CN114325494B - 一种干式车载牵引变压器过负载能力评估因子计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种干式车载牵引变压器的过负载能力评估因子计算方法，包括以下步骤：建立干式车载牵引变压器过负载能力试验平台、获取不同负载系数下的压力数据和温度数据、计算压降因子、计算不同负载系数下的温升因子、计算过负载能力评估因子、评估不同负载系数下干式车载牵引变压器的过负载能力。本发明技术方案的优点在于：针对干式车载牵引变压器过负载运行工况，提出了一种全新的过负载能力评估因子计算方法，能够实现对干式车载牵引变压器过负载能力的准确评估，有助于干式车载牵引变压器的优化设计。

Description

一种干式车载牵引变压器过负载能力评估因子计算方法
技术领域
本发明涉及电气绝缘在线检测与故障诊断领域，特别是一种干式车载牵引变压器的过负载能力评估因子计算方法。
背景技术
近年来，中国的高速铁路发展迅速，为了给列车提供牵引动力，大量车载牵引变压器被广泛应用。目前被广泛采用的是油浸式牵引变压器，由于利用变压器油作为冷却介质，油浸式变压器质量大并且有发生火灾的隐患，而利用列车行驶产生的列车风作为冷却介质的干式牵引变压器则不存在上述问题，并且能够有效提升高速列车能效。
在以牵引变压器为核心的高速列车供电系统中，由于牵引负荷的作用，为保证列车上电力设备的安全运行，给牵引变压器提出了更高的要求。当列车启动时，牵引变压器会进入短暂的过负载运行状态，此时绕组损耗更大，发热量更高，会对绝缘寿命产生极大影响。对于油浸式变压器而言，由于变压器油流动通常为层流，热特性较为规律，并且已经有了大量的研究成果可以对变压器的过负载能力进行评估；而对于干式变压器，特别是干式车载牵引变压器，由于高速列车风的湍流流动更为特殊与复杂，目前还缺少能够简单、快速地获得变压器过负载能力的方法。
发明内容
本发明提供了一种干式车载牵引变压器过负载能力评估因子计算方法，能够实现对干式车载牵引变压器的过负载能力进行准确评估。
一种干式车载牵引变压器过负载能力评估因子计算方法，包括以下步骤：
第一步、建立干式车载牵引变压器过负载能力试验平台
干式车载牵引变压器过负载能力试验平台包括：第一层绕组生热装置(1)第二层绕组生热装置(2)、内侧挡板(4)、外侧挡板(3)、空气流道(5)、数据采集终端(6)、大功率风扇(7)、直流电源(8)、内侧通道空气温度传感器(9)、外侧通道空气温度传感器(14)、中间通道空气温度传感器1(11)、中间通道空气温度传感器2(12)、第一层绕组温度传感器(10)、第二层绕组温度传感器(13)、入口压力传感器(15)、出口压力传感器(16)、半导体温度控制器(17)、入口温度传感器(18)；
内侧挡板(4)、外侧挡板(3)、第一层绕组生热装置(1)和第二层绕组生热装置(2)共同构成三个空气流道(5)，两层绕组生热装置均由从下至上编号为1、2、3…n的导体构成，单层绕组导体总数记为N，n∈[1,N]；在内侧挡板(4)和外侧挡板(3)上从下至上分别布置编号为1、2、3…n的内侧通道空气温度传感器(9)和外侧通道空气温度传感器(14)，从下至上编号为1、2、3…n的中间通道空气温度传感器1(11)和中间通道空气温度传感器2(12)分别布置在第一层绕组生热装置(1)和第二层绕组生热装置(2)的表面，内侧通道空气温度传感器(9)、外侧通道空气温度传感器(14)、中间通道空气温度传感器1(11)和中间通道空气温度传感器2(12)均与数据采集终端(6)连接以采集三个空气通道(5)的温度数据；第一层绕组生热装置(1)和第二层绕组生热装置(2)与直流电源(8)相连接，在直流电的作用下第一层绕组生热装置(1)和第二层绕组生热装置(2)发热以模拟绕组损耗；在第一层绕组生热装置(1)的每匝导体中嵌入的第一层绕组温度传感器(10)、第二层绕组生热装置(2)的每匝导体中嵌入的第二层绕组温度传感器(13)均与数据采集终端(6)连接以采集温度数据，每层绕组生热装置中嵌入的温度传感器从下至上依次编号为1、2、3…n；空气通道(5)的进出口处分别布置的入口压力传感器(15)和出口压力传感器(16)与数据采集终端(6)相连以采集压力数据；大功率风扇(7)和半导体温度控制器(17)均与直流电源相连(8)；大功率风扇(7)、半导体温度控制器(17)和入口温度传感器(18)共同实现对流入空气通道的空气流速和温度的控制；
第二步、获取不同负载系数下的压力数据和温度数据
设置大功率风扇(7)产生的风速为100m/s，控制半导体温度控制器(17)使得入口空气温度为300K；设置直流电源电压依次为U＝U1.0、U1.1、U1.2…U1.9、U2.0，对应的负载系数a取1.0、1.1、1.2…1.9、2.0；
获得不同电压下外侧通道温度传感器(14)采集到的温度值，从下向上依次记录为TL-a-1、TL-a-2、TL-a-3…TL-a-n，最大值记为TL-a-max，平均值记为Tmean-L-a；内侧通道温度传感器(9)采集到的温度值，从下向上依次记录为TR-a-1、TR-a-2、TR-a-3…TR-a-n，最大值记为TR-a-max，平均值记为Tmean-R-a；中间通道空气温度传感器1(11)和中间通道空气温度传感器2(12)采集到的温度值从下向上依次分别记录为TM-a-11、TM-a-12、TM-a-13…TM-a-1n，TM-a-21、TM-a-22、TM-a-23…TM-a-2n，于是得到中间通道的温度值为TM-a-n＝(TM-a-1n+TM-a-2n)/2，最大值记为TM-a-max，平均值记为Tmean-M-a；第一层绕组温度传感器(10)采集到的温度值，从下向上依次记录为TCL-a-1、TCL-a-2、TCL-a-3…TCL-a-n，最大值记为TCL-a-max；第二层绕组温度传感器(13)采集到的温度值，从下向上依次记录为TCR-a-1、TCR-a-2、TCR-a-3…TCR-a-n，最大值记为TCR-a-max；从左至右三个入口压力传感器(15)采集到的压力值分别为Pin-L、Pin-M、Pin-R，从左至右三个出口压力传感器(16)采集到的压力值分别为Pout-L、Pout-M、Pout-R；
第三步、计算压降因子KP
Figure BDA0003409605470000031
第四步、计算不同负载系数下的温升因子Ka-1、Ka-2、Ka-3
Figure BDA0003409605470000032
Figure BDA0003409605470000033
Figure BDA0003409605470000034
第五步、计算过负载能力评估因子θ
Figure BDA0003409605470000035
第七步、评估不同负载系数下的干式车载牵引变压器的过负载能力
若0≤θ＜1，则说明该干式车载牵引变压器能够在负载系数为a的情况下短时运行；若θ≥1，则说明该干式车载牵引变压器不能在负载系数为a的情况下运行。
本发明技术方案的优点在于针对干式车载牵引变压器过负载运行工况，提出了一种全新的过负载能力评估因子计算方法，能够实现对干式车载牵引变压器过负载能力的准确评估，有助于干式车载牵引变压器的优化设计。
附图说明
图1为本发明涉及的一种干式车载牵引变压器过负载能力评估因子计算方法的流程图。
图2为本发明涉及的干式车载牵引变压器过负载能力评估试验平台的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施流程作进一步的详述。需要强调的是，此处所描述的具体实施案例仅仅用于解释本发明，并不限定本发明构思及其权利要求之范围。
第一步、建立干式车载牵引变压器过负载能力试验平台
干式车载牵引变压器过负载能力试验平台包括：第一层绕组生热装置(1)第二层绕组生热装置(2)、内侧挡板(4)、外侧挡板(3)、空气流道(5)、数据采集终端(6)、大功率风扇(7)、直流电源(8)、内侧通道空气温度传感器(9)、外侧通道空气温度传感器(14)、中间通道空气温度传感器1(11)、中间通道空气温度传感器2(12)、第一层绕组温度传感器(10)、第二层绕组温度传感器(13)、入口压力传感器(15)、出口压力传感器(16)、半导体温度控制器(17)、入口温度传感器(18)；
内侧挡板(4)、外侧挡板(3)、第一层绕组生热装置(1)和第二层绕组生热装置(2)共同构成三个空气流道(5)，两层绕组生热装置均由从下至上编号为1、2、3…n的导体构成，单层绕组导体总数记为N，n∈[1,N]，N＝84；在内侧挡板(4)和外侧挡板(3)上从下至上分别布置编号为1、2、3…n的内侧通道空气温度传感器(9)和外侧通道空气温度传感器(14)，从下至上编号为1、2、3…n的中间通道空气温度传感器1(11)和中间通道空气温度传感器2(12)分别布置在第一层绕组生热装置(1)和第二层绕组生热装置(2)的表面，内侧通道空气温度传感器(9)、外侧通道空气温度传感器(14)、中间通道空气温度传感器1(11)和中间通道空气温度传感器2(12)均与数据采集终端(6)连接以采集三个空气通道(5)的温度数据；第一层绕组生热装置(1)和第二层绕组生热装置(2)与直流电源(8)相连接，在直流电的作用下第一层绕组生热装置(1)和第二层绕组生热装置(2)发热以模拟绕组损耗；在第一层绕组生热装置(1)的每匝导体中嵌入的第一层绕组温度传感器(10)、第二层绕组生热装置(2)的每匝导体中嵌入的第二层绕组温度传感器(13)均与数据采集终端(6)连接以采集温度数据，每层绕组生热装置中嵌入的温度传感器从下至上依次编号为1、2、3…n；空气通道(5)的进出口处分别布置的入口压力传感器(15)和出口压力传感器(16)与数据采集终端(6)相连以采集压力数据；大功率风扇(7)和半导体温度控制器(17)均与直流电源相连(8)；大功率风扇(7)、半导体温度控制器(17)和入口温度传感器(18)共同实现对流入空气通道的空气流速和温度的控制；
第二步、获取不同负载系数下的压力数据和温度数据
设置大功率风扇(7)产生的风速为100m/s，控制半导体温度控制器(17)使得入口空气温度为300K；设置直流电源电压依次为U＝U1.0、U1.1、U1.2…U1.9、U2.0，对应的负载系数a取1.0、1.1、1.2…1.9、2.0；
获得电压分别为U＝U1.0和U＝U1.5时外侧通道温度传感器(14)采集到的温度值，从下向上依次记录为TL-a-1、TL-a-2、TL-a-3…TL-a-n，最大值记为TL-a-max，平均值记为Tmean-L-a；内侧通道温度传感器(9)采集到的温度值，从下向上依次记录为TR-a-1、TR-a-2、TR-a-3…TR-a-n，最大值记为TR-a-max，平均值记为Tmean-R-a；中间通道空气温度传感器1(11)和中间通道空气温度传感器2(12)采集到的温度值从下向上依次分别记录为TM-a-11、TM-a-12、TM-a-13…TM-a-1n，TM-a-21、TM-a-22、TM-a-23…TM-a-2n，于是得到中间通道的温度值为TM-a-n＝(TM-a-1n+TM-a-2n)/2，最大值记为TM-a-max，平均值记为Tmean-M-a；第一层绕组温度传感器(10)采集到的温度值，从下向上依次记录为TCL-a-1、TCL-a-2、TCL-a-3…TCL-a-n，最大值记为TCL-a-max；第二层绕组温度传感器(13)采集到的温度值，从下向上依次记录为TCR-a-1、TCR-a-2、TCR-a-3…TCR-a-n，最大值记为TCR-a-max；从左至右三个入口压力传感器(15)采集到的压力值分别为Pin-L、Pin-M、Pin-R，从左至右三个出口压力传感器(16)采集到的压力值分别为Pout-L、Pout-M、Pout-R；结束第二步，获得负载系数a＝1.0时的数据，TL-1.0-1＝300K、TL-1.0-2＝300K、TL-1.0-3＝300.001K…TL-1.0-84＝308.359K，TR-a-max＝308.359K，Tmean-L-1.0＝303.695K，TR-1.0-1＝300K、TR-1.0-2＝300K、TR-1.0-3＝300K…TR-1.0-84＝304.768K，TR-1.0-max＝304.768K，Tmean-R-1.0＝301.930K，TM-1.0-1＝300K、TM-1.0-2＝300K、TM-1.0-3＝300.002K…TM-1.0-84＝315.794K，TM-1.0-max＝315.794K，Tmean-M-1.0＝307.019K，TCL-1.0-1＝348.435K、TCL-1.0-2＝351.933K、TCL-1.0-3＝354.246K…TCL-1.0-84＝370.101K，TCL-1.0-max＝374.192K，TCR-1.0-1＝348.819K、TCR-1.0-2＝352.336K、TCR-1.0-3＝354.675K…TCR-1.0-84＝369.409K，TCR-1.0-max＝373.612K；获得负载系数a＝1.5时的数据，TL-1.5-1＝300K、TL-1.5-2＝300K、TL-1.5-3＝300.003K…TL-1.5-84＝318.808K，TR-1.5-max＝318.808K，Tmean-L-1.5＝308.315K，TR-1.5-1＝300K、TR-1.5-2＝300K、TR-1.5-3＝300K…TR-1.5-84＝310.726K，TR-1.5-max＝310.726K，Tmean-R-1.5＝304.343K，TM-1.5-1＝300K、TM-1.5-2＝300K、TM-1.5-3＝300.005K…TM-1.5-84＝335.539K，TM-1.5-max＝335.539K，Tmean-M-1.5＝315.793K，TCL-1.5-1＝408.978K、TCL-1.5-2＝416.849K、TCL-1.5-3＝422.055K…TCL-1.5-84＝457.730K，TCL-1.5-max＝466.933K，TCR-1.5-1＝409.844K、TCR-1.5-2＝417.755K、TCR-1.5-3＝422.977K…TCR-1.5-84＝456.178K，TCR-1.5-max＝465.633K；Pin-L＝7872.275Pa、Pin-M＝7873.275Pa、Pin-R＝4870.333Pa，Pout-L＝71.304Pa、Pout-M＝71.313Pa、Pout-R＝44.243Pa；
第三步、计算压降因子KP
将第二步获得的压力数据代入下式，计算压降因子KP，得到KP＝0.097；
Figure BDA0003409605470000061
第四步、计算不同负载系数下的温升因子Ka-1、Ka-2、Ka-3
将第二步获得的温度数据代入下式，计算温升因子Ka-1、Ka-2、Ka-3，当负载系数a＝1.0时，K1.0-1＝2.855、K1.0-2＝1.407、K1.0-3＝5.150；当负载系数a＝1.5时，K1.5-1＝5.421、K1.5-2＝2.619、K1.5-3＝8.689；
Figure BDA0003409605470000062
Figure BDA0003409605470000063
Figure BDA0003409605470000064
第五步、计算过负载能力评估因子θ
将第二步计算获得的压降因子和第四步计算获得的温升因子代入下式，计算过负载能力评估因子θ，得到θ＝0.665；
Figure BDA0003409605470000065
第七步、评估不同负载系数下的干式车载牵引变压器的过负载能力，当负载系数a＝1.5时，计算所得过负载能力评估因子0≤θ＜1，说明该干式车载牵引变压器能够在负载系数为1.5时的情况下短时运行。
上述实例仅服务于本发明的介绍说明，并非其所有保护范围，任何基于本发明的非创造性修改、改进等，均属于其权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种干式车载牵引变压器过负载能力评估因子计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、建立干式车载牵引变压器过负载能力试验平台
干式车载牵引变压器过负载能力试验平台包括：第一层绕组生热装置(1)第二层绕组生热装置(2)、内侧挡板(4)、外侧挡板(3)、空气流道(5)、数据采集终端(6)、大功率风扇(7)、直流电源(8)、内侧通道空气温度传感器(9)、外侧通道空气温度传感器(14)、中间通道空气温度传感器1(11)、中间通道空气温度传感器2(12)、第一层绕组温度传感器(10)、第二层绕组温度传感器(13)、入口压力传感器(15)、出口压力传感器(16)、半导体温度控制器(17)、入口温度传感器(18)；
内侧挡板(4)、外侧挡板(3)、第一层绕组生热装置(1)和第二层绕组生热装置(2)共同构成三个空气流道(5)，两层绕组生热装置均由从下至上编号为1、2、3…n的导体构成，单层绕组导体总数记为N，n∈[1,N]；在内侧挡板(4)和外侧挡板(3)上从下至上分别布置编号为1、2、3…n的内侧通道空气温度传感器(9)和外侧通道空气温度传感器(14)，从下至上编号为1、2、3…n的中间通道空气温度传感器1(11)和中间通道空气温度传感器2(12)分别布置在第一层绕组生热装置(1)和第二层绕组生热装置(2)的表面，内侧通道空气温度传感器(9)、外侧通道空气温度传感器(14)、中间通道空气温度传感器1(11)和中间通道空气温度传感器2(12)均与数据采集终端(6)连接以采集三个空气通道(5)的温度数据；第一层绕组生热装置(1)和第二层绕组生热装置(2)与直流电源(8)相连接，在直流电的作用下第一层绕组生热装置(1)和第二层绕组生热装置(2)发热以模拟绕组损耗；在第一层绕组生热装置(1)的每匝导体中嵌入的第一层绕组温度传感器(10)、第二层绕组生热装置(2)的每匝导体中嵌入的第二层绕组温度传感器(13)均与数据采集终端(6)连接以采集温度数据，每层绕组生热装置中嵌入的温度传感器从下至上依次编号为1、2、3…n；空气通道(5)的进出口处分别布置的入口压力传感器(15)和出口压力传感器(16)与数据采集终端(6)相连以采集压力数据；大功率风扇(7)和半导体温度控制器(17)均与直流电源相连(8)；大功率风扇(7)、半导体温度控制器(17)和入口温度传感器(18)共同实现对流入空气通道的空气流速和温度的控制；
第二步、获取不同负载系数下的压力数据和温度数据
设置大功率风扇(7)产生的风速为100m/s，控制半导体温度控制器(17)使得入口空气温度为300K；设置直流电源电压依次为U＝U1.0、U1.1、U1.2…U1.9、U2.0，对应的负载系数a取1.0、1.1、1.2…1.9、2.0；
获得不同电压下外侧通道温度传感器(14)采集到的温度值，从下向上依次记录为TL-a-1、TL-a-2、TL-a-3…TL-a-n，最大值记为TL-a-max，平均值记为Tmean-L-a；内侧通道温度传感器(9)采集到的温度值，从下向上依次记录为TR-a-1、TR-a-2、TR-a-3…TR-a-n，最大值记为TR-a-max，平均值记为Tmean-R-a；中间通道空气温度传感器1(11)和中间通道空气温度传感器2(12)采集到的温度值从下向上依次分别记录为TM-a-11、TM-a-12、TM-a-13…TM-a-1n，TM-a-21、TM-a-22、TM-a-23…TM-a-2n，于是得到中间通道的温度值为TM-a-n＝(TM-a-1n+TM-a-2n)/2，最大值记为TM-a-max，平均值记为Tmean-M-a；第一层绕组温度传感器(10)采集到的温度值，从下向上依次记录为TCL-a-1、TCL-a-2、TCL-a-3…TCL-a-n，最大值记为TCL-a-max；第二层绕组温度传感器(13)采集到的温度值，从下向上依次记录为TCR-a-1、TCR-a-2、TCR-a-3…TCR-a-n，最大值记为TCR-a-max；从左至右三个入口压力传感器(15)采集到的压力值分别为Pin-L、Pin-M、Pin-R，从左至右三个出口压力传感器(16)采集到的压力值分别为Pout-L、Pout-M、Pout-R；
第三步、计算压降因子KP
Figure FDA0003409605460000021
第四步、计算不同负载系数下的温升因子Ka-1、Ka-2、Ka-3
Figure FDA0003409605460000022
若TCL-a-n＝TL-a-n或TCR-a-n＝TR-a-n，则本次试验数据无效，须检查后重新试验直至TCL-a-n≠TL-a-n且TCR-a-n≠TR-a-n；
第五步、计算过负载能力评估因子θ
Figure FDA0003409605460000023
第七步、评估不同负载系数下的干式车载牵引变压器的过负载能力
若0≤θ＜1，则说明该干式车载牵引变压器能够在负载系数为a的情况下短时运行；若θ≥1，则说明该干式车载牵引变压器不能在负载系数为a的情况下运行。
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