基于变压器顶层油温的动态建模.pdf

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1、第 3 9卷第 9 期2 0 0 2汪9月月 s 7 7 l A 汉卯 Y况口 观 刃Vo l 39 S e p t e mb e rN o .92 0 0 2基于变压器顶层油温的动态建模刘辉 1 ， 索南加乐1 ， 宋国兵 ， 罗军明2 臼西 安交通大学电气工程学院，陕西 西安 7 1 0 0 4 8 ; 2 . 平凉地区电力局修试所， 甘肃 平凉 7 4 4 0 0 0 ;摘要: V1电路of型4导出变压F动态温开微分方程. 其可以准确预汰变压器顶层油温买脸结果证实其误龙在 3 l : 以 内 _关键词: 电力变压器; 顶层油温; 建模中国分类号: T M 4 0 2文献标识码: A文章编

2、号: 1 0 0 1 - 8 4 2 5 ( 2 0 0 2 ) 0 9 - 0 0 0 5 - 0 41 前言近年来变压器的热特性越来越受到人们的重 视，第二十届国际大电网会议就已经把变压器的热特性列为重点研究问题之一、电力变压器是电力系统中的重要设备，它对电 力系统的运行稳定性有重要的影响而且其容量越大， 造价也越高因此， 延长变压器的使用寿命对电 力系统有重要意义 根据经验， 对变压器的运行及寿命情况监测主要有两个方面:一方面是对变压器溶 解气体进行气相色谱分析，另一方面就是对变压器绕组热点温度进行监测。在实际运行中对变压器的 绕组温度的测量比较困难，但是测量变压器的顶层 油温相对较容易

3、，而顶层油温与绕组热点温度有直接关系，因此可以通过预测变压器顶层油温来达到预测变W . . 器绕组温度的目的这也是本文对变压器 顶层油温建模， 并对其进行研究的意义之所在对变压器顶层油温的研究国际上已经做了许多L作I E E E 0 5 7 .9 一 1 9 9 5 标准在I E E E C 5 7 .9 2 - 1 9 8 1 标准的温升计算指数模型基础之上，考虑了不同冷却方式时指数7 z 的值; 文献f 州用纯热力学和传导原 理推出一种较为精确的变压器顶层油温升计算公 式; 文献 2 i 用神经网络来预测变压器油温 事实上，科研工作者对变压器顶层油温认识正逐渐地与实际 情况相吻合:从最初只

4、考虑变压器额定稳态温升发展到考虑非额定情况 卜 的暂态温升;从仅考虑变压 器的稳态温升发展到考虑变压器的暂态温升;从不考虑环境温度 、 冷却方式对变压器顶层油温的影响 发展到考虑它们的影响。另外， 文献仁 3 ; 中还讨论了 变压器油的粘性、变压器过励磁导致空载损耗忽略增人等因素对变压器顷层油温的影响八本文提出用非线性电路模拟变压器散热过程， 得出变压器顶层油温精确的计算公式_2 变压器散热原理变t器在运行时产生的损耗 ( 包括空载损耗和 负载损耗) 以热的形式通过油、 油箱壁和散热器散发到周围的空气中 变压器热量的散发通过传导、 对流 和辐射三种形式， 变压器散热示意图如图I 所示、具体地说

5、，绕组和铁心内部的热量传递到表面靠传导 形式传递，绕组和铁心表面的热量散发到变压器油中主要靠对流的形式散发。散发到变压器油中的热 量使油箱中的变压器油温上升， 密度下降， 产生传递 热浮力。 而变压器油在热浮力的推动 F， 从油箱上部进人连接油管， 通过油管进人散热器。 在散热器中的 油经过和外面空气的热交换， 油温降低 油从油箱下部进人连接油管， 通过油管重新进人变压器油箱， 形 成 自 然循环 在这个循环中， 热量从变压器油传给油箱和散热器内壁， 由油箱和散热器内壁传到外壁 然后主要通 过对 流和辐射形式散到空气 中3 - 电类比环 境况度 0 -图 1 变压据散热示意图万方数据o n第

6、3 9卷3 变压器热阻综合变压器的对流辐射散热并月考虑变压器的 冷却方式， 变压器的热阻实际上并不是线性的_ 非线 性的热阳可以用 卜 面的这个等式来描述引 :.A 、 二 v .,= R “a a “ C “u ( )0 氏= d ;l- 氏、 ，( 9 )式中、油时间常数1负荷电流标么值R 下标说明， 表示额定负载、 稳态、 环境温度 在3 0 C于是式( 7 ) 可以简化成如卜; I : (3 + l“ (L1 B aa ) i,n= T d 0 .d t 十 ( 、 一 氖 。 1 ( ， 。 )式 中M -) 3 + 1A o ,;在额定负载 F 0 .0 与额定环境温度的差值热容

7、与温升 、 热式( 1 0 ) 所对应的差分方程可以写成:U Q 1= D t! p . # + 1 舟 1 ( A 0 -) 气( 8 J - B eii6 ) ,. ” 一 ( 1 娜上述方程的兔的 解是关于 , W ( 约 和蠕( 约 随时1可 变化的函数，这个差分方程是显式差分方程 新的 D 0 . , 的值可以直接叠加到前面按照时间每一步已经算出的o w 上通常我们认为取变压器顶层油温来代表整个油温是最好的.因为变1t .器外壳顶部通常都有个非 电量测量装置来显示变压器顶层的油温一也有人争 议说用变压器底部的油温来代表整个油温可能会更好一,F e在I E E E 标准C 5 1 -

8、9 1 - 1 9 9 5 中的附录G中， L . W. P i e r c e 先生已经说明导体油的温度在暂态负荷条件 下可能要比通常的高， 特别是在n 不等于整数的情况卜 不同冷却方式和冷却介质的指数n 值见表2表 2不 同冷 却 方 式 的 指 数 n值(4)(5)7 1 ; 温度 以“ l 以用 开尔 z 侃度 表示 , K与上述电路定律相对应的热阻流满足的关系如卜:O - R,6 “ q C 二 lie这些符号的意义见表1 。根据前面的等效原理可以将图1 等效成如下电 路( 见图2 )一 。 、护 R1-v .4 t . T R ,图2 等效电路在图2 中可以看出， 有火一 氏n :

9、 Ru 叭 ul4 变压器顶层油温建模4 . 1 模型的微分方程图2 所示等效电路的微分方程描述如下1 .( 6 )冷却 方式压O A0 . 8f A 卜 9 N D F O A / N D F O Wl n 9D F O A / D F O W J。 r+ yc二 二 1 d 0, + 繁.e“ d t + I R.,. ( 7)P:O A - 自 冷 ; F .A - 风 冷 ;D F O A / N D F O A直接/ Ih I 技强 迫 油风 冷 D F O W / N D F O W-直接/ i f 直接 强 迫油水 冷万方数据第 ，哭刘辉、 索南加乐、 宋国兵、 罗军明: 基于变

10、压器顶层油温的动恶建模1211100908070605理长鉴璐留稼召4 . 2 与文献 4 中计算公式比较引自文献 厂 4刁 的微 分方程 如下K R +R + 1 O u .a= Tlu .x“ dd A 9m +A B,n90807060尸创侧式中人 件 一 等价于爪R 等价丁 七 刀A t , . -顶层油温的额定温升A 6 6 顶层油温温升， 也是需要得到的变量式( 1 0 ) 和式( 1 2 ) 有几个重要的区别:a . 式( 1 2 ) 中的相关变量是变压器顶层油温温 升， 而式( 1 0 ) 中的相关变量是变压器顶层油温温度;b . 式( 1 2 ) 中不包括环境温度， 而在式(

11、 1 0 ) 中考虑 r环境温度 ;。 .式( 1 2 ) 中T m . a 不同于式( 1 0 ) 中的T w 。本文中的时间常数反映了根据冷却方式不同所进行的修1 r不过如果环境温度是一个常数而且指数n 和整 数相差不太远， 式( 1 2 ) 中得到的结构I l 式( 1 0 ) 是相同的 、4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4I 付间 / h图 3变 压 器 日负 荷 电 流 变 化 曲 线 110 匡 1=F3$I YL ($7Y.y ibl7100 2:. 1Y5TSl F d9iai1 丫卜- . ，一一 J 尹一一 一一 、 、 、 一一nU

12、Cnn 月J4八j，5 实验验证为验证理论公式的有效性， 利用文献 5 中的函数最优逼近的方法刘式( 1 0 ) 中的T a I , n 办氏a 进行 了 估计. 采样时IF I司隔为3 m i n 估算出的各值( 变压 器冷却方式为风冷) 如下:7 . ,=1 8 3 .6 mi na = 0 .9么 氏ix = 5 4 .4 10已知负荷电流( 见图3 ) 和环境温度( 见图4 中曲 线3 ) 的变化， 将 上面估算出的常数带人式( 1 1 ) ， 并根据此差分方程预测出变压器顶层油温变化曲线 ( 见图4 中曲线1 ) 。将此曲线与变压器实测顶层油温 曲线( 见图4 中曲线2 ) 相比较可

13、见预测温度与实测温度基本一致， 主 卜 算误差在1 3 以内， 可满足工程需要 ，4 0 8 0 1 2 0 1 6 0 2 0 0 2 4 0 2 8 0 3 2 0 3 6 0 4 0 0 4 4 0 4 8 0采样点数 每3 . i . 一次)图 4变 压 器顶 层 油 温 及 环 境 温 度 曲 线6 结论电力变压器的热模型的等效电路形式也是基 于基本的热传导理论。这说明上面推导出的用于大型电力变压器顶层油温计算的微分方程有可靠的 理论基础。通过实验验证理论与实际相吻合， 说明公式实用性强。该微分方程可以精确计算变压器顶 层油温，为估算变压器绕组温度提供了 一 种较精确的方法，这对变压

14、器绕组温度的预测有着重要的意义。参考文献: 1 j P ie r c e L W. P r e d i c t i n g l iq u i d fi l le d tr a n s fo r m e r l u a d -i n g c a p a b il i ty J . I E E E T r a n s . I n d . A p p l . , 1 9 9 4 . 3 0( 1 ) ; 1 7 0 - 1 7 8 . 2 H e Q , S i J , a n d T y l a v s k y D J . P r e d ic ti o n o f to p - o i lte

15、m p e ra tu r e fo r t r a n s f o r m e r s u s in g n e u ra l n e t w o r k s J .IE E E T r a n s . P o w e r D e l i v . 2 0 0 0 . 1 5 ( 4 ) : 1 2 0 5 - 1 2 1 1 . 3 A u b i n J . L a n g h a m e Y . E ff e c t o f o il v is c o s i ty o n tr a n s -f o r m e r lo a d i n g c a p a b i li t y a t

16、 lo w a m b i e n t te m p e ra t u re s J . IE E E T ra n s . P o w e r D e l i v . 1 9 9 2 , 1 7 ( 2 ) : 5 1 6 - 5 2 2 4 I E E E S td . C 5 7 .9 1 - 1 9 9 5 , G u i d e f o r lo a d in g min e ra l -o i l - imm 。 二 。 d t r a n s fo r m e rs S 5 邓建中， 刘之行 计算方法仁 M 西安 西安交大出版社，2 0 0 1 -万方数据第 3 9 卷2 0 0

17、 2第 9期乡 r # T R J A. 洲 RA 2钾V ol . 3 9军 9月S e p t e m b e rN o .92 0 0 2树脂浇注干式变石器挽组锻热点位置的令析陈世省，陈秀菊 ( 浙江 三变科技股份 有限 公司， 浙江 三门 3 1 7 1 0 0 )摘要 : 分析了额定负载 厂 树脂浇注千式变压器， 铁心和绕组内部温度场分布情况 并将仿真计算结果与试验数值进行对比分析， 以铂定变压器内部最热点位里。关键词: 变压器; 树脂浇注; 温度场; 分析; 位呈中国4 ; AK- T M 4 1 2文献标识码: A文章编号: 1 0 0 1 - 8 4 2 5 ( 2 0 0 2

18、 ) 0 9 - 0 0 0 8 - 0 5)概述树脂浇注干式变压器是一种用环氧树脂作为绝 缘填允介质的产品， 与油浸式变压器相比， 其导热性能稍差。本文上要分析额定负载下千式变压器铁心 和绕组内部温度场分布情况，选用有限差分法进行温度场计算， 同时结合试验数值进行分析对比， 以进 一步确定变压器内部最热点位置2温度场 计算的实现方法2 . 1 模型假设变压器器身由铁心、 低压绕组、 高压绕组二部分组成。铁心由3 0 Z 1 4 0 冷轧硅钢片叠装而成， 其场分 布在 : = 0处对称， 其余边界为对流换热边界 发热热源主要由两部分组成，一部分为磁致伸缩所产生的 空载损耗;另一部分为绕组中导线

19、电阻发热所形成斗冲 一一 一 卜月+ .闷州 卜声污 哟十 叫目 一 叫 卜一 卜 卜， ， ， 斗 J闷 . 十月 卜户十 叫 干. 卜奋 勺 确卜加卜 -一卜 .确冲 一州卜 .叫产 目干 叼一卜月奋十 引卜 一卜 训卜一干 ，闷叼 卜D y n a m i c Mo d e l in g B a s e d o n T r a n s f o r m e r T o p O i l T e m p e r a t u r eL I U Hu i , S U O N A N J ia -l e , S O N G G u o - b i n g , L U O J u n -n t i n

20、 g 2 ( I. X i a n J ia o t o n g U n i v e rs it y , Va n 7 1 0 0 4 8 , C h i n a ; 2 .P i n g l i a n g E l e c t r i c P o w e r B u r e a u , P i n g l i a n g7 4 4 0 0 0 , Ch i n a )A b s l r a c t : T h e d if f e r e n t ia l e q u a t i o n f o r t h e d y n a m ic t r a n s f o r m e r t e m

21、 p e r a t u r e r is e i s d e r i v e d w i t hth e e q u i v a l e n t c i r c u i t m o d e l . T h e t r a n s f o r m e r t o p o i l t e m p e r a t a r e i s p r e d ic t e d a c c u r a t e l y w i t h i t . T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t i ts e r r o r i s b e

22、tw e e n 1 3 t. K e y w o r d s : P o w e r t r a n sf o r m e r ; T o p o il t e m p e r a tu r e ; Mo d e l i n g收稿日期: 2 0 0 2 - 0 4 - 1 5 作者简介; 刘辉( 1 9 7 8 - ) ， 男， 四川遂宁人， 西安交通大学在读硕士， 主要从事变压器油温在线监测的研究工作 ;索南加乐( 1 9 6 0 - ) , 男， 新疆鸟鲁木齐人， 西安交通大学教授， 西安交通大学博士生导师， 主要从事电力系统继电保护和变压器在线监测方面的研究;宋国兵门9 7 2 - ) ， 男 河南信阳人， 西安交通大学在读博上， 主要从事电力系统继电保护方面的研究工作 ;罗军明( 1 9 6 9 - ) . 男 甘肃平凉人 甘肃省平凉地区电力局修试所工程师， 主要从事变压器温度在线监测的研究工作万方数据