CN118332760A - 一种基于顶层油温修正的变压器绕组热点温度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于顶层油温修正的变压器绕组热点温度计算方法，涉及变压器技术领域，包括：步骤S1,获取变压器的试验参数，根据试验参数建立变压器内部的绕组热点位置相对于变压器的箱体之间的传热热阻模型；步骤S2,获取变压器的实时运行数据，根据实时运行数据计算得到变压器的顶层油温计算值，随后根据顶层油温计数值和传热热阻模型计算得到当前时刻变压器的绕组热点温度计算值；步骤S3，获取变压器的顶层油温实测值，根据顶层油温实测值和顶层油温计算值修正绕组热点温度计算值得到绕组热点温度预测值。有益效果是建立传热热阻模型，能够方便实时计算变压器绕组热点温度，顶层油温的实测值和计算值的差异，对所建立的传热模型进行实时修正。

Description

一种基于顶层油温修正的变压器绕组热点温度计算方法

技术领域

本发明涉及变压器技术领域，尤其涉及一种基于顶层油温修正的变压器绕组热点温度计算方法。

背景技术

电力系统的安全稳定关乎国民经济的发展和人民生活的安定，电力设备是电力系统的重要组成部分，而变压器更是其核心资产，其可靠运行对于电网的安全稳定具有重要意义。变压器的可靠性在很大程度上取决于其油纸绝缘系统的性能，而高温会加速油纸绝缘的老化、降低变压器的使用寿命。因此变压器在实际运行过程中，为了充分保证变压器的运行安全，其负载率都非常低，远低于额定负载率。

然而随着近年来用电负荷的快速增长，部分地区供电能力不足和负荷需求旺盛之间的矛盾日益突显。尤其是在迎峰度夏和迎峰度冬时期，为了防止变压器负荷过高而发生安全事故，甚至会采取拉闸限电措施，这对经济的发展和人民的生活都造成了十分不利的影响。因此，为了保证变压器能够在重载甚至过载状态下安全运行，需要实时准确获取变压器内部油纸绝缘的最高温度，也即绕组热点温度，只要控制绕组热点温度不超标，则不必担心油纸绝缘老化的问题。所以如何确保得到准确的变压器绕组热点温度是当下面临的一个问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于顶层油温修正的变压器绕组热点温度计算方法，包括：

步骤S1,获取变压器的试验参数，根据所述试验参数建立所述变压器内部的绕组热点位置相对于变压器的箱体之间的传热热阻模型；

步骤S2,获取所述变压器的实时运行数据，根据所述实时运行数据计算得到所述变压器的顶层油温计算值，随后根据所述顶层油温计数值和所述传热热阻模型计算得到当前时刻所述变压器的绕组热点温度计算值；

步骤S3，获取所述变压器的顶层油温实测值，根据所述顶层油温实测值和所述顶层油温计算值修正所述绕组热点温度计算值得到绕组热点温度预测值。

优选的，所述试验参数包括变压器额定热点温度、变压器额定顶层油温度、变压器额定箱体平均温度、变压器额定负载损耗、变压器额定空载损耗，则所述步骤S1包括：

步骤S11，基于所述变压器额定热点温度、所述变压器额定顶层油温度、所述变压器额定负载损耗和所述变压器额定空载损耗建立所述绕组热点位置相对于所述变压器的顶层油的第一等效传热热阻模型；

步骤S12,基于所述变压器额定热点温度、所述变压器额定箱体平均温度、所述变压器额定负载损耗、所述变压器额定空载损耗建立所述变压器的顶层油相对于所述变压器的箱体的第二等效传热热阻模型，将所述第一等效传热热阻模型和所述第二等效传热热阻模型作为所述传热热阻模型。

优选的，所述实时运行数据包括当前运行电压、当前运行电流、上油管壁温度实测值和下油管壁温度实测值，所述试验参数还包括额定电流和额定电压：则所述步骤S2包括：

步骤S21，根据所述当前运行电压、所述额定电压、所述当前运行电流和所述额定电流计算得到所述变压器当前时刻的绕组损耗和铁芯损耗；

步骤S22，根据所述绕组损耗、所述铁芯损耗、所述上油管壁温度实测值、所述下油管壁温度实测值计算得到所述顶层油温计算值；

步骤S23，根据所述传热热阻模型、所述绕组损耗、所述铁芯损耗、所述顶层油温计算值计算得到所述绕组热点温度计算值。

优选的，所述步骤S3包括：

步骤S31,获取所述变压器的顶层油温实测值，计算所述顶层油温计算值和所述顶层油温实测值之间的顶层油温差值；

步骤S32，根据所述顶层油温差值修正所述绕组热点温度计算值得到所述绕组热点温度预测值。

优选的，所述步骤S32中采用绝对误差修正法，则所述步骤S32中绕组热点温度预测值满足以下公式：

式中，T_hot(xz)为所述绕组热点温度预测值，T_hot(js)为所述绕组热点温度计算值，ΔT_top(sc-js)为所述顶层油温差值。

优选的，所述步骤S32中采用相对误差修正法，则所述步骤S32中绕组热点温度预测值满足以下公式：

式中，T_hot(xz)为所述绕组热点温度预测值，T_hot(js)为所述绕组热点温度计算值，ΔT_top(sc-js)为所述顶层油温差值，T_tank(sc)为变压器箱体平均温度，T_up-pipe(sc)为变压器的上油管壁温度实测值，T_{down-pipe(sc)}为变压器的下油管壁温度实测值。

优选的，所述步骤S11中所述第一等效传热热阻模型为：

式中，R_hot-top为所述绕组热点位置相对于所述变压器的顶层油的等效传热热阻，T_hot(n)为所述变压器额定热点温度，T_top(n)为所述变压器额定顶层油温度，Q_coil(n)为所述变压器额定负载损耗，Q_core(n)为所述变压器额定空载损耗；

所述步骤S12中所述第二等效传热热阻模型为：

式中，R_top-tank为所述变压器的顶层油相对于所述变压器的箱体的等效传热热阻，T_tank(n)为所述变压器额定箱体平均温度，T_top(n)为所述变压器额定顶层油温度，Q_coil(n)为所述变压器额定负载损耗，Q_core(n)为所述变压器额定空载损耗。

优选的，所述步骤S21中所述绕组损耗和所述铁芯损耗的计算式为：

式中，Q_coil为所述绕组损耗，Q_core为所述铁芯损耗,U为所述当前运行电压，U_n为所述额定电压，a为系数；I为所述当前运行电流，I_n为所述额定电流，b为系数，Q_coil(n)为所述变压器额定负载损耗，Q_core(n)为所述变压器额定空载损耗。

优选的，所述步骤S22中所述顶层油温计算值满足以下公式：

T_top(js)＝T_tank(sc)+(Q_coil+Q_core)R_top-tank

式中，T_top(js)为所述顶层油温计算值,T_tank(sc)为变压器箱体平均温度，Q_coil为所述绕组损耗，Q_core为所述铁芯损耗,R_top-tank为所述变压器的顶层油相对于所述变压器的箱体的等效传热热阻。

优选的，所述步骤S23中所述绕组热点温度计算值满足以下计算公式：

T_hot(js)＝T_top(js)+(Q_coil+Q_core)R_hot-top

式中，T_hot(js)为所述绕组热点温度计算值，T_top(js)为所述顶层油温计算值,R_hot-top为所述绕组热点位置相对于所述变压器的顶层油的等效传热热阻，Q_coil(n)为所述变压器额定负载损耗，Q_core(n)为所述变压器额定空载损耗。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：

(1)本发明基于变压器传热的基本物理过程，建立了绕组热点—顶层油—箱体的传热热阻模型，模型具有计算过程简单、输入参量少、计算效率高的优点，能够方便实时计算变压器绕组热点温度；

(2)绕组热点温度无法直接测量，但顶层油温度可以直接测量得到。本发明基于顶层油温的实测值和计算值的差异，对所建立的传热模型进行实时修正，进而提高了变压器绕组热点温度计算的准确性；

(3)环境因素如日照强度、风速大小等会影响变压器的散热能力，本发明将参考温度选为变压器箱体平均温度，而不是环境温度，相当于全面考虑了外界环境因素对变压器热过程的综合影响，因此所建立的计算模型能够适用于各种不同环境条件下的变压器。

附图说明

图1为本发明的较佳的实施例中，一种基于顶层油温修正的变压器绕组热点温度计算方法的流程示意图；

图2为本发明的较佳的实施例中，步骤S1的子流程示意图；

图3为本发明的较佳的实施例中，步骤S2的子流程示意图；

图4为本发明的较佳的实施例中，步骤S3的子流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明并不限定于该实施方式，只要符合本发明的主旨，则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。

本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种基于顶层油温修正的变压器绕组热点温度计算方法，如图1所示，包括：

步骤S1,获取变压器的试验参数，根据试验参数建立变压器内部的绕组热点位置相对于变压器的箱体之间的传热热阻模型；

步骤S2,获取变压器的实时运行数据，根据实时运行数据计算得到变压器的顶层油温计算值，随后根据顶层油温计数值和传热热阻模型计算得到当前时刻变压器的绕组热点温度计算值；

步骤S3，获取变压器的顶层油温实测值，根据顶层油温实测值和顶层油温计算值修正绕组热点温度计算值得到绕组热点温度预测值。

具体的，变压器内部电磁环境复杂，存在高电压和强电场、磁场，为了变压器运行安全，一般不允许在绕组上安装温度传感器以直接测量绕组热点温度，通常的做法是通过建立相应的计算模型来间接计算绕组热点温度，比如热路模型法、指数方程法、微分方程法。其中热路模型法的准确性相对较高，且能够适用于不同类型的变压器，因此也被广泛研究。但是热路模型法的计算精度在很大程度上取决于热路模型中各元件参数的取值，而这些参数也往往是通过估算的方法给出的。本发明基于热路模型的思想，并考虑到虽然热点温度无法直接测量，但顶油温度可以直接测量的现状，引入顶层油温度的实测值，并通过顶层油温度实测值和模型计算值的差异来对所建立的传热热阻模型计算出的绕组热点温度计算值进行修正，相当于引入了反馈环节，从而达到提高热路模型参数正确性和绕组热点温度计算精度的目的。同时，变压器的热过程受环境参数(如日照强度、风速大小)的影响，本发明以变压器箱体平均温度作为参考而不是以环境温度，相当于计及了环境因素对变压器热过程的综合影响，进一步提高了绕组热点温度计算精度和简化了传热热阻模型。

本实施例中，基于变压器传热的基本物理过程，建立了绕组热点—顶层油—箱体的传热热阻模型，模型具有计算过程简单、输入参量少、计算效率高的优点，能够方便实时计算变压器绕组热点温度。

本发明的较佳的实施例中，试验参数包括变压器额定热点温度、变压器额定顶层油温度、变压器额定箱体平均温度、变压器额定负载损耗、变压器额定空载损耗，则如图2所示，步骤S1包括：

步骤S11，基于变压器额定热点温度、变压器额定顶层油温度、变压器额定负载损耗和变压器额定空载损耗建立绕组热点位置相对于变压器的顶层油的第一等效传热热阻模型；

步骤S12,基于变压器额定热点温度、变压器额定箱体平均温度、变压器额定负载损耗、变压器额定空载损耗建立变压器的顶层油相对于变压器的箱体的第二等效传热热阻模型，将第一等效传热热阻模型和第二等效传热热阻模型作为传热热阻模型。

具体的，本实施例中，考虑到绕组热点温度无法直接测量，但顶油温度可以直接测量的现状，基于热路模型的思想建立传热热阻模型；

建立传热热阻模型的过程具体为：

首先，根据变压器的出厂试验报告和周期性预防性试验报告，获得变压器试验参数；试验参数一般包括：变压器额定热点温度、变压器额定顶层油温度、变压器额定箱体平均温度、试验时的环境温度、变压器额定负载损耗、变压器额定空载损耗、变压器额定电流、变压器额定电压等。

接着，建立绕组热点位置相对于变压器的顶层油的第一等效传热热阻模型；第一等效传热热阻模型为：

式中，R_hot-top为绕组热点位置相对于变压器的顶层油的等效传热热阻，T_hot(n)为变压器额定热点温度，T_top(n)为变压器额定顶层油温度，Q_coil(n)为变压器额定负载损耗，Q_core(n)为变压器额定空载损耗；

随后，建立变压器的顶层油相对于变压器的箱体的第二等效传热热阻模型；第二等效传热热阻模型为：

式中，R_top-tank为变压器的顶层油相对于变压器的箱体的等效传热热阻，T_tank(n)为变压器额定箱体平均温度，T_top(n)为变压器额定顶层油温度，Q_coil(n)为变压器额定负载损耗，Q_core(n)为变压器额定空载损耗。

最终得到绕组热点—顶层油—箱体的传热热阻模型。

本发明的较佳的实施例中，实时运行数据包括当前运行电压、当前运行电流、上油管壁温度实测值和下油管壁温度实测值，试验参数还包括额定电流和额定电压：则如图3所示，步骤S2包括：

步骤S21，根据当前运行电压、额定电压、当前运行电流和额定电流计算得到变压器当前时刻的绕组损耗和铁芯损耗；

步骤S22，根据绕组损耗、铁芯损耗、上油管壁温度实测值、下油管壁温度实测值计算得到顶层油温计算值；

步骤S23，根据传热热阻模型、绕组损耗、铁芯损耗、顶层油温计算值计算得到绕组热点温度计算值。

具体的，本实施例中，根据实时运行数据计算得到当前时刻的绕组热点温度计算值；

进一步具体的，首先，获取变压器实时运行数据，用于计算当前时刻变压器的绕组热点温度计算值。获取的实时运行数据包括：变压器上油管壁温度、变压器下油管壁温度、变压器顶层油温度值、负载电流值、运行电压值。其中各温度监测值由安装于变压器箱体的附近的温度传感器测得，负载电流值和运行电压值通过电网运维部门的管控系统或调度系统获得

然后，计算得到变压器当前时刻的绕组损耗和铁芯损耗，绕组损耗和铁芯损耗的计算式为：

式中，Q_coil为绕组损耗，Q_core为铁芯损耗,U为当前运行电压，U_n为额定电压，a为系数；I为当前运行电流，I_n为额定电流，b为系数，Q_coil(n)为变压器额定负载损耗，Q_core(n)为变压器额定空载损耗。

接着，计算出顶层油温，顶层油温计算值满足以下公式：

T_top(js)＝T_tank(sc)+(Q_coil+Q_core)R_top-tank

式中，T_top(js)为顶层油温计算值,T_tank(sc)为变压器箱体平均温度，Q_coil为绕组损耗，Q_core为铁芯损耗,R_top-tank为变压器的顶层油相对于变压器的箱体的等效传热热阻，T_tank(sc)为变压器箱体平均温度，T_up-pipe(sc)为变压器的上油管壁温度实测值，T_{down-pipe(sc)}为变压器的下油管壁温度实测值。

最后，计算得到当前时刻的绕组热点温度的计算值，满足以下计算公式：

T_hot(js)＝T_top(js)+(Q_coil+Q_core)R_hot-top

式中，T_hot(js)为绕组热点温度计算值，T_top(js)为顶层油温计算值,R_hot-top为绕组热点位置相对于变压器的顶层油的等效传热热阻，Q_coil(n)为变压器额定负载损耗，Q_core(n)为变压器额定空载损耗。

本发明的较佳的实施例中，如图4所示，步骤S3包括：

步骤S31,获取变压器的顶层油温实测值，计算顶层油温计算值和顶层油温实测值之间的顶层油温差值；

步骤S32，根据顶层油温差值修正绕组热点温度计算值得到绕组热点温度预测值。

具体的，本实施例中，根据顶层油温计算值和实测值的差异，对变压器绕组热点温度计算值进行相应修正；

进一步具体的，根据顶层油温差值ΔT_top(sc-js)，对变压器绕组热点温度计算值进行相应修正，具体的修正方法可采用绝对误差修正、相对误差修正方法、或其他误差修正方法；

在其中一种实施例中，采用绝对误差修正法，则步骤S32中绕组热点温度预测值满足以下公式：

T_hot(xz)＝T_hot(js)+ΔT_top(sc-js)

式中，T_hot(xz)为绕组热点温度预测值，T_hot(js)为绕组热点温度计算值，ΔT_top(sc-js)为顶层油温差值。

在另一种实施例中，采用相对误差修正法，则步骤S32中绕组热点温度预测值满足以下公式：

式中，T_hot(xz)为绕组热点温度预测值，T_hot(js)为绕组热点温度计算值，ΔT_top(sc-js)为顶层油温差值，T_tank(sc)为变压器箱体平均温度，T_up-pipe(sc)为变压器的上油管壁温度实测值，T_{down-pipe(sc)}为变压器的下油管壁温度实测值。

基于顶层油温的实测值和计算值的差异，对绕组热点温度计算值进行实时修正，进而提高了变压器绕组热点温度计算的准确性。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于顶层油温修正的变压器绕组热点温度计算方法，其特征在于，包括：

步骤S1,获取变压器的试验参数，根据所述试验参数建立所述变压器内部的绕组热点位置相对于变压器的箱体之间的传热热阻模型；

步骤S2,获取所述变压器的实时运行数据，根据所述实时运行数据计算得到所述变压器的顶层油温计算值，随后根据所述顶层油温计数值和所述传热热阻模型计算得到当前时刻所述变压器的绕组热点温度计算值；

步骤S3，获取所述变压器的顶层油温实测值，根据所述顶层油温实测值和所述顶层油温计算值修正所述绕组热点温度计算值得到绕组热点温度预测值。

2.根据权利要求1所述的变压器绕组热点温度计算方法，其特征在于，所述试验参数包括变压器额定热点温度、变压器额定顶层油温度、变压器额定箱体平均温度、变压器额定负载损耗、变压器额定空载损耗，则所述步骤S1包括：

步骤S11，基于所述变压器额定热点温度、所述变压器额定顶层油温度、所述变压器额定负载损耗和所述变压器额定空载损耗建立所述绕组热点位置相对于所述变压器的顶层油的第一等效传热热阻模型；

步骤S12,基于所述变压器额定热点温度、所述变压器额定箱体平均温度、所述变压器额定负载损耗、所述变压器额定空载损耗建立所述变压器的顶层油相对于所述变压器的箱体的第二等效传热热阻模型，将所述第一等效传热热阻模型和所述第二等效传热热阻模型作为所述传热热阻模型。

3.根据权利要求1所述的变压器绕组热点温度计算方法，其特征在于，所述实时运行数据包括当前运行电压、当前运行电流、上油管壁温度实测值和下油管壁温度实测值，所述试验参数还包括额定电流和额定电压：则所述步骤S2包括：

步骤S21，根据所述当前运行电压、所述额定电压、所述当前运行电流和所述额定电流计算得到所述变压器当前时刻的绕组损耗和铁芯损耗；

步骤S22，根据所述绕组损耗、所述铁芯损耗、所述上油管壁温度实测值、所述下油管壁温度实测值计算得到所述顶层油温计算值；

步骤S23，根据所述传热热阻模型、所述绕组损耗、所述铁芯损耗、所述顶层油温计算值计算得到所述绕组热点温度计算值。

4.根据权利要求1所述的变压器绕组热点温度计算方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

步骤S31,获取所述变压器的顶层油温实测值，计算所述顶层油温计算值和所述顶层油温实测值之间的顶层油温差值；

步骤S32，根据所述顶层油温差值修正所述绕组热点温度计算值得到所述绕组热点温度预测值。

5.根据权利要求4所述的变压器绕组热点温度计算方法，其特征在于，所述步骤S32中采用绝对误差修正法，则所述步骤S32中绕组热点温度预测值满足以下公式：

T_hot(xz)＝T_hot(js)+ΔT_top(sc-js)

式中，T_hot(xz)为所述绕组热点温度预测值，T_hot(js)为所述绕组热点温度计算值，ΔT_top(sc-js)为所述顶层油温差值。

6.根据权利要求4所述的变压器绕组热点温度计算方法，其特征在于，所述步骤S32中采用相对误差修正法，则所述步骤S32中绕组热点温度预测值满足以下公式：

式中，T_hot(xz)为所述绕组热点温度预测值，T_hot(js)为所述绕组热点温度计算值，ΔT_top(sc-js)为所述顶层油温差值，T_tank(sc)为变压器箱体平均温度，T_up-pipe(sc)为变压器的上油管壁温度实测值，T_{down-pipe(sc)}为变压器的下油管壁温度实测值。

7.根据权利要求2所述的变压器绕组热点温度计算方法，其特征在于，所述步骤S11中所述第一等效传热热阻模型为：

式中，R_hot-top为所述绕组热点位置相对于所述变压器的顶层油的等效传热热阻，T_hot(n)为所述变压器额定热点温度，T_top(n)为所述变压器额定顶层油温度，Q_coil(n)为所述变压器额定负载损耗，Q_core(n)为所述变压器额定空载损耗；

所述步骤S12中所述第二等效传热热阻模型为：

式中，R_top-tank为所述变压器的顶层油相对于所述变压器的箱体的等效传热热阻，T_tank(n)为所述变压器额定箱体平均温度，T_top(n)为所述变压器额定顶层油温度，Q_coil(n)为所述变压器额定负载损耗，Q_core(n)为所述变压器额定空载损耗。

8.根据权利要求3所述的变压器绕组热点温度计算方法，其特征在于，所述步骤S21中所述绕组损耗和所述铁芯损耗的计算式为：

式中，Q_coil为所述绕组损耗，Q_core为所述铁芯损耗,U为所述当前运行电压，U_n为所述额定电压，a为系数；I为所述当前运行电流，I_n为所述额定电流，b为系数，Q_coil(n)为所述变压器额定负载损耗，Q_core(n)为所述变压器额定空载损耗。

9.根据权利要求3所述的变压器绕组热点温度计算方法，其特征在于，所述步骤S22中所述顶层油温计算值满足以下公式：

T_top(js)＝T_tank(sc)+(Q_coil+Q_core)R_top-tank

式中，T_top(js)为所述顶层油温计算值,T_tank(sc)为变压器箱体平均温度，Q_coil为所述绕组损耗，Q_core为所述铁芯损耗,R_top-tank为所述变压器的顶层油相对于所述变压器的箱体的等效传热热阻，T_tank(sc)为变压器箱体平均温度，T_up-pipe(sc)为变压器的上油管壁温度实测值，T_{down-pipe(sc)}为变压器的下油管壁温度实测值。

10.根据权利要求3所述的变压器绕组热点温度计算方法，其特征在于，所述步骤S23中所述绕组热点温度计算值满足以下计算公式：

T_hot(js)＝T_top(js)+(Q_coil+Q_core)R_hot-top

式中，T_hot(js)为所述绕组热点温度计算值，T_top(js)为所述顶层油温计算值,R_hot-top为所述绕组热点位置相对于所述变压器的顶层油的等效传热热阻，Q_coil(n)为所述变压器额定负载损耗，Q_core(n)为所述变压器额定空载损耗。