CN112115628B - 基于油浸式变压器温度场分布计算的热点温度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于油浸式变压器温度场分布计算的热点温度检测方法，采用预先建立的变压器三维物理模型对变压器进行瞬态电磁场仿真，计算指定工况下变压器稳定运行时的内部损耗，对变压器进行稳态温度场仿真，得到指定工况下的变压器内部温度场分布结果，在多个工况下执行类似与上述指定工况对应的仿真过程，以得到各个工况下变压器的内部温度场分布结果，在各个工况下变压器的内部温度场分布结果中提取各组顶层油温和热点温度，再根据各组顶层油温和热点温度确定顶层油温‑热点温度对应关系，获取变压器顶层的实测油温，查找所述实测油温对应的热点温度，以得到变压器当前的热点温度，实现对变压器当前热点温度的准确检测。
Description
技术领域
本发明涉及油浸式变压器绕组热点温度技术领域，尤其涉及一种基于油浸式变压器温度场分布计算的热点温度检测方法。
背景技术
电力变压器随着电力系统向高电压、大容量方向发展，其发热和冷却也出现了更多问题。其中绕组过热从而引起绝缘损坏就是最常见也最重要的问题之一。变压器正常运行时绕组的最高温度称为变压器的热点温度，如果热点温度太高，变压器的内部绝缘就会加速老化，影响变压器的使用寿命；反之，则说明变压器的能力还有富余，经济效益未达到最大化。所以在设计参数及监测运行情况时都需要充分考虑变压器绕组局部过热的问题。
但是由于油浸式变压器内部结构复杂，其绕组处于油环境中所以热点温度往往难以监测，热点的仿真计算也涉及到多物理场的耦合，有相当的复杂程度。
由于油浸式变压器的顶层油温相对热点温度较容易测得，所以一般对热点温度的计算是基于顶层油温的监测数据，现阶段传统方案普遍的计算热点温度的方法是利用相应标准推荐的经验模型。该模型假设变压器内部油温温升和绕组温升均沿绕组底部到顶部线性增长，且增长率相同。这种方法往往忽略了油黏度等变压器的非线性特征，难以反映变压器运行状态改变时热点温度的变化，因此容易使检测得到的热点温度准确性低。
发明内容
针对以上问题，本发明提出一种基于油浸式变压器温度场分布计算的热点温度检测方法。
为实现本发明的目的，提供一种基于油浸式变压器温度场分布计算的热点温度检测方法，包括如下步骤：
S20，采用预先建立的变压器三维物理模型对变压器进行瞬态电磁场仿真，根据变压器额定运行的仿真结果和变压器技术参数、出厂试验参数的误差调整变压器三维物理模型的材料电磁参数，以计算指定工况下变压器稳定运行时的内部损耗；
S30，将所述内部损耗导入变压器的温度场，以对变压器进行稳态温度场仿真，得到指定工况下的变压器内部温度场分布结果；
S40，在多个工况下执行步骤S20至步骤S30的仿真过程，以得到各个工况下变压器的内部温度场分布结果，在各个工况下变压器的内部温度场分布结果中提取各组顶层油温和热点温度；
S50，根据各组顶层油温和热点温度确定顶层油温-热点温度对应关系；所述顶层油温-热点温度对应关系记录各个顶层油温分部对应的热点温度；
S60，获取变压器顶层的实测油温，在所述顶层油温-热点温度对应关系中查找所述实测油温对应的热点温度，以得到变压器当前的热点温度。
在一个实施例中，上述基于油浸式变压器温度场分布计算的热点温度检测方法，还包括：
建立变压器的变压器三维物理模型。
在一个实施例中，采用预先建立的变压器三维物理模型对变压器进行瞬态电磁场仿真，根据变压器额定运行的仿真结果和变压器技术参数、出厂试验参数的误差调整变压器三维物理模型的材料电磁参数，以计算指定工况下变压器稳定运行时的内部损耗包括：
S21，在有限元仿真软件Ansys的电磁场分析模块Maxwell中导入变压器三维物理模型；
S22，在Maxwell中对变压器的物理模型进行网格划分；
S23，在Maxwell中设置变压器油箱、铁心、绕组和变压器油的材料属性；
S24，对变压器施加额定工况下的激励；
S25，根据变压器的技术参数和出厂试验参数调整变压器的材料属性和绕组匝数，使得变压器额定运行情况下的电压、电流、铁耗、铜耗与相应理论值的误差满足设定工程要求；
S26，对满足设定工程要求的变压器三维物理模型施加指定工况的激励；
S27，设置分析步，计算得指定工况下变压器稳定运行时的铁耗和铜耗，以得到指定工况下变压器稳定运行时的内部损耗。
具体地，对变压器施加额定工况下的激励包括：
设置额定工况下的外电路，一次侧接额定大小的三相工频交流电压源；二次侧接负载电阻，负载电阻的大小用额定相电压除以额定相电流计算。
具体地，对满足设定工程要求的变压器三维物理模型施加指定工况的激励包括：
设置指定工况下的外电路，一次侧接额定大小的三相工频交流电压源；二次侧接指定工况下的负载电阻。
在一个实施例中，根据各组顶层油温和热点温度确定顶层油温-热点温度对应关系包括：
以各个顶层油温作为自变量，以各个热点温度作为因变量，针对各组顶层油温和热点温度的一部分数据作拟合分析，建立表征各组顶层油温和热点温度之间关系的拟合方程；
以各组顶层油温和热点温度的剩余数据做检验数据，以验证所述拟合方程的可行性，根据验证后的拟合方程确定顶层油温-热点温度对应关系。
在一个实施例中，对变压器进行稳态温度场仿真的过程可以包括：
S31：在Ansys的稳态热分析模块中导入变压器的变压器三维物理模型；
S32：在稳态热分析模块对变压器的物理模型进行网格划分；
S33：在材料库中设置变压器油箱、铁心、绕组和变压器油的热属性：油箱、铁心和绕组的比热容、导热系数、密度采用常数设置，变压器油的比热容、导热系数、密度和动力黏度采用不同温度下的分段性设置；
S34：设置初始和边界条件：设置变压器的环境温度和初始油温，设置油箱表面的对流换热系数和热辐射率以及变压器油的对流换热系数，其中变压器油的对流换热系数采用不同温度下的分段性设置，以如下的经验公式计算：
式中：ρ为变压器油密度，单位为kg/m3；C为变压器油定压比热容，单位为J/(kg·K)；λ为变压器油导热系数，单位为W/(m·K)；Hk为变压器油沿散热表面被不断提高所达到的高度；v为变压器油流平均速度。
S35：进行顺序耦合计算：将前述电磁场仿真计算得到的铁耗和铜耗作为热载荷施加到温度场，计算得该工况下的变压器内部温度场分布；
S36：将仿真得到的顶层油温与实测值相比，误差符合工程要求则证明了该仿真模型的可行性，进一步说明了仿真所得的热点温度与实际情况相符。
上述基于油浸式变压器温度场分布计算的热点温度检测方法，采用预先建立的变压器三维物理模型对变压器进行瞬态电磁场仿真，根据变压器额定运行的仿真结果和变压器技术参数、出厂试验参数的误差调整变压器三维物理模型的材料电磁参数，以计算指定工况下变压器稳定运行时的内部损耗，将内部损耗导入变压器的温度场，以对变压器进行稳态温度场仿真，得到指定工况下的变压器内部温度场分布结果，在多个工况下执行类似与上述指定工况对应的仿真过程，以得到各个工况下变压器的内部温度场分布结果，在各个工况下变压器的内部温度场分布结果中提取各组顶层油温和热点温度，再根据各组顶层油温和热点温度确定顶层油温-热点温度对应关系，获取变压器顶层的实测油温，在顶层油温-热点温度对应关系中查找所述实测油温对应的热点温度，以得到变压器当前的热点温度，实现对变压器当前热点温度的准确检测。
附图说明
图1是一个实施例的基于油浸式变压器温度场分布计算的热点温度检测方法流程图；
图2是另一个实施例的基于油浸式变压器温度场分布计算的热点温度检测方法流程图；
图3是一个实施例中变压器物理模型的三维示意图；
图4是一个实施例中变压器电磁场仿真中设置的外电路图；
图5为一个实施例中变压器顶层油温和热点温度的拟合曲线图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
参考图1所示，图1为一个实施例的基于油浸式变压器温度场分布计算的热点温度检测方法流程图，包括如下步骤：
S20，采用预先建立的变压器三维物理模型对变压器进行瞬态电磁场仿真，根据变压器额定运行的仿真结果和变压器技术参数、出厂试验参数的误差调整变压器三维物理模型的材料电磁参数，以计算指定工况下变压器稳定运行时的内部损耗。
上述步骤可以对变压器进行瞬态电磁场仿真，根据变压器额定运行的仿真结果和变压器技术参数、出厂试验参数的误差调整材料电磁参数，计算得指定工况下变压器稳定运行时的内部损耗以作为后续温度场仿真的热载荷。
S30，将所述内部损耗导入变压器的温度场，以对变压器进行稳态温度场仿真，得到指定工况下的变压器内部温度场分布结果。
上述步骤对变压器进行稳态温度场仿真，与上述电磁场仿真结果进行顺序耦合，得到该工况下符合实际的变压器内部温度场分布的计算结果。
S40，在多个工况下执行步骤S20至步骤S30的仿真过程，以得到各个工况下变压器的内部温度场分布结果，在各个工况下变压器的内部温度场分布结果中提取各组顶层油温和热点温度。
S50，根据各组顶层油温和热点温度确定顶层油温-热点温度对应关系；所述顶层油温-热点温度对应关系记录各个顶层油温分部对应的热点温度。
S60，获取变压器顶层的实测油温，在所述顶层油温-热点温度对应关系中查找所述实测油温对应的热点温度，以得到变压器当前的热点温度。
上述基于油浸式变压器温度场分布计算的热点温度检测方法，采用预先建立的变压器三维物理模型对变压器进行瞬态电磁场仿真，根据变压器额定运行的仿真结果和变压器技术参数、出厂试验参数的误差调整变压器三维物理模型的材料电磁参数，以计算指定工况下变压器稳定运行时的内部损耗，将内部损耗在所述三维物理模型中导入变压器的温度场，以对变压器进行稳态温度场仿真，得到指定工况下的变压器内部温度场分布结果，在多个工况下执行类似与上述指定工况对应的仿真过程，以得到各个工况下变压器的内部温度场分布结果，在各个工况下变压器的内部温度场分布结果中提取各组顶层油温和热点温度，再根据各组顶层油温和热点温度确定顶层油温-热点温度对应关系，获取变压器顶层的实测油温，在顶层油温-热点温度对应关系中查找所述实测油温对应的热点温度，以得到变压器当前的热点温度，实现对变压器当前热点温度的准确检测。
在一个实施例中，上述基于油浸式变压器温度场分布计算的热点温度检测方法，还包括：
建立变压器的变压器三维物理模型。
具体地，本实施例可以根据变压器的实际结构和尺寸建立其三位物理模型(变压器三维物理模型)。
在一个示例中，在建立变压器三维物理模型时，可以做出的简化和假设包括：
(1)忽略绕组的匝间绝缘，将绕组简化为圆筒式，线圈匝数认为是均匀分布；
(2)忽略变压器内部的铁轭、夹板等金属结构件；
(3)认为变压器各部分的材料分布均匀、各向同性。
在一个实施例中，采用预先建立的变压器三维物理模型对变压器进行瞬态电磁场仿真，根据变压器额定运行的仿真结果和变压器技术参数、出厂试验参数的误差调整变压器三维物理模型的材料电磁参数，以计算指定工况下变压器稳定运行时的内部损耗包括：
S21，在有限元仿真软件Ansys的电磁场分析模块Maxwell中导入变压器三维物理模型；
S22，在Maxwell中对变压器的物理模型进行网格划分；
S23，在Maxwell中设置变压器油箱、铁心、绕组和变压器油的材料属性；
S24，对变压器施加额定工况下的激励；
S25，根据变压器的技术参数和出厂试验参数调整变压器的材料属性和绕组匝数，使得变压器额定运行情况下的电压、电流、铁耗、铜耗与相应理论值的误差满足设定工程要求；
S26，对满足设定工程要求的变压器三维物理模型施加指定工况的激励；
S27，设置分析步，计算得指定工况下变压器稳定运行时的铁耗和铜耗，以得到指定工况下变压器稳定运行时的内部损耗，并以此作为后续温度场仿真的生热源。
具体地，对变压器施加额定工况下的激励包括：
设置额定工况下的外电路，一次侧接额定大小的三相工频交流电压源；二次侧接负载电阻，负载电阻的大小用额定相电压除以额定相电流计算。
具体地，对满足设定工程要求的变压器三维物理模型施加指定工况的激励包括：
设置指定工况下的外电路，一次侧接额定大小的三相工频交流电压源；二次侧接指定工况下的负载电阻。
在一个实施例中，根据各组顶层油温和热点温度确定顶层油温-热点温度对应关系包括：
以各个顶层油温作为自变量，以各个热点温度作为因变量，针对各组顶层油温和热点温度的一部分数据作拟合分析，建立表征各组顶层油温和热点温度之间关系的拟合方程；
以各组顶层油温和热点温度的剩余数据做检验数据，以验证所述拟合方程的可行性，根据验证后的拟合方程确定顶层油温-热点温度对应关系。
本实施例可以准确确定顶层油温-热点温度对应关系。
在一个实施例中，对变压器进行稳态温度场仿真的过程可以包括：
S31：在Ansys的稳态热分析模块中导入变压器的三维简化模型(变压器三维物理模型)；
S32：在稳态热分析模块对变压器的物理模型进行网格划分；
S33：在材料库中设置变压器油箱、铁心、绕组和变压器油的热属性：油箱、铁心和绕组的比热容、导热系数、密度采用常数设置，变压器油的比热容、导热系数、密度和动力黏度采用不同温度下的分段性设置；
S34：设置初始和边界条件：设置变压器的环境温度和初始油温，设置油箱表面的对流换热系数和热辐射率以及变压器油的对流换热系数，其中变压器油的对流换热系数采用不同温度下的分段性设置，以如下的经验公式计算：
式中：ρ为变压器油密度，单位为kg/m3；C为变压器油定压比热容，单位为J/(kg·K)；λ为变压器油导热系数，单位为W/(m·K)；Hk为变压器油沿散热表面被不断提高所达到的高度；v为变压器油流平均速度。
S35：进行顺序耦合计算：将前述电磁场仿真计算得到的铁耗和铜耗作为热载荷施加到温度场，计算得该工况下的变压器内部温度场分布；
S36：将仿真得到的顶层油温与实测值相比，误差符合工程要求则证明了该仿真模型的可行性，进一步说明了仿真所得的热点温度与实际较为相符。
与现有技术相比，上述基于油浸式变压器温度场分布计算的热点温度检测方法的有益效果如下：以有限元法和传热学理论为基础，通过对油浸式变压器进行电磁场和温度场的耦合仿真，提供了一种简单且有效的变压器仿真建模方法；并提出了一种变压器热点温度的估算方法，通过对顶层油温和热点温度的仿真结果进行数值分析，得到了反映两者关系的数学模型，由此可根据顶层油温的在线监测数据得到与实际较为相符的热点温度，误差可小至1％左右，从而实现对热点温度的在线监测。
在一个实施例中，以SSP-300000/500(kVA/kV)大型油浸式变压器为研究对象，该变压器额定电压515/15.75kV，额定电流336.3/10997.1A，YNd11联结，出厂试验参数空载损耗102.68kW，短路损耗677.85kW。本实施例提供的基于油浸式变压器温度场分布计算的热点温度检测方法，如图2所示，包括如下步骤：
S1：建立变压器合理的三维简化物理模型；
本实施例先对变压器结构做出合理的简化与假设：
(1)忽略绕组的匝间绝缘，将绕组简化为圆筒式，线圈匝数认为是均匀分布；
(2)忽略变压器内部的铁轭、夹板等金属结构件；
(3)认为变压器各部分的材料分布均匀、各向同性；
本实施例的变压器铁心为三相五柱式结构，用硅钢片叠成；低压侧绕组采用双层螺旋式“U”型结构；变压器各部分的实际尺寸由厂家提供；最终利用Solidworks建模的三维示意图如图3所示，图3中(a)表示前视图，(b)表示上视图，(c)表示右视图。
S2：对变压器进行瞬态电磁场仿真，根据变压器的技术参数和出厂试验参数调整材料参数，计算得指定工况下变压器稳定运行时的内部损耗；
具体地，进行变压器的瞬态电磁场仿真包括以下步骤：
S21：在有限元仿真软件Ansys的电磁场分析模块Maxwell中导入变压器的三维简化模型；
S22：在Maxwell中对变压器的物理模型进行网格划分，设置铁心、绕组的最大网格数量分别为7000，油流域的最大网格数量为8000，油箱的最大网格数量为3000；
S23：在Maxwell中设置变压器油箱、铁心、绕组和变压器油的材料属性，如电导率、磁导率、密度等；
S24：对变压器施加额定工况下的激励：设置额定工况下的外电路，一次侧接额定大小的三相工频交流电压源，电源设置中将AF＝1，即在前半个周期内将一个额外的电压分量添加到原始电压定义中以消除直流磁链，加快仿真达到稳态的速度；二次侧接负载电阻；具体外电路图如图4所示，负载电阻即R7、R8、R9的大小用额定相电压除以额定相电流计算；
S25：根据变压器的技术参数和出厂试验参数适当调整变压器的材料属性、绕组匝数等，使得变压器额定运行情况下的电压、电流、铁耗、铜耗与理论值得误差满足工程要求，则可证明该仿真模型的合理性；
S26：对上述符合要求的变压器仿真模型施加指定的一种正常工作情况下的激励：本实施例选取高压侧相电流为295A时这一工况，设置该工况下的外电路，一次侧接额定大小的三相工频交流电压源，电源设置中将AF＝1；二次侧接该工况下的负载电阻；具体外电路图如图4所示，图4中，(a)表示额定工况下变压器的外电路设置示意图，(b)表示指定工况下变压器的外电路设置示意图，负载电阻即R7、R8、R9的大小用该工况下的相电压除以相电流计算；
S27：设置分析步：设置步长为0.001s，总时长为0.2s，非线性残差为1e-6；计算得变压器在该指定工况下的铁耗和铜耗，以此作为后续温度场仿真的生热源。
S3：对变压器进行稳态温度场仿真，与上述电磁场仿真结果进行顺序耦合，得到该工况下符合实际的变压器内部温度场分布的计算结果；
具体地，进行变压器的稳态温度场仿真包括以下步骤：
S31：在Ansys的稳态热分析模块中导入变压器的三维简化模型；
S32：在稳态热分析模块对变压器的物理模型进行网格划分：对绕组采用sweep的网格划分方式，其他部分采用自适应网格划分；设置绕组部分平均单元尺寸为0.16m，油流域部分单元尺寸为0.18m，其他部分为0.2m；
S33：在材料库中设置变压器油箱、铁心、绕组和变压器油的热属性：本实施例中油箱、铁心和绕组的比热容、导热系数、密度采用常数设置，具体属性设置如表1所示：
表1变压器金属材料属性设置
| 材料 | 密度(kg/m<sup>3</sup>) | 定压比热容(J/(kg·K)) | 导热系数(W/(m·K)) |
| 绕组 | 8933 | 381 | 387.6 |
| 铁心 | 7650 | 460 | 45 |
| 油箱 | 7872 | 485 | 50 |
变压器油的比热容、导热系数、密度和动力黏度采用不同温度下的分段性设置，具体属性设置如表2所示：
表2变压器油材料属性设置
S34：设置初始和边界条件：本实施例中设置油箱表面的对流换热系数为：油箱顶面10.1(W/(m2·K))，油箱底面8.3(W/(m2·K))，油箱侧面12.3(W/(m2·K))；设置油箱周围空气的环境温度为25℃；设置油箱外表面的辐射发射率为0.9，内部辐射化为散热系数约为10(W/(m2·K)；设置油流域的初始温度设置为32℃；
本实施例中变压器油与热源的对流换热系数用如下经验公式计算：
式中：ρ为变压器油密度，单位为kg/m3；C为变压器油定压比热容，单位为J/(kg·K)；λ为变压器油导热系数，单位为W/(m·K)；Hk为变压器油沿散热表面被不断提高所达到的高度，取0.15m，v为变压器油流平均速度，取1.2m/s。计算得不同温度下的对流换热系数如表3所示：
表3不同温度下变压器油的对流换热系数
S35：进行顺序耦合计算：将前述电磁场仿真计算得到的铁耗和铜耗作为热载荷施加到温度场，计算得该工况下的变压器内部温度场分布；
S36：仿真得到的顶层油温与实测值相比：本实施例仿真计算出的顶层油温为48.692℃，该工况下顶层油温的实测数据为约48.665℃，相对误差为0.07％，可证明该仿真模型的可行性，进一步说明了仿真所得的热点温度54.317℃与实际较为相符。
S4：利用上述建模仿真方法计算出不同工况下的顶层油温和热点温度多组数据：本实施例仿真计算出的八组数据如表4所示：
表4准备数据
S5：建立反映变压器顶层油温和热点温度关系的数学模型，实现由顶层油温的监测数据对实际热点温度的在线检测；
具体地，建立在线检测热点温度的数学模型包括以下步骤：
S51：以表4的前五组数据中的顶层油温仿真值作为自变量、热点温度仿真值作为因变量，做出这五组数据的散点图，近似为线性，于是使用曲线拟合工具对这五组数据做线性拟合，拟合曲线如图5所示，拟合方程如下：
f(x)＝0.3272(sin(x-pi))+0.01567(x-10)2+30.28
S52：将剩余三组数据的顶层油温仿真值作为自变量代入上式，所得拟合方程的输出结果与绕组热点温度仿真值对比；具体验证结果如表5所示，相对误差较小，则证明了该拟合方程可反映该变压器顶层油温和绕组热温度的关系，即表示在变压器只能得到顶层油温监测数据的情况下，该拟合方程可实现热点温度的在线监测。
表5拟合方程的检验
| 顶层油温仿真值 | 热点温度仿真值 | 拟合方程输出值 | 相对误差 |
| 49.194 | 54.304 | 54.587 | 0.52％ |
| 50.224 | 55.649 | 55.873 | 0.40％ |
| 47.133 | 51.556 | 52.114 | 1.08％ |
通过本实施例可以看出，本发明提供的基于油浸式变压器温度场分布计算的热点温度检测方法，通过对油浸式变压器进行电磁场和温度场的顺序耦合仿真，提出了一种简单且有效的变压器仿真建模方法；并通过对顶层油温和热点温度的仿真结果进行数值分析，提出了一种可根据顶层油温的在线监测数据计算出变压器热点温度的方法，误差可小至1％左右，对于在线监测变压器的热点温度及其安全运行情况具有重要意义。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种基于油浸式变压器温度场分布计算的热点温度检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S20，采用预先建立的变压器三维物理模型对变压器进行瞬态电磁场仿真，根据变压器额定运行的仿真结果和变压器技术参数、出厂试验参数的误差调整变压器三维物理模型的材料电磁参数，以计算指定工况下变压器稳定运行时的内部损耗；
S30，将所述内部损耗导入变压器的温度场，以对变压器进行稳态温度场仿真，得到指定工况下的变压器内部温度场分布结果；
对变压器进行稳态温度场仿真的过程包括：
S31：在Ansys的稳态热分析模块中导入变压器的变压器三维物理模型；
S32：在稳态热分析模块对变压器的物理模型进行网格划分；
S33：在材料库中设置变压器油箱、铁心、绕组和变压器油的热属性：油箱、铁心和绕组的比热容、导热系数、密度采用常数设置，变压器油的比热容、导热系数、密度和动力黏度采用不同温度下的分段性设置；
S34：设置初始和边界条件：设置变压器的环境温度和初始油温，设置油箱表面的对流换热系数和热辐射率以及变压器油的对流换热系数，其中变压器油的对流换热系数采用不同温度下的分段性设置，以如下的经验公式计算：
式中：ρ为变压器油密度，单位为kg/m3；C为变压器油定压比热容，单位为J/(kg·K)；λ为变压器油导热系数，单位为W/(m·K)；Hk为变压器油沿散热表面被不断提高所达到的高度；v为变压器油流平均速度；
S35：进行顺序耦合计算：将前述电磁场仿真计算得到的铁耗和铜耗作为热载荷施加到温度场，计算得该工况下的变压器内部温度场分布；
S36：将仿真得到的顶层油温与实测值相比，误差符合工程要求则表明仿真模型的可行性；
S40，在多个工况下执行步骤S20至步骤S30的仿真过程，以得到各个工况下变压器的内部温度场分布结果，在各个工况下变压器的内部温度场分布结果中提取各组顶层油温和热点温度；
S50，根据各组顶层油温和热点温度确定顶层油温-热点温度对应关系；所述顶层油温-热点温度对应关系记录各个顶层油温分部对应的热点温度；
S60，获取变压器顶层的实测油温，在所述顶层油温-热点温度对应关系中查找所述实测油温对应的热点温度，以得到变压器当前的热点温度。
2.根据权利要求1所述的基于油浸式变压器温度场分布计算的热点温度检测方法，其特征在于，还包括：
建立变压器的变压器三维物理模型。
3.根据权利要求1所述的基于油浸式变压器温度场分布计算的热点温度检测方法，其特征在于，采用预先建立的变压器三维物理模型对变压器进行瞬态电磁场仿真，根据变压器额定运行的仿真结果和变压器技术参数、出厂试验参数的误差调整变压器三维物理模型的材料电磁参数，以计算指定工况下变压器稳定运行时的内部损耗包括：
S21，在有限元仿真软件Ansys的电磁场分析模块Maxwell中导入变压器三维物理模型；
S22，在Maxwell中对变压器的物理模型进行网格划分；
S23，在Maxwell中设置变压器油箱、铁心、绕组和变压器油的材料属性；
S24，对变压器施加额定工况下的激励；
S25，根据变压器的技术参数和出厂试验参数调整变压器的材料属性和绕组匝数，使得变压器额定运行情况下的电压、电流、铁耗、铜耗与相应理论值的误差满足设定工程要求；
S26，对满足设定工程要求的变压器三维物理模型施加指定工况的激励；
S27，设置分析步，计算得指定工况下变压器稳定运行时的铁耗和铜耗，以得到指定工况下变压器稳定运行时的内部损耗。
4.根据权利要求3所述的基于油浸式变压器温度场分布计算的热点温度检测方法，其特征在于，对变压器施加额定工况下的激励包括：
设置额定工况下的外电路，一次侧接额定大小的三相工频交流电压源；二次侧接负载电阻，负载电阻的大小用额定相电压除以额定相电流计算。
5.根据权利要求3所述的基于油浸式变压器温度场分布计算的热点温度检测方法，其特征在于，对满足设定工程要求的变压器三维物理模型施加指定工况的激励包括：
设置指定工况下的外电路，一次侧接额定大小的三相工频交流电压源；二次侧接指定工况下的负载电阻。
6.根据权利要求1至5任一项所述的基于油浸式变压器温度场分布计算的热点温度检测方法，其特征在于，根据各组顶层油温和热点温度确定顶层油温-热点温度对应关系包括：
以各个顶层油温作为自变量，以各个热点温度作为因变量，针对各组顶层油温和热点温度的一部分数据作拟合分析，建立表征各组顶层油温和热点温度之间关系的拟合方程；
以各组顶层油温和热点温度的剩余数据做检验数据，以验证所述拟合方程的可行性，根据验证后的拟合方程确定顶层油温-热点温度对应关系。
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| CN110988529A (zh) * | 2019-11-26 | 2020-04-10 | 国网山西省电力公司电力科学研究院 | 一种变压器热点温度多物理场计算中热源分布确定方法 |
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