CN112818572A - 一种油浸式变压器绕组区域结构参数的优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了油浸式变压器绕组区域结构参数的优化方法，包括构建油浸式变压器磁场—电路耦合仿真模型，计算获得每匝导体的电阻损耗以及涡流损耗，建立变压器绕组区域的流场—温度场耦合有限元仿真模型，获得绕组区域的温度、热流密度及周围油道流速分布，选取影响油浸式变压器绕组区域的结构参数，获得不同绕组结构参数下的温度场仿真结果并记录绕组热点温度，分析各参数对绕组热点温度的影响规律并获得变压器热点温度与绕组结构参数间的二次回归方程，获得在绕组热点温度为最小值时的最佳绕组结构参数；本发明根据方程式的计算结果可对绕组区域的结构参数进行优化，从而达到了显著降低绕组热点温度的目的。

Description

一种油浸式变压器绕组区域结构参数的优化方法
技术领域
本发明属于变压器技术领域，具体涉及一种油浸式变压器绕组区域结构参数的优化方法。
背景技术
电力变压器作为电力系统和广大企业用户广泛应用的电气设备，能够联络电网并把供电网络上的电压转换为用户端可以使用的电压，电力变压器在电力的输送、分配和使用过程中发挥着最为核心的作用。
在电力变压器运行的过程中，变压器内的绕组温升是影响其运行状态最为关键的因素之一，变压器内绕组过热会加速变压器绝缘材料的劣化，影响变压器的使用寿命。在油浸式变压器绕组区域中，入口质量流量、水平油道内侧宽度、竖直油道底部宽度和油流进出口宽度等结构参数均会对变压器绕组的温升产生影响。因此，分析这些参数对绕组温升的影响规律，并对上述结构参数进行优化，对于油浸式变压器的绕组区域结构设计具有重要的指导意义。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种油浸式变压器绕组区域结构参数的优化方法，通过将电磁场—流场—温度场多物理场耦合方法与响应面分析法相结合，以较小的样本数据建立起变压器绕组区域多结构参数影响的绕组热点温度回归方程，再根据方程式的结果对绕组区域的结构参数进行优化，以最终达到显著降低绕组热点温度的目的。
本发明的技术方案是油浸式变压器绕组区域结构参数的优化方法，包括以下步骤，
步骤1：根据变压器的结构及电气参数，基于有限元法，构建变压器的电路—磁场耦合仿真模型，获得绕组区域的电流和磁场分布特点；
步骤2：根据绕组区域的电流及磁场分布，计算获得每匝导体的电阻损耗和涡流损耗；
步骤3：根据步骤2得到的绕组总损耗，考虑绕组温度对材料及周围流体物性的影响，通过热源加载、材料参数设置、网格剖分和边界条件设置，建立变压器绕组区域的流场—温度场耦合有限元仿真模型，获得绕组区域的温度、热流密度及周围油道流速分布；
步骤4：采用响应面分析法中的Box-Behnken Design建立数学模型，以热点温度作为优化目标进行实验设计，结合变压器绕组的结构特点，选取影响油浸式变压器绕组区域的结构参数；
步骤5：根据步骤3建立的变压器绕组区域的流场—温度场耦合有限元仿真模型，获得不同绕组结构参数下的温度场仿真结果，记录绕组热点温度；
步骤6：根据不同结构参数下绕组热点温度，基于design-expert软件，分析各参数对绕组热点温度的影响规律，获得变压器热点温度与绕组结构参数间的二次回归方程；
步骤7：根据步骤6所得的回归方程，通过MATLAB软件计算获得在约束条件内的目标函数，即绕组热点温度的最小值，进而获得当绕组热点温度为最小值时的最佳绕组结构参数。
步骤2中，每匝导体的总损耗值，为每匝导体上的涡流损耗值和电阻损耗值的总和。
步骤4中，所述影响油浸式变压器绕组区域的结构参数，包括油流入口宽度A，油流出口宽度B，入口质量流量C，水平油道内侧宽度D和竖直油道底部宽度E。
步骤6中，变压器绕组热点温度与绕组结构参数间的二次回归方程为：T=T(A,B,C,D,E)，在本方程式中，二次回归方程的表达式为：T=420.1962+58995A+57723B－1.1968C－29.1083D+7.7610E－0.0008AB－0.0031AC+0.0070AD+0.04844AE+0.0063BC－0.02063BD－0.0338BE－0.4575CD+0.0700CE－0.2788DE－0.4795A2－0.3081B2+02506C2+21231D2－07875E2；
由于入口质量流量C与绕组热点温度T的值呈负相关关系，在式中将入口质量流量C的取值限定为定值，式中其他参数变量的约束条件为：Amin≤A≤Amax、Bmin≤B≤Bmax、Dmin≤D≤Dmax、Emin≤E≤Emax。
步骤7中，通过MATLAB软件计算获得在约束条件内的目标函数，当绕组热点温度T为最小值时，油浸式变压器绕组区域最佳绕组结构参数的取值建议如下：
油流入口宽度A的取值建议为6.4，油流出口宽度的取值建议为9.2，入口质量水平油道内侧宽度D的取值建议为7，竖直油道底部宽度E的取值建议为4.4，入口质量流量C的取值建议为变压器设计范围内的最大值。
相比现有技术，本发明的有益效果：
1、根据变压器的电磁场—流场—温度场耦合仿真方法，获得了变压器绕组区域温度、油道流速和热流密度的分布特点；
2、将响应面分析法与有限元法相结合，可通过较少的样本数据，得到变压器绕组各结构参数对绕组热点温度的影响规律，以及各结构参数与绕组热点温度间的二次回归方程；
3、通过各结构参数与绕组热点温度间的二次回归方程，可计算出最佳的变压器绕组结构参数，当采用最佳的变压器绕组结构参数时，变压器的绕组温度会显著降低，对变压器的优化设计具有重要的指导意义。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为油浸式变压器绕组区域结构参数的优化方法的设计流程图；
图2为变压器部分绕组铁心结构三维示意图；
图3为变压器绕组第一个通道的二维示意图；
图4为变压器绕组区域横向磁通密度分布仿真结果示意图；
图5为变压器绕组区域纵向磁通密度分布仿真结果示意图；
图6为变压器绕组第一个通道内的温度场仿真结果示意图；
图7为变压器绕组第一个通道内结构参数的选取示意图。
图中：变压器铁心1，变压器低压绕组2，变压器油流出口3，挡油板4，绝缘筒5，线饼6，变压器油流入口7，油流入口宽度A，油流出口宽度B，水平油道内侧宽度D，竖直油道底部宽度E。
具体实施方式
如图1至图7所示，实例中的变压器采用油浸式变压器，油浸式变压器绕组区域结构参数的优化方法，包括以下步骤。
步骤1：根据变压器的结构及电气参数，建立二维轴对称模型；结合实际的铁心、绕组金属导体、绝缘材料及变压器油的特性，在模型中设置相应的材料属性，按照变压器实际的运行工况，建立变压器的场路耦合有限元模型，获得绕组中导体的电流及绕组区域的磁场分布特点；
步骤2：根据绕组区域的电流及磁场分布，计算获得每匝导体的电阻损耗以及涡流损耗；
其中每匝导体电阻损耗可由导体中流过的电流以及导体电阻计算得到，导体电阻可根据实际的材料电阻率、导体横截面积以及半径计算得到；根据绕组区域单匝导体的径向和轴向磁场分布，结合单匝导体截面、频率及材料电阻率，可获得绕组中每匝导体的涡流损耗。将计算得到的变压器绕组每匝导体中的电阻损耗和涡流损耗相加，即为每匝导体的总损耗；
变压器绕组中每匝导体流过的电流相同，故每匝导体的电阻损耗均相同。由于绕组区域的磁场分布不均匀，按照步骤1获得的磁场密度分布可知，磁通密度线在绕组区域周围呈现为一个椭圆形，位于上方及下方部分导体的表面径向漏磁通密度较大，而位于中间部分的径向漏磁通密度较小，而所有导体的纵向漏磁通密度基本相同，因此处于绕组上方及下方部分导体的涡流损耗较大，总损耗也较大；
在油浸式变压器绕组区域中，每隔一定数量的线饼交错设置一块挡油板4，而每两块挡油板4间的油道组成了变压器绕组油流结构的冷却通道。由于第一个冷却通道内的导体损耗较大，热点温度最高，绝缘劣化最严重，故选取第一个通道的结构参数进行优化。
步骤3：根据步骤2得到的绕组总损耗，考虑绕组温度对材料及周围流体物性的影响，通过热源加载、材料参数设置、网格剖分和边界条件设置，建立变压器绕组区域的流场—温度场耦合有限元仿真模型，获得绕组区域的温度、热流密度及周围油道流速分布，其中通过流场—温度场的耦合仿真模拟结果，获得变压器绕组区域的温度场仿真结果如图（6）所示。
步骤4：采用响应面分析法中的Box-Behnken Design建立数学模型，以热点温度作为优化目标进行实验设计，结合变压器绕组的结构特点，选取影响油浸式变压器绕组区域的结构参数，结合实际绝缘和散热需求，确定各参数的取值范围。
步骤5：根据步骤3建立的变压器绕组区域的流场—温度场耦合有限元仿真模型，在其他条件不变的情况下改变这五个参数，建立不同的变压器绕组区域流场—温度场仿真模型，获得不同参数下的温度场仿真结果，并记录每次仿真得到的绕组热点温度。
步骤6：根据不同结构参数下绕组热点温度，基于design-expert软件，分析各参数对绕组热点温度的影响规律，获得变压器热点温度与绕组结构参数间的二次回归方程。
步骤7：根据步骤6所得的回归方程，通过MATLAB软件计算获得在约束条件内的目标函数，即绕组热点温度的最小值，当计算得到的绕组热点温度处于最小值时，各结构参数的值即为最优值。在有限元仿真软件中，代入这些参数进行仿真，得到热点温度相较于初始绕组结构的热点温度有了较大程度的改善。
步骤4中，所述影响油浸式变压器绕组区域的结构参数，包括油流入口宽度A，油流出口宽度B，入口质量流量C，水平油道内侧宽度D和竖直油道底部宽度E；
为了兼顾计算的准确性和计算时间，采用响应面分析法与有限元法相结合，先基于design-expert软件设计的响应面分析法中的Central Composite Design建立数学模型，再以热点温度作为指标，选取A、B、C、D、E这五个参数设计响应面分析。每种因素选取5种水平，一共可获得50个样本的响应面试验表，这50次试验样本能较为全面地分析各因素对热点温度的影响。相比于全面试验法，显著减少了仿真计算的工作量。
步骤6中，变压器绕组热点温度与绕组结构参数间的二次回归方程如下：
T=T(A,B,C,D,E) （1）
在本方程式中，二次回归方程的表达式为：
T=420.1962+58995A+57723B－1.1968C－29.1083D+7.7610E
－0.0008AB－0.0031AC+0.0070AD+0.04844AE+0.0063BC
－0.02063BD－0.0338BE－0.4575CD+0.0700CE－0.2788DE
－0.4795A2－0.3081B2+02506C2+21231D2－07875E2 （2）
其中T为绕组热点温度，A为油流入口宽度，B为油流出口宽度，C为入口质量流量，D为水平油道内侧宽度，E为竖直油道底部宽度；
比较方程式的最终值得出各因素对绕组热点温度的影响强弱为以下顺序：
D＞C＞E＞B＞A （3）
由于入口质量流量C与绕组热点温度T的值呈负相关关系，在式中将入口质量流量C的取值限定为定值，式中其他参数变量的约束条件为：
Amin≤A≤Amax
Bmin≤B≤Bmax
Dmin≤D≤Dmax （4）
Emin≤E≤Emax
其中Amax、Amin分别为油流入口的最大、最小值；Bmax、Bmin分别为油流出口的最大、最小值；Dmax 、Dmin分别为油道内侧宽度的最大、最小值；Emax 、Emin分别为油道底部宽度的最大、最小值；
根据步骤6所得的回归方程，以此为目标函数，并结合上述不等式约束条件建立数学模型。
步骤7中，通过MATLAB软件计算获得在约束条件内的目标函数，当绕组热点温度T为最小值时，各结构参数的值即为最优值，各结构参数最优值的取值建议如下：
油流入口宽度A的取值建议为6.4，油流出口宽度的取值建议为9.2，水平油道内侧宽度D的取值建议为7，竖直油道底部宽度E的取值建议为4.4，入口质量流量C的取值建议为变压器设计范围内的最大值。
上面结合附图对本发明的实施进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.油浸式变压器绕组区域结构参数的优化方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤1：根据变压器的结构及电气参数，基于有限元法，构建变压器的电路—磁场耦合仿真模型，获得绕组区域的电流和磁场分布；
步骤2：根据绕组区域的电流及磁场分布，计算获得每匝导体的电阻损耗和涡流损耗；
步骤3：根据步骤2得到的绕组总损耗，考虑绕组温度对材料及周围流体物性的影响，通过热源加载、材料参数设置、网格剖分和边界条件设置，建立变压器绕组区域的流场—温度场的耦合有限元仿真模型，获得绕组区域的温度、热流密度及周围油道流速的分布特点；
步骤4：采用响应面分析法中的Box-Behnken Design建立数学模型，以热点温度作为优化目标进行实验设计，结合变压器绕组的结构特点，选取影响油浸式变压器绕组区域的结构参数；
步骤5：根据步骤3建立的变压器绕组区域的流场—温度场耦合有限元仿真模型，获得在不同绕组结构参数下的温度场仿真结果，记录绕组热点温度；
步骤6：根据不同结构参数下绕组热点温度，基于design-expert软件，分析步骤4中选取的各结构参数对绕组热点温度的影响规律，获得变压器绕组热点温度与结构参数间的二次回归方程；
步骤7：根据步骤6所得的回归方程，通过MATLAB软件计算获得在约束条件内的目标函数，即绕组热点温度的最小值，进而获得当绕组热点温度为最小值时的最佳绕组结构参数。
2.根据权利要求1所述的油浸式变压器绕组区域结构参数的优化方法，其特征在于：步骤2中，每匝导体的总损耗值，为每匝导体上的涡流损耗值和电阻损耗值的总和。
3.根据权利要求1所述的油浸式变压器绕组区域结构参数的优化方法，其特征在于：步骤4中，所述影响油浸式变压器绕组区域的结构参数，包括油流入口宽度，油流出口宽度，入口质量流量，水平油道内侧宽度和竖直油道底部宽度。
4.根据权利要求1所述的油浸式变压器绕组区域结构参数的优化方法，其特征在于：步骤6中，变压器绕组热点温度与绕组结构参数间的二次回归方程如下：
T=T(A,B,C,D,E) （1）
在本方程式中，二次回归方程的表达式为：
T=420.1962+58995A+57723B－1.1968C－29.1083D+7.7610E
－0.0008AB－0.0031AC+0.0070AD+0.04844AE+0.0063BC
－0.02063BD－0.0338BE－0.4575CD+0.0700CE－0.2788DE
－0.4795A2－0.3081B2+02506C2+21231D2－07875E2 （2）
其中T为绕组热点温度，A为油流入口宽度，B为油流出口宽度，C为入口质量流量，D为水平油道内侧宽度，E为竖直油道底部宽度；
比较方程式的最终值后得出式中各结构因素对绕组热点温度T的影响强弱顺序为：
D＞C＞E＞B＞A （3）
由于入口质量流量C与绕组热点温度T的值呈负相关关系，在式中将入口质量流量C的取值限定为定值，式中其他参数变量的约束条件为：
Amin≤A≤Amax
Bmin≤B≤Bmax
Dmin≤D≤Dmax （4）
Emin≤E≤Emax
其中Amax、Amin分别为油流入口的最大、最小值；Bmax、Bmin分别为油流出口的最大、最小值；Dmax 、Dmin分别为油道内侧宽度的最大、最小值；Emax 、Emin分别为油道底部宽度的最大、最小值。
5.根据权利要求1所述的油浸式变压器绕组区域结构参数的优化方法，其特征在于：步骤7中，通过MATLAB软件计算获得在约束条件内的目标函数，当绕组热点温度T为最小值时，油浸式变压器绕组区域最佳绕组结构参数的取值建议如下：油流入口宽度A的取值建议为6.4，油流出口宽度的取值建议为9.2，水平油道内侧宽度D的取值建议为7，竖直油道底部宽度E的取值建议为4.4，入口质量流量C的取值建议为变压器设计范围内的最大值。
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Application publication date: 20210518

Assignee: Yichang Yizhixing Technology Co.,Ltd.

Assignor: CHINA THREE GORGES University

Contract record no.: X2023980034895

Denomination of invention: An Optimization Method for the Structural Parameters of the Winding Area of an Oil Immersed Transformer

Granted publication date: 20220422

License type: Common License

Record date: 20230426

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