[发明专利]一种油浸式变压器内部温度场的精确计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种油浸式变压器内部温度场的计算方法，属于基于改进型有限元和有限体积法的一种混合计算方法，主要用于变压器的设计和在线监测领域。

背景技术

大型油浸式电力变压器是电力系统的核心设备，其运行状况好坏事关电网运行的稳定性和千家万户民众能否安全可靠用电。而变压器的故障往往是由其绝缘老化引起。在实际运行中，准确计算出变压器的温度场特别是绕组的热点温度，对延长变压器的寿命和电网的稳定运行有着非常重要的意义。

油浸变压器内部结构复杂，其内部传热和散热的机理复杂且难以计算，变压器内部各点温度尤其是绕组热点温度难以准确预测。目前对于变压器内部温度场的计算一般分为两类。一类是建立变压器的热路模型。一类是利用数值计算方法并借用计算机进行辅助计算。

现阶段，对于变压器内部温度场的数值计算方法主要分为两类，一类是利用有限元法对变压器内部温度场进行二维和三维的计算；一类是利用在有限元法的基础上发展起来的有限体积法对变压器的内部温度场进行计算。计算结果表明，两种方法均有一定的误差，对变压器的设计以及对实际运行中变压器的温度计算均构成了障碍，影响了变压器的稳定运行。鉴于对油浸式变压器内部温度场准确计算的重要意义，故亟需一种改进算法能对油浸式变压器的内部温度场进行准确的计算。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种可靠性高、准确有效的油浸式变压器内部温度场的精确计算方法，从而对变压器的设计以及实际运行的变压器提供一种准确的内部温度场预测。

本发明的技术方案如下：

一种油浸式变压器内部温度场的精确计算方法，包括以下步骤：

步骤1：根据变压器的参数和负荷计算出变压器内部总损耗，即铁芯的空载损耗和绕组的负载损耗，然后利用空载损耗和负载损耗的结果，分别计算出绕组和铁芯的生热量，然后分别除以铁芯和绕组的体积，从而分别计算出铁芯和绕组单位体积的生热率；

步骤2：以实际变压器的尺寸结构为基础，建立起变压器的物理模型；

步骤3：对建立好的变压器物理模型进行网格划分：其中，绕组、铁芯和散热片采用高精度的六面体网格划分方式；变压器的油流部分采用网格渐变划分方式，即油流与铁芯、绕组、油箱散热器接触部分的距离越远，网格尺寸越大；

步骤4：检验网格的划分质量，利用EquiAngle skew网格质量检验标准，检验单元夹角计算的歪斜度；当99％的绕组、铁芯和散热片的网格skew质量系数控制在0.5以上时，则需对网格进行加密处理；

步骤5：计算热传递过程：

1)采用有限元法(FEM，Finite Element Analysis)，求解绕组和铁芯部分的热传递过程，具体方法如下：

A.建立变压器绕组和铁芯温度场的能量守恒和质量守恒方程；

B.将计算出的铁芯和绕组单位体积的生热率作为载荷施加到各个网格中，基于上述能量守恒和质量守恒方程，利用预条件共轭梯度法(The Preconditioned Conjugate Gradient Method)计算出绕组和铁芯的内部温度场，得到绕组和铁芯表面的温度分布数据；

2)得到绕组和铁芯表面温度分布数据后，基于傅里叶对流换热传导定律，采用有限体积法，求解变压器流体参与的传热过程，具体方法如下：

A.建立起变压器绕组和铁芯与变压器油流传热的微分方程：

基于变压器油流的质量守恒、动量守恒和能量守恒定律，建立起变压器内部油流的传热微分方程；

B.将上述待解的微分方程对每一个控制体积积分，得出一组离散方程；求解过程采用基于压力耦合方程的半隐式解算法(SIMPLE)对离散方程进行求解；通过不断地猜测与修正，对变压器流体的微分方程进行离散求解；

步骤6：通过不断的猜测与修正，解出变压器流体的传热微分方程，从而得到整个变压器的内部温度场。

本发明的积极效果是：本方法建立了与实际变压器尺寸结构完全对应的3D物理模型，并针对计算方法的不同特点，对物理模型进行了科学的网格划分，通过将有限体积法和有限元法结合进行计算，即对于绕组和铁心部分的金属导热，对于有流体参与的传热采用有限体积法进行计算，可以得到精确的油浸式变压器内部温度场3D计算结果，不止针对绕组和铁芯的温度场，变压器内部油流以及散热片和变压器箱体的温度场都能进行准确的计算，对变压器的设计以及变压器的实际运行都有重要而全面的参考意义。

附图说明

附图1为本发明的计算方法流程图。

具体实施方式