基于SCAS时间匹配算法油浸式变压器绕组 瞬态温升计算方法

作者：**^*; 郝世缘; 胡万君; 刘云鹏; 李琳

来源：电工技术学报, 2023, 1-14.

DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.222137

• 子循环自适应串行交错
• 混合变步长
• 二维瞬态流热耦合问题
• 快速计算方法
• 温升实验

在应用时步有限元法对油浸式电力变压器的瞬态温升问题进行研究时，由于流场与温度场的变化快慢不同，采用小步长进行逐次耦合的传统方案会造成严重的计算冗余，影响瞬态计算效率。因此，针对传统算法存在的步长调整及耦合点选择问题，本文提出了基于子循环自适应串行交错（SCAS，Sub-cycled Adaptive Staggered）的时间匹配算法。首先，在步长调整方面，通过加入自适应（ATS， Adaptive Time Stepping）-启发式（HTS， Heuristic Time Stepping）混合变步长算法，解决了步长无法实时调整的问题，使其在允许的误差下根据物理场的变化趋势，能够在每一时刻取得较为合适的步长，该方法的引入极大地减少了计算时步数；同时，针对耦合点选择问题，本文在传统常规串行交错（CSS，Conventional Staggered Scheme）时间匹配算法及其现有改进方案子循环常规串行交错（SCSS， Sub-cycled Conventional Staggered Scheme）的基础上，提出了SCAS时间匹配算法，该方法采用自适应方案确定计算时间窗及预定耦合点，并引入指数平滑法对其精度进行保证。最后，为了验证所提方法的有效性，本文基于110kV油浸式电力变压器绕组基本结构，建立了二维瞬态单分区分匝绕组模型，并将所提算法与其他传统方法进行对比分析，结果表明：精度方面，与传统CSS算法相比SCAS算法的流场最大误差为0.0013m/s，平均相对误差为0.25%；温度场最大误差为0.8139K，平均相对误差为0.45%，均在可接受误差范围内；效率方面，相较于传统CSS时间匹配算法，在结合耦合点选择与步长自适应选择之后，SCAS算法在耦合次数和计算时间步数上得到了进一步减少，其总体计算效率较CSS算法提高了近20倍。同时，为了进一步说明所提算法在工程实际中的价值，本文搭建了基于110kV变压器绕组模型的温升实验平台，并将SCAS时间匹配算法应用于该传热模型中，计算及实验结果表明：精度方面，SCAS算法与实验达到稳态时最大绝对误差出现在30线饼4测温点，为2.7K，由于温升实验受若干不可控因素的影响，故其误差在可以接受的范围之内；在计算效率上，本文所提算法的计算效率较传统算法提升约46倍，计算步数约为传统的1/47，大大的减少了计算冗余。结合以上分析可充分验证本文所提算法的有效性、高效性及工程应用价值。

• 单位
  新能源电力系统国家重点实验室; 华北电力大学