[发明专利]一种轻量化车载牵引变压器绕组末端温度平均衰减量的计算方法

权利要求书

1.一种轻量化车载牵引变压器绕组末端温度平均衰减量的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、建立轻量化车载牵引变压器的轴对称二维模型

根据轻量化车载牵引变压器结构特点进行初步处理：删除绕组出线端子、夹件和撑条结构，将冷却风道简化为内外两个壁面同时或独立具有恒定的热流量的环空管道；

第二步、布置温度监测节点，所述温度监测节点包括：绕组温度节点、绝缘纸边界节点、环氧树脂边界节点和空气温度节点，节点之间通过热阻相连，形成轻量化车载牵引变压器热网络模型；节点的布置方法具体如下：

1)在绕组导体每一匝中心布置1个绕组温度节点，绕组温度节点间根据绕组结构在轴向和辐向对齐；

2)在绕组温度节点的上、下、左、右4个方向分别布置4个绝缘纸边界节点；

3)在上、下绝缘纸边界节点的上、下侧分别布置2个环氧树脂边界节点；

4)在冷却风道两侧的2个环氧树脂边界节点之间设置1个空气温度节点；

5)绕组温度节点与绝缘纸边界节点之间通过绝缘纸热阻相连，绝缘纸边界节点与环氧树脂边界节点之间通过环氧树脂热阻相连，环氧树脂边界节点与空气温度节点之间通过对流热阻相连，空气温度节点之间通过空气热阻相连；

第三步、计算各部分热阻

1)绝缘纸热阻R_p使用如下公式计算：

式中，k_p为绝缘纸的热导率，单位为W·m^-1·K^-1，l_p为在该绝缘纸热阻的热流方向上绝缘纸的厚度，单位为m，S_p为在该绝缘纸热阻的热流方向上绝缘纸与铜导体的接触面积，单位为m²；

2)环氧树脂热阻R_e使用如下公式计算：

式中，k_e为环氧树脂的热导率，单位为W·m^-1·K^-1，l_e为在该环氧树脂热阻的热流方向上环氧树脂的厚度，单位为m，S_e为在该环氧树脂热阻的热流方向上环氧树脂与绝缘纸的接触面积，单位为m²；

3)空气热阻R_air使用如下公式计算：

式中，m_air为冷却风道空气的质量流量，单位为kg·s^-1，C_{p_air}为空气的比热容，单位为J·kg^-1·K^-1，L_duct为冷却风道的总长，单位为m，l为导体的轴向宽度，单位为m；

4)对流热阻R_conv使用如下公式计算：

式中，D_o为冷却风道的外直径，单位为m，D_i为冷却风道的内直径，单位为m，Nu_x为局部努塞尔数，k_air为空气的热导率，单位为W·m^-1·K^-1，S_duct为单个绕组温度节点外环氧树脂与冷却风道的接触面积，单位为m²；

所述对流热阻R_conv的计算公式中，Nu_x的计算公式如下：

式中，n为绕组温度节点的编号，其规则为：最内侧冷却风道入口处绕组温度节点编为1号，顺次往下编为2、3、4…直至最外侧冷却风道出口的绕组温度节点；x为距风道入口的距离，单位为m，R为冷却风道的中心线半径，单位为m，Re为冷却风道雷诺数，使用如下公式计算：

式中，ρ为空气密度，单位为kg·m^-3，v为空气流速，单位为m·s^-1，μ为空气动力粘度，单位为kg·m^-1·s^-1；

第四步、为绕组温度节点分配发热功率

编号为n的绕组温度节点分配到的发热功率按照如下公式计算：

式中，V_n为编号为n的绕组温度节点对应的导体体积，单位为m³，V_总为绕组的总体积，单位为m³，Q为该台变压器现场试验获取的负载损耗，单位为W；

第五步、根据第一步到第四步所述轻量化车载牵引变压器热网络模型结构，依照基尔霍夫定律列写节点电压方程求解绕组温度节点温度，获取全部绕组温度节点的温度值，将温度最高的绕组温度节点的温度值记为T_hs；将末端区域，即温度最高的绕组温度节点至绕组末端节点的区域内包含的所有节点温度值记为T_term-i，i＝0，1，2，…，n，其中不含温度最高的绕组温度节点，T_term-0为上述末端区域的首端节点温度值，单位为K，T_term-n为上述末端区域的末尾节点温度值，单位为K；

第六步、计算绕组末端温度平均衰减量H

式中，z_end为末端区域的末尾节点距离风道入口的距离，单位为m，z_start为末端区域的首端节点距离风道入口的距离，单位为m，T_term(z)为绕组末端区域中z位置对应的温度值，单位为K，其计算公式如下：

式中，z_i为末端区域节点温度值为T_term-i对应的绕组位置，单位为m，z_j为当i＝j，j＝0，1，2，…，n时末端区域节点温度值为T_term-i对应的绕组位置，单位为m。