1.一种变压器线圈绕组局部精细化的均质模型计算方法,其特征在于,包括:根据变压器的实际结构在有限元仿真软件中搭建变压器线圈均质化模型,变压器包括变压器线圈和变压器铁心;对变压器线圈均质化模型进行网格剖分;设置变压器线圈均质化模型的材料参数、边界条件和热源激励;选择温度场和流体场的全耦合求解器,根据温度场和流体场的双向耦合方程组,构建热-流耦合物理场之间的直接耦合计算数学方程式,从而实现变压器的热-流双向耦合仿真;基于温度场和流体场耦合计算结果,得到变压器线圈均质化模型下的变压器线圈的温度分布和温度最高点位置;对变压器线圈的温度最高点位置的轴向或径向进行精细化建模,其余部分仍采用均质化方法建模,从而得到变压器线圈绕组局部精细化的均质模型;基于变压器线圈绕组局部精细化的均质模型,重新计算得到变压器线圈的温度分布和温度最高点位置。
2.根据权利要求1所述的变压器线圈绕组局部精细化的均质模型计算方法,其特征在于,所述变压器线圈包括高压线圈和低压线圈;所述搭建变压器线圈均质化模型,包括:根据高压线圈和低压线圈的结构,分别进行均质化;首先确定线圈绕组和环氧树脂的分布区域,将其等效为单一材料圆筒,然后根据线圈绕组和环氧树脂的结构参数和导热系数计算出等效材料参数加载到单一材料圆筒上形成变压器线圈均质化模型。
3.根据权利要求2所述的变压器线圈绕组局部精细化的均质模型计算方法,其特征在于,在有限元仿真软件中搭建变压器线圈均质化模型时,热量来源为高压线圈、低压线圈和变压器铁心;所述高压线圈和低压线圈分别为一个整体,且所述高压线圈和低压线圈之间存在气道。
4.根据权利要求2所述的变压器线圈绕组局部精细化的均质模型计算方法,其特征在于,所述对变压器线圈均质化模型进行网格剖分,包括:对所述高压线圈均质化模型、低压线圈均质化模型使用映射网格剖分,映射网格通过将规则的网格模式映射到几何体上生成网格。
5.根据权利要求2所述的变压器线圈绕组局部精细化的均质模型计算方法,其特征在于,所述设置变压器线圈均质化模型的材料参数,包括:设置空气材料参数,包括密度、导热系数、动力粘度和比热容;设置所述变压器铁心的材料参数,包括导热系数和比热容;设置所述高压线圈、低压线圈的材料参数,包括导热系数和比热容;其中,变压器线圈均质化部分设置等效导热系数和等效比热容。
6.根据权利要求1所述的变压器线圈绕组局部精细化的均质模型计算方法,其特征在于,所述边界条件包括变压器与外界的对流换热系数;对于变压器线圈均质化模型,所述热源激励分别设置为高压线圈圆筒、低压线圈圆筒和变压器铁心;对于变压器线圈绕组局部精细化的均质模型,所述热源激励分别设置为高压线圈圆筒和低压线圈圆筒的均质化部分以及精细化部分的铜导线和变压器铁心。
7.根据权利要求2所述的变压器线圈绕组局部精细化的均质模型计算方法,其特征在于,所述得到变压器线圈绕组局部精细化的均质模型,包括:根据高压线圈和低压线圈的温度分布,分别提取高压线圈和低压线圈的温度最高点位置;对于高压线圈饼式绕组结构,当温度最高点位置位于实际线圈模型第 m 层时,重新建立高压线圈绕组局部精细化的均质模型,即基于实际线圈模型保留高压线圈绕组的 m -1层、 m 层、 m +1层的实际结构,将高压线圈绕组的1至 m -2层形成均质化结构、 m +2至 k 层形成均质化结构;对于低压线圈绕组的箔状绕组结构,当温度最高点位置位于实际线圈模型第 n 层时,重新建立低压线圈绕组局部精细化的均质模型,即基于实际线圈模型保留低压线圈绕组 n -1层、 n 层、 n +1层的实际结构,将低压线圈绕组的1至 n -2层形成均质化结构、 n +2至 p 层形成均质化结构;其中, k 、 m 、 n 、 p 为正整数。
8.根据权利要求5所述的变压器线圈绕组局部精细化的均质模型计算方法,其特征在于,所述等效导热系数和等效比热容的计算流程为:单位面积条件下,材料的热阻与材料的厚度、导热系数存在关系如下: (1)式中, R m 为材料的热阻, d 为材料的厚度, k 为材料的导热系数;环氧树脂嵌入变压器线圈的间隙中,则变压器线圈在径向上的等效热阻为: (2)式中, 为变压器线圈径向铜导线热阻; 为环氧树脂径向热阻;变压器线圈径向总厚度为: (3)式中, 为变压器线圈径向铜导线总厚度; 为环氧树脂径向总厚度;联立式(1)、式(2)和式(3)可得: (4)则变压器线圈在径向上的等效导热系数为: ;变压器线圈在轴向上的等效热阻 R ea 的计算式为: (5)式中, 为变压器铜导线轴向热阻, 为环氧树脂轴向热阻;则变压器线圈在轴向上的等效导热系数为: (6)环氧树脂包裹在线圈绕组上,因此有: (7)其中, 为变压器线圈等效比热容; m 为变压器线圈总质量; 为变压器线圈温度变化量; 为变压器线圈导体层比热容; 为环氧树脂的比热容; m 1 为变压器线圈导体层总质量; m 2 为环氧树脂总质量。
9.根据权利要求3所述的变压器线圈绕组局部精细化的均质模型计算方法,其特征在于,所述热-流耦合物理场之间的直接耦合计算数学方程式为:式中,ρ为流体密度; v 为速度矢量; 为梯度算符;τ为黏性应力张量; F 为体积力; p 为流体压力; T 为温度; 为散度算符; Q 为热源; g 为重力加速度; 为比热容; 为导热系数。
10.一种变压器线圈绕组局部精细化的均质模型计算装置,其特征在于,包括:建模单元,用于根据变压器的实际结构在有限元仿真软件中搭建变压器线圈均质化模型,变压器包括变压器线圈和变压器铁心;剖分单元,用于对变压器线圈均质化模型进行网格剖分;加载单元,用于设置变压器线圈均质化模型的材料参数、边界条件和热源激励;计算单元,用于选择温度场和流体场的全耦合求解器,根据温度场和流体场的双向耦合方程组,构建热-流耦合物理场之间的直接耦合计算数学方程式,从而实现变压器的热-流双向耦合仿真;后处理单元,用于基于温度场和流体场耦合计算结果,得到变压器线圈均质化模型下的变压器线圈的温度分布和温度最高点位置;二次建模单元,用于对变压器线圈的温度最高点位置的轴向或径向进行精细化建模,其余部分仍采用均质化方法建模,从而得到变压器线圈绕组局部精细化的均质模型;二次计算单元,用于基于变压器线圈绕组局部精细化的均质模型,重新计算得到变压器线圈的温度分布和温度最高点位置。