油浸式電力變壓器動態熱路改進模型

歐海倫

摘 要：變壓器繞組的熱點溫度對變壓器而言具有十分重要的作用，因此，如何準確計算熱點溫度受到了人們的普遍關注。在對運行中的變壓器散熱過程進行分析的基礎上，充分考慮了周圍環境與油箱外壁的熱量傳遞這一因素，最終建立起改進變壓器動態等效熱路的模型。

關鍵詞：油浸式變壓器；繞組熱點溫度；熱電類比；模型參數

中圖分類號：TM411 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.103

在電網中轉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設備之一，整個電網的安全、可靠以及經濟運行都會受到變壓器的直接影響，同時，變壓器內部溫度的高低也會對變壓器的利用率和熱老化產生直接影響。對變壓器過負載產生限制作用的主要因素是熱點溫度，要想提升變壓器運行的經濟效益和使用壽命，就要首先將在不同負載和環境溫度下變壓器的熱點溫度確定下來。

1 油浸式電力變壓器熱點溫度確定方法

在理想的情況下，要想確定熱點溫度，最好的方法就是用溫度傳感器直接測量繞組熱點溫度。然而，在實際的運行過程中，這種方法成本較高，而且維護也十分困難，現在工程一般都會選擇間接的方法對已經投入運行的變壓器的繞組熱點溫度進行計算。現在IEC 354導則和 IEEE Std C 57.91導則所推薦的計算公式是變壓器繞組熱點溫度計算的最常規的方式。然而，該公式忽視了熱點溫度計算和頂層油溫度受到的油黏度的動態影響，因此，其具有一定的局限性。面對這種情況，國內外的很多學者開始對計算變壓器繞組熱點溫度和頂層油溫度的新方法進行積極的探尋，一些學者將環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進行辨識，并計算頂層油溫度，但發現預測結果的誤差卻比較大。一些學者指出，在計算的過程中選擇Semiphysical 模型能夠有效減少計算誤差，但因迭代算法在模型中會由于獨立變量的增多而發生不收斂的現象，因此仍然具有非常大的預測結果誤差。還有一些學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溫度模型，然而，這一模型并未充分考慮熱參數隨溫度的變化，因此有一些學者在此基礎上對油黏度和損耗隨溫度的變化進行了充分的考慮，采用兩個有串聯關系的集總參數熱路模擬變壓器內部的傳熱過程，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熱路模型

2.1 熱點類比的方法

熱點類比方法的基礎就是類比，其主要是將一個相同數學方程式的模型設計出來，利用模型對原型中的過程和現象進行研究。兩種現象具有不同的物理本質，然而，其按照同一形式的數學方程式，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。在具體運行過程中，電力變壓器產生熱量的地方主要是鐵心、繞組以及各部分的夾件，并通過傳導的方式向各個表面進行傳遞，隨后以對流的方式朝著散熱器壁與油箱壁進行傳遞，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，從而得出電路參數和熱路參數的類比關系。以熱點類比的方法為根據，可以得出類比電路系統熱路系統的熱容和熱阻。電路參數和熱路參數類比如表1所示。

2.2 建立變壓器動態熱路模型

以變壓器內部熱量在運行時的流動過程為根據，再與熱點類比的方法相結合，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。環境溫度、油箱外壁溫度、頂層油溫度、繞組熱點溫度分別是θa、θtank、θoil和θhs。

3 結束語

試驗結果表明，相對于IEEE推薦方法而言，本文提出的動態熱路模型在對繞組熱點溫度和頂層油溫度進行計算的時候，其結果與試驗測量結果更加接近，因此本文提出的模型精度更高。

參考文獻

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〔編輯：王霞〕