CN113255172A - 一种反复短时短路工况下的绕组实时温升计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种反复短时短路工况下的绕组实时温升计算方法，构建全尺寸等比例变压器3D模型；设置变压器参数和模拟反复短时短路工况的外电路；构建变压器有限元模型，设置瞬态电磁场模块，并计算变压器瞬态损耗：设置流体力学模块，设置流体力学参数和边界条件；将瞬态电磁场模块、流体力学模块、温度场模块耦合，求解反复短时短路工况下的绕组实时升温特性。本发明基于有限元分析方法，通过瞬态电磁场模块下的变压器瞬态损耗数据与流体‑温度场多物理场耦合的方法，对变压器在反复短时短路工况下的绕组实时温升进行计算，解决了变压器在绕组动态故障状态下绕组温升特性难以实时计算的问题。

Description

一种反复短时短路工况下的绕组实时温升计算方法

技术领域

本发明涉及变压器仿真技术领域，特别涉及一种反复短时短路工况下的绕组实时温升计算方法。

背景技术

近年来随着电力行业的快速发展，系统对于电气设备的要求也逐渐提高。变压器作为整个电力系统的核心设备，负责电力变换、隔离及稳压的作用，其运行的可靠性直接影响着整个系统的安全稳定，若变压器出现故障，可能会引起大面积停电，造成巨大的经济损失。

变压器主要的由铁心、绕组、夹件、结构件及箱体等组成，通常情况下，变压器发生的故障类型主要有：变压器过载、绕组短路、绕组匝间短路等，因而为确保变压器的正常运行，应避免上述常见故障的发生。其中，铁心损耗的计算、变压器夹件、结构件、箱体等因漏磁产生的杂散损耗计算以及考虑铁心涡流效应的绕组等效参数的计算等都需要依托于变压器铁心的涡流场建模。

CN109255192A公开了一种变压器绕组温升特性的仿真计算方法，包括如下步骤：S1：建立模型：根据变压器的油箱箱体、高压绕组、低压绕组和铁心的实际尺寸在有限元仿真软件中建立模型；S2：对模型进行有限元划分：利用ANSYS软件自带的自适应网格划分与手动划分对该模型进行有限元划分；S3：设置变压器油物理参数：设置变压器油密度、导热系数、动力粘度和定压比热容；S4：设置变压器部件参数：分别设置变压器铁心、高压绕组以及低压绕组的材料属性、比热容、密度、导热系数和热通量；S5：设置边界条件；S6：进行双向耦合计算：对变压器设定不同负载系数K，利用有限元仿真软件进行温度场与流体场之间的双向耦合计算，材料属性随温度和流速的变化而迭代，直至满足收敛条件，即可得到变压器温升特性。

由于绕组瞬时短路对变压器绕组温升影响较小，以及考虑到绕组的温度累积效应，对反复短时短路工况下的变压器的电磁场、温度场进行分析，并准确计算变压器绕组温升至关重要。但现有对变压器绕组温升计算研究大多集中正常工作状态，对变压器处于动态故障等短路状态承受能力的分析相对较少。由于在反复短时短路工况下，绕组温升需考虑累积效应，因此其绕组损耗需为瞬态变化且实时更新的，而现有的多物理场耦合技术只能模拟单一固定绕组损耗下的绕组温升，因此亟需一种能计算反复短时短路工况下的绕组实时温升的计算方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种反复短时短路工况下的绕组实时温升计算方法，基于有限元分析方法，通过瞬态电磁场模块下的变压器瞬态损耗数据与流体-温度场多物理场动态耦合的方法，不采用瞬态电磁场模块耦合至热力学温度场模块的固定稳态损耗，采用瞬态场计算反复短时短路时间下的变压器瞬态损耗，反应绕组的温度累积效应，解决反复短时短路工况下损耗动态变换无法直接耦合的问题，实现实时计算绕组温升。本发明充分考虑绕组在反复短时短路故障下的累积效应与瞬时效应、绕组不同位置的温升差异性以及温度对绝缘介质参数的影响，精确求解变压器在反复短时短路工况下的绕组实时温升。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种反复短时短路工况下的绕组实时温升计算方法，包括以下步骤：

S1、构建全尺寸等比例变压器3D模型；

S2、设置变压器参数和模拟反复短时短路工况的外电路；

S3、构建变压器有限元模型，设置瞬态电磁场模块，并计算变压器瞬态损耗：

S4、设置流体力学模块，设置流体力学模块的绝缘介质参数和边界条件；

S5、将瞬态电磁场模块、流体力学模块、温度场模块耦合，求解反复短时短路工况下的绕组实时升温特性。

具体地，在步骤S2中，设置变压器绕组连接方式，并建立外电路；将变压器绕组一侧连接开关控制器，模拟在同一段时间内突发反复短时短路工况下的绕组损耗变化情况。

具体地，在步骤S3具体为：将变压器3D模型导入有限元软件中，建立变压器有限元模型，设置瞬态电磁场模块包括设置铁心硅钢片参数、油箱参数、绕组参数和绝缘介质介电常数，设置短路计算时间与计算间隔，计算变压器在反复短时短路工况下的变压器瞬态损耗；

具体地，在步骤S3中，计算变压器在反复短时短路工况下的变压器瞬态损耗，包括：计算变压器在反复短时短路工况下的铁心、结构件损耗，并考虑铁心及结构件温度差异对绝缘介质流速的影响。

具体地，在步骤S3中，计算变压器在反复短时短路工况下的绕组瞬态损耗数据：瞬态电磁场模块与步骤S2中的外电路进行连接，通过有限元分析方法计算在反复短时短路工况下的绕组损耗，在每个时间点，经过反复迭代，使得误差低于允许值，进而得到瞬态的绕组损耗数据。

具体地，在步骤S4中，将变压器在反复短时短路工况下的变压器瞬态损耗数据动态耦合至流体力学模块，然后设置流体力学模块的绝缘介质参数和边界条件；流体力学模块的绝缘介质参数包括绝缘介质的密度、比热容与导热系数。

具体地，在步骤S4中，设置流体力学模块的边界条件，包括：

对变压器绝缘介质设置其流动方向，包括：

从变压器绕组温度高的模块流向温度低的模块；

从变压器绕组、铁心以及结构件中温度高的模块流向温度低的模块；

绝缘介质流动区域设置为绕组间、铁心与绕组间、绕组与结构件间的空隙；

定义变压器整体初始温度和初始外界环境温度；

计算变压器绕组与铁心水平面与空气对流的对流换热系数：

其中：

为 格拉斯霍夫常数，

为普朗特常数；c和n为常数；k为空气热导率；L为 水平面长度；g为重力加速度；

为空气膨胀系数；

为热扩散系数，

为固体 表面的平均温度；

为流体的平均温度，

为热循环系数；

计算变压器绕组之间气道对流系数h _y ，其对流换热系数随绕组轴向高度变化而变化：

其中：

为轴向高度；

为瑞利数。

具体地，步骤S5中，通过有限元分析方法将步骤S4中流体力学模块与温度场模块进行耦合，反映绝缘介质流速、绕组温度的传递性质以及绕组不同位置的差异性；同时将步骤S3中得到的变压器瞬态损耗数据导入温度场模块，模拟绕组温升累积效应，并设置不同位置的传热系数，计算反复短时短路工况下的绕组实时温升特性。

本发明可解决变压器在绕组动态故障状态下绕组温升特性难以实时计算的问题。本发明充分考虑绕组在反复短时短路故障下的累积效应与瞬时效应、绕组不同位置的温升差异性以及温度对绝缘介质参数的影响，方法简单，对变压器绝缘设计和热点计算分析具有重要指导意义。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为变压器在反复短时短路工况下绕组实时温升特性结果图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本实施例所使用的变压器为800kVA/10kV干式三相立体巻铁心变压器，本发明提出一种反复短时短路工况下的绕组实时温升计算方法，该方法流程图如图1所示，包括以下步骤：

S1、构建全尺寸等比例变压器3D模型：根据变压器结构、铁心、油箱、夹板等结构件尺寸大小，在Inventor建模软件中建立全尺寸等比例变压器3D模型；

S2、设置变压器参数和模拟反复短时短路工况的外电路；

S3、构建变压器有限元模型，设置瞬态电磁场模块，并计算变压器瞬态损耗：

S4、设置流体力学模块，设置流体力学模块的绝缘介质参数和边界条件；

S5、将瞬态电磁场模块、流体力学模块、温度场模块耦合，求解反复短时短路工况下的绕组实时升温特性。

具体地，在步骤S2中，设置变压器绕组连接方式，并建立外电路；将变压器绕组一侧连接开关控制器，模拟在同一段时间内突发反复短时短路工况下的绕组损耗变化情况。

具体地，在步骤S3具体为：将变压器3D模型导入ANSYS大型有限元软件中，建立变压器有限元模型，设置瞬态电磁场模块包括设置铁心硅钢片参数、油箱参数、绕组参数和绝缘介质介电常数，设置短路计算时间与计算间隔，计算变压器在反复短时短路工况下的变压器瞬态损耗；

具体地，在步骤S3中，计算变压器在反复短时短路工况下的变压器瞬态损耗，包括：计算变压器在反复短时短路工况下的铁心、结构件、绕组损耗；

具体地，在步骤S3中，计算变压器在反复短时短路工况下的绕组瞬态损耗数据：瞬态电磁场模块与步骤S2中的外电路进行连接，通过有限元分析方法计算在反复短时短路工况下的绕组损耗，在每个时间点，经过反复迭代，使得误差低于允许值，进而得到瞬态的绕组损耗数据。

具体地，在步骤S4中，将变压器在反复短时短路工况下的变压器瞬态损耗数据通过有限元体积法动态耦合至流体力学模块，然后设置流体力学模块的绝缘介质参数和边界条件；流体力学模块的绝缘介质参数包括绝缘介质的密度、比热容与导热系数。

设置变压器中绝缘介质的密度、比热容与导热系数时均考虑不同温度对系数的影响，变压器绝缘介质参数如表1所示，表中T为摄氏温度。

表1、变压器绝缘介质参数表

具体地，在步骤S4中，设置流体力学模块的边界条件，包括：

对变压器绝缘介质设置其流动方向，包括：

从变压器绕组温度高的模块流向温度低的模块；

从变压器绕组、铁心以及结构件中温度高的模块流向温度低的模块；

绝缘介质流动区域设置为绕组间、铁心与绕组间、绕组与结构件间的空隙；

定义变压器整体初始温度和初始外界环境温度；

计算变压器绕组与铁心水平面与空气对流的对流换热系数：

其中：

为 格拉斯霍夫常数，

为普朗特常数；c和n为常数；k为空气热导率；L 为水平面长度；g为重力加速度；

为空气膨胀系数；

为热扩散系数，

为固 体表面的平均温度；

为流体的平均温度，

为热循环系数；

计算变压器绕组之间气道对流系数h _y ，其对流换热系数随绕组轴向高度变化而变化：

其中：

为轴向高度；

为瑞利数。

具体地，步骤S5中，通过有限元分析方法将步骤S4中流体力学模块与温度场模块进行耦合，反映绝缘介质流速、绕组温度的传递性质以及绕组不同位置的差异性；同时将步骤S3中得到的变压器瞬态损耗数据导入温度场模块，变压器瞬态损耗作为瞬态热源在温度场模块中单独施加至绕组上，同时设置与步骤S3中瞬态电磁场模块相同的计算时间与间隔，准确模拟在同一时刻绕组短路与反复短时短路工况，进而反映绕组温升累积效应；并设置绕组、结构件等不同位置的传热系数，计算反复短时短路工况下的绕组实时温升特性。

参照图2，图2描述了在四次反复短时短路累积作用下变压器绕组实时温升特性。其中HV代表高压绕组，LV代表低压绕组。可以看出高压绕组HV在四次反复短时短路累积作用下出现了四个波峰和三个波谷，主要由于在第一次短时短路冲击时，即变压器瞬态损耗突然上升时，高压绕组HV温度逐渐上升，且由于对流换热的效果，在第二次短时短路冲击到来之前，绕组温度逐渐下降，但由于短时短路冲击间隔时间较短以及绕组的温度累积效应，在第二次短时短路冲击时，高压绕组HV热点温度变得更高。又由于高压绕组HV在低压绕组与铁心之间，其对流换热系数比低压绕组LV低，因此其绕组温度累积效应更明显，且低压绕组瞬态损耗也较高压绕组瞬态损耗低的多，因此其热点温度也呈逐步上升直到短路冲击结束后趋于稳定。因此验证了本发明模拟变压器在反复短时短路冲击下绕组实时温升特性的有效性。

本发明可解决变压器在绕组动态故障状态下如反复短时短路工况下绕组实时温升特性难以计算的问题。该方法充分考虑绕组在反复短时短路故障下的累积效应与瞬时效应、绕组不同位置的温升差异性以及温度对绝缘介质参数的影响，方法简单，对变压器绝缘设计和热点计算分析具有重要指导意义。

以上仅是对本发明优选实施方式的描述，本发明的保护范围并不局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。本发明所属技术领域的技术人员在不偏离本发明的精神和原理的情况下对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种反复短时短路工况下的绕组实时温升计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、构建全尺寸等比例变压器3D模型；

S2、设置变压器参数和模拟反复短时短路工况的外电路；

S3、构建变压器有限元模型，设置瞬态电磁场模块，并计算变压器瞬态损耗：

S4、设置流体力学模块，设置流体力学模块的绝缘介质参数和边界条件；

S5、将瞬态电磁场模块、流体力学模块、温度场模块耦合，求解反复短时短路工况下的绕组实时升温特性；

其中，步骤S3具体为：将变压器3D模型导入有限元软件中，建立变压器有限元模型，设置瞬态电磁场模块包括设置铁心硅钢片参数、油箱参数、绕组参数和绝缘介质介电常数，设置短路计算时间与计算间隔，计算变压器在反复短时短路工况下的变压器瞬态损耗；

计算变压器在反复短时短路工况下的变压器瞬态损耗，包括：计算变压器在反复短时短路工况下的铁心、结构件损耗，并考虑铁心及结构件温度差异对绝缘介质流速的影响；计算变压器在反复短时短路工况下的绕组瞬态损耗数据；

其中，步骤S5具体为：通过有限元分析方法将步骤S4中流体力学模块与温度场模块进行耦合，反映绝缘介质流速、绕组温度的传递性质以及绕组不同位置的差异性；同时将步骤S3中得到的变压器瞬态损耗数据导入温度场模块，模拟绕组温升累积效应，并设置不同位置的传热系数，计算反复短时短路工况下的绕组实时温升特性。

2.如权利要求1所述的一种反复短时短路工况下的绕组实时温升计算方法，其特征在于，在步骤S2中，设置变压器绕组连接方式，并建立外电路；将变压器绕组一侧连接开关控制器，模拟在同一段时间内突发反复短时短路工况下的绕组损耗变化情况。

3.如权利要求1所述的一种反复短时短路工况下的绕组实时温升计算方法，其特征在于，计算变压器在反复短时短路工况下的绕组瞬态损耗数据具体为：瞬态电磁场模块与步骤S2中的外电路进行连接，通过有限元分析方法计算在反复短时短路工况下的绕组损耗，在每个时间点，经过反复迭代，使得误差低于允许值，进而得到瞬态的绕组损耗数据。

4.如权利要求1所述的一种反复短时短路工况下的绕组实时温升计算方法，其特征在于，步骤S4具体为：将变压器在反复短时短路工况下的变压器瞬态损耗数据动态耦合至流体力学模块，然后设置流体力学模块的绝缘介质参数和边界条件；流体力学模块的绝缘介质参数包括绝缘介质的密度、比热容与导热系数。

5.如权利要求4所述的一种反复短时短路工况下的绕组实时温升计算方法，其特征在于，设置流体力学模块的边界条件，包括：

对变压器绝缘介质设置其流动方向：从变压器绕组温度高的模块流向温度低的模块；从变压器绕组、铁心以及结构件中温度高的模块流向温度低的模块；

绝缘介质流动区域设置为绕组间、铁心与绕组间、绕组与结构件间的空隙；

定义变压器整体初始温度和初始外界环境温度；

计算变压器绕组与铁心水平面与空气对流的对流换热系数：

其中：

为格拉斯霍夫常数，

为普朗特常数；c和n为常数；k为空气热导率；L为水平 面长度；g为重力加速度；

为空气膨胀系数；

为热扩散系数，

为固体表面 的平均温度；

为流体的平均温度，

为热循环系数；

计算变压器绕组之间气道对流系数h _y ，其对流换热系数随绕组轴向高度变化而变化：

其中：

为轴向高度；

为瑞利数。

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