CN115691986A - 一种变压器辅助风冷、水冷智能散热系统的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器辅助风冷、水冷智能散热系统的设计方法，该方法包括以下步骤：1)针对目标油浸式变压器及变压器室进行CFD(计算流体力学)研究，获得其温度分布与流动特性；2)针对目标油浸式变压器的板式散热片温度分布配置水冷散热设备强化换热；3)根据目标油浸式变压器室内温度分布设置风冷设备降低变压器室内温度；4)选择管道、阀门、水泵、冷却塔等部件搭建目标油浸式变压器风冷、水冷协同降温系统。相比于现有技术，本发明适用于中小型非强制对流的油浸式变压器，在不改变其原有结构的前提下，实现风冷、水冷对变压器温度的自动调控，加强变压器散热，降低变压器工作寿命，具有先进性和实用性。

Description

一种变压器辅助风冷、水冷智能散热系统的设计方法

技术领域

本发明属于变压器技术领域，具体涉及一种变压器辅助风冷、水冷智能散热系统。

背景技术

油浸式自冷变压器作为电力基础设施中的关键电气设备，具有散热好、可承受负载大、降音降噪、控制油流带电和成本低等优点，已成为电网中使用最普遍的电力变压器之一。在该类变压器的使用中，绕组损耗发热使绝缘油热量分布不均匀引起自然对流，较热的绝缘油流经变压器散热片，经过空气自然对流换热降温。有研究表明，变压器绕组的工作温度在80℃-140℃时，温度每上升6℃，寿命减少一半。因此加强变压器的散热对延长变压器寿命有重大意义。

在变压器强化冷却的研究中，目前主要采用强化对流换热的原理，具体包括风冷和水冷两种手段。风冷设置较为简单，通常需要选择合适的风机类型，与此同时对风机安放的位置有较高的要求，安装不合理的风机可能会导致热力集中，适得其反。水冷系统设置较为复杂，通常为了加大换热面积，在变压器内设置油泵，在变压器外设置水泵，通过管道将油路与水路连接油水换热器上，通常为管式换热器，水冷系统的换热效果较好，但对变压器本体改造的成本较大。因此现有的变压器缺少合适的冷却装置。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种变压器辅助风冷、水冷智能散热系统的设计方法，以解决现有技术中变压器缺少合适的冷却装置的问题。本发明在不改变油浸式自冷变压器原本结构的前提下，设计了一套辅助风冷、水冷智能散热系统，通过风冷、水冷二元对变压器进行散热，通过自动控制设备实现变压器智能温度调控，根据不同的环境温度设置不同的工作模式，在满足散热需求的同时减少散热设备的功耗。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种变压器辅助风冷、水冷智能散热系统的设计方法，包括以下步骤：

步骤1，针对油浸式变压器，对变压器本体进行CFD仿真，获得油浸式变压器中板式散热片内部绝缘油的仿真结果；

步骤2，通过绝缘油的仿真结果获得目标水冷换热量和目标冷却水总量；

步骤3，针对变压器室内，进行若干组风机布置方案CFD仿真，每一组风机布置方案调整风机在变压室内的布置数量、布置位置和风机风量；

步骤4，通过目标水冷换热量和目标冷却水总量确定水冷系统；通过若干组风机布置方案CFD仿真结果确定风冷系统。

本发明的进一步改进在于：

优选的，步骤1中，所述绝缘油的仿真结果包括绝缘油的压力场、温度场和流动场。

优选的，步骤1中，所述变压器室内的仿真结果为变压器室内空气的压力场、温度场和流动场。

优选的，步骤2中，所述目标水冷换热量为冷却水升温值，冷却水升温值的计算公式为：

其中，Pr为普朗特数、α为换热系数，A为换热面积。

优选的，步骤2中冷却水总量的计算公式为：

其中，P_N为绕组总损耗；Q为冷却水总流量，Cp为冷却水比热容。

优选的，水冷系统中，各个支路的水量计算方法为：

其中，P_N为绕组总损耗；Q为冷却水总流量，下标1、2、n…分别代表各支流流量；Cp为冷却水比热容；λ、d和L分别为支管的摩擦系数、直径和长度。

优选的，步骤4中，所述风冷系统为步骤3中风机布置方案的一种，选择无局部低压区、旋涡乱流最少、噪音最低、变压器周边温度最低的风机布置方案。

优选的，所述水冷系统为二级水冷系统。

优选的，步骤4后在变压器上和变压器室内安装有温度传感器。

优选的，所述水冷系统和风冷系统通过控制器控制，所述控制器用于控制水冷系统中流量调节阀和节流阀，控制风冷系统中各个风机的流量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种变压器辅助风冷、水冷智能散热系统的设计方法，该方法包括以下步骤：1)针对目标油浸式变压器及变压器室进行CFD(计算流体力学)研究，获得其温度分布与流动特性；2)针对目标油浸式变压器的板式散热片温度分布配置水冷散热设备强化换热；3)根据目标油浸式变压器室内温度分布设置风冷设备降低变压器室内温度；4)选择管道、阀门、水泵、冷却塔等部件搭建目标油浸式变压器风冷、水冷协同降温系统；5)在变压器及变压器室内设置温度传感器，安装控制器，实现变压器风冷、水冷智能散热系统的自动控制。相比于现有技术，本发明适用于中小型非强制对流的油浸式变压器，在不改变其原有结构的前提下，实现风冷、水冷对变压器温度的自动调控，加强变压器散热，降低变压器工作寿命，具有先进性和实用性。

进一步的，本发明的方法实用性强，本发明中的数学动态特性控制方程源于实际部件CFD计算获得的特性函数与守恒方程获得变压器的流动特性，在不破坏变压器本体结构的前提下安装外部辅助散热设备，基于仿真结果选择合适的风冷、水冷装置，操作空间大，实用性强，在满足换热需求的同时能降低功耗；

进一步的，本发明的方法工作稳定性强，针对变压器工作状态监测模块的研究，将探索self-sensing检测机制，搭建实时状态监测的检测电路，并对检测结果进行测试和评价。工作状态监测系统由温度传感器、相关采样模块和存储模块构成。在变压器工作过程中，实时监测温度信息，对采集的信号进行谱分析，并以正常工作状态的谱分析为参照，设定故障阈值，通过阈值和信号趋势来实现变压器工作状态检测，保证工作稳定性；

进一步的，本发明的方法温度控制方法先进，根据CFD方法得到的室内热量分布和流场情况对水冷系统进行优化、改善其温度控制性能，为温度控制算法提供指导。通过控制循环水冷却系统中循环水的温度和流量，最终实现对变压器油温和变压器室内温度的智能调控。通过对比PID、模糊温控等控制方法在成本、效果上的差异，给出符合工程需求的温度控制算法。

附图说明

图1是油浸式变压器散热片的温度分布情况；

图2是油浸式变压器散热片的流动分布情况；

图3是油浸式变压器散热片强化水冷换热设备的结构图；

图4是油浸式变压器水冷系统结构示意图；

图5是油浸式变压器风冷系统结构示意图；

图6是油浸式变压器风冷、水冷智能换热系统的控制系统示意图；

图7是变压器辅助风冷、水冷智能换热系统的技术流程图；

其中，1是散热片；2是水冷管道入口；3是水冷管道；4是水冷管道出口；5是绝缘油入口；6是绝缘油出口；7是变压器；8是水泵；9是水塔；10是冷凝器；11是入口阀门；12是一级热交换装置；13是二级热交换装置；14是风机机组；15是变压器室门；16是通风窗；17是控制器及控制设备；18-主路阀门；19-旁路入口阀门；20-旁路出口阀门。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明公开了一种变压器辅助风冷、水冷智能散热系统的系统的设计方法，该方法将变压器的辅助水冷和风冷结合起来，具体的设计方法包括以下步骤：

1)针对目标油浸式变压器及变压器室进行CFD研究，获得油浸式变压器的温度分布与流动特性；

具体的步骤包括：

11)以油浸式变压器为研究对象，对变压器本体进行数值仿真计算，通过CFD计算，获得油浸式变压器板式散热片内绝缘油的压力、温度、流动分布情况、变压器本体及顶层的温度分布情况。

CFD计算的质量、动量、能量守恒方程如下：

其中，α为流体导热系数；S_h为流体的源项；Φ为机械能由于粘性转换为的热能。

12)以变压器室内空间为研究对象，对变压器室进行数值仿真计算，通过CFD计算，获得油浸式变压器室内空气的压力、温度、流动情况，分析变压器室内的温度分布特性。以变压器散热片温度分布为例，附图1和附图2展示了变压器板式散热片的温度、流动分布情况。

得到仿真结果后，基于自然对流的理论，片式散热器与空气的对流换热过程是金属壁面与外界空气温度较高的一方将热量传递给较低的一方，在这个过程中不依靠风扇、风机、泵等外力的作用，而是由壁面与空气之间存在的温度差，造成热边界层内外密度的不均匀，引起浮升力产生，使高温流体向上运动，低温流体向下运动，这个浮升力就是流体运动的驱动力。片式散热器与空气对流换热过程中，可以当作大空间自然对流问题研究。将仿真结果与自然对流理论进行对比分析，讨论其可靠性，分析得到流场分布的特性，进而通过仿真结果的到自然对流系数，通过大空间自然对流关联式计算换热器换热量。

步骤2，针对目标油浸式变压器的板式散热片温度分布，配置水冷散热设备强化换热；

具体的步骤包括：

21)根据CFD计算获得油浸式变压器本体内及板式散热片内的绝缘油温度分布，通过换热系数计算水冷换热量；

湍流时管道内冷却水对流换热系数由下式计算：

其中，D为特征长度，λ_f为导热系数，N_uf为努塞尔数。

冷却水温升θ由普朗特数Pr，换热系数α和换热面积A计算得到。

22)对于油浸式变压器板式散热片的结构，采用管道式水冷方案，通过各个水冷管道的布置方式，使得水冷效果能够满足上述的水冷换热量。通过该上述的冷却水升温能够获得冷却水量。参见图3为一种布置方式，从图3中可以看出，散热片1中通入有绝缘油，散热片1的一端为绝缘油入口5，另一端为绝缘油出口6，散热片1外布设有水冷管道3，水冷管道3以“s”型布设在散热片1的表面。

其中水量确认，各散热支管为并联水路，其冷却水总量计算如下：

其中，ρ是水的密度；P_N为绕组总损耗；Q为冷却水总流量，下标1、2、3…代表各支流流量；Cp为冷却水比热容；λ、d和L分别为支管的摩擦系数、直径和长度。

管路的压降计算方法如下

其中，括号中的第一项为静压差，Z为高度，ρ为密度，g为重力加速度，由进出口标高差算出；第二项为速度压差，u₁和u₂为管道进出口流速，由进出口流速计算得到；第三项为摩擦压差，λ为流动阻力系数，L为管道等效长度，d为管道直径，∑K为管件弯管、接口处阻力系数之和，与管道的排布密度有关。

步骤3，根据目标油浸式变压器室内温度分布，设置风冷设备降低变压器室内温度；

具体步骤包括：

31)通过CFD方法，对不同风机数量、位置和流量进行仿真，获得对应风机排布情况下的变压器室内的温度、压力、流量和噪音分布，对比在不同位置设置风机和不同风量时，变压器室内流动分布的优劣，分析仿真结果，获得两方面结论，一方面是得到目标变压器室内的流场分布特性；另一方面是通过对比不同排布方式，获得风冷效果最佳的风机选型和最佳排布方案。选择流场均匀无局部低压区、旋涡乱流少、噪音低、变压器周边温度低的风机安置位置和合适风量的风机，强化空气对流，降低变压器室内温度。

步骤4，选择管道、阀门、水泵、冷却塔、通风机等部件搭建目标油浸式变压器风冷、水冷协同降温系统；

41)根据步骤2)计算得到的目标变压器所需换热量及计算获得的水冷流量，选择管式水冷系统配套的管道、水泵、阀门、冷却塔等设备，搭建水冷系统，其结构示意图如附图4所示，图4为水冷系统的一种设置方式。包括二级循环水冷却系统，变压器7中设置有散热片1，变压器7的冷却水的出口和水泵8连接，水泵8的出口首先和一级热交换装置12连接，一级热交换装置12和二级热交换装置13连接，二级热交换装置13的出口和入口阀门11连接，入口阀门11的出口连接至变压器冷却水的入口。一级热交换装置12为水塔9，二级热交换装置13由冷凝器10和三个阀门组成，包括主路阀门18、旁路入口阀门19和旁路出口阀门20。水塔9的冷却水出口和主路阀门18连接，主路阀门18的出口和入口阀门11连接，主路阀门18旁设置有旁路，旁路上设置有冷凝器10，冷凝器10前设置有旁路入口阀门19，冷凝器10后设置有旁路出口阀门20。通过主路阀门18、旁路入口阀门19和旁路出口阀门20的开合，能够调整二级热交换装置13的启停。

采用二级循环水冷却系统，通过阀门和水泵的配合控制冷却水流量，冷却水经过变压器升温后返回冷却塔冷却，能大幅度减小水冷功耗。

42)根据步骤3)计算分析获得的通风机选型，在变压器室内关键位置安置通风机，完成风冷系统的搭建，其结构示意图如附图5所示。将数组风机设置在关键位置，通过调节风机机组的工况及开机数量，改变变压器室内空气的流动分布，强化变压器散热片的对流换热。

如图4所示，变压器7设置在变压器室内的变压器室门15处，风机机组14设置在通风窗16旁，变压器室门15和通风窗16相对设置。该种设置方式，使得从变压器室门15吹入的风，在冷却了变压器7后，通过通风窗16排出。该种设置方式只是设置方式的一种，实际的风机机组14和变压器7的安装位置能够根据变压器室的形状、尺寸，以及其他参数进行调整。

步骤5，在变压器及变压器室内设置温度传感器，安装控制器，实现变压器风冷、水冷智能散热系统的自动控制。

具体的步骤包括：

51)在步骤4)获得的风冷、水冷系统的基础上，变压器本体位置及变压器室内设置温度传感器，测量变压器顶层油温及变压器室内温度。

52)选择合适的控制器，将步骤4)获得的风冷、水冷系统与温度传感器连接，通过控制器，设置自动控制策略，对水泵、阀门开度、风机工况等硬件设备进行控制，实现变压器温度的智能调控，其控制示意图如附图6所示。如夏季需要风机、水泵全功率运行，冬季节风机、水泵均不开启，春秋季风机开一半，泵阀系统在低功耗低流量工况运行。

水冷循环换热管道通过合理的方式缠绕在主变本体及主变散热片上，换热管道内的循环水通过传导、对流等方式分别吸收主变本体及散热片、室内热空气中的热量，并在循环水泵的作用下在循环的管路中流动。吸收了热量的循环水经过一个热交换器，与制冷系统的冷端进行热交换，将从主变室吸收的热量传递给制冷系统的制冷剂并被带走，同时循环水温度下降到可以继续流向主变本体进行吸热。制冷系统分为两级，一级自然冷却的水塔部分与二级主动冷却的冷凝器部分，通过阀门的通断控制循环水的流通，可选择单一运行或同时运行的冷却方式。一级冷却时，循环水通过水塔进行自然冷却，不产生额外的功率，制冷系统的功耗低。当进一步需要二级冷却时，控制循环水通过冷凝器进行主动冷却，消耗功率高，降温速度快，实现循环水的快速降温。必要时可一级二级主动冷却与自然冷却同时运行，达到热交换器高效、低能耗为循环水降温的目的。与此同时，根据需求调节通风机的流量和功耗，实现变压器室内的温度调节，改善变压器室内的流动分布，提高变压器换热。

53)该系统可根据主变室内的温度情况，实现自动调节循环水流量及制冷系统的制冷量，系统通过在主变本体关键位置及室内关键点上设置温度传感器，根据实测温度由程序实时计算主变室内的制热量和换热量，从而通过控制器实时控制水循环散热部分的流量调节阀和制冷部分的节流阀，分别调节循环水的流量和制冷系统制冷量。

图6给出了一种变压器辅助风冷、水冷智能散热系统的控制系统示意图，给出了本智能冷却系统的基本工作方式。图7给出了本发明的技术流程图及工程实施的思路，给出了技术流程图，阐述了面向目标油浸式自冷变压器的散热优化问题，本发明的普遍技术路线。

本发明的智能系统系统使用中，采用高精度的温度传感器实时监测变压器的顶层油温和变压器室内温度，将采集的温度信号上传至智能控制系统，并通过对循环水冷系统的工作特性进行分析和仿真计算，在变压器室智能温度控制系统设计中采用断续负反馈控制模型，实现一体式变压器油温和室内温度的实时监测与智能调控。控制系统拟以变压器顶层油温作为被控变量，以PLC作为控制器，交流接触器作为动作执行机构，循环水冷却系统作为被控对象，温度传感器作为变送器，将引起变压器油温变化的变压器负荷和外部环境温度作为控制系统的外部扰动。智能油温控制系统的工作过程是：变压器负荷变化引起变压器油温变化，进而通过温度传感器采集送至可编程控制器，然后根据设计的控制策略产生控制循环水冷却系统的控制决策输出。通过控制循环水冷却系统中循环水的流量和温度，以及风冷系统风机流量和工况，最终实现对变压器油温和变压器室内温度的智能调控。该系统可根据主变室内的温度情况，实现自动调节循环水流量及制冷系统的制冷量，系统通过在主变本体关键位置及室内关键点上设置温度传感器，根据实测温度由程序实时计算主变室内的制热量和换热量，从而通过控制器实时控制水循环散热部分的流量调节阀和制冷部分的节流阀，分别调节循环水的流量和制冷系统制冷量。

图7给出了技术流程图，在本智能冷却系统的设计和安装中，步骤如下：1)对目标变压器进行CFD仿真计算，获得变压器的温度分布情况；2)针对目标油浸式变压器的板式散热片温度分布配置水冷散热设备强化换热；3)根据目标油浸式变压器室内温度分布设置风冷设备降低变压器室内温度；4)选择管道、阀门、水泵、冷却塔、通风机等部件搭建目标油浸式变压器风冷、水冷协同降温系统；5)在变压器及变压器室内设置温度传感器，安装控制器，实现变压器风冷、水冷智能散热系统的自动控制。对于目标变压器，采取以上步骤，充分发挥CFD计算成本低、精度高、预测性好的优势，选择合适的风冷、水冷系统，最后基于智能控制系统实现对变压器温度的智能调控。

综上所述，本发明提出的一种变压器辅助风冷、水冷智能散热系统具有较高效、可靠、使用的散热优化作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种变压器辅助风冷、水冷智能散热系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，针对油浸式变压器，对变压器本体进行CFD仿真，获得油浸式变压器中板式散热片内部绝缘油的仿真结果；

步骤2，通过绝缘油的仿真结果获得目标水冷换热量和目标冷却水总量；

步骤3，针对变压器室内，进行若干组风机布置方案CFD仿真，每一组风机布置方案调整风机在变压室内的布置数量、布置位置和风机风量；

步骤4，通过目标水冷换热量和目标冷却水总量确定水冷系统；通过若干组风机布置方案CFD仿真结果确定风冷系统。

2.根据权利要求1所述的一种变压器辅助风冷、水冷智能散热系统的设计方法，其特征在于，步骤1中，所述绝缘油的仿真结果包括绝缘油的压力场、温度场和流动场。

3.根据权利要求1所述的一种变压器辅助风冷、水冷智能散热系统的设计方法，其特征在于，步骤1中，所述变压器室内的仿真结果为变压器室内空气的压力场、温度场和流动场。

4.根据权利要求1所述的一种变压器辅助风冷、水冷智能散热系统的设计方法，其特征在于，步骤2中，所述目标水冷换热量为冷却水升温值，冷却水升温值的计算公式为：

其中，Pr为普朗特数、α为换热系数，A为换热面积。

5.根据权利要求1所述的一种变压器辅助风冷、水冷智能散热系统的设计方法，其特征在于，步骤2中冷却水总量的计算公式为：

其中，P_N为绕组总损耗；Q为冷却水总流量，Cp为冷却水比热容。

6.根据权利要求5所述的一种变压器辅助风冷、水冷智能散热系统的设计方法，其特征在于，水冷系统中，各个支路的水量计算方法为：

其中，P_N为绕组总损耗；Q为冷却水总流量，下标1、2、n…分别代表各支流流量；Cp为冷却水比热容；λ、d和L分别为支管的摩擦系数、直径和长度。

7.根据权利要求1所述的一种变压器辅助风冷、水冷智能散热系统的设计方法，其特征在于，步骤4中，所述风冷系统为步骤3中风机布置方案的一种，选择无局部低压区、旋涡乱流最少、噪音最低、变压器周边温度最低的风机布置方案。

8.根据权利要求1所述的一种变压器辅助风冷、水冷智能散热系统的设计方法，其特征在于，所述水冷系统为二级水冷系统。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的变压器辅助风冷、水冷智能散热系统的设计方法，其特征在于，步骤4后在变压器上和变压器室内安装有温度传感器。

10.根据权利要求9所述的一种变压器辅助风冷、水冷智能散热系统的设计方法，其特征在于，所述水冷系统和风冷系统通过控制器控制，所述控制器用于控制水冷系统中流量调节阀和节流阀，控制风冷系统中各个风机的流量。

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