电阻，根据焦耳定律，能够计算得到电抗器的电阻损耗P_0,i，如下式所示；

式中，κ为金属导体电导率，l_i，S_i为包封i的长度和截面积；

其中，涡流损耗的计算是根据线圈周围的磁场、线径及频率等参数获得，以扁导线为例，线圈涡流损耗P_c,i，如下式(5)所示：

其中，a_i、b_i、W_i、D_i分布为第i包封扁导线截面长度、宽度、匝数及直径；分别为第i号包封轴向和径向磁通密度，ω为角频率；

根据电抗器的电阻损耗和涡流损耗，则可以得到电抗器第i包封的总损耗P_i；

P_i＝P_o,i+P_c,i (6)。

5.根据权利要求1所述一种提高电抗器各包封线圈生热散热能力的设计方法，其特征在于：所述步骤3中，通过ANSYS仿真软件搭建电抗器的模型，将计算得到的各包封总损耗作为热源，施加到电抗器的模型中；考虑到实际的空心电抗器由多个同轴包封构成，为轴对称模型，因此建模中可以等效为二维模型；结合实际的电抗器金属导体及绝缘材料特性，在模型中设置相应的材料属性；在网格剖分方面，在距离包封线圈较近的位置划分的网格较密，在远离线圈的位置网格相对稀疏；边界条件结合实际的环境参数进行设置。

6.根据权利要求1所述一种提高电抗器各包封线圈生热散热能力的设计方法，其特征在于：所述步骤4中，将电抗器包封-气道单元散热过程，等效为竖直管道散热，借助竖直管道内的温升计算方法，形成最内最外包封与内部包封温升相等的等式约束条件。

7.根据权利要求6所述一种提高电抗器各包封线圈生热散热能力的设计方法，其特征在于：所述步骤4中，根据温度场仿真结果得到的包封壁面热流密度及温升分布特点，将电抗器包封-气道单元散热过程等效为竖直管道散热；

以最外包封热负荷分配为例，若最外包封内侧与内部包封壁面热流密度基本相等，即q’_w＝q_w，则最外包封内侧的生热散热环境与内部包封基本相同；当忽略电抗器包封内部金属导体和绝缘材料通过热传导引起的温度差异，在此等式约束条件下,可以认为电抗器最外包封温升与内部包封温升分布基本相同。

8.根据权利要求7所述一种提高电抗器各包封线圈生热散热能力的设计方法，其特征在于：当竖直管道两侧等热流密度，包封的最高温升可以近似等于气道内流体的温升与气道与包封壁面的流固温差之和，如下式(7)所示：

式中，△T_m为电抗器包封最高温升，为包封间气道内流体平均流速，ρ为流体密度，C_p为流体比热容，λ为导热系数，Nu为努赛尔数；

设内部包封壁面热流密度为q_w，最外包封外侧通过对流换热和热辐射的热流密度分别为q’_w、q’_ww，最外包封外侧可以等效为竖直平板的大空间散热，因此最外包封平均热流密度如式(8)所示；

假定最外包封的平均热流密度与内部包封热流密度的比值定义为热负荷分配系数k_c10，即同理，可以获得最内包封的热负荷分配系数k_c1。

9.根据权利要求8所述一种提高电抗器各包封线圈生热散热能力的设计方法，其特征在于：根据热负荷系数分配系数，结合电抗器的等高、不等热流密度的设计方法，即电抗器在满足包封电压方程的前提下，且满足各包封高度基本相同，包封热流密度不相等；

其中，各包封热负荷满足的等式约束条件如式(9)所示；

结合电抗器的初始设计参数，通过MATLAB编程软件，在上述的等式约束条件下能够获得电抗器的优化设计结果。