干式变压器多物理场耦合分析及温升建模研究

作     者：房森 

作者单位：华北电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王永强

授予年度：2021年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：干式变压器 多物理场耦合 温升建模 强制对流换热 温度场 

摘      要：随着我国电力系统供电可靠性要求的提高以及干式变压器制造技术的不断发展,干式变压器具有环境性能优越、安全可靠性强、运行效率高等特点,干式变压器在配电网中所占比重越来越大。但由于干式变压器散热效率差,在过负荷运行及冷却系统故障时,更易发生局部过热的情况,从而加速绝缘材料劣化,降低运行可靠性,因此精确计算干式变压器热点温度是保证其安全稳定运行的关键。为了满足干式变压器日益增长的热点温度快速计算及实时评估的需求,亟需对干式变压器进行多物理场耦合分析,基于热电类比理论构建干式变压器暂态热路模型,实现绕组热点温度的快速精确计算。本文结合多物理场耦合模型计算准确性和热路模型计算快速性的优势,对干式变压器进行多物理场耦合分析及温升建模研究。首先基于电磁场数值计算理论构建干式变压器电磁场有限元计算模型,求解变压器空载运行时铁芯磁场分布与空载损耗,以及额定负荷运行时绕组漏磁场分布与负载损耗,为多物理场耦合分析提供热源载荷。其次,研究多物理场耦合计算方法,建立干式变压器三维稳态电磁-温度-流场耦合计算模型,通过多物理场耦合分析得到各组件温度及内部流速分布。在验证多物理场耦合模型准确性的基础上,研究不同强制对流换热方式对冷却效果的影响。通过多物理场耦合计算绕组对流换热系数,为优化热路模型参数确立基础。最后,基于热电类比理论对干式变压器进行温升建模研究,分别构建高低压绕组暂态热路模型。将有限元计算离散化思想融入热电类比理论,高度还原绕组几何结构的同时严格匹配边界条件,以单匝线圈为计算单元改进暂态热路模型结构,通过多物理场耦合得到的绕组对流换热系数优化热路模型非线性对流热阻。研究绕组热时间常数计算方法,分析干式变压器在强制对流换热情况下,冷却风机出口风速与出风温度对绕组热时间常数的影响,从而实现绕组热点温度快速精确计算,满足干式变压器热点温度快速计算及实时评估的需求。