干式变压器和电抗器均质化热仿真建模方法

技术领域

本发明属于变压器和电抗器仿真技术领域，具体涉及一种干式变压器和电抗器均质化热仿真建模方法。

背景技术

干式变压器和电抗器主要以空气为散热介质，通过自然对流或强迫对流进行散热，部分干式变压器和电抗器也采用水冷板辅助散热。变压器和电抗器均由铁心和绕组组成，主要区别在于：变压器通常每相有初级和次级两个绕组并有绝缘要求，且铁心通常不开气隙；电抗器每相通常只有一个绕组，且铁心通常设计有气隙以实现特定电感值。与油浸式变压器和电抗器相比，干式变压器和电抗器具有防火、防爆以及结构紧凑等优点，因此被用于重要市政设施、冶金整流和电炉系统、电力电子变流器等场合。

变压器和电抗器的温度与绝缘材料老化存在密切联系，直接影响其所处电力系统的安全运行，因此需要准确评估其温升。干式变压器和电抗器的类型很多、结构各异，且电力电子变流器等应用场景的变压器和电抗器定制化程度高，因此其温升计算方法较为繁杂。

当前干式变压器和电抗器的温升计算方法主要包括经验公式法、热网络法和有限元法，由于干式变压器和电抗器结构多样和定制化程度高的特点，经验公式法和热网络法难以满足实际设计生产过程中的准确、高效的温升计算需求。有限元仿真方法通常可以满足灵活建模的需求，并具有更高的精度，随着相关软、硬件的发展成熟，有限元仿真方法被越来越多的应用于干式变压器和电抗器的设计生产过程。但是，变压器和电抗器的内部结构、材料组成较为复杂，在计算能力有限的约束下，通常需要对其结构进行一定等效简化，从而能够兼顾准确和高效两个目的。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题的缺陷，提供规范、高效、准确的干式变压器和电抗器均质化热仿真建模方法。

本发明所涉及的干式变压器和电抗器均质化热仿真建模方法，将包括导体、导体表面绝缘、层绝缘和浸渍介质等材料组成的绕组结构等效为均匀材质的连续实体结构，采用基于二维有限元模型计算绕组的等效热参数，进而基于均质化绕组结构及其等效热参数实现干式变压器或电抗器的等效热仿真计算。

为实现上述目的，本发明所述的干式变压器和电抗器均质化热仿真建模方法，主要包括以下步骤：

A根据变压器或电抗器的激励条件、铁心截面积A

根据工作频率f、磁密B

其中，P

根据电流谐波频谱、交流电阻系数F

其中，P

B在具备热分析功能的有限元仿真软件内(以COMSOL多物理场有限元仿真软件为例)建立变压器或电抗器的结构模型，结构模型包括铁心结构、绕组结构、气隙垫块结构、绝缘撑条结构、绝缘板结构、拉杆结构及夹件结构，其中，绕组结构中无需体现内部导体结构；

C根据导体规格、导体材料参数、导体表面绝缘规格、导体表面绝缘材料参数、并联形式、层绝缘规格、层绝缘材料参数、绕线系数和浸渍材料参数，在具备热分析功能的有限元仿真软件内(以COMSOL多物理场有限元仿真软件为例)计算绕组等效密度ρ

D采用步骤C计算得到的等效密度ρ

E根据步骤A计算的铁心损耗为步骤B建立的铁心结构定义热源，根据步骤A所计算的绕组损耗，采用下式将绕组热源定义为损耗-温度耦合形式：

P(T)＝P

式中，α是常数，为0.00393K

F基于步骤B建立的结构模型、步骤D定义的材料属性、步骤E定义的热源条件，设置环境温度T

进一步地，所述步骤C中，具体步骤包括：a.根据导体截面尺寸D

b.针对步骤a所建立的结构模型，分别为导体、导体表面绝缘、层绝缘和浸渍介质结构区域定义密度、比热容和导热系数材料参数；

c.计算绕组的等效密度、等效比热容和等效导热系数：

式中，ρ

在仿真域x方向的左、右边界施加温度边界条件，温差为ΔT，在仿真域y方向的上、下边界施加热绝缘边界条件，仿真计算x方向热流密度q

式中，λ

在仿真域y方向的上、下边界施加温度边界条件，温差为ΔT，在仿真域x方向的左、右边界施加热绝缘边界条件，仿真计算y方向热流密度q

式中，λ

根据导体截面积和绕组总截面积，采用下式计算二维进深方向等效导热系数：

式中，λ

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明干式变压器和电抗器均质化热仿真建模方法，通过等效简化绕组结构以实现准确、高效的热仿真建模，为磁性元件的温升特性评估提供实用化的技术支撑。

附图说明

图1为本发明干式变压器和电抗器均质化热仿真建模方法流程图。

图2为实施例中建立的结构模型示意图。

图3为实施例中采用单层绕组二维模型计算等效热参数示意图。

图4为实施例中铁心和绕组材料坐标系示意图。

图5为实施例中通过仿真得到的流速分布示意图。

图6为实施例中通过仿真得到的温度分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，干式变压器和电抗器的均质化热仿真建模方法，包括以下步骤：

A根据变压器或电抗器的激励条件、铁心截面积A

具体的，以某型0.67mH三相自冷工频电抗器为例，额定电流激励为140A(有效值)，铁心截面积A

B根据工作频率f、磁密B

其中，有效铁心质量M

C根据电流谐波频谱、交流电阻系数F

其中，参考温度T

D在具备热分析功能的有限元仿真软件内(以COMSOL多物理场有限元仿真软件为例)建立电抗器的1/4结构模型，包括铁心结构、绕组结构和附加结构，其中绕组结构无需体现内部导体结构，如图2所示。

E根据导体规格、导体材料参数、导体表面绝缘规格、导体表面绝缘材料参数、并联形式、层绝缘规格、层绝缘材料参数、绕线系数和浸渍材料参数，在具备热分析功能的有限元仿真软件内(以COMSOL多物理场有限元仿真软件为例)计算绕组等效密度ρ

a.根据导体截面尺寸2.5mm×6mm，导体表面绝缘厚度Th

b.针对步骤a所建立的结构模型，分别为导体、导体表面绝缘、层绝缘和浸渍介质等结构区域定义密度、比热容和导热系数等材料参数；

c.计算绕组的等效密度、等效比热容和等效导热系数：

式中，ρ

在仿真域x方向的左、右边界施加温度边界条件，温差为ΔT，在仿真域y方向的上、下边界施加热绝缘边界条件，仿真计算x方向热流密度q

式中，λ

在仿真域y方向的上、下边界施加温度边界条件，温差为ΔT，在仿真域x方向的左、右边界施加热绝缘边界条件，仿真计算y方向热流密度q

式中，λ

根据导体截面积和绕组总截面积，采用下式计算二维进深方向等效导热系数：

式中，λ

F如图4所示，采用步骤E计算得到的等效密度ρ

G根据步骤B计算的铁心损耗为步骤D建立的铁心结构定义热源，根据步骤C所计算的绕组损耗，采用下式将绕组热源定义为损耗-温度耦合形式：

P(T)＝P

式中，α是常数，为0.00393K

H基于步骤D建立的结构模型、步骤F定义的材料属性、步骤G定义的热源条件，设置环境温度T