油浸式变压器热路计算及热点温度遗传支持向量机预测研究

要 电力变压器的绕组热点温度是影响变压器 绝缘寿命和指导变压器负载运行方式的主要因素之一，准确计算和预测不同 负载与环境温度下变压器运行的热点温度对变压器寿命评估和安全运行有十分重要的意义。 论文深入分析了油浸式电力变压器内部损 耗组成和内部热量产生原因之间的关系，得出铁心损耗产生的热量直接影响 顶层油温度的升高，基本铜耗和杂散损耗产热主要对绕组热点温度升高产生影响 。在此基础上，对变压器发热、散热过程以及冷却方式进行分析，并推导出油浸 式变压器的温升曲线，为研究热点温度计算和预测方法奠定了基础。 利用传热学原理和热电类比方法，定义集 总热容和非线性热阻，并考虑油粘度随温度的变化、油箱外壁与周围环境的 热量传递、绕组热容和绕组非线性热阻对顶层油温度计算的影响，建立了具有物 理意义的电力变压器动态等效热路改进模型，克服了 54 导则推荐方法的不足。通过与实验室浸式变压器实测数据、 荐方法计算值相比较，结果表明热路模型比 荐方法计算值更能与试验测量数据较好的吻合，精度较高，验证了模型的正确性、可行性。 此外，论文根据支持向量机能够较好地解 决小样本学习问题以及热点温度随时间变化成非线性关系且变压器内部温度 数据具有小样本的特点，提出了预测变压器绕组热点温度的支持向量机模型，模型采用遗传算法对参数进行辨识和寻优。通过油浸式变压器温升试验，对模型进行 训练和验证，应用该模型对绕组热点温度进行预测，研究表明模型预测结果与实 测值基本一致，预测性能和结果精度均优于 经网络以及 经网络，验证了模型的有效性，为变压器绕组热点温度间接计算及预测辅助提供了一种新方法。 关键词： 油浸式变压器，热点温度，热电类比，热路模型，遗传支持向量机 he is of of of of of in of to of of of by on on of On of of on a of 54 of of is it a In on as as a of a a of of it to of To of on to is P of a of 录 中文摘要 .文摘要 . 绪 论 .力变压器热点温度计算及预测方法的研究意义 .力变压器热点温度计算及预测方法的研究现状 . 导则推荐计算法 . 数值计算法 . 热路模型计算法 . 智能算法计算法 .文主要研究内容 .章小结 . 油浸式变压器的发热和冷却分析 . 11 浸式变压器损耗与热效应 . 11 浸式变压器损耗分类 . 11 浸式变压器热效应 .压器温升曲线及温升限值 .压器冷却方式 .章小结 . 基于热电类比方法的变压器动态热路改进模型 .传递方式与热电类比方法 . 热传递的基本方式 . 热电类比方法 .浸式电力变压器动态热路计算模型的建立 .型参数的计算 .章小结 . 遗传优化支持向量机的绕组热点温度预测建模 .持向量机回归算法 .传算法及其步骤 .于 绕组热点温度预测模型 . 数据样本预处理 . 遗传算法优化 型参数 .型预测步骤 .章小结 . 基于油浸式变压器温升试验的验证分析 .升试验平台 . 试验装置 . 试验方法与试验方案 .态热路计算改进模型的验证及结果分析 .点温度预测结果的验证比较 . 遗传算法与网格搜索法优化参数的对比 . 神经网络建模的结果对比 .章小结 . 结 论 . 谢 .考文献 . 录 . 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录 . 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目 .1 绪 论 力变压器热点温度计算及预测方法的研究意义 近年来，随着我国电力工业的迅速发展和 对供电可靠性要求的不断提高，电力变压器作为电网中能量转换与传输的主 要部分，能否保证其安全、可靠、经济的运行将直接关系到整个电网运行安全以及用户的人身安全。 电力变压器是电网中最昂贵和最关键的设 备之一，在不断提高电力变压器电压等级和单台容量的同时，其每柱的容量 也随之增高，变压器的热量散出问题也越来越明显，过热故障对电力系统安全运行的影响与危害也与日俱增1。因此，变压器制造以及运行等部门对分析和预防变 压器过热故障非常关注。我国单台电力变压器容量增长情况见表 表 国电力变压器单台容量增长 of a 台容量增长情况 /1922 1925 1928 1934 1948 1951 1958 1960 1970 1989 1999 2004 8 15 60 260 360 400 720 900 1000随着电力变压器容量的增大，漏磁通与主 磁通之比增大，其漏磁场增强，而变压器的几何尺寸不是成比例的变大，因此涡流密度被漏磁场感应出并有所提高，同时涡流、杂散损耗也增大并引起绕组局 部过热，增加变压器故障的发生，对变压器的正常运行产生危害。变压器绕组热 点温度是影响变压器绝缘能力的最主要因素，若热点温度高于其允许值则变压器 内部绝缘油易产生气泡，加速热老化以及造成绕组绝缘性能出现劣化，变压器寿 命的终结多数是由其绝缘能力受到破坏造成。变压器过热故障一般表现为内部局部过热和温度的升高，通常温度高于 700称为高温过热，温度高于 300低于 700时为中温过热，温度高于 150低于300时为低温过热，而通常轻度过热发生时温度低于 150。变压器过热事故在国内外均有发生，因此，对变压器热性能 的研究成为国内外学者研究的重点，同时变压器热问题也已经成为国际大电网会议的重要议题之一。 电力变压器绕组热点温度是变压器运行时 绕组的最高点温度。当热点温度过低，则没有充分利用变压器负载能力，降 低了经济效益；当热点温度过高，则易加速绝缘的老化，减少变压器的寿命。根据 6 度法则，环境温度为 20以及热点温升为 78K，油浸式变压器绕组热点温度基准值为 98，率为 1。当热点温度高于 98，每升高 6K，其寿命降低一倍即老化率增加一倍；当热点温度低于 98，每降低 6K，其使用寿命可以增长一倍。相对热老化率 V 可表示为： (98)/62V (式中： 为不同负载运行下变压器绕组热点温度，。 目前，电网中现场运行的油浸式变压器都 只对顶层油温度进行监测，通过顶层油温度间接估算绕组的热点温度，但是 当变压器负荷变化很快时，热量来不及从绕组传递到顶层绝缘油，绕组工况的变 化需要多个小时后才能反映出来。若热点温度超过 140，油在绕组周围将分解产生气泡，造成一氧化碳、二氧化碳等气体的含量增高，绝缘纸会出现劣化并产生 糠醛，此时，可燃气体和糠醛含量的变化可由变压器油气相色谱分析和液相色谱分析发现。然而，当变压器发生 140以下的轻度过热，其变化就不能使用色谱分析发现，如果热点温度高于其允许限值，不但对变压器的使用寿命有影响，而且将 危及变压器的正常运行。可见，准确、及时地测量油温和监测变压器热点温度对保证变压器的安全运行显得十分重要。 电力变压器的使用年限和可用寿命很大程 度上决定于其及时地将变压器内部产生的热量散发至周围环境中的能力，也 即是变压器的热特性。每个热效应的综合作用最终体现在变压器内部温度的变化 上，而内部温度中特别是绕组热点温度是衡量变压器热特性的重要指标。电力变 压器运行过程中，与电、热、磁、力等方面的作用有关。因此，研究变压器内部 复杂的热效应及温度变化，不但具有一定的学术价值，而且更具有重要的必要性和现实意义。大致有以下几个方面： 计算绝缘热老化率，预测评估绝缘寿命 由于存在温度、水分、氧化作用和纤维素 绝缘劣化，可能使变压器绝缘系统出现老化，在材料化学结构中反映出抗张 强度和平均聚合度降低，产生气泡和糠醛，以及材料机械性能丧失，比如冲击强 度降低等。但由于可以有效地控制水份和氧气含量，减少二者对绝缘寿命的影响 ，温度则成为影响变压器绝缘寿命的主要因素。又因为变压器内部温度的不均匀 分布，温度越高则导致老化加快，所以变压器内部最热点温度对绝缘寿命损失影响很大。 事实上，为了解变压器绝缘老化情况，对 变压器剩余寿命进行预测评估，应该建立绝缘老化影响因素的量化关系，特 别是热的作用。在对变压器绝缘寿命老化进行定量计算时，用到绝对温度下的相对老化率 V，即相对寿命消耗率。当运行条件和环境温度变化时，在一定负载期内相对老化值 L 等于： 11(式中： n 为时间间隔序数， N 为时间段总数。 油浸式变压器相对热老化率与温度的关系如表 示，可知，在 140下运行 1 小时，变压器相对热老化率相当于 98下运行 128 小时，在 98下运行 1 小时，其相对热老化率相当于 80下运行 8 小时，因此，对绕组点温度进行监测具有重要的意义。 表 对热老化率与温度的关系 he of 度 / 老化率 温度 / 老化率 80 6 8 04 16 28 34 40 指导变压器负载运行方式，控制变压器运行 变压器获得正常绝缘寿命的条件是在额定 条件与正常环境温度下持续运行。如果环境温度高于正常温度或者负载超过铭牌额定值，则会加速变压器绝缘老化。变压器运行方式有正常周期负载、长期急救负载和短期急救负载 3 种负载类型，对消耗变压器寿命和内部的热稳定性影响 具有一定的差别。正常周期性负载方式是在某段时间内输入电流高于额定负载电 流或者环境温度较高，但可由其他输入低于额定负载电流或者环境温度较低的时 间补偿，保持整个运行周期的平均老化率不大于 1，它是变压器的基本运行方式。而长期急救负载和短期急救负载超额定电流值的倍数较高，平均老化率在运行期间都比 1 大，特别是短期急救负载的平均老化率远大于 1，而且还要求负载持续时间小于半个小时。 在计算变压器超额定负载运行方式时，三 种运行方式下负载电流、热点温度等必须要满足限值。因此，监测绕组热点 温度对控制变压器的带负载运行具有重要的实际意义。 判断冷却系统运行状况 变压器内部温度通过变压器油内外热交换 来调整限值，冷却系统的功能是调整变压器运行时内部温度限值的装置。变 压器冷却系统决定了变压器的正常使用 寿命和能否正常运行，对变压器的安全经济运行具有重要的意义。 由于冷却器故障和异常运行，比如温度计 指示失灵、潜油泵故障、散热器阀门未打开以及管道积垢、冬天冷却器结冻 、风扇损坏或受污染造成冷却器堵塞等诸多因素，均有可能降低变压器的冷却效 率，散热状况会直接影响变压器温度分布，造成变压器的局部过热，引起温度升 高。因此，否正常，可以作为判断其冷却系统运行状况的依据。 优化变压器设计 变压器绕组是整个温度系统热量的主要来 源，其内部温度的不均匀分布严重影响变压器的安全运行，对设计和制造带 来负面的影响。设计时绕组最热点温度不能超过规定限值，绕组上其他部分留有 适当的裕度，然而这样增加了设计的成本，同时选择材料和选取导线电流密度范 围变小。因此，准确计算变压器绕组温度分布，并适当调节绕组发热分布达到降 低绕组最高点温度，对了解变压器运行情况，调整绕组结构，控制温度不平衡，使变压器的总效率提高都很有益处。 力变压器热点温度计算及预测方法的研究现状 变压器绕组热点温度是国内外学者们关注 和研究的焦点，其难点在于绕组热点温度产生机理十分复杂以及热点温度位 置的不确定性。目前，围绕变压器绕组热点温度产生的变压器在线监测和老化问题日益突出。 国内外测量变压器热点温度主要有热模拟 测量法和直接测量法。热模拟法是将热模拟式测温仪表安装在变压器顶层区 域内换算绕组相对于顶层油温的温升得到绕组热点温度2。热模拟测量法的优点是经济、可直接启动冷却系统。不足之处是准确性较差，测量具有时差性。根据理 论分析和应用调查，此方法误差较大，有的油箱底部油温测量值高于热点温度测 量值，更有不指示情况发生，法国电网已停用这种测温装置。 另外，直接测量法是把测温传感器埋设在变压器靠近导线部位或导线线饼中，就可以由测温传感器直接得到绕组热点温 度的方法。直接测量法的优点是测量结果准确，能适时地启动冷却系统，有效地 避免变压器因绕组过热引起的事故，但埋设测温传感器在变压器内部会影响变压 器油流情况和绕组结构，而且测量成本昂贵、运行维护复杂、绝缘处理困难、主 要用于实验室研究，同时因为热点温度位置的不确定性，温度传感器测量的结果 不一定是变压器绕组热点温度。为此，研究者们常根据经验采用在绕组可能出现 热点温度的绕组附近线饼层放置多个测温传感器的方法，测量多个绕组线饼的温 度来近似获取变压器的热点温度。近年来，光纤光栅传感器成为发展最迅速的光纤无源器件之一3，它适用于腐蚀、高温等环境，优点是灵敏度高、抗电磁干扰、尺寸小。文献 4、重庆大学刘军等5把光纤光栅传感器预埋在变压器内部需要监测的热点温度位置，应用 件进行编程模拟，设计了监测软件平台，试 验结果表明软件系统工作稳定、使用方便，能有效地对变压器绕组最热点温度进行测量。 至今为止，对绕组热点温度进行直接测量 的方法仍没有较满意地解决。由于热模拟测量法是由 54 负载导则6推导得出的简化形式具有较大误差，量成本高、运行维护困难，国内外学者们 对已经投入电网运行的变压器通常结合其易测参量和出厂参数，采用间接方法计 算和预测确定绕组热点温度，此方法经济、简便、实用性强、精度较高。间接方 法主要包括：导则推荐计算法、数值计算法、热路模型计算法和智能算法计算法。 则推荐计算法 目前，间接计算变压器绕组热点温度方法中最传统的方法是 54 导则6和 则7推荐的计算公式，但推荐的计算公式忽略了油粘度随温度变化以及环境温度变化对顶层油温度和热点温度计算的动态影响，存在局限性。 54 导则根据一些假设条件对很复杂的 变压器热特性分布做出了简化并得到相应简化图和公式。图 简化的油浸式变压器温度分布图。 a图 浸式变压器温度分布 of 且假设： 1）变压器绕组内的油温，从底部到顶部均按线性增加。 2）变压器绕组沿高度任何位置的温升，从底部到顶部按线性增加，此直线平行于油温升直线，且两平行线之差为常数 g。 3） 变压器热点温度与绕组顶部油温之差 似描述杂散损耗等非线性因素。热点因数 H =配电变压器取 中型变压器取 由简化的油浸式变压器温度分布图推导出稳态热点温度计算如下： 在自然油循环冷却下，热点温度等于环境 温度、顶层油温升以及热点温度对顶层油温的温升三者之和；而强迫油循环 冷却下，热点温度等于环境温度、底层油温升、绕组的顶层油温对底层油温的温 四者之和8；强迫油循环导向冷却下，计算热点温度与强迫油循环冷却时差不多，由于导线电阻随温度变化，因此需添加校正系数。 1994年， , 10考虑瞬时过载时变压器内部的迅速温升和环境温度的变化，对 其修正公式被收录在 中。 磁场与电力系统实验室 人11注意到 荐计算公式的局限性并进行改进，将环境温度以变量形式加入变压器顶层油温升模型中，建立了变压器顶层油温 度模型，采用后向欧拉离散公式、线性回归计算顶层油温度和辨识模型参数。 20082012 年， 12, 13采用类似文献 11的方法，考虑顶层油温度变化对绕组热点温度变化的影响， 在 荐的热点温升计算公式中加入顶层油温度，建立热点温度计算模型，克服了推荐公式的不足。 此外， 重庆大学研究者对 54 导则推荐计算公式的绕组指数和油指数项进行调整和修改，使对应的物理意义更加合理，得到了较满意的计算结果14。 值计算法 随着计算科学的迅速发展以及在社会各个 领域的广泛应用，数值计算方法是继理论方法和实验方法研究后又一重要方法，已成为科学研究的第三种基本手段。数值计算方法主要包括数学计算和数值模 拟两类，是一种对数学问题进行研究解决的数值近似解方法， 在预测变压器热点温度和油流方面的应用已经超过 40年15。 数值模拟主要采用计算流体力学研究变压 器内绕组与变压器油之间的对流换热问题，通过适当简化问题处理求解绕组热点 温度的计算方法。计算流体力学(本原理是由流体力学、传热传质学、热力学等平衡或守恒定律所确定，是由多领域交 叉形成的一门应用基础学科，己成为一种有力的数值实验与设计手段，在航天航 空、汽车船舶等领域应用广泛。其大致经历了无粘性线性、无粘性非线性、雷诺平均 程和完全 程四个发展阶段。目前，常见流体力学数值计算方法 主要包括有限差分法、有限体积法、有限元法、有限分析法和边界元法等。 近年来，数值计算方法在变压器内 部温度计算方面文献较多。在文献 16介绍了采用数值计算法计算变压器内部 温度场和油流场等并得到较好的计算结果。国外学者 人22基于有限积分变化技术解决了热传导边界值问题，建立了一个理论模型。文献 23基于变压器内部复杂耦合传热过程以及结合对变压器线圈和铁心损耗进行分析，对封装三相电力变压器进行建模计算。 24对 300 浸式变压器温度场进行数值模拟研究，假设绝缘油不可压缩以及导热率、粘度和密度等 油参数随温度变化而有所差异，限元方法求解微分方程，并对变压器绕组 温度分布进行分析，研究表明该方法可以较准确预测热点温度 的大小和位置。此外， 5根据文献 26提出的模型采用 变压器顶层温度进行仿真研究。 2012 年，英国曼彻斯特大学 人27, 28为了克服热网络法模型中公式系数凭经验确定的不足， 分别采用商业软件 立变压器内部温度场仿真模型，结合变压器的初 始条件、物性参数和边界条件等交互输入，通过对内部热传导微分方程离散化、 交叉迭代求解达到收敛，获取到变压器内部流场以及温度场的分布。研究表明：模拟计算结果与实验测量结果基本吻合，数值模拟计算方法能够准确计算变压器热点温度，可以满足工程计算需要。另外，9等人利用有限元法对电力变压器传热建立了三维耦合模型。 重庆大学的研究者采用数学计算仿真和数值模拟，建立了基于 件包30和有限体积法31的仿真计算模型。 路模型计算法 根据变压器内部复杂的传热方式，建立具 有物理意义的变压器热模型，对准确监测变压器油温和研究变压器状态检修 具有重要的意义。为此，国内外学者针对变压器热模型的建立不断寻求新方法，并取得了一些研究成果。 加拿大 学 人26, 32利用热电类比法将变压器内部传热过程等效为集总参数电路模型，对集总热容和 非线性热阻进行定义。当预测模型公式中非线性热阻系数等于 1 时，非线性模型公式与文献 11提出的模型公式相同，但模型简化时忽略油、油箱、散热器之间的 温度差，将其看作一个整体且未考虑模型热参数随温度变化以及变压器运行中可能出现的冷却方式变化的影响。 20052009 年， 人33, 34在文献 26基础之上，考虑油粘度和损耗随温度的变化，运用传热学理论将变压器内部传热过程等效为 2 个有串联关系的集总参数热路，研究得到顶层油时间常数小于 54 导则推荐值。但模型简化时忽略油与油箱之间的温度差和油箱外壁的复合换 热过程，并且在顶层油温度模型中忽略了绕组热容和绕组非线性热阻对顶层油温度计算的影响。文献 35运用热电类比、传热学理论以及在文献 33,34基础上建立了基于热点温度与环境温度之差的热点温升简化模型，为简化计算模型，直接忽略了铁心损耗对整个模型的影响。 人36, 37对变压器绕组和铁心、油和油箱 4 部分进行建模，运用热电类比法建立了具有物理意义的电力变压器等 效热路模型，并利用现场数据采用遗传算法对模型参数寻优。研究得到：模型能 够计算变负载和变环境温度下变压器主要部件的温度，结合 54 导则推荐公式可以计算热点温度。此外，该模型参数还可以利用粒子群算法进行优化38。 人39对变压器进行热试验研究，显低于负载突变暂态情况下热点温度值， 并采用集总热容理论提出基于底油温度的热点温度预测方程。 2011 年， 人40根据变压器在室内和户外的不同通风散热情况，提出了室内变压器顶层油温度热模型，并与文献 33的户外变压器顶层油温度热模型对比， 研究表明变压器在相同的负载下变压器顶层油温度室内比户外高 10左右。 重庆大学研究发现 54 导则推荐的热点温度计算公式在变压器短时间内变负载以及过负荷情况下的计算结果并不准确，并根据 则 提出基于底层油温的等效热路模型41，研究表明，变压器在过负载运行时该模型精度高于导则推荐公式精度。此 外，还分别提出基于热电类比的顶层油温度模型42和基于箱壁温度的热点温度模型43，研究得到模型预测值误差在允许范围之内。 能算法计算法 随着人工智能算法技术、新的计算机技术 的发展及其在电力系统广泛应用，特别是在变压器绕组热点温度预测、电力 负荷预测等领域，取得了较好的应用成果。 1996年， 4对变压器在典型环境温度和负载下进行研究，利用神经网络识别技术提出一种监测和估算变压 器加热的方法，该方法只能应用在绕组热点温度、负载电流和环境温度都能被监测的情况下。 5 8、 9、 0等人对变压器绕组热点温度或顶层油温度进行了预测研究，分别采用不 同的人工神经网络结构建模，取得较好的温度预测结果，但模型输入和输出之间 直接采用“黑匣子”描述，缺乏物理过程和实际意义，且训练过程易陷入局部极小值点。 中国电力科学研究院曾红等人51, 52，利用遗传算法优化变压器热特性参数并建立直接与环境条件、负载以及冷却系统 状态等现场运行参数相联系的变压器温度动态计算模型。研究表明，模型可以有 效估算和预测热点温度以及变压器内部油温度，温度计算精度得到提高，并且能 够克服周期性负载的苛刻要求以及不便于反映冷却系统状态等局限性， 与 经网络相比更能得到具有实用意义的热特性参数。 2009 年， 人53, 54对文献 11提出的变压器顶层油温度模型参数利用遗传算法进行优化研究。通过对比遗传算法 和最小二乘法优化模型参数，结果表明遗传算法优化参数后模型的顶层油温度计算值更加吻合 电站运行变压器的现场数据，同时该方法可以作为电力变压器故障诊断的一种工具。 此外， 人55使用自适应能力很强的 糊模型，建立一种电力变压器热状态参量预测的新 模型，研究得出：绕组热点温度预测值，且相对于基于铭牌值的顶层油温升模型更加有有效、可靠。同时， 人在文献 56中初步将最小二乘支持向量机用于对变压器顶层油温度的预测，但其模型的参数采用默认值而不是最佳参数的组合。 重庆大学研究者运用人工智能算法对变压 器顶层油温度和绕组热点温度进行了研究。文献 57根据 糊建立了变压器顶层油温度预测模型，该模型前后件参数分别由模糊 C 均值聚类算法和加权最小二乘法识别，利