[发明专利]一种变压器多物理场计算中外壳对流换热系数确定方法

说明书

本发明属于变压器温度流体场计算技术领域，尤其涉及一种变压器多物理场计算中外壳对流换热系数确定方法。实施步骤包括：建立包含变压器外围空气包的三维模型，对材料属性进行设置；采用网格对模型进行剖分；设置内部金属结构件和金属箱体上的损耗分布，以及外界环境边界条件；采用有限体积法进行变压器温度流体场仿真计算，得到变压器温度场分布和变压器外壳热流分布；结合变压器外壳温度和外界环境温度以及获取的变压器外壳的热流分布，计算得到变压器外壳等效对流换热系数。本发明对变压器外壳对流换热系数的计算考虑全面，不受变压器外壳结构的限制，相对于解析公式计算精度更高，可以更好地应用于工程实际。

技术领域

本发明属于变压器温度流体场计算技术领域，尤其涉及一种变压器多物理场计算中外壳对流换热系数确定方法。

背景技术

变压器是电力系统中重要输电设备之一，数量众多，结构复杂，如何监测变压器的温度分布是影响电力系统供电可靠性和安全性的重要因素。对变压器在不同运行工况下的温度流体场进行计算，获取变压器在不同运行工况下的温度场分布特征，是变压器在实际运行控制中对变压器进行运行维护的重要技术手段。然而在变压器的温度流体场计算中，变压器外壳对流换热系数的加载时重要的边界条件之一，由于变压器外壳结构复杂，简单的采用经验公式对对流换热系数进行计算，往往不能全面描述变压器外部的换热特性，实际应用中具有较大误差。因此，如何准确的获取变压器多物理场计算中外壳对流换热系数是确定和完成变压器检测等工作的重要的内容。

发明内容

本发明的目的是提供一种变压器多物理场计算中外壳对流换热系数确定方法，将仿真计算与试验相结合，该方法精度高、效率高、且切实可行。

本发明为一种变压器多物理场计算中外壳对流换热系数确定方法，包括如下步骤：

S1建立包含变压器外围空气包的三维模型，对模型中各部件材料属性进行设置：确定变压器铁芯1、绕组、内部结构件以及油箱的尺寸参数，建立包含变压器铁芯1、绕组、内部结构件、油箱以及变压器外围空气包的三维仿真分析模型，根据各部分结构实际材料参数对模型各部件材料属性进行设置；

S2采用四面体和六面体相配合的网格对三维仿真分析模型进行剖分：采用四面体对复杂结构进行剖分，采用六面体网格对规则结构进行剖分，获取四面体和六面体相配合的变压器整体剖分网格；

所述复杂结构至少包括变压器外壳、内部金属结构件；所述规则结构至少包括变压器绕组；

S3设置绕组、铁芯和变压器内部金属结构件和金属箱体上的损耗分布，以及外界环境边界条件：结合变压器的空载损耗和负载损耗获得变压器额定条件下的总损耗，结合变压器高低压绕组匝数、直流电阻和额定电流，确定变压器绕组上的损耗分布，同时利用额定条件下的变压器电磁场计算，获得变压器内部金属结构件和箱体上的漏磁分布，得到涡流密度J等，变压器内部金属结构件和箱体上的涡流损耗P_e可通过下式计算：

式中：J为涡流密度，v为划分的网格体积，σ为电导率；

在变压器外界环境空气包外层加载环境温度作为边界条件；

S4采用有限体积法进行变压器温度流体场仿真计算，得到变压器温度场分布和变压器外壳热流分布：结合建立的包含变压器外围空气包的三维仿真分析模型，采用有限体积法对变压器温度流体场进行仿真计算，温度流体场控制方程可通过以下三式表示，分别是质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程；

式中，f为流体体积力，q为流体的体积热源，ρ为流体密度，v为流体流速，p为流体压力，μ为流体的动力粘度，e为流体内能，k为流体导热系数，S油粘性与流体内部热源共同作用下流体机械能转换为热能的部分；