技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于電力變壓器故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于多參量融合的油浸式變壓器熱點(diǎn)溫度估算方法。

背景技術(shù)：
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變壓器的剩余壽命和負(fù)荷能力很大程度上取決于其絕緣特性，過(guò)高的繞組熱點(diǎn)溫度會(huì)加速變壓器的熱老化和繞組絕緣劣化，準(zhǔn)確地獲取繞組熱點(diǎn)溫度對(duì)提高變壓器運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及電網(wǎng)安全運(yùn)行水平具有重要意義。

目前，獲取變壓器內(nèi)部溫度的主流方法是直接測(cè)量法和間接計(jì)算法。直接測(cè)量方法要求在變壓器中預(yù)先埋設(shè)傳感器，優(yōu)點(diǎn)是能精確測(cè)量變壓器內(nèi)部溫度，但引入內(nèi)置傳感器會(huì)造成絕緣處理困難、故障維修施工復(fù)雜且成本高昂等問(wèn)題，因此實(shí)際工程中應(yīng)用很少。間接計(jì)算法中一般采用ieee和iec導(dǎo)則推薦的計(jì)算公式，該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，但未考慮負(fù)載損耗和油粘度的溫度特性以及時(shí)變環(huán)境溫度和時(shí)變負(fù)載對(duì)熱點(diǎn)溫度的動(dòng)態(tài)影響，計(jì)算誤差較大。近年來(lái)，通過(guò)引入集總熱阻和熱容等概念，國(guó)外很多學(xué)者利用熱路理念來(lái)描述變壓器內(nèi)部熱傳遞過(guò)程并提出了基于熱電類(lèi)比的頂層油溫和熱點(diǎn)溫度求解模型，該方法簡(jiǎn)單、運(yùn)算速度快，但已有的方法沒(méi)有對(duì)變壓器內(nèi)部傳熱過(guò)程進(jìn)行細(xì)分，計(jì)算結(jié)果不能反映變壓器內(nèi)部實(shí)際溫升情況。國(guó)內(nèi)學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，建立了基于底層油溫的熱點(diǎn)溫度計(jì)算模型，一定程度上提高了模型的計(jì)算精度，但未考慮各個(gè)模型中熱容的實(shí)際范圍，造成熱容和時(shí)間常數(shù)計(jì)算結(jié)果偏大?？v觀已有的熱點(diǎn)溫度計(jì)算方法，尚存在以下問(wèn)題：(1)對(duì)熱油區(qū)域和熱點(diǎn)熱源沒(méi)有給出明確的定義而是直接將繞組整體視作熱點(diǎn)熱源，導(dǎo)致計(jì)算的熱點(diǎn)溫升出現(xiàn)偏差；(2)未考慮各個(gè)模型中熱容的實(shí)際范圍，造成熱容和時(shí)間常數(shù)計(jì)算結(jié)果偏大；(3)未考慮變壓器實(shí)際運(yùn)行中時(shí)變環(huán)境溫度、時(shí)變負(fù)載、油粘度和負(fù)載損耗等參數(shù)對(duì)熱點(diǎn)溫度的動(dòng)態(tài)影響，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種計(jì)算簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確度高且動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的基于多參量融合的油浸式變壓器熱點(diǎn)溫度估算方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種基于多參量融合的油浸式變壓器熱點(diǎn)溫度估算方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)利用溫度傳感器采集變壓器底部入油口處油溫(即底層油溫)和周?chē)h(huán)境溫度，利用電流互感器測(cè)量變壓器的負(fù)載電流；

2)依據(jù)變壓器設(shè)計(jì)制造參數(shù)和出廠時(shí)的溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立熱點(diǎn)溫度估算模型：

式中，θamb為環(huán)境溫度；θboil為底層油溫；θwo為熱點(diǎn)區(qū)域溫度；θhs為熱點(diǎn)溫度；r為額定電流下負(fù)載損耗與空載損耗之比；k為負(fù)載系數(shù)；△θboil,r為頂層油溫與環(huán)境溫度的額定溫升；△θwo,r為熱油區(qū)域溫度與底層油溫的額定溫升；△θhs,r為熱點(diǎn)溫度與熱油區(qū)域溫度的額定溫升；μp為油粘度隨溫度變化的修正系數(shù)；τboil為底層油時(shí)間常數(shù)；τwo為熱油區(qū)油時(shí)間常數(shù)；τhs為繞組時(shí)間常數(shù)；pboil,pu、pwo,pu、phs,pu分別表示單位負(fù)載損耗受溫度的影響；其中α是熱點(diǎn)熱源占變壓器繞組的比例系數(shù)；n、n’、n”為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；

3)將采集的環(huán)境溫度和負(fù)載電流代入步驟2)中建立的熱點(diǎn)溫度估算模型中，估算得到變壓器的熱點(diǎn)溫度。

所述步驟2)中熱點(diǎn)熱源占變壓器繞組的比例系數(shù)α的取值采用如下方法確定：

201)將油溫高于頂層油溫的區(qū)域定義為熱油區(qū)域，并將頂層油溫與熱點(diǎn)溫度的平均值定義為熱油區(qū)平均溫度；將向熱油區(qū)域傳熱的繞組發(fā)熱部分定義為熱點(diǎn)熱源；

202)對(duì)變壓器結(jié)構(gòu)縱向分析，設(shè)底層溫度為θboil，熱點(diǎn)溫度為θhs，頂層溫度為θtop；且底層油溫處高度為0，熱點(diǎn)高度為lh，頂層油溫處高度為l，β為調(diào)整系數(shù)；根據(jù)傳熱學(xué)原理，溫差是物體傳熱的必要條件，因此繞組熱點(diǎn)下端的熱源區(qū)域可延伸至油溫與頂層油溫等溫處，其高度le的計(jì)算式為

le＝β(θtop-θboil)×lh/(θhs-θboil)

203)熱點(diǎn)熱源占變壓器繞組的比例為α＝(l-le)/l。

所述熱點(diǎn)熱源占變壓器繞組的比例系數(shù)α的取值為0.7～0.9。

所述步驟2)中時(shí)間常數(shù)τboil，τwo，τhs的取值采用如下方法確定：

τboil＝rboil,r*(coil*moil+ctank*mtank)

τwo＝rwo,r*(α*cwnd*mwnd+cfe*mfe))

τhs＝rhs,r*(α*cwnd*mwnd)

式中，rboil,r、rwo,r、rhs,r分別表示底層油溫-外部環(huán)境熱路模型、熱油區(qū)-底層油溫?zé)崧纺Ｐ秃蜔狳c(diǎn)-熱油區(qū)熱路模型的額定集總熱阻；coil、cfe、cwnd、ctank分別表示變壓器油、鐵芯、繞組和殼體的比熱容；moil、mfe、mwnd、mtank分別表示變壓器油、鐵芯、繞組和殼體的質(zhì)量。

本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明對(duì)普通的基于底層油溫的熱路模型進(jìn)行改進(jìn)，明確給出繞組熱點(diǎn)熱源的定義，減小了因繞組熱點(diǎn)熱源范圍被擴(kuò)大而導(dǎo)致計(jì)算偏差。修正熱油區(qū)域熱容cwo和熱點(diǎn)熱容chs的算法，提高時(shí)間常數(shù)τwo和繞組時(shí)間常數(shù)τhs的準(zhǔn)確度和計(jì)算模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。在推導(dǎo)模型動(dòng)態(tài)方程時(shí)，本發(fā)明綜合考慮了時(shí)變環(huán)境溫度、時(shí)變負(fù)載以及油粘度和負(fù)載損耗等參量對(duì)熱點(diǎn)溫度的影響，使計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確地反應(yīng)變壓器內(nèi)部的溫升情況。

相比于iec負(fù)載導(dǎo)則推薦的熱點(diǎn)溫度微分算法，本發(fā)明提出的熱路模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值更加接近，并且當(dāng)變壓器負(fù)荷變化時(shí)本發(fā)明提出的估算模型具有更快的響應(yīng)能力。

附圖說(shuō)明：

圖1為變壓器內(nèi)部油循環(huán)示意圖；

圖2為本發(fā)明的底層油-外部環(huán)境模型原理圖；

圖3為本發(fā)明的熱油區(qū)-底層油模型原理圖；

圖4為本發(fā)明的熱點(diǎn)-熱油區(qū)模型的原理圖；

圖5為本發(fā)明建立變壓器內(nèi)部熱分布圖；

圖6為本發(fā)明計(jì)算結(jié)果與iec國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)推薦值、實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比實(shí)例。

具體實(shí)施方式：

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

圖1為油浸式變壓器內(nèi)部的油循環(huán)流通圖，反映變壓器內(nèi)部散熱過(guò)程，將變壓器繞組、鐵芯及各部分夾件上產(chǎn)生的熱量以油循環(huán)的方式傳到散熱器，然后通過(guò)冷卻裝置或附近的媒質(zhì)散發(fā)到外部環(huán)境中。

依據(jù)變壓器內(nèi)部傳熱過(guò)程及溫升機(jī)制，建立基于底層油溫的三層熱點(diǎn)溫度的估算模型，即底層油-外部環(huán)境模型、熱油區(qū)-底層油模型和熱點(diǎn)-熱油區(qū)模型，模型原理圖分別如圖2、圖3和圖4所示。

熱油區(qū)域和熱點(diǎn)熱源的定義和計(jì)算方法：把油溫高于頂層油溫的區(qū)域定義為熱油區(qū)域，并將頂層油溫與熱點(diǎn)溫度的平均值定義為熱油區(qū)平均溫度，把向熱油區(qū)域傳熱的繞組發(fā)熱部分定義為熱點(diǎn)熱源。由于繞組熱點(diǎn)溫度約在繞組高度88％～92％處以及不同高度處的油與繞組的溫差值相同，本發(fā)明采用了一種改進(jìn)的熱分布特性，如圖5所示?？紤]繞組熱分布及傳熱的特點(diǎn)，熱點(diǎn)溫度僅對(duì)熱點(diǎn)附近的熱油區(qū)域有影響，因此需要對(duì)繞組熱點(diǎn)等效熱源區(qū)域進(jìn)行建模計(jì)算。

具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明提出的一種基于多參量融合的油浸式變壓器熱點(diǎn)溫度估算方法，包括以下步驟：

(1)考慮變壓器負(fù)載損耗受到內(nèi)部溫度變化的影響，單位負(fù)載損耗pboil,pu、pwo,pu、phs,pu的表達(dá)式分別如式(1)-(3)所示。

在式中，pdc,pu為額定溫度下變壓器繞組的單位直流損耗；pa,pu為額定溫度下變壓器繞組的單位附加損耗(即渦流損耗和雜散損耗之和)；pe,pu為額定溫度下變壓器的單位渦流損耗；θk為負(fù)載損耗校正溫度(用銅材時(shí)取235，用鋁材時(shí)取225)。

(2)確定熱點(diǎn)熱源

根據(jù)傳熱學(xué)原理，溫差是物體傳熱的必要條件，因此繞組熱點(diǎn)下端的熱源區(qū)域可延伸至油溫與頂層油溫等溫處，其高度le的估算如式(4)所示。

le＝(θtop-θboil)×lh/(θhs-θboil)(4)

式中，底層溫度為θboil，熱點(diǎn)溫度為θhs，頂層溫度為θtop；且底層油溫處高度為0，熱點(diǎn)高度為lh，頂層油溫處高度為l。熱點(diǎn)熱源占變壓器繞組的比例系數(shù)為α＝(l-le)/l，一般在0.7～0.9之間。因此，熱點(diǎn)-熱油區(qū)熱路模型的熱源ql3＝α*ql，ql為變壓器繞組直流損耗。

(3)估算時(shí)間常數(shù)

時(shí)間常數(shù)τboil，τwo，τhs的計(jì)算通式如下：

τx＝rx,rcx(5)

cx＝cxmx(7)

式中，a為換熱面積，c1＝c(cxgβρ²)ⁿλ^1-nl^3n-1，l為傳熱面特征尺寸(m)；g為重力常數(shù)(m/s²)；λ為油導(dǎo)熱率(w/m·k)；為油密度(kg/m³)；β為油的膨脹系數(shù)(1/k)；cx為熱容(j/k)；μ為油粘度(m²/s)；c和n為工質(zhì)流態(tài)(層流或湍流)來(lái)確定的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。熱路模型中集中熱容的計(jì)算如式(8)-(10)所示。

cboil＝coil*moil+ctank*mtank(8)

cwo＝α*cwnd*mwnd+cfe*mfe(9)

chs＝α*cwnd*mwnd(10)

式中，cboil，cwo，chs分別表示底層油-外部環(huán)境熱路模型、熱油區(qū)-底層油溫?zé)崧纺Ｐ秃蜔狳c(diǎn)-熱油區(qū)熱路模型的集總熱容；coil、cfe、cwnd、ctank分別表示變壓器油、鐵芯、繞組和殼體的比熱容；moil、mfe、mwnd、mtank分別表示變壓器油、鐵芯、繞組和殼體的質(zhì)量。

(4)油粘度隨溫度變化的修正系數(shù)μp計(jì)算公式如式(11)所示：

式中θoil為油溫；θoil,r為變壓器額定狀態(tài)下的油溫。

(5)油浸式變壓器繞組熱點(diǎn)溫度可由式(12)-(14)進(jìn)行估算：

式中，θamb為環(huán)境溫度；θboil為底層油溫；θwo為熱點(diǎn)區(qū)域溫度；θhs為熱點(diǎn)溫度；r為額定電流下負(fù)載損耗與空載損耗之比；k為負(fù)載系數(shù)；△θboil,r為頂層油溫與環(huán)境溫度的額定溫升；△θwo,r為熱油區(qū)域溫度與底層油溫的額定溫升；△θhs,r為熱點(diǎn)溫度與熱油區(qū)域溫度的額定溫升；μp為油粘度隨溫度變化的修正系數(shù)；τboil為底層油時(shí)間常數(shù)；τwo為熱油區(qū)油時(shí)間常數(shù)；τhs為繞組時(shí)間常數(shù)；pboil,pu、pwo,pu、phs,pu分別表示單位負(fù)載損耗受溫度的影響；其中α是熱點(diǎn)熱源占變壓器繞組的比例系數(shù)；n、n’、n”為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。它們的取值與變壓器的類(lèi)型有關(guān)，其中n和n’的值取0.2～0.5，n”的值取0.25～1。

下面結(jié)合一臺(tái)220kv-180mva油浸風(fēng)冷(onaf)變壓器的參數(shù)和實(shí)測(cè)數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，具體參數(shù)如表1所示。

表1變壓器參數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，相比于iec負(fù)載導(dǎo)則推薦的熱點(diǎn)溫度微分算法，本發(fā)明提出的熱路模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值更加接近，并且當(dāng)變壓器負(fù)荷變化時(shí)本發(fā)明提出的估算模型具有更快的響應(yīng)能力。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。