油浸式電力變壓器動態(tài)熱路改進(jìn)模型

歐海倫

摘 要：變壓器繞組的熱點(diǎn)溫度對變壓器而言具有十分重要的作用，因此，如何準(zhǔn)確計(jì)算熱點(diǎn)溫度受到了人們的普遍關(guān)注。在對運(yùn)行中的變壓器散熱過程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，充分考慮了周圍環(huán)境與油箱外壁的熱量傳遞這一因素，最終建立起改進(jìn)變壓器動態(tài)等效熱路的模型。

關(guān)鍵詞：油浸式變壓器；繞組熱點(diǎn)溫度；熱電類比；模型參數(shù)

中圖分類號：TM411 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.103

在電網(wǎng)中轉(zhuǎn)換和傳輸能量的核心就是電力變壓器，其屬于最昂貴和最重要的電網(wǎng)設(shè)備之一，整個電網(wǎng)的安全、可靠以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都會受到變壓器的直接影響，同時，變壓器內(nèi)部溫度的高低也會對變壓器的利用率和熱老化產(chǎn)生直接影響。對變壓器過負(fù)載產(chǎn)生限制作用的主要因素是熱點(diǎn)溫度，要想提升變壓器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益和使用壽命，就要首先將在不同負(fù)載和環(huán)境溫度下變壓器的熱點(diǎn)溫度確定下來。

1 油浸式電力變壓器熱點(diǎn)溫度確定方法

在理想的情況下，要想確定熱點(diǎn)溫度，最好的方法就是用溫度傳感器直接測量繞組熱點(diǎn)溫度。然而，在實(shí)際的運(yùn)行過程中，這種方法成本較高，而且維護(hù)也十分困難，現(xiàn)在工程一般都會選擇間接的方法對已經(jīng)投入運(yùn)行的變壓器的繞組熱點(diǎn)溫度進(jìn)行計(jì)算?，F(xiàn)在IEC 354導(dǎo)則和 IEEE Std C 57.91導(dǎo)則所推薦的計(jì)算公式是變壓器繞組熱點(diǎn)溫度計(jì)算的最常規(guī)的方式。然而，該公式忽視了熱點(diǎn)溫度計(jì)算和頂層油溫度受到的油黏度的動態(tài)影響，因此，其具有一定的局限性。面對這種情況，國內(nèi)外的很多學(xué)者開始對計(jì)算變壓器繞組熱點(diǎn)溫度和頂層油溫度的新方法進(jìn)行積極的探尋，一些學(xué)者將環(huán)境溫度變量加入到頂層油溫升模型中，這樣就建立起了頂層油溫度計(jì)算模型，隨后分別選擇線性回歸和后向歐拉離散公式等對模型參數(shù)進(jìn)行辨識，并計(jì)算頂層油溫度，但發(fā)現(xiàn)預(yù)測結(jié)果的誤差卻比較大。一些學(xué)者指出，在計(jì)算的過程中選擇Semiphysical 模型能夠有效減少計(jì)算誤差，但因迭代算法在模型中會由于獨(dú)立變量的增多而發(fā)生不收斂的現(xiàn)象，因此仍然具有非常大的預(yù)測結(jié)果誤差。還有一些學(xué)者通過對熱電類比的方法來定義非線性熱阻和集總熱容，從而建立起基于變壓器頂層油溫度的熱點(diǎn)溫度模型，然而，這一模型并未充分考慮熱參數(shù)隨溫度的變化，因此有一些學(xué)者在此基礎(chǔ)上對油黏度和損耗隨溫度的變化進(jìn)行了充分的考慮，采用兩個有串聯(lián)關(guān)系的集總參數(shù)熱路模擬變壓器內(nèi)部的傳熱過程，在簡化模型時將油與油箱之間的溫度差忽視了，同時也忽視了頂層油溫度模型中頂層油溫度計(jì)算受到的繞組非線性熱阻和繞組熱容的影響。

2 基于熱電類比方法的變壓器動態(tài)熱路模型

2.1 熱點(diǎn)類比的方法

熱點(diǎn)類比方法的基礎(chǔ)就是類比，其主要是將一個相同數(shù)學(xué)方程式的模型設(shè)計(jì)出來，利用模型對原型中的過程和現(xiàn)象進(jìn)行研究。兩種現(xiàn)象具有不同的物理本質(zhì)，然而，其按照同一形式的數(shù)學(xué)方程式，同時保證具有相似的物理量、幾何條件和邊界條件等，這時候就可以通過對熱電類比方法模擬原型。在具體運(yùn)行過程中，電力變壓器產(chǎn)生熱量的地方主要是鐵心、繞組以及各部分的夾件，并通過傳導(dǎo)的方式向各個表面進(jìn)行傳遞，隨后以對流的方式朝著散熱器壁與油箱壁進(jìn)行傳遞，最后熱量在散熱器壁和油箱壁上通過對流、輻射的方式朝著周圍的環(huán)境中不斷散熱。熱量流動在這個過程中具有與電路中電流流動相似的流動方式。這樣就能夠選擇熱電類比方法來模擬這個過程，從而得出電路參數(shù)和熱路參數(shù)的類比關(guān)系。以熱點(diǎn)類比的方法為根據(jù)，可以得出類比電路系統(tǒng)熱路系統(tǒng)的熱容和熱阻。電路參數(shù)和熱路參數(shù)類比如表1所示。

2.2 建立變壓器動態(tài)熱路模型

以變壓器內(nèi)部熱量在運(yùn)行時的流動過程為根據(jù)，再與熱點(diǎn)類比的方法相結(jié)合，充分考慮油箱壁、絕緣油、鐵心和繞組等部件，就能夠建立起電力變壓器動態(tài)等效熱路模型，如圖2所示。圖2中的變壓器的雜散耗損、鐵心損耗和繞組損耗分別用qs、qFe和qCu來表示，油箱壁對外界空氣、絕緣油對油箱壁、金屬部件對油、鐵心對油和繞組對油的非線性熱阻分別是Rth-tank、Rth-oil、Rth-m、Rth-Fe和Rth-wnd。環(huán)境溫度、油箱外壁溫度、頂層油溫度、繞組熱點(diǎn)溫度分別是θa、θtank、θoil和θhs。

3 結(jié)束語

試驗(yàn)結(jié)果表明，相對于IEEE推薦方法而言，本文提出的動態(tài)熱路模型在對繞組熱點(diǎn)溫度和頂層油溫度進(jìn)行計(jì)算的時候，其結(jié)果與試驗(yàn)測量結(jié)果更加接近，因此本文提出的模型精度更高。

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〔編輯：王霞〕