CN112595745B - 一种干式车载牵引变压器散热特性评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种干式车载牵引变压器散热特性评估方法，该方法通过建立干式车载牵引变压器散热特性测试平台获取不同冷却风速下施加不同负载系数后的热点温度数据和稳定时间数据，通过测试数据分别得到热点温度和稳定时间与风速的函数关系，从而确定不同负载系数下的热点系数和时间系数，最后通过评估因子的计算来评估变压器内部的散热情况。本发明利用该干式车载牵引变压器散热特性评估方法，可快捷判断给定干式车载牵引变压器散热特性的优劣，提高变压器运行的安全性和经济性。

Description

一种干式车载牵引变压器散热特性评估方法
技术领域
本发明涉及电气绝缘在线监测与故障诊断领域，特别是一种干式车载牵引变压器散热特性评估方法。
背景技术
车载牵引变压器是动车组最为核心的电气设备之一，随着我国高速铁路的迅猛发展，车载牵引变压器的损耗密度和容量也向着更高水平迈进，其性能极大地影响整车的运行可靠性和安全性。良好的散热是车载牵引变压器安全稳定运行的重要保障，内部温度过高将直接导致其寿命的提前终结。干式车载牵引变压器相比于传统油浸式车载变压器减少了绝缘油、油箱、散热器等冷却部件，利用列车运行时与空气相对运动产生的列车风冷却，冷却方式较以往存在重大改变，绕组的散热问题尤为突出，当变压器超负荷运行造成热点温度过高时，不仅会导致绕组绝缘热老化加速，严重时甚至会导致热击穿而引发火灾。因此，急需一种能够简单、快速评估干式车载牵引变压器散热特性的方法，从而对变压器内部的风道几何尺寸，绕组散热结构设计等提出意见，最大程度的防止突发事故发生，减少运维成本，降低变压器寿命损失。
发明内容
本发明为提供一种干式车载牵引变压器散热特性评估方法，该方法能够简单、快速评估和判断干式车载牵引变压器的散热特性。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下:
一种干式车载牵引变压器散热特性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、搭建干式车载牵引变压器散热特性测试平台
搭建干式车载牵引变压器散热特性测试平台，该平台包括高压鼓风机(1)、流量计(2)、转速调节器(3)、电脑终端(4)、多通道数据记录仪(5)、电压表(6)、流速计(7)、分布式温度传感器(8)、模拟负载电源(9)、气管(10)、干式车载牵引变压器(11)、万用表(12)、试验箱(13)；高压鼓风机(1)通过气管(10)与干式车载牵引变压器(11)相连，在高压鼓风机(1)的作用下，空气由右侧的试验箱(13)进入干式车载牵引变压器(11)实现绕组的冷却，转速调节器(3)与高压鼓风机(1)相连用于实现空气风速的调节与控制；模拟负载电源(9)与干式车载牵引变压器(11)相连，在电脑终端(4)的控制下可以实现不同负载系数下的加热；电压表(6)与万用表(12)均与干式车载牵引变压器(11)相连，实现对其电压电流的实时监测；将分布式温度传感器(8)粘贴在干式车载牵引变压器(11)的绕组导体上，所有温度数据均通过多通道数据记录仪(5)实时记录，并由电脑终端(4)显示，实现温度的实时监测，同时电脑终端(4)根据实时的温度数据，记录绕组导体热点温度达到稳定的时间；
第二步、测试干式车载牵引变压器热点温度及其稳定的时间，记录热点温度值与时间常数值
制定测试风速的范围为10m/s～100m/s，vk为入口风速，k＝1,2,3,…,n，10m/s≤vk≤100m/s，且v1<v2<v3<…<vn；控制负载系数为0.5，记录测试结果，各个风速下的干式车载牵引变压器绕组热点温度记为T0.5hs-k，k＝1,2,3,…,n；将电脑终端(4)显示的不同风速测试范围下绕组导体热点温度值从初始环境温度Tamb上升达到最大值T0.5hs时刻的时间段记为时间常数t0.5-k，k＝1,2,3,…,n；控制负载系数为1.0和1.5，重复记录测试结果得到负载系数为1.0时的热点温度T1.0hs-k和时间常数t1.0-k，k＝1,2,3,…,n；以及负载系数为1.5时的热点温度T1.5hs-k和时间常数t1.5-k，k＝1,2,3,…,n；测试所得温度的单位均为K，时间常数的单位均为min；
第三步、根据测试风速范围下的热点温度与时间常数值构造负载系数在0.5、1.0、1.5下热点温度以及时间常数随风速变化的函数关系
Figure GDA0003175729210000021
Figure GDA0003175729210000022
Figure GDA0003175729210000023
Figure GDA0003175729210000024
Figure GDA0003175729210000031
Figure GDA0003175729210000032
Figure GDA0003175729210000033
式中，Nk(v)为风速为vk下的基函数，k＝1,2,3,…,n；T0.5hs(v)，T1.0hs(v)，T1.5hs(v)分别为负载系数为0.5、1.0、1.5时热点温度随风速变化的函数关系，t0.5(v)，t1.0(v)，t1.5(v)分别为负载系数为0.5、1.0、1.5下时间常数随风速变化的函数关系；
第四步、计算负载系数为0.5、1.0、1.5时的热点系数和时间系数
1)将T0.5hs(v)、t0.5(v)带入公式，计算负载系数为0.5的热点系数ε0.5-r与时间系数ε0.5-t；
Figure GDA0003175729210000034
Figure GDA0003175729210000035
2)将T1.0hs(v)、t1.0(v)带入公式，计算负载系数为1.0的热点系数ε1.0-r与时间系数ε1.0-t；
Figure GDA0003175729210000036
Figure GDA0003175729210000037
3)将T1.5hs(v)、t1.5(v)带入公式，计算负载系数为1.5的热点系数ε1.5-r与时间系数ε1.5-t；
Figure GDA0003175729210000038
Figure GDA0003175729210000039
第五步、根据评估因子θ的计算来判断变压器绕组内部的散热特性
Figure GDA00031757292100000310
若0<θ≤1，则说明干式车载牵引变压器的散热特性良好，若θ>1，则说明该变压器的散热特性需要改进。
本发明的有益效果在于，一种干式车载牵引变压器散热特性评估方法具有以下优点：
本发明通过建立干式车载牵引变压器散热特性测试平台获取不同冷却风速下施加不同负载系数后，干式车载牵引变压器热点温度和稳定时间与冷却风速的变化关系，从而确定不同负载系数下的热点系数和时间系数，最终通过评估因子的计算来评估变压器内部的散热情况。本发明利用该干式车载牵引变压器散热特性评估方法，可快捷准确得评估给定干式车载牵引变压器散热特性的优劣，从而对变压器内部的风道几何尺寸，绕组散热结构设计等提出意见，最大程度的防止突发事故发生，减少运维成本，提高变压器运行的安全性和经济性。
附图说明
图1为表示的是本发明涉及的一种干式车载牵引变压器散热特性测试平台示意图；
图2为表示的是本发明方法流程图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明：
本发明提供的方法包括如下步骤：
第一步、搭建干式车载牵引变压器散热特性测试平台
如图1所示，搭建干式车载牵引变压器散热特性测试平台，该平台包括高压鼓风机1、流量计2、转速调节器3、电脑终端4、多通道数据记录仪5、电压表6、流速计7、分布式温度传感器8、模拟负载电源9、气管10、干式车载牵引变压器11、万用表12、试验箱13；高压鼓风机1通过气管10与干式车载牵引变压器11相连，在高压鼓风机1作用下，空气由右侧的试验箱13进入干式车载牵引变压器11实现绕组的冷却，转速调节器3与高压鼓风机1相连用于实现空气风速的调节与控制；模拟负载电源9与干式车载牵引变压器11相连，在电脑终端4的控制下可以实现不同负载系数下的加热；电压表6与万用表12均与干式车载牵引变压器11相连，实现对其电压电流的实时监测，将分布式温度传感器8粘贴在干式车载牵引变压器11的绕组导体上，所有温度数据均通过多通道数据记录仪5实时记录，并由电脑终端4显示，实现温度的实时监测，同时电脑终端4根据实时的温度数据，记录绕组导体热点温度达到稳定的时间；
第二步、测试干式车载牵引变压器热点温度及其稳定的时间，记录热点温度值与时间常数值
制定测试风速的范围为10m/s～100m/s，vk为入口风速，k＝1,2,3,…,n，10m/s≤vk≤100m/s，且v1<v2<v3<…<vn，控制负载系数为0.5，分别设置风速vk为10m/s，20m/s，30m/s，40m/s，50m/s，60m/s，70m/s，80m/s，90m/s，100m/s；得到各个风速下的热点温度记为T0.5hs-k，k＝1,2,3,…,10，分别为350.6K，346.1K，342.8K，337.2K，335.4K，330.7K，328.6K，325.9K，322.7K，320.1K；将电脑终端(4)显示的不同风速测试范围下绕组导体热点温度值从初始环境温度Tamb＝300K上升达到最大值T0.5hs时刻的时间段记为时间常数t0.5-k，k＝1,2,3,…,10，分别为156.2min，153.9min，148.5min，141.2min，137.5min，131.1min，126.2min，123.2min，119.3min，116.4min；控制负载系数为1.0和1.5，重复记录测试结果得到负载系数为1.0时的热点温度和时间常数：T1.0hs-k，k＝1,2,3,…,10，分别为422.5K，416.4K，411.3K，409.8K，404.6K，394.1K，390.5K，386.2K，381.3K，376.5K；t1.0-k，k＝1,2,3,…,10，为237.6min，224.8min，220.5min，217.1min，213.8min，200.3min，195.7min，191.4min，186.5min，178.2min；以及负载系数为1.5时的热点温度和时间常数：T1.5hs-k，k＝1,2,3,…,10，分别为516.1K，511.9K，508.6K，501.7K，492.7K，487.6K，482.6K，479.5K，473.4K，469.7K；t1.5-k，k＝1,2,3,…,10，为304.9min，300.6min，293.6min，286.5min，271.1min，267.3min，260.7min,251.3min，248.5min，241.2min；
第三步、根据测试风速范围下的热点温度与时间常数值构造负载系数在0.5、1.0、1.5下热点温度以及时间常数随风速变化的函数关系：
Figure GDA0003175729210000051
Figure GDA0003175729210000052
Figure GDA0003175729210000053
Figure GDA0003175729210000054
Figure GDA0003175729210000061
Figure GDA0003175729210000062
Figure GDA0003175729210000063
式中，Nk(v)为风速为vk下的基函数，k＝1,2,3,…,10；T0.5hs(v)，T1.0hs(v)，T1.5hs(v)分别为负载系数为0.5、1.0、1.5时热点温度随风速变化的函数关系，t0.5(v)，t1.0(v)，t1.5(v)分别为负载系数为0.5、1.0、1.5下时间常数随风速变化的函数关系；
第四步、计算负载系数为0.5、1.0、1.5时的热点系数和时间系数
1)将T0.5hs(v)、t0.5(v)带入公式，计算负载系数为0.5的热点系数ε0.5-r与时间系数ε0.5-t；
Figure GDA0003175729210000064
Figure GDA0003175729210000065
计算得到ε0.5-r＝13.76；ε0.5-t＝0.33；
2)将T1.0hs(v)、t1.0(v)带入公式，计算负载系数为1.0的热点系数ε1.0-r与时间系数ε1.0-t；
Figure GDA0003175729210000066
Figure GDA0003175729210000067
计算得到ε1.0-r＝23.72；ε1.0-t＝0.49；
3)将T1.5hs(v)、t1.5(v)带入公式，计算负载系数为1.5的热点系数ε1.5-r与时间系数ε1.5-t；
Figure GDA0003175729210000068
Figure GDA0003175729210000069
计算得到ε1.5-r＝26.45；ε1.5-t＝0.53；
第五步、根据评估因子θ的计算来判断变压器绕组内部的散热特性：
Figure GDA0003175729210000071
将负载系数为0.5、1.0、1.5时的热点系数和时间系数带入计算，得到θ＝1.173，该变压器的散热特性不能满足需求，内部风道结构仍需要进一步改善。

Claims (1)

1.一种干式车载牵引变压器散热特性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、搭建干式车载牵引变压器散热特性测试平台
搭建干式车载牵引变压器散热特性测试平台，该平台包括高压鼓风机(1)、流量计(2)、转速调节器(3)、电脑终端(4)、多通道数据记录仪(5)、电压表(6)、流速计(7)、分布式温度传感器(8)、模拟负载电源(9)、气管(10)、干式车载牵引变压器(11)、万用表(12)、试验箱(13)；高压鼓风机(1)通过气管(10)与干式车载牵引变压器(11)相连，在高压鼓风机(1)的作用下，空气由右侧的试验箱(13)进入干式车载牵引变压器(11)实现绕组的冷却，转速调节器(3)与高压鼓风机(1)相连用于实现空气风速的调节与控制；模拟负载电源(9)与干式车载牵引变压器(11)相连，在电脑终端(4)的控制下可以实现不同负载系数下的加热；电压表(6)与万用表(12)均与干式车载牵引变压器(11)相连，实现对其电压电流的实时监测；将分布式温度传感器(8)粘贴在干式车载牵引变压器(11)的绕组导体上，所有温度数据均通过多通道数据记录仪(5)实时记录，并由电脑终端(4)显示，实现温度的实时监测，同时电脑终端(4)根据实时的温度数据，记录绕组导体热点温度达到稳定的时间；
第二步、测试干式车载牵引变压器热点温度及其稳定的时间，记录热点温度值与时间常数值
制定测试风速的范围为10m/s～100m/s，vk为入口风速，k＝1,2,3,…,n，10m/s≤vk≤100m/s，且v1<v2<v3<…<vn；控制负载系数为0.5，记录测试结果，各个风速下的干式车载牵引变压器绕组热点温度记为T0.5hs-k，k＝1,2,3,…,n；将电脑终端(4)显示的不同风速测试范围下绕组导体热点温度值从初始环境温度Tamb上升达到最大值T0.5hs时刻的时间段记为时间常数t0.5-k，k＝1,2,3,…,n；控制负载系数为1.0和1.5，重复记录测试结果得到负载系数为1.0时的热点温度T1.0hs-k和时间常数t1.0-k，k＝1,2,3,…,n；以及负载系数为1.5时的热点温度T1.5hs-k和时间常数t1.5-k，k＝1,2,3,…,n；测试所得温度的单位均为K，时间常数的单位均为min；
第三步、根据测试风速范围下的热点温度与时间常数值构造负载系数在0.5、1.0、1.5下热点温度以及时间常数随风速变化的函数关系
Figure FDA0003175729200000011
Figure FDA0003175729200000012
Figure FDA0003175729200000021
Figure FDA0003175729200000022
Figure FDA0003175729200000023
Figure FDA0003175729200000024
Figure FDA0003175729200000025
Figure FDA0003175729200000026
Figure FDA0003175729200000027
式中，Nk(v)为风速为vk下的基函数，k＝1,2,3,…,n；T0.5hs(v)，T1.0hs(v)，T1.5hs(v)分别为负载系数为0.5、1.0、1.5时热点温度随风速变化的函数关系，t0.5(v)，t1.0(v)，t1.5(v)分别为负载系数为0.5、1.0、1.5下时间常数随风速变化的函数关系；
第四步、计算负载系数为0.5、1.0、1.5时的热点系数和时间系数
1)将T0.5hs(v)、t0.5(v)带入公式，计算负载系数为0.5的热点系数ε0.5-r与时间系数ε0.5-t；
Figure FDA0003175729200000028
Figure FDA0003175729200000029
2)将T1.0hs(v)、t1.0(v)带入公式，计算负载系数为1.0的热点系数ε1.0-r与时间系数ε1.0-t；
Figure FDA00031757292000000210
Figure FDA00031757292000000211
3)将T1.5hs(v)、t1.5(v)带入公式，计算负载系数为1.5的热点系数ε1.5-r与时间系数ε1.5-t；
Figure FDA00031757292000000212
Figure FDA0003175729200000031
第五步、根据评估因子θ的计算来判断变压器绕组内部的散热特性
Figure FDA0003175729200000032
若0<θ≤1，则说明干式车载牵引变压器的散热特性良好，若θ>1，则说明该变压器的散热特性需要改进。
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