研究背景

現(xiàn)場變負荷運行條件下的油浸式變壓器動態(tài)載荷(DTR)和熱壽命損失與設備的瞬態(tài)溫升密切相關。為進行變壓器動態(tài)載荷評估，同時提供一種能夠滿足現(xiàn)場油浸式變壓器負載能力評估的實時顯式計算方法，項目組提出了一種耦合電網(wǎng)絡的格子玻耳茲曼方LBM）物理在環(huán)仿真模型，以期對電網(wǎng)絡約束下的DTR實時評估，該仿真模型模型如圖1所示，變壓器簡化模型如圖2所示。

圖1 基于LBM-Simulink的仿真模型

圖2 變壓器簡化模型

論文所解決的問題及意義

油浸式電力變壓器在運行過程中產生的溫升和發(fā)熱現(xiàn)象是限制其帶負載能力和安全可靠運行的重要因素。目前許多現(xiàn)場運行的變壓器為了其安全性能得到保障，大多采用保守的負載閾值進行調度和運行，造成了一定的資源浪費。對油浸式變壓器進行熱分析和檢測是開展DTR評估的基礎，因此有必要對油浸式變壓器的內部油流換熱過程進行研究。

項目組以油浸式電力變壓器為對象，面向現(xiàn)場設備的瞬態(tài)溫升計算和負載能力評估，提出了考慮設備與電網(wǎng)絡約束的LBM顯式求解模型，并與有限體積法(FVM)和變壓器負載導則進行了對比驗證?；谠摲椒?，對動態(tài)環(huán)境溫度和不同負載系數(shù)下油浸式變壓器的熱點溫升和負載能力進行了求解，為變壓器的可靠運行和動態(tài)增容提供參考。

論文方法及創(chuàng)新點

1、LBM與FVM計算對比

在負載系數(shù)為1.0的運行條件下分別對LBM- Simulink模型和FVM計算進行了仿真，經(jīng)過數(shù)次迭代至流速場和溫度場穩(wěn)態(tài)時，其LBM計算結果如圖3所示，F(xiàn)VM計算結果如圖4所示。

圖3  LBM計算結果

圖4  FVM計算結果

根據(jù)變壓器負載導則(以下簡稱導則)所使用的負載系數(shù)，在Simulink環(huán)境中設計出與之對應的負載模塊，并將其加在搭建好的仿真模型上進行計算，結果如圖5所示。與導則測量數(shù)據(jù)相比，最大誤差均出現(xiàn)在D點時刻，此時的誤差為18.47%，優(yōu)于導則計算公式的相對誤差。

圖5 負載系數(shù)按級變化時繞組鐵心熱點溫度值

2、基于溫升的油浸式變壓器負載能力評估

現(xiàn)場在運油浸式變壓器的負載能力與其所處的環(huán)境息息相關，項目組開展了環(huán)境溫度恒定25℃和如圖6所示的夏季典型變化溫度和冬季典型變化溫度，條件下的變壓器溫升計算，并進行了DTR評估。

（a）典型夏季溫度           （b）典型冬季溫度

圖6  典型季節(jié)溫度曲線

結論

1）構建了基于顯式LBM的油浸式變壓器瞬態(tài)溫升計算模型，實現(xiàn)了變壓器內部溫度場和流速場的快速分析。將其穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)計算結果與FVM計算結果對比，熱點溫度相對誤差分別為2.60%和6.44%。驗證了模型有效性，從而為現(xiàn)場運行變壓器的負載能力評估和檢測提供了一定的參考。

2）將開發(fā)的油浸式變壓器LBM瞬態(tài)溫升模型進行數(shù)值封裝，通過與電流源等效電路仿真模型集成構建了物理在環(huán)的瞬態(tài)熱仿真模型。將負載導則中對應的負載系數(shù)和運行時間作為輸入，輸出結果相比導則中給出的計算結果更接近于實際測量溫升數(shù)值，且溫升變化曲線與導則一致。

3）將搭建好的物理在環(huán)的瞬態(tài)熱仿真模型應用于DTR評估。結果表明在環(huán)境溫度25℃時變壓器的帶負載能力在相對絕緣壽命損失小于1的情況下為1.20；在以典型夏季和冬季環(huán)境溫度變化時，變壓器帶負載能力分別為1.10和1.60。

于文旭

碩士研究生，研究方向為電氣狀態(tài)檢測和故障診斷、電氣設備多物理場數(shù)值仿真。

關向雨

副教授，博士，研究方向為研究方向為電氣狀態(tài)檢測和故障診斷、設備多場耦合數(shù)值仿真技術、電弧與電接觸等。

趙俊義

碩士研究生，研究方向為電氣設備狀態(tài)監(jiān)測與多物理場耦合仿真。

涂嘉毅

碩士研究生，研究方向為電氣設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。

賴澤楷

碩士研究生，研究方向為GIS狀態(tài)監(jiān)測、電氣設備多物理場數(shù)值仿真和激光多普勒測振裝置研究開發(fā)。