一种双水内冷同步调相机温度场三维可视化方法和系统

技术领域

本发明属于同步调相机温度场仿真技术领域，涉及一种双水内冷同步调相机温度场三维可视化方法和系统。

背景技术

为增强电力系统中的无功补偿与无功平衡，抑制系统过电压，提高电能质量和供电可靠性，同步调相机以其短时过载能力强、无功输出受母线电压影响小且可以为交流系统提供一定转动惯量支撑的技术优势，在特高压直流输电系统中得到了广泛的使用。

双水内冷同步调相机在运行过程中会产生能量损耗，包括定子线圈和转子线圈的损耗，定子铁心和转子铁心的损耗、气隙与转子之间的摩擦损耗、励磁损耗、机械损耗等。这些损耗最终转化为热量使双水内冷同步调相机温度升高。所以，双水内冷同步调相机常配有冷却系统，把各部分温升控制在允许范围内，否则双水内冷同步调相机长期工作在过高的温度下导致绝缘老化，降低使用寿命，严重时烧坏线圈，造成重大事故。

三维虚拟可视化技术灵活多变、直观有效，调相机作为变电站的重要设备，将三维可视化技术应用于调相机的内部状态复现，模拟双水内冷同步调相机的故障全过程有重要的意义，同时对于运维检修也起到了重要的作用。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本申请提供一种双水内冷同步调相机温度场三维可视化方法和系统，在双水内冷同步调相机温度场仿真计算的基础上，实现温度场三维可视化。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种双水内冷同步调相机温度场三维可视化方法，其特征在于：

所述方法包括以下步骤：

步骤1：建立双水内冷同步调相机三维模型；

步骤2：对双水内冷同步调相机三维模型进行网格划分；

步骤3：确定双水内冷同步调相机三维模型中材料属性；

步骤4：计算不同工况下同步调相机励磁电流与电枢电流，以拟合出双水内冷同步调相机的V型曲线，其中，自变量为励磁电流，因变量为电枢电流；

步骤5：计算双水内冷同步调相机的生热率，将生热率作为温度场仿真所需的热功率载荷；

步骤6：计算定子内表面、外表面以及转子外表面与冷却风的对流换热系数，计算定子线圈和转子线圈中的空心导线与冷却水的对流换热系数，作为温度场仿真边界条件；

步骤7：根据步骤5得到的生热率和步骤6得到的对流换热系数，仿真双水内冷同步调相机的温度场；

步骤8：建立冷却水流速、空心导线与冷却水之间的对流换热系数的函数关系，其中，自变量为冷却水流速，因变量为空心导线与冷却水之间的对流换热系数；

步骤9：在已完成的双水内冷同步调相机温度场仿真的基础上，进行双水内冷同步调相机温度场的计算；

步骤10：对双水内冷同步调相机温度场进行三维可视化显示。

本发明进一步包括以下优选方案：

优选地，步骤1中，建立双水内冷同步调相机三维模型时，将实心铜导线、匝间绝缘、空心铜导线简化为一个整体的导热体。

优选地，步骤2中，对双水内冷同步调相机三维模型采用最大的网格密度进行网格划分。

优选地，步骤3所述材料属性包括材料的电导率、导热系数和比热容。

优选地，步骤4中，根据双水内冷同步调相机的二维模型，在Maxwell软件中，采用外电路的形式，计算不同工况下同步调相机励磁电流与电枢电流，以拟合出双水内冷同步调相机的V型曲线，其中，自变量为励磁电流，因变量为电枢电流。

优选地，步骤5中，生热率q计算公式为：

q＝P/V；

式中，q、P、V分别为实体单元的生热率、功率损耗和体积；

功率损耗P包括铜耗与铁耗；

其中，铁耗为已知常数498kW；

铜耗分为励磁电流通过铜导线产生的励磁铜耗P

励磁铜耗的P

其中，P

电枢铜耗P

其中P

优选地，步骤6中，设置定子内表面与外表面、转子外表面为散热面；

定子内表面和转子外表面与冷却风的对流换热系数均为

定子外表面与冷却风的对流换热系数为：

空心导线与冷却水的对流换热系数为：

其中，v

N

λ

优选地，步骤9中，在已完成的双水内冷同步调相机温度场仿真的基础上，将步骤4拟合得到的双水内冷同步调相机的V型曲线，以及步骤9建立的冷却水流速、空心导线与冷却水之间的对流换热系数之间的函数，作为内置函数，自定义变量电枢铜耗P

优选地，步骤10中，利用COMSOL软件的App开发器模块对已完成温度场计算、步骤9定义变量和步骤8数学函数的双水内冷同步调相机进行温度场三维可视化显示。

本发明还公开了一种双水内冷同步调相机温度场三维可视化系统，所述系统包括：

建模模块，用于建立双水内冷同步调相机三维模型；

网关划分模块，用于对双水内冷同步调相机三维模型进行网格划分；

材料属性设置模块，用于确定双水内冷同步调相机三维模型中材料属性；

第一计算模块，用于计算不同工况下同步调相机励磁电流与电枢电流，以拟合出双水内冷同步调相机的V型曲线，其中，自变量为励磁电流，因变量为电枢电流；

第二计算模块，用于计算双水内冷同步调相机的生热率，将生热率作为温度场仿真所需的热功率载荷；

第三计算模块，用于计算定子内表面、外表面以及转子外表面与冷却风的对流换热系数，计算定子线圈和转子线圈中的空心导线与冷却水的对流换热系数，作为温度场仿真边界条件；

仿真模块，用于根据生热率和对流换热系数，仿真双水内冷同步调相机的温度场；

函数关系建立模块，用于建立冷却水流速、空心导线与冷却水之间的对流换热系数的函数关系，其中，自变量为冷却水流速，因变量为空心导线与冷却水之间的对流换热系数；

温度场计算模块，用于在已完成的双水内冷同步调相机温度场仿真的基础上，进行双水内冷同步调相机温度场的计算；

三维可视化显示模块，用于对双水内冷同步调相机温度场进行三维可视化显示。

本申请所达到的有益效果：

1、通过简化双水内冷同步调相机模型可以确保能反映双水内冷同步调相机温度分布的情况下提高计算速度。

2、考虑双水内冷同步调相机不同运行工况下的励磁电流与电枢电流之间的关系，并通过二维仿真模型，计算得到双水内冷同步调相机的V型曲线，并将V型曲线拟合为励磁电流与电枢电流的函数关系，用于计算不同工况下双水内冷同步调相机的生热率，使得操作人员只需要输入励磁电流，即可自动求出对应的电枢电流，用于计算相应的电枢损耗和励磁损耗。

3、在仿真得到双水内冷同步调相机温度场的情况下，以励磁电流和冷却水流速为自变量，根据人员的输入计算该输入下的双水内冷同步调相机的温度场，并采用COMSOL软甲的App开发器对双水内冷同步调相机完成三维可视化软件的开发。即热源的函数施加模型使热源施加更为简洁，只需输入双水内冷同步调相机的电枢电流；不同冷却水流速下散热系数的函数模型使不同冷却水流速下的温度场计算成为可能。

附图说明

图1是本发明一种双水内冷同步调相机温度场三维可视化方法流程图；

图2是本发明设计的双水内冷同步调相机的整体简化三维模型；

图3是本发明设计的双水内冷同步调相机的局部简化三维模型；

图4是本发明涉及的双水内冷同步调相机温度场三维可视化的界面图，图中展示为定子部分。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

如图1所示，本发明的一种双水内冷同步调相机温度场三维可视化方法，包括以下步骤：

步骤1：根据双水内冷同步调相机的实际物理结构及传热学原理，建立双水内冷同步调相机三维模型。

本发明建立双水内冷同步调相机的简化三维模型，以对流换热系数的形式对冷却水进行等效处理。

建立双水内冷同步调相机三维模型时，将一部分导热体简化为一个整体的导热体，得到简化仿真模型；

简化前的导热体包括定子、转子、实心铜导线、主绝缘、匝间绝缘、空心铜导线和冷却水；

将实心铜导线、匝间绝缘、空心铜导线简化为一个整体的导热体。

如图2所示，在建立双水内冷同步调相机三维模型时，采用简化的处理方式，1是指定子铁心，2是指转子铁心；

如图2所示，(1)为定子和转子绝缘部分以及导线，(2)为简化后的定子和转子绝缘部分以及导线，3是指简化后的定子和转子绝缘部分，4是指简化后的导线；

步骤2：对双水内冷同步调相机三维模型采用低密度进行网格划分，即在软件中进行网格划分时，选择最大的网格密度划分，使网格数尽量减少，以保证计算速度。

步骤3：确定双水内冷同步调相机三维模型中各部分材料属性，包括材料的电导率、导热系数、比热容。

确定双水内冷同步调相机系统材料属性的前提下，在建立的双水内冷同步调相机三维模型中对材料属性进行设置。

步骤4：根据双水内冷同步调相机的二维模型，在Maxwell软件中，采用外电路的形式，计算不同工况下同步调相机励磁电流与电枢电流，以拟合出双水内冷同步调相机的V型曲线，其中，自变量为励磁电流，因变量为电枢电流；

步骤5：计算双水内冷同步调相机的生热率，将生热率作为温度场仿真所需的热功率载荷。

双水内冷同步调相机运行时，励磁导线和电枢导线由于流过电流会产生铜耗，即励磁电流通过铜导线和电枢电流通过铜导线产生铜耗P

生热率的定义为单位体积的热损耗，热损耗通过生热率的方式加载到温度场相应的实体单元上，生热率q计算公式为：

q＝P/V；

式中，q、P、V分别为实体单元的生热率、功率损耗和体积；

功率损耗P分别为铜耗与铁耗；

其中，铁耗为已知常数498kW；

铜耗分为励磁电流通过铜导线产生的励磁铜耗P

励磁铜耗的P

其中，P

电枢铜耗P

其中P

步骤6：准确计算双水内冷同步调相机与周围环境的对流换热系数是对双水内冷同步调相机温度场仿真的关键，双水内冷同步调相机在运行时，转子旋转带动端部风扇旋转，使得定子内表面和转子外表面存在与冷却风的对流换热，定子线圈和转子线圈中的空心导线存在与冷却水的对流换热，根据传热学理论，确定冷却风的风速和冷却水的流速，计算定子内表面、外表面以及转子外表面与冷却风的对流换热系数，计算定子线圈和转子线圈中的空心导线与冷却水的对流换热系数，并作为温度场仿真边界条件。

定子内表面对流换热系数和转子外表面的对流换热系数近似相等。

设置定子内表面与外表面、转子外表面为散热面，

定子内表面和转子外表面与冷却风的对流换热系数均为

定子外表面与冷却风的对流换热系数为：

v

空心导线与冷却水的对流换热系数为：

其中N

步骤7：根据生热率和对流换热系数，在COMSOL软件中设置激励，即仿真所需的热功率载荷：生热率，以及边界条件，即对流换热系数，仿真得出双水内冷同步调相机的温度场；

步骤8：根据传热学理论，建立冷却水流速、空心导线与冷却水之间的对流换热系数的函数关系，其中，自变量为冷却水流速，因变量为空心导线与冷却水之间的对流换热系数；

步骤9：在已完成的双水内冷同步调相机温度场仿真的基础上，进行双水内冷同步调相机温度场的计算；

在已完成的双水内冷同步调相机温度场仿真的基础上，利用COMSOL软件，将步骤4拟合得到的双水内冷同步调相机的V型曲线，以及步骤9建立的冷却水流速、空心导线与冷却水之间的对流换热系数之间的函数，作为内置函数，自定义变量：电枢铜耗P

步骤10：利用COMSOL软件的App开发器模块对已完成温度场计算、定义变量和数学函数完成的双水内冷同步调相机进行温度场三维可视化显示。

本发明的一种双水内冷同步调相机温度场三维可视化系统，包括：

建模模块，用于建立双水内冷同步调相机三维模型；

网关划分模块，用于对双水内冷同步调相机三维模型进行网格划分；

材料属性设置模块，用于确定双水内冷同步调相机三维模型中材料属性；

第一计算模块，用于计算不同工况下同步调相机励磁电流与电枢电流，以拟合出双水内冷同步调相机的V型曲线，其中，自变量为励磁电流，因变量为电枢电流；

第二计算模块，用于计算双水内冷同步调相机的生热率，将生热率作为温度场仿真所需的热功率载荷；

第三计算模块，用于计算定子内表面、外表面以及转子外表面与冷却风的对流换热系数，计算定子线圈和转子线圈中的空心导线与冷却水的对流换热系数，作为温度场仿真边界条件；

仿真模块，用于根据生热率和对流换热系数，仿真双水内冷同步调相机的温度场；

函数关系建立模块，用于建立冷却水流速、空心导线与冷却水之间的对流换热系数的函数关系，其中，自变量为冷却水流速，因变量为空心导线与冷却水之间的对流换热系数；

温度场计算模块，用于在已完成的双水内冷同步调相机温度场仿真的基础上，进行双水内冷同步调相机温度场的计算；

三维可视化显示模块，用于对双水内冷同步调相机温度场进行三维可视化显示。

本发明简化了双水内冷同步调相机的本体模型，同时具有App的迁移性优越；热源的函数施加模型使热源施加更为简洁，只需输入双水内冷同步调相机的电枢电流；不同冷却水流速下散热系数的函数使不同冷却水流速下的温度场计算成为可能。本发明可实现双水内冷同步调相机温度场的简化计算，模型界面更为简洁明了，使得非专业人员也可完成双水内冷同步调相机温度场的计算设置。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。