CN112557993A - 一种基于涡流加热的植物油变压器热故障模拟系统 - Google Patents
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Abstract
本公开揭示了一种基于涡流加热的植物油变压器热故障模拟系统，包括：存储装置，所述存储装置包括装置主体，用于存储植物绝缘油，所述装置主体上设置有进油口和出油口；电磁加热装置，通过输油管道分别连接至存储装置的进油口和出油口，利用电磁感应以形成涡流对流过的植物绝缘油进行加热；冷凝装置，置于输油管道上，用于对在输油管道内循环流动的植物绝缘油进行冷凝处理。本公开考虑了实际变压器内部由于磁通集中产生涡流带来的铁芯局部过热的特点，因此，采用涡流加热能够避免在热交换或热辐射过程中的热能损耗，具有节能效果好，热损失小，热效率高的优点，因此能够更好地模拟实际变压器产生的热故障的特征。
Description
技术领域
本公开涉及一种植物油变压器热故障模拟装置，特别涉及一种基于涡流加热的植物油变压器热故障模拟系统。
背景技术
植物绝缘油是一种安全、过载能力强、可降解的环保液体电介质，作为矿物油的良好替代品在变压器中的应用日益广泛。目前，植物绝缘油热故障可分为低温热故障(T＜300℃)、中温热故障(300℃≤T＜700℃)和高温热故障(T≥700℃)。
造成植物绝缘油热故障的典型原因是由于磁通集中带来的铁芯或外壳局部过热，其原理就是电磁感应形成的涡流对金属导体的加热作用。随着电网规模和发电机的单机容量不断增大，电力变压器的容量和电压等级也在不断上升。电力变压器的容量越大，就要承受越高的电磁负荷密度，导致变压器的漏磁场显著增加，同时杂散损耗将增加。严重的是，杂散损耗分布极不均匀，可能会集中在箱壁和金属结构件的小面积部位，而因为涡流产生相当大的局部过热，高的局部温升会引起变压器油的分解、加速绝缘件的热老化，大大影响变压器运行的可靠性，缩短其使用寿命。更为严重的是，大型变压器的短路电流可达额定电流的几十倍，瞬间产生的热量和线圈巨大的短路电动力足以造成变压器的完全损坏。目前，国内设计的热故障模拟装置存在以下不足：1、密闭体系导致受热过程内压增大，影响实验结果偏离实际情况。2、酒精喷灯等加热法耗能大，而且这种加热方法的热效率很低，只有热量传递到加热部分上的才使其加热，大部分热量都散发在空气中；并且难以控制温度，受热面积大，不符合局部过热的特点，也无法较好的模拟实际热故障情况；3、电阻丝加热法所能达到的最高温度不能覆盖热故障中高温过热的区域，此外这种加热法对电阻丝材料和品质要求很高，在高温环境下容易老化断裂，使用寿命较短，能力转化率低。
发明内容
针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种基于涡流加热的植物油变压器热故障模拟系统，采用铁磁性材料作为加热源，并基于涡流加热原理对植物绝缘油加热，从而能够准确模拟变压器的热故障状态。
为实现上述目的，本公开提出以下技术方案：
一种基于涡流加热的植物油变压器热故障模拟系统，包括：
存储装置，所述存储装置包括装置主体，用于存储植物绝缘油，所述装置主体上设置有进油口和出油口；
电磁加热装置，通过输油管道分别连接至存储装置的进油口和出油口，利用电磁感应以形成涡流对流过的植物绝缘油进行加热；
冷凝装置，置于输油管道上，用于对在输油管道内循环流动的植物绝缘油进行冷凝处理。
优选的，所述电磁加热装置包括电磁感应单元和涡流加热板，其中，
所述电磁感应单元用于通过电磁感应产生电磁场；
所述涡流加热板位于所述电磁感应单元下方，用于对通过电磁感应产生的电磁场进行切割形成涡流，以对植物绝缘油进行加热。
优选的，所述电磁感应单元包括励磁线圈和控制电路。
优选的，所述涡流加热板的制备材料包括如下任一：普通钢板、镀锌钢板和硅钢板。
优选的，所述电磁加热装置还包括温度监测单元，所述温度监测单元包括若干热电偶，分布于加热单元中以及输油管道上，分别用于对涡流加热板以及流过加热单元之前和之后的植物绝缘油的温度进行监测。
优选的，所述冷凝装置包括电热恒温水槽。
优选的，所述系统还包括气压平衡装置，用于平衡所述装置主体的内外气压。
优选的，所述气压平衡装置包括腔体和排气弯管，所述腔体内填充有植物绝缘油，所述排气弯管的一端通过泄压接口与存储装置相连，另一端位于腔体内植物绝缘油液面下方。
优选的，本公开还提出一种基于涡流加热的植物油变压器热故障模拟方法，包括如下步骤：
S100：对存储装置进行抽真空处理，然后注入植物绝缘油；
S200：继续对存储装置进行抽真空处理，然后注入氮气；
S300：将励磁线圈置于涡流加热板下方，通过控制电路产生电流，并与励磁线圈通过电磁感应产生磁场，所述磁场在涡流加热板形成涡流开始对流过涡流加热板的植物绝缘油加热；
S400：启动冷凝装置，对输油管道中循环流动的植物绝缘油进行冷凝处理，同时通过热电偶监测涡流加热板处的温度及输油管道中的植物绝缘油的温度。
优选的，步骤S300中，励磁线圈置于涡流加热板下方0.5-1cm出。
与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：
1、通过电磁感应涡流进行加热，具有节能效果好，热损失小，热效率高的优点；
2、通过设计气压平衡装置，使得装置内的气压始终接近大气压，既防止了装置内部的压力过高带来的隐患，又避免了内压过大影响实验结果。
附图说明
图1是本公开一个实施例提供的一种基于涡流加热的植物油变压器热故障模拟系统的结构示意图；
图2是本公开另一个实施例提供的存储装置的结构示意图；
图3是本公开另一个实施例提供的气压平衡装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图1至附图3详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。
一个实施例中，如图1、图2所示，本公开提供一种基于涡流加热的植物油变压器热故障模拟系统，包括：
存储装置，所述存储装置包括装置主体，用于存储植物绝缘油，所述装置主体上设置有进油口和出油口；
电磁加热装置，通过输油管道分别连接至存储装置的进油口和出油口，利用电磁感应以形成涡流对流过的植物绝缘油进行加热；
冷凝装置，置于输油管道上，用于对在输油管道内循环流动的植物绝缘油进行冷凝处理。
与现有的热故障模拟装置所存在的热效率低、不能覆盖热故障所有温度区间的不足相比，由于电磁感应涡流加热避免了装置在热交换或热辐射过程中的热能损耗，热故障装置的输出功率可以等效成植物油吸收的热量，因此，本实施例基于电磁感应涡流加热原理设计的装置具有节能效果好，热损失小，热效率高的优点。
另一个实施例中，所述电磁加热装置包括电磁感应单元和涡流加热板，其中，
所述电磁感应单元包括励磁线圈和供电模块以及控制模块，用于通过电磁感应产生电磁场；
所述涡流加热板位于所述励磁线圈下方，用于对通过电磁感应产生的电磁场进行切割形成涡流，以对植物绝缘油进行加热。
本实施例通过利用电磁感应在涡流加热板内产生的涡流发热达到加热的目的。具体的，电流通过励磁线圈产生交变磁场，交变磁力线穿透涡流加热板体在其表面形成回路，产生无数的小涡流。因为涡流加热板的电阻很小，从而产生的感应电流很大，能在其内产生大量的焦耳热，使被加热的部分自行高速发热，即通过电磁感应把电能传递给被涡流加热板，电能在涡流加热板内部转变为热能。与传统的电阻丝加热方式相比，由于励磁线圈与涡流加热板并不直接接触，能量通过电磁感应进行传递，能够减少热传导和空气热对流的损耗，热效率可达85％以上，能够在短时间内将植物绝缘油加热到700℃以上，相比电阻丝加热，其加热效率以及加热效果均有大幅度提升。
另外，供电模块所产生的工频电流经变频成为中高频电流，流经励磁线圈产生中高频的交变磁场，中高频交变磁场的磁力线通过涡流加热板时产生强大的涡流，使其温度升高至700℃以上，从而达到热故障模拟的目的。热电偶将过热点的热信号转化为电信号，然后传递到控制电路，控制模块对输入的电信号进行处理后将控制信号传递到供电模块，进而控制供电模块所输出电流的大小，从而达到控制电磁场强度并进一步控制加热温度的目的。
下面，本实施例从涡流加热功率与励磁线圈、励磁电流和钢板磁导率的关系方面进一步说明本技术方案的原理：
假设励磁线圈通入电流I(t)＝I0sinωt，从而产生磁感应强度为B(t)＝KμnI(t)的交变磁场，其中K的值与线圈的参数有关，μ为钢板的磁导率，n为线圈匝数。交变磁场方向从涡流加热板的底部沿径向分布，以涡流加热板的中心为圆心，内圆半径为R-h/2，宽为h的圆环面上的磁通量大小为φ(t)＝2KμnπRhI(t)，因此，在圆环面上切割交变磁场产生的涡流大小i有如下关系：
假设涡流加热板的电阻一定，则涡流加热功率取决于P∝i2∝μ2n2I0 2ω2。因此，涡流加热的功率与励磁线圈的匝数平方成正比，与励磁电流的频率平方成正比，与励磁电流的大小平方成正比，与涡流加热板的磁导率平方成正比。所以，在线圈匝数一定的情况下，可以通过相应的电路来控制输出功率和频率的大小，进而实现温度的控制。
相比传统的电阻丝加热，通过电磁感应涡流加热的方式可以获得较高的热效率，下面就结合具体实施例对本实施例所能达到的热效率进行详细说明：
在植物油变压器热故障模拟装置安装完毕后，设置不同的实验温度，给磁场发生装置通电，测出各温度控制下输出电流的大小并求得装置的输入功率，如表1所示：
表1
| 温度 | 电流I | 电压U | 输入功率P＝UI |
| 700 | 17.44 | 220V | 3836.8 |
| 600 | 14.98 | 220V | 3295.6 |
| 500 | 12.65 | 220V | 2783 |
| 400 | 10.22 | 220V | 2248.4 |
| 300 | 7.78 | 220V | 1711.6 |
| 200 | 5.36A | 220V | 1179.2 |
由于电磁感应涡流加热避免了装置在热交换或热辐射过程中的热能损耗，热故障装置的输出功率可以等效成植物油吸收的热量。由传热公式P1＝cmΔt，其中c为植物油的比热，J/(kg·℃)；Δt为植物油的温升，℃，由图1中热电偶3测得的数值减去热电偶1测得的数值得到；m为植物油的流量，kg/s，循环油泵处配有流量计，m等于植物油密度乘以体积流量。
由于当热故障的温度高于400℃时，植物油分解会产生大量气体，第一会影响流量稳定性，第二大量分解吸收了很多能量，使得热效率的计算并不能简单地通过比热、温升、流量这三个参数来估计，因此，选用当热故障温度设定为300℃时，进行热效率的估算。
植物油的流量设定为m＝0.92×1÷60＝0.015kg/s；
植物油的比热容取c＝2250J/(kg·℃)；
所以，P1＝cmΔt＝2250×0.015×46＝1518.75J/s
由表1可知，装置的输入功率为P＝1711.6W，所以，植物油变压器热故障装置的热效率为：
η＝P1/P＝1518.75÷1711.6×100％＝88.73％
由上述可知，本实施例所公开的技术方案可以获得很高的加热效率，相比电阻加热，具有节能效果好，热损失小的优点。
另一个实施例中，所述涡流加热板的制备材料包括如下任一：普通钢板、镀锌钢板和硅钢板。
由前述实施例中的P∝i2∝μ2n2I0 2ω2可知，热功率P的大小与金属磁导率的平方成正比，所以应选择磁导率高且耐温性能好的材料来制作涡流加热板。具有上述特性的除了普通钢板之外，还包括镀锌钢板和硅钢板。其中，硅钢板作为变压器铁芯材料，在它上面产生热点能够更好地模拟变压器实际的热故障环境，因此，本实施例优选硅钢板作为涡流加热板的制备材料。
另一个实施例中，所述电磁加热装置还包括温度监测单元，所述温度监测单元包括若干热电偶，分布于加热单元中以及输油管道上，分别用于对涡流加热板以及流过加热单元之前和之后的植物绝缘油的温度进行监测。
本实施例中，如图1所示，热电偶2将过热点的热信号转化为电信号，并将电信号传递到控制电路，控制电路根据热信号的强弱对加热温度进行判断，并根据判断结果对电磁加热装置的输出功率进行控制，从而达到加热温度控制的目的。热电偶1和3分布于输油管道上，用于检测植物绝缘油在流经涡流加热板前后的温度变化。
另一个实施例中，所述冷凝装置包括电热恒温水槽。
本实施例中，在加热过程中，靠近加热装置的管道的温度会不断升高，长时间加热后，系统的油温可能会显著升高。通过采用冷凝装置对管道内的植物绝缘油进行冷却，使得加热区域完全局限于涡流加热板内，即使加热时间足够长，流入存储装置内的植物绝缘油也仍然会保持在室温。
另一个实施例中，所述系统还包括气压平衡装置，用于平衡所述装置主体的内外气压。
本实施例中，由于绝缘油受热分解后产生的气体和装置中充入的氮气在受热膨胀后都会使存储装置内部的体系压力升高，而存储装置内部的压力过高不仅会影响绝缘油热分解的过程进而影响实验结果，还可能发生爆炸造成安全事故，因此，为了使装置内外的气压尽可能平衡，需要增加气压平衡装置的内外气压。
另一个实施例中，所述气压平衡装置包括腔体和排气弯管，所述腔体内填充有植物绝缘油，所述排气弯管的一端通过泄压接口与存储装置相连，另一端位于腔体内植物绝缘油液面下方。
本实施例中，由于气压平衡装置中绝缘油的液面高度高于排气口的高度，将排气管直接通入到绝缘油中，绝缘油会形成完好的液封，因此外部环境中的气体不会进入到存储装置中影响实验的结果。
另一个实施例中，本公开还提供一种植物油变压器热故障模拟方法，包括如下步骤：
S100：对存储装置进行抽真空处理，然后注入植物绝缘油；
S200：继续对存储装置进行抽真空处理，然后注入氮气；
S300：将励磁线圈置于涡流加热板下方，通过控制电路产生电流，并与励磁线圈通过电磁感应产生磁场，所述磁场在涡流加热板形成涡流开始对流过涡流加热板的植物绝缘油加热；
S400：启动冷凝装置，对输油管道中循环流动的植物绝缘油进行冷凝处理，同时通过热电偶监测涡流加热板处的温度及输油管道中的植物绝缘油的温度。
另一个实施例中，步骤S300中，励磁线圈置于涡流加热板下方0.5-1cm处。
本实施例中，当励磁线圈通入的交流电参数一定时，其产生的磁场也是一定的。磁通量大小取决于涡流加热板与磁场的相对位置关系。对于平面的盘型线圈，由其磁感应线的分布特点，距离线圈越近，涡流加热板切割磁力线越多，即通过涡流加热板表面的磁通量越大，加热效果越强；与励磁线圈的距离越远，涡流加热板所在空间的磁感线分布就越稀疏，加热效果越弱。所以，在留有裕度容易操作的情况下且保证励磁线圈与涡流加热板间的贴合程度尽量紧密，选择励磁线圈置于涡流加热板下方0.5-1cm处，所达到的加热效果最佳。
以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
Claims (10)
1.一种基于涡流加热的植物油变压器热故障模拟系统，包括：
存储装置，所述存储装置包括装置主体，用于存储植物绝缘油，所述装置主体上设置有进油口和出油口；
电磁加热装置，通过输油管道分别连接至存储装置的进油口和出油口，利用电磁感应以形成涡流对流过的植物绝缘油进行加热；
冷凝装置，置于输油管道上，用于对在输油管道内循环流动的植物绝缘油进行冷凝处理。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，优选的，所述电磁加热装置包括电磁感应单元和涡流加热板，其中，
所述电磁感应单元用于通过电磁感应产生电磁场；
所述涡流加热板位于所述电磁感应单元下方，用于对通过电磁感应产生的电磁场进行切割形成涡流，以对植物绝缘油进行加热。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述电磁感应单元包括励磁线圈和控制电路。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述涡流加热板的制备材料包括如下任一：普通钢板、镀锌钢板和硅钢板。
5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述电磁加热装置还包括温度监测单元，所述温度监测单元包括若干热电偶，分布于加热单元中以及输油管道上，分别用于对涡流加热板以及流过加热单元之前和之后的植物绝缘油的温度进行监测。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述冷凝装置包括电热恒温水槽。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括气压平衡装置，用于平衡所述装置主体的内外气压。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述气压平衡装置包括腔体和排气弯管，所述腔体内填充有植物绝缘油，所述排气弯管的一端通过泄压接口与存储装置相连，另一端位于腔体内植物绝缘油液面下方。
9.一种根据权利要求3所述模拟系统进行热故障模拟的方法，包括如下步骤：
S100：对存储装置进行抽真空处理，然后注入植物绝缘油；
S200：继续对存储装置进行抽真空处理，然后注入氮气；
S300：将励磁线圈置于涡流加热板下方，通过控制电路产生电流，并与励磁线圈通过电磁感应产生磁场，所述磁场在涡流加热板形成涡流开始对流过涡流加热板的植物绝缘油加热；
S400：启动冷凝装置，对输油管道中循环流动的植物绝缘油进行冷凝处理，同时通过热电偶监测涡流加热板处的温度及输油管道中的植物绝缘油的温度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，步骤S300中，励磁线圈置于涡流加热板下方0.5-1cm处。
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