CN112986760A - 测试变压器油道高度与绕组温度关联性的实验装置及方法 - Google Patents

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CN112986760A CN202110167297.0A CN202110167297A CN112986760A CN 112986760 A CN112986760 A CN 112986760A CN 202110167297 A CN202110167297 A CN 202110167297A CN 112986760 A CN112986760 A CN 112986760A
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Abstract

一种测试变压器油道高度与绕组温度关联性的实验装置及方法，包括连接在油循环外管道上的绕组模型、直流电源、阀门、油箱、散热片、流量计和油泵，绕组模型包括绕组线饼、油道和绕组外壳，绕组线饼与直流电源连接，其内部放置两个热电偶，其两侧由绕组外壳支撑固定；相邻的两个绕组线饼的间隙构成油道。根据绕组模型内外径关系式和油道高度，进行m次不同油道高度的实验，分别对m次不同油道高度下各绕组线饼中的2n个热电偶温度进行记录，通过计算得出油道高度与各绕组线饼温度的关联性，得到两者的关联系结论。本本发明能够模拟变压器绝缘在绕组不同油道高度下的温度分布，有助于研究变压器在实际运行情况下不同高度的油道对绝缘内温度的影响。

Description

测试变压器油道高度与绕组温度关联性的实验装置及方法
技术领域
本发明属于变压器绝缘状态诊断领域，具体是一种测试变压器油道高度与绕组温度关联性的实验装置及方法。
背景技术
变压器作为电网电力系统最为核心和关键的设备之一，发挥着电压电流转换和输出的重要作用。伴随电力在能源的中心地位不断提升，促使保障电力安全成为能源安全的核心要素。
伴随我国大力建设电力化网络，庞大规模的油浸式变压器被投入使用。变压器运行时绕组会产生损耗而产生热量，使得该区域温度升高，而以纤维素为主要成分的绝缘纸在较高温度下会发生热降解，并导致自身机械性能降低。经过热和氧的长期累积作用，变压器整体油纸绝缘性能将逐渐劣化并形成热老化，最终导致变压器寿命殆尽而“退役”，因此为提高输配电领域资源配置效率，变压器绝缘内部的温度预测与定位尤为关键。由于变压器内部的结构不对称及油流不均匀等情形，其内部散热也伴随不均匀情况，绕组内积聚热量较多而形成的局部最高温度称为热点温度，热点温度是影响绝缘老化最为严重的因素。负载大小是影响热点温度的最主要原因，同时研究发现，不同的绕组模型内部尺寸参数改变了绝缘油与绕组线饼接触的面积，改变油道内的油流速度便直接影响着绕组内部的散热性能，改变了绕组内部的温度分布。因此，为了探究不同水平油道高度对绕组内不同位置温度分布的影响，需要一种测试装置与方法，便于更好的设计变压器参数，延长其使用寿命。
发明内容
本发明提供一种测试变压器油道高度与绕组温度关联性的实验装置及方法，能够模拟实际变压器绕组模型尺寸，测试不同油道高度下绕组的温度分布情况，有助于研究变压器在实际运行情况下不同高度的水平油道对绝缘内温度的影响，便于进一步完善变压器的绕组设计从而优化绝缘冷却性能，延长变压器的使用寿命。
为实现本发明的目的，本发明一种测试变压器油道高度与绕组温度关联性的实验装置，该装置由绕组模型、直流电源、油循环外管道、阀门、油箱、散热片、流量计、油泵组成，其中，绕组模型主要由绕组线饼、油道和绕组外壳组成，各个绕组线饼内部放置两个热电偶，每个绕组线饼端子处出线连接一个直流电源；
绕组线饼为扇形结构，其中，绕组线饼由多条经退火软化后包裹B级绝缘纸的高强度镍铬合金组成，镍铬合金条为圆弧形状；一个扇形绕组线饼由具有相同圆心角、不同半径的镍铬合金条，按弧长由小到大依次从内而外紧密排列而成；镍铬合金条间用导线首尾串联，绕组线饼扇形两侧由绕组外壳支撑固定；相邻的两个绕组线饼的间隙构成水平油道；
所述的绕组模型、阀门、油箱、散热片、流量计和油泵通过油循环外管道连接，其中，油箱出油口依次通过油泵、流量计连接绕组模型进油口，绕组模型出油口接散热片进油口，散热片出油口连接在油箱与油泵之间的油循环外管道上，阀门分别连接在油箱出油口处、散热片进油口处、散热片出油口处、油泵进油口处。
优选地，所述的绕组外壳材质为透明有机玻璃，其垂直高度上根据绕组线饼的高度等距离设置卡槽，将绕组线饼扇形两侧嵌入绕组外壳的卡槽中，起固定支撑作用，可观察内部油流情况，同时将绕组模型于轴向方向分隔为多个通道，导向油流之字形流动；共设有n块绕组线饼用以模拟变压器绕组模型，通过改变各绕组线饼与绕组外壳固定位置来改变水平油道高度。
优选地，油循环外管道的材质为不锈钢，所有固定零件都采用绝缘材料。
优选地，流量计为超声波流量计。
优选地，所述的水平油道高度为
Figure BDA0002935828920000021
第m次不同水平油道高度的实验记为Hduct (m)，Hduct (m)取Hduct±0.5mm、±1mm、±1.5mm，m＝1，2，…，n′-1，n′；Wdisc为绕组线饼的径向宽度，Hdisc为单盘绕组线饼的高度，rout为绕组线饼的外径，rin为绕组线饼的内径；绕组模型内外径由关系式为rout＝1.3×rin 0.98。
优选地，所述的扇形绕组线饼对应的圆心角为
Figure BDA0002935828920000022
为比例系数，取1.6；
根据绕组模型内外径及圆心角
Figure BDA0002935828920000023
将圆心角为
Figure BDA0002935828920000024
的弧长由小到大的镍铬合金条，依次从内而外紧密排列成绕组线饼，镍铬合金条端子处出线进行串联；由n盘绕组线饼等距离的固定在绕组外壳上，绕组线饼自下而上依次编号为1～n，每盘绕组线饼与直流电源连接。
优选地，每个直流电源的输出功率为
Figure BDA0002935828920000025
其中，i 为绕组线饼编号，绕组线饼自下而上依次为i＝1，2，…，n-1，n，P0为变压器额定空载损耗， PK为变压器额定短路损耗，K为负载系数。
一种测试变压器油道高度与绕组温度分布关联性的方法，包括以下步骤：
1)打开油箱和油循环外管道上的各处阀门，打开油泵向绕组模型和散热片中缓慢低速注入绝缘油，观察超声波流量计；待超声波流量计数值稳定后，调整油泵使得油道中的绝缘油保持设定的流速；
2)根据下述公式得出各直流电源的输出功率Pi，打开直流电源，接通各直流电源对绕组线饼同时加热相同时间，调整流量计流量为相应负载功率的平均油流量，观察并收集热电偶温度数据；
Figure BDA0002935828920000031
其中，i为绕组线饼编号，绕组线饼自下而上依次为i＝1，2，…，n-1，n，P0为变压器额定空载损耗，PK为变压器额定短路损耗，K为负载系数。
3)记录2n个热电偶的温度数据，记为
Figure BDA0002935828920000032
4)改变绕组线饼的间距即改变水平油道的高度分别为Hduct (1)，Hduct (2)，…，Hduct (m)，并重新将绕组线饼固定在绕组外壳上，重复步骤1)-步骤4)；
5)计算每次实验中各盘绕组线饼的平均温度
Figure BDA0002935828920000033
i为绕组线饼编号，绕组线饼自下而上依次为i＝1，2，…，n-1，n；
将平均温度
Figure BDA0002935828920000034
和水平油道高度代入下述公式：
Figure BDA0002935828920000035
Figure BDA0002935828920000036
其中，SH 2为水平油道高度的方差，ST 2为绕组线饼温度的方差，SHT为水平油道高度和绕组线饼的协方差；
Hduct (m)为第m次实验的水平油道高度，Hduct (m)取Hduct±0.5mm、±1mm、±1.5mm，
Figure BDA0002935828920000041
Figure BDA0002935828920000042
Wdisc为绕组线饼的径向宽度，Hdisc为单盘绕组线饼的高度，rout为绕组线饼的外径，rin为绕组线饼的内径；绕组模型内外径关系式为rout＝ 1.3×rin 0.98；
由上可得，油道高度与各绕组线饼温度的关联性系数
Figure BDA0002935828920000043
当|r|≥0.8时，视为两者高度相关，当0.5≤|r|＜0.8时，视为两者中度相关，当0.3≤|r|＜0.5时，视为两者轻度相关，当|r|≤0.3时，视为两者相关度极弱。
与现有技术相比，本发明更准确地模拟了变压器绕组油道高度和绕组模型内外径的参数，通过设置不同绕组油道高度，通过绕组外壳观测绕组油道对绕组内温度分布的关联性；同时本发明直流电源输出功率可调，可符合不同负载的工况。本发明对变压器绝缘中绕组的设计和对变压器绝缘老化的定位与预测提供重要参考意义，有助于研究变压器在实际运行情况下不同高度的水平油道对绝缘内温度的影响，便于进一步完善变压器的绕组设计从而优化绝缘冷却性能，延长变压器的使用寿命。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明绕组模型示意图；
图3为本发明绕组模型正视图；
图4为图3俯视图。
其中，1-绕组模型，2-直流电源，3-油循环外管道，4-阀门，5-油箱，6-散热片，7-流量计，8-油泵，101-绕组线饼，102-热电偶，103-油道，104-绕组外壳。
具体实施方式
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明进行说明。需要强调的是，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明专利，并不用于限定本发明专利构思及其权利要求之范围。
如图1至图4所示，本发明一种测试变压器油道高度与绕组温度分布关联性的装置，该装置由绕组模型1、直流电源2、油循环外管道3、阀门4、油箱5、散热片6、流量计7、油泵8组成，其中，绕组模型1包括绕组外壳104，绕组外壳104内部安装有多个上下排列的绕组线饼101，各个绕组线饼101内部放置两个热电偶102，用于测量绕组线饼101温度和油温，绕组模型1由所述的直流电源2加热，即每个绕组线饼101端子处出线，由所述的直流电源2单独加热，油泵8控制冷却油的流量。
绕组线饼101为扇形结构，其由多条经退火软化后包裹B级绝缘纸的高强度镍铬合金组成，铬合金条为圆弧形状；所述的一个扇形绕组线饼101由具有相同圆心角不同半径的镍铬合金条，按弧长由小到大依次从内而外紧密排列而成，镍铬合金条间用导线首尾串联并固定在绕组外壳104上；相邻的两个绕组线饼101的间隙构成水平油道103。
所述的绕组模型1、阀门4、油箱5、散热片6、流量计7和油泵8通过油循环外管道3连接，其中，油箱5出油口依次通过油泵8、流量计7连接绕组模型1进油口，绕组模型1 出油口连接散热片6进油口，散热片6出油口接在油箱5与油泵8之间的油循环外管道3上，阀门4分别连接在油箱5出油口处、散热片6进油口处、散热片6出油口处、油泵8进油口处。
为便于观察内部油流情况以及固定绕组模型1，绕组外壳104材质为透明有机玻璃，其垂直高度上根据绕组线饼101的高度等距离设置卡槽，将绕组线饼101扇形两侧嵌入绕组外壳104的卡槽中，同时将绕组模型1于轴向方向分隔为多个通道，导向油呈之字形流动；共有n块绕组线饼101用以模拟变压器绕组模型1。
作为优选方案，油循环外管道3的材质为不锈钢，所有固定零件都采用绝缘材料。
作为优选方案，流量计7为超声波流量计。
所述绕组线饼101饼与饼间构成所述水平油道103，为模拟实际变压器内部绕组模型1 尺寸参数，水平油道103高度为
Figure BDA0002935828920000051
第m次不同水平油道103高度的实验记为Hduct (m)，Hduct (m)取Hduct±0.5mm、±1mm、±1.5mm，m＝1，2，…，n′-1，n′；Wdisc为绕组线饼101的径向宽度，Hdisc为单盘绕组线饼101的高度，rout为绕组线饼101的外径，rin为绕组线饼101的内径；绕组模型1内外径关系式为rout＝1.3×rin 0.98；
为模拟实际变压器，所述的扇形绕组线饼101对应的圆心角为
Figure BDA0002935828920000052
Figure BDA0002935828920000053
为比例系数；
根据绕组模型1的内外径及圆心角
Figure BDA0002935828920000054
将圆心角为
Figure BDA0002935828920000055
的弧长由小到大的镍铬合金条，依次从内而外紧密排列成绕组线饼101，镍铬合金条端子处出线进行串联；由n盘绕组线饼101 等距离的固定在绕组外壳104上，绕组线饼101自下而上依次编号为1～n，每盘绕组线饼101 与直流电源2连接。
每盘绕组线饼101由所述的直流电源2单独加热，每个直流电源2的输出功率为
Figure BDA0002935828920000061
Figure BDA0002935828920000062
i为绕组线饼101编号，绕组线饼101自下而上依次为 i＝1，2，…，n-1，n；所述的热电偶102放置在绕组线饼101中，由图1所示每盘放置两个热电偶102以测量绕组线饼101温度。
为了保证实验过程中的安全性，所述油循环外管道3的材质为不锈钢，所有固定零件都采用绝缘材料。
基于上述实验装置的实验方法，具体包括以下步骤：
1)打开油箱5和油循环外管道3上的各处阀门4，打开油泵8向绕组模型1和散热片6中缓慢低速注入绝缘油，观察超声波流量计7；待超声波流量计7数值稳定后，调整油泵8 使得油道103中的绝缘油保持一定的流速；
2)根据下述公式得出各直流电源2的输出功率Pi，打开直流电源2，接通各直流电源2 对绕组线饼101同时加热相同时间，调整流量计7流量为相应负载功率的平均油流量，观察并收集热电偶102温度数据；
Figure BDA0002935828920000063
其中，i为绕组线饼101编号，绕组线饼101自下而上依次为i＝1，2，…，n-1，n，P0为变压器额定空载损耗，PK为变压器额定短路损耗，K为负载系数。
3)记录2n个热电偶102的温度数据，记为
Figure BDA0002935828920000064
4)改变绕组线饼101的间距即改变水平油道103的高度分别为Hduct (1)，Hduct (2)，…，Hduct (m)，并重新将绕组线饼101固定在绕组外壳104上，重复步骤1)-步骤4)。
5)计算每次实验中各盘绕组线饼101的平均温度
Figure BDA0002935828920000065
i为绕组线饼(101) 编号，绕组线饼(101)自下而上依次为i＝1，2，…，n-1，n；
将平均温度
Figure BDA0002935828920000066
和水平油道103高度代入下述公式：
Figure BDA0002935828920000071
Figure BDA0002935828920000072
其中，SH 2为水平油道103高度的方差，ST 2为绕组线饼101温度的方差，SHT为水平油道 103高度和绕组线饼101的协方差；
Hduct (m)为第m次实验的水平油道103高度，Hduct (m)取Hduct±0.5mm、±1mm、±1.5mm，
Figure BDA0002935828920000073
Wdisc为绕组线饼101的径向宽度，Hdisc为单盘绕组线饼101的高度，rout为绕组线饼101的外径，rin为绕组线饼101的内径；绕组模型1内外径关系式为rout＝1.3×rin 0.98。
由上可得，油道103高度与各绕组线饼101温度的关联性系数
Figure BDA0002935828920000074
当|r|≥0.8时，视为两者高度相关，当0.n≤|r|＜0.8时，视为两者中度相关，当0.3≤|r|＜0.5时，视为两者轻度相关，当|r|≤0.3时，视为两者相关度极弱。
通过上述实验，得出水平油道103高度与各绕组线饼101温度的关联性结论。
若关联性显示为高度相关或中度相关，可通过本实验装置多次改变水平油道103高度，观察对应绕组线饼101的温度分布，选取温度较低的水平油道103高度方案应用于实际绕组模型1设计，以延长变压器的绝缘寿命；若关联性显示为轻度相关，可在变压器模型的实际设计中次要考虑水平油道103高度因素；若关联性显示为相关度极弱，则表明不同水平油道 103高度对变压器绕组内温度分布影响微乎其微，可无需考虑此因素。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明阐述的技术范围内，在不做出创造性改动或替换下，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种测试变压器油道高度与绕组温度关联性的实验装置，其特征在于，该装置由绕组模型(1)、直流电源(2)、油循环外管道(3)、阀门(4)、油箱(5)、散热片(6)、流量计(7)、油泵(8)组成，其中，绕组模型(1)主要由绕组线饼(101)、油道(103)和绕组外壳(104)组成，各个绕组线饼(101)内部放置两个热电偶(102)，每个绕组线饼(101)端子处出线连接一个直流电源(2)；
所述的绕组线饼(101)为扇形结构，绕组线饼(101)由多条经退火软化后包裹B级绝缘纸的高强度镍铬合金组成，镍铬合金条为圆弧形状；一个扇形绕组线饼(101)由具有相同圆心角、不同半径的镍铬合金条，按弧长由小到大依次从内而外紧密排列而成；镍铬合金条间用导线首尾串联，绕组线饼(101)扇形两侧由绕组外壳(104)支撑固定；相邻的两个绕组线饼(101)的间隙构成水平油道(103)；
所述的绕组模型(1)、阀门(4)、油箱(5)、散热片(6)、流量计(7)和油泵(8)通过油循环外管道(3)连接，其中，油箱(5)出油口依次通过油泵(8)、流量计(7)连接绕组模型(1)进油口，绕组模型(1)出油口连接散热片(6)进油口，散热片(6)出油口接在油箱(5)与油泵(8)之间的油循环外管道(3)上，阀门(4)分别连接在油箱(5)出油口处、散热片(6)进油口处、散热片(6)出油口处、油泵(8)进油口处。
2.如权利要求1所述的一种测试变压器油道高度与绕组温度关联性的实验装置，其特征在于，所述的绕组外壳(104)材质为透明有机玻璃，其垂直高度上根据绕组线饼(101)的高度等距离设置卡槽；将绕组线饼(101)扇形两侧嵌入绕组外壳(104)的卡槽中，共设有n块用以模拟变压器绕组模型(1)的绕组线饼(101)；通过改变各绕组线饼(101)与绕组外壳(104)固定位置来改变水平油道(103)高度。
3.如权利要求1或2所述的一种测试变压器油道高度与绕组温度关联性的实验装置，其特征在于，油循环外管道(3)的材质为不锈钢，所有固定零件都采用绝缘材料。
4.如权利要求1或2所述的一种测试变压器油道高度与绕组温度关联性的实验装置，其特征在于，流量计(7)为超声波流量计。
5.如权利要求2所述的一种测试变压器油道高度与绕组温度关联性的实验装置，其特征在于，水平油道(103)高度为
Figure FDA0002935828910000011
第m次不同水平油道(103)高度的实验记为Hduct (m)，Hduct (m)取Hduct±0.5mm、±1mm、±1.5mm，m＝1，2，…，n′-1，n′；Wd覀sc为绕组线饼(101)的径向宽度，Hd覀sc为单盘绕组线饼(101)的高度，rout为绕组线饼(101)的外径，rin为绕组线饼(101)的内径；绕组模型(1)内外径关系式为rout＝1.3×rin 0.98。
6.如权利要求1所述的一种测试变压器油道高度与绕组温度关联性的实验装置，其特征在于，扇形绕组线饼(101)对应的圆心角为
Figure FDA0002935828910000021
Figure FDA0002935828910000022
为比例系数；
根据绕组模型(1)内外径及圆心角
Figure FDA0002935828910000023
将圆心角为
Figure FDA0002935828910000024
的弧长由小到大的镍铬合金条，依次从内而外紧密排列成绕组线饼(101)，镍铬合金条端子处出线进行串联；由n盘绕组线饼(101)等距离的固定在绕组外壳(104)上，绕组线饼(101)自下而上依次编号为1～n，每盘绕组线饼(101)与直流电源(2)连接。
7.如权利要求1所述的一种测试变压器油道高度与绕组温度关联性的实验装置，其特征在于，所述的每个直流电源(2)的输出功率为
Figure FDA0002935828910000025
其中，i为绕组线饼(101)编号，绕组线饼(101)自下而上依次为i＝1，2，…，n-1，n，P0为变压器额定空载损耗，PK为变压器额定短路损耗，K为负载系数。
8.如权利要求1所述的一种测试变压器油道高度与绕组温度关联性的实验装置，其特征在于，油循环外管道(3)的材质为不锈钢，所有固定零件都采用绝缘材料。
9.一种测试变压器油道高度与绕组温度关联性的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)打开油箱(5)和油循环外管道(3)上的各处阀门(4)，打开油泵(8)向绕组模型(1)和散热片(6)中缓慢低速注入绝缘油，观察超声波流量计(7)；待超声波流量计(7)数值稳定后，调整油泵(8)使得油道(103)中的绝缘油保持设定的流速；
2)根据下述公式得出各直流电源(2)的输出功率Pi，打开直流电源(2)，接通各直流电源(2)对绕组线饼(101)同时加热相同时间，调整流量计(7)流量为相应负载功率的平均油流量，观察并收集热电偶(102)温度数据；
Figure FDA0002935828910000026
其中，i为绕组线饼(101)编号，绕组线饼(101)自下而上依次为i＝1，2，…，n-1，n，P0为变压器额定空载损耗，PK为变压器额定短路损耗，K为负载系数；
3)记录2n个热电偶(102)的温度数据，记为
Figure FDA0002935828910000027
4)改变绕组线饼(101)的间距即改变水平油道(103)的高度分别为Hduct (1)，Hduct (2)，…，Hduct (m)，并重新将绕组线饼(101)固定在绕组外壳(104)上，重复步骤1)-步骤4)；
5)计算每次实验中各盘绕组线饼(101)的平均温度
Figure FDA0002935828910000031
i为绕组线饼(101)编号，绕组线饼(101)自下而上依次为i＝1，2，…，n-1，n；
将平均温度
Figure FDA0002935828910000032
和水平油道(103)高度代入下述公式：
Figure FDA0002935828910000033
Figure FDA0002935828910000034
其中，SH 2为水平油道(103)高度的方差，ST 2为绕组线饼(101)温度的方差，SHT为水平油道(103)高度和绕组线饼(101)的协方差；
Hduct (m)为第m次实验的水平油道(103)高度，Hduct (m)取Hduct±0.5mm、±1mm、±1.5mm，
Figure FDA0002935828910000035
m＝1，2，…，n′-1，n′；Wdisc为绕组线饼(101)的径向宽度，Hdisc为单盘绕组线饼(101)的高度，rout为绕组线饼(101)的外径，rin为绕组线饼(101)的内径；绕组模型(1)内外径关系式为rout＝1.3×rin 0.98；
由上可得，油道(103)高度与各绕组线饼(101)温度的关联性系数
Figure FDA0002935828910000036
当|r|≥0.8时，视为两者高度相关，当0.5≤|r|＜0.8时，视为两者中度相关，当0.3≤|r|＜0.5时，视为两者轻度相关，当|r|≤0.3时，视为两者相关度极弱。
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