CN111413548B - 基于光纤测温的铁心损耗和分布估计方法和装置 - Google Patents

基于光纤测温的铁心损耗和分布估计方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤测温的铁心损耗和分布估计方法和装置。本发明基于光纤测温的铁心损耗和分布估计装置，包括：铁心、漆包线、可变电压源、电阻、绝缘胶带、石棉网和光纤测温装置。其中，所述漆包线紧密缠绕在铁心上，所述漆包线与电阻和可变电压源串联；所述光纤测温装置的光纤探头使用绝缘胶带牢固固定在铁心上，石棉网将铁心、线圈和光纤测温探头包裹在内，使其对外绝热。本发明的有益效果：本方法和装置在光纤测温基础上计算得出损耗和分布，装置的装配简单易操作，计算结果容易得出且确实可靠。

Description

基于光纤测温的铁心损耗和分布估计方法和装置
技术领域
用于电力系统中变压器、磁阀式可控电抗器等功率设备铁心结构损耗的计算和损耗分布的估测。找出损耗较大位置，以便做好有效的散热措施，防止局部温度过高，产生局部热点，导致设备烧毁，造成经济损失。
背景技术
变压器在电力行业中是不可或缺的功率设备，磁阀式可控电抗器随着电力行业的发展也得到了广泛的应用，同时，铁心结构在这些大型功率设备中普遍使用。
在设备工作时，铁心会产生大量的损耗。其损耗主要由三部分组成：涡流损耗、磁滞损耗和附加损耗。为了减少涡流损耗，一般将整体铁心替代为叠片铁心。但是，优化后的铁心依然会产生较大的损耗，再加之恶劣的散热条件，使得铁心的温度容易过高，降低设备运行稳定性，严重时会导致设备烧毁。因此对功率设备铁心损耗的计算以及损耗分布的估测显得尤为重要。
目前在工程上，单片硅钢片的损耗计方法有两种：
一是基于已经测得的BP(磁通密度和功率)曲线，如图1所示，通过测出其磁通密度并使用插值法来计算损耗。但是对于大量硅钢片组成的铁心，由于结构的变化和较复杂的物理场，已经难以应用BP曲线来准确计算损耗以及损耗分布。这阻碍了铁心结构优化以及散热量的合理设计。
二是测量得到磁通密度随时间变化函数B(t)，代入铁心损耗计算公式可得到铁心损耗实时变化函数PFe(t)：
Figure BDA0002412963600000021
式中，ρ(kg/m3)为铁心所使用硅钢片的密度，f为电压激励频率，hs(t)为瞬时磁场强度。此方法需要测量计算实时场强和磁通密度，当硅钢片达到饱和时电流产生畸变，从而难以进行实时场强和磁通密度的测量和计算。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于光纤测温的铁心损耗和分布估计方法和装置。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于光纤测温的铁心损耗和分布估计装置，包括：铁心、漆包线、可变电压源、电阻、绝缘胶带、石棉网和光纤测温装置；
其中，所述漆包线紧密缠绕在铁心上，所述漆包线与电阻和可变电压源串联；所述光纤测温装置的光纤探头使用绝缘胶带牢固固定在铁心上，石棉网将铁心、线圈和光纤测温探头包裹在内，使其对外绝热。
在其中一个实施例中，还包括计算机。
在其中一个实施例中，光纤信号传输到计算机上，得到铁心上各点位置的实时温升曲线。
在其中一个实施例中，光纤信号通过光纤解码器传输到计算机上。
一种铁心损耗估计方法，包括：
可变电压源为线圈提供电压激励，因电磁感应在铁心上产生磁场，磁场在铁心产生的损耗使得铁心温度上升；
铁心损耗模型：
PFe＝Pf+Pc+Pe (2)
式中，PFe(W)为铁心损耗，Pf(W)为涡流损耗，Pc(W)为磁滞损耗，Pe(W)为附加损耗；
Figure BDA0002412963600000031
Figure BDA0002412963600000032
Figure BDA0002412963600000033
式中，C是与气隙和硅钢片厚度有关的系数矩阵，d为硅钢片厚度；
将上述铁心损耗作为铁心热源，得到传热公式如下：
Figure BDA0002412963600000034
式中，ρ(kg/m3)为铁心所使用硅钢片的密度,V(m3)为铁心体积，cp(J/(kg.K))为定压比热容,T(K)为铁心温度,t(s)为温升时间,h(W/(m2.K))为传热系数，A(m2)为铁心表面积；
石棉网严密包裹的铁心与外界绝热，因此传热系数h的值为0；式(2)可简化为：
Figure BDA0002412963600000035
式中硅钢片的密度ρ(kg/m3)、铁心体积V(m3)和定压比热容cp(J/(kg.K))已知，只要求得
Figure BDA0002412963600000036
的值就可以得出铁心损耗PFe(W)，进一步得到铁心单位质量损耗pFe(W/kg)；
Figure BDA0002412963600000037
为铁心温升曲线导数，通过光纤测温可以得到铁心温升曲线数据，再经过拟合可以得到铁心温升曲线拟合函数T(t)，对其求导代入式(3)可得实时铁心损耗值。
一种基于光纤测温的铁心分布估计方法，包括：在铁心上布置多个光纤测温点，利用上述的方法测量各个光纤测温点的损耗，得出铁心上的损耗分布。
在其中一个实施例中，包括：由于铁心本体结构的对称性，只需在有代表性的位置和特殊的位置布置光纤测温点，得到这些特定点上的实时损耗值，即可得到整个铁心的实时损耗分布。
基于同样的发明构思，本申请还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项所述方法的步骤。
基于同样的发明构思，本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现任一项所述方法的步骤。
基于同样的发明构思，本申请还提供一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行任一项所述的方法。
本发明的有益效果：
(a)本方法和装置在光纤测温基础上计算得出损耗和分布，装置的装配简单易操作，计算结果容易得出且确实可靠。
(b)本发明装置可多次反复使用，可以作为铁心损耗和分布估计的检测装置，且后期维护简单，实用性强，适用范围广。
(c)本方法和装置得到的损耗和分布对铁心结构以及整个设备的设计和优化具有重要的指导作用。可以有效避免运行中损耗大和散热条件差导致的局部温度过高，有助于预防严重事故的发生。
附图说明
图1是本发明基于光纤测温的铁心损耗和分布估计方法和装置中的BP曲线示意图。
图2是本发明基于光纤测温的铁心损耗和分布估计方法和装置中的BH曲线示意图。
图3是本发明基于光纤测温的铁心损耗和分布估计装置中的系统架构示意图。
图4是本发明基于光纤测温的铁心损耗和分布估计装置中的外接电路示意图。
图5是本发明基于光纤测温的铁心损耗和分布估计装置中的铁心及测温点布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
基于光纤测温的铁心损耗和分布估计装置包括以下零部件：铁心、漆包线、可变电压源、电阻、绝缘胶带、石棉网、光纤测温装置、计算机。
漆包线紧密缠绕在铁心上，并与电阻和可变电压源串联。将光纤测温装置的光纤探头使用和绝缘胶带牢固固定在铁心上，使用石棉网将铁心、线圈和光纤测温探头包裹在内，使其对外绝热。光纤信号通过光纤解码器最终传输到计算机上，得到铁心上各点位置的实时温升曲线。
本发明的工作过程及工作原理：
(a)铁心损耗模型
可变电压源为线圈提供电压激励，因电磁感应在铁心上产生磁场，磁场在铁心产生的损耗(铁心损耗)使得铁心温度上升。
铁心损耗模型：
PFe＝Pf+Pc+Pe (2)
式中，PFe(W)为铁心损耗，Pf(W)为涡流损耗，Pc(W)为磁滞损耗，Pe(W)为附加损耗。
又有
Figure BDA0002412963600000061
Figure BDA0002412963600000062
Figure BDA0002412963600000063
式中，C是与气隙和硅钢片厚度有关的系数矩阵，d为硅钢片厚度。
(b)铁心损耗计算方法
将上述铁心损耗作为铁心热源，得到传热公式如下：
Figure BDA0002412963600000064
式中，ρ(kg/m3)为铁心所使用硅钢片的密度,V(m3)为铁心体积，cp(J/(kg.K))为定压比热容,T(K)为铁心温度,t(s)为温升时间,h(W/(m2.K))为传热系数，A(m2)为铁心表面积。
石棉网严密包裹的铁心与外界绝热，因此传热系数h的值为0。式(2)可简化为：
Figure BDA0002412963600000065
式中硅钢片的密度ρ(kg/m3)、铁心体积V(m3)和定压比热容cp(J/(kg.K))已知，只要求得
Figure BDA0002412963600000066
的值就可以得出铁心损耗PFe(W)，进一步得到铁心单位质量损耗pFe(W/kg)。
Figure BDA0002412963600000067
为铁心温升曲线导数，通过光纤测温可以得到铁心温升曲线数据，再经过拟合可以得到铁心温升曲线拟合函数T(t)，对其求导代入式(3)可得实时铁心损耗值。某点温升曲线如图2所示。
(c)铁心损耗分布
在(b)中已经给出了计算铁心上任意一光纤测温点实时损耗的方法。为了进一步得出铁心上的损耗分布，在铁心上布置多个光纤测温点。由于铁心本体结构的对称性，只需在有代表性的位置和特殊的位置布置光纤测温点，得到这些特定点上的实时损耗值，即可得到整个铁心的实时损耗分布。
图3为本发明装置的系统架构图。图3中，1为外电路，2为布置好测温点且做好绝热的铁心，3为光纤测温装置，4为接收数据和处理数据所用计算机。外电路详细示意图如图4所示。外接电路由可变电压源5，电阻6，铁心7和开关8组成。铁心及测温点布置图如图5所示，测温点布置在特定的具有代表性的位置，测温点越多，损耗分布估计越详细合理。图5中9为铁心本体，10为光纤测温点，11为紧密缠绕在铁心上的线圈。
本发明装置和方法的装配和使用步骤：
在铁心预定位置布置光纤测温探头，使用绝缘耐高温胶带进行固定；
在铁心表面遍布绝缘胶带，防止漆包线绝缘层破损造成短路；
按照实际测试的工况要求在铁心上紧密缠绕所需线圈，并进一步使用绝缘胶带进行绝缘处理；
将可变电压源、电阻、开关串联而成外电路；
将线圈串联接入外电路，电压激励大小按实际所需设置；
将光纤测温装置接入计算机，记录实时温升数据和曲线；
拟合温升曲线得出，代入公式计算得出实时损耗值；
结合多点损耗值，估计出铁心上损耗分布。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种基于光纤测温的铁心损耗和分布估计装置，其特征在于，包括：铁心、漆包线、可变电压源、电阻、绝缘胶带、石棉网和光纤测温装置；
其中，所述漆包线紧密缠绕在铁心上，所述漆包线与电阻和可变电压源串联；所述光纤测温装置的光纤测温探头使用绝缘胶带牢固固定在铁心上，石棉网将铁心、线圈和光纤测温探头包裹在内，使其对外绝热；
在所述铁心预设位置布置光纤测温探头，使用绝缘耐高温胶带进行固定；在铁心表面遍布绝缘胶带，以防止漆包线绝缘层破损造成短路；在铁心上紧密缠绕所需线圈，使用绝缘胶带进行绝缘处理；将所述可变电压源、电阻、开关串联而成外电路；将所述线圈串联接入外电路，设置所述电压激励大小；记录实时温升数据和曲线；拟合温升曲线，计算得出实时损耗值；
铁心损耗估计方法包括，
可变电压源为线圈提供电压激励，因电磁感应在铁心上产生磁场，磁场在铁心产生的损耗使得铁心温度上升；
铁心损耗模型：
PFe＝Pf+Pc+Pe (2)
式中，PFe(W)为铁心损耗，Pf(W)为涡流损耗，Pc(W)为磁滞损耗，Pe(W)为附加损耗；
Figure FDA0003849951950000021
Figure FDA0003849951950000022
Figure FDA0003849951950000023
式中，C是与气隙和硅钢片厚度有关的系数矩阵，d为硅钢片厚度；
将上述铁心损耗作为铁心热源，得到传热公式如下：
Figure FDA0003849951950000024
式中，ρ(kg/m3)为铁心所使用硅钢片的密度，V(m3)为铁心体积，cp(J/(kg.K))为定压比热容，T(K)为铁心温度，t(s)为温升时间，h(W/(m2.K))为传热系数，A(m2)为铁心表面积；
石棉网严密包裹的铁心与外界绝热，因此传热系数h的值为0；式(2)可简化为：
Figure FDA0003849951950000025
式中硅钢片的密度ρ(kg/m3)、铁心体积V(m3)和定压比热容cp(J/(kg.K))已知，只要求得
Figure FDA0003849951950000026
的值就可以得出铁心损耗PFe(W)，进一步得到铁心单位质量损耗pFe(W/kg)；
Figure FDA0003849951950000031
为铁心温升曲线导数，通过光纤测温可以得到铁心温升曲线数据，再经过拟合可以得到铁心温升曲线拟合函数T(t)，对其求导代入式(3)可得实时铁心损耗值。
2.如权利要求1所述的基于光纤测温的铁心损耗和分布估计装置，还包括计算机。
3.如权利要求2所述的基于光纤测温的铁心损耗和分布估计装置，其特征在于，光纤信号传输到计算机上，得到铁心上各点位置的实时温升曲线。
4.如权利要求3所述的基于光纤测温的铁心损耗和分布估计装置，其特征在于，光纤信号通过光纤解码器传输到计算机上。
5.一种基于光纤测温的铁心分布估计方法，其特征在于，包括：在铁心上布置多个光纤测温点，利用权利要求4所述的基于光纤测温的铁心损耗和分布估计装置测量各个光纤测温点的损耗，得出铁心上的损耗分布。
6.如权利要求5的基于光纤测温的铁心分布估计方法，其特征在于，包括：由于铁心本体结构的对称性，只需在有代表性的位置和特殊的位置布置光纤测温点，得到这些特定点上的实时损耗值，即可得到整个铁心的实时损耗分布。
7.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求5或6所述方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求5或6所述方法的步骤。
9.一种处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行权利要求5或6所述的方法。
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