油浸式变压器绕组瞬态温升降阶快速计算方法.pdfVIP

2024年2月电工技术学报Vol.39No.3

第39卷第3期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYFeb.2024

DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.222155

油浸式变压器绕组瞬态温升降阶

快速计算方法

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刘刚胡万君郝世缘刘云鹏李琳

（1.华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室保定071003

2.新能源电力系统全国重点实验室（华北电力大学）北京102206）

摘要油浸式电力变压器绕组温升监测是保证其安全稳定运行的重要手段。为了改善采用有

限元方法计算油浸式电力变压器绕组瞬态温升时存在效率不高的问题，提出一种结构保留的本征

正交分解（SPOD）与离散经验插值方法（DEIM）相结合的计算策略。首先，该文采用最小二乘

有限元法（LSFEM）与迎风有限元法（UFEM）构建变压器绕组瞬态温升计算控制方程；其次，

针对控制方程的特点，引入SPOD方法，通过将采样时间内的计算结果构成快照矩阵，建立降阶

模型，降低有限元刚度矩阵的计算阶数，提高求解有限元方程的效率；然后，为了改善本征正交

分解方法对于非线性问题效率提升不高的缺陷，结合DEIM算法，对有限元方程中的非线性项进

行插值处理，从而减少每一时步形成总体刚度矩阵的时间，进一步提高总体计算效率。为了验证

文章所提算法的精确性及高效性，根据油浸式电力变压器绕组的基本特点，建立了单分区分匝绕

组传热模型，对其瞬态传热过程进行计算，结果表明：基于SPOD-DEIM的有限元降阶计算能够

在保证精度的前提下有效提高计算效率，与全阶计算结果相比，流场与温度场的计算误差均不超

过1.5%，且计算效率提升5.1倍。同时，为了充分说明SPOD-DEIM算法在工程应用中的价值，

该文基于110kV变压器绕组搭建了温升实验平台，建立了八分区分匝绕组数值计算模型，对算法

的精度、效率及工程应用价值进行了验证及讨论，计算及实验结果表明：精度方面，降阶计算较

全阶计算的瞬态全过程计算误差小于2.5%，且与实验结果相比，误差不超过5.41K；效率方面，

降阶计算的全过程计算时间为54.28h，与全阶计算相比，计算效率提升至10.57倍，与商业仿真

软件Fluent相比，效率提升至6.37倍，充分说明所提算法的高效性及工程应用价值，为大型电力

设备快速仿真提供新思路。

关键词：绕组瞬态温升结构保留本征正交分解离散经验插值降阶计算温升实验

中图分类号：TM411

0引言理模型法[4-6]及数值计算法[7-9]。其中，数值计算方法

是较为主要的方法。

电力变压器作为电力系统当中的主要电气设备，

数值计算方法通过建立流热耦合场的控制方

其稳定性和安全性需要得到切实的保证。在实际运

程，对温升问题进行数值计算，从而得到绕组整体

行过程中，变压器绕组产生的欧姆损耗与涡流损耗

的温度分布或者变化曲线。针对变压器绕组温升问

使得绕组温度上升，一旦绕组温度过高，就会面临

题的计算目前采用较多的数值计算方法有有限元

损坏甚至烧毁的风险，因此对于变压器绕组温升的

法、有限体积法等。相较于有限体积法，有限元法

监测