一种变压器油箱的设计方法、系统及变压器油箱

技术领域

本发明涉及变压器设备技术领域，具体涉及一种变压器油箱的设计方法、系统及变压器油箱。

背景技术

变压器是目前应用最为广泛的电气设备之一，变压器在运行过程中若出现内部短路故障时，会引起局部放电而导致变压器油箱内部的压力骤升，进而可能引起变压器油箱破裂甚至爆炸，因此需要对变压器油箱的结构进行防爆设计。

目前对变压器油箱的结构进行防爆设计的方式为：以半经验能量守恒公式和五方程法等方式确定变压器内部的电弧故障能量传播方式，并根据电弧故障能量传播方式对变压器油箱的结构进行防爆设计。但是，由于半经验能量守恒公式和五方程法存在适用条件的特殊性和局限性，无法对变压器内部故障所引起电弧故障能量的复杂变化过程进行准确分析，致使变压器油箱的防爆性能较差。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种变压器油箱的设计方法、系统及变压器油箱，以及解决目前防爆设计方式存在的致使变压器油箱的防爆性能较差等问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

本发明实施例第一方面公开一种变压器油箱的设计方法，所述方法包括：

利用变压器的电气设计参数和放电位置，确定所述变压器发生故障时所产生的第一电弧能量；

利用预设的能量转换系数，确定所述第一电弧能量中转换为所述变压器对应的变压器油箱的内部压力的第二电弧能量，并计算所述第二电弧能量对应的声功率；

基于所述声功率对所述变压器油箱进行声学仿真模拟，得到所述变压器油箱的内部的声压值；

将所述声压值作为机械场的输入进行声场和机械场的联合仿真处理，得到所述变压器油箱的压力分布云图；

根据所述压力分布云图，确定所述变压器油箱中结构强度小于强度阈值的薄弱位置；

在所述变压器油箱的所述薄弱位置设置压力释放装置。

优选的，所述利用预设的能量转换系数，确定所述第一电弧能量中转换为所述变压器对应的变压器油箱的内部压力的第二电弧能量，并计算所述第二电弧能量对应的声功率，包括：

利用W＝σ*W

基于所述第二电弧能量，通过P

优选的，所述基于所述声功率对所述变压器油箱进行声学仿真模拟，得到所述变压器油箱的内部的声压值，包括：

将所述变压器对应的电弧放电位置点作为单极子声源，基于所述声功率，通过

基于所述体积流速，通过

利用所述振动幅值，通过

优选的，所述利用变压器的电气设计参数和放电位置，确定所述变压器发生故障时所产生的第一电弧能量，包括：

利用变压器的电气设计参数和放电位置，通过W

优选的，所述在所述变压器油箱的所述薄弱位置设置压力释放装置，包括：

确定所述薄弱位置位于所述变压器油箱的区域信息；

利用所述区域信息选择相应类型的压力释放装置；

将所述压力释放装置设置在所述薄弱位置。

本发明实施例第二方面公开一种变压器油箱的设计系统，所述系统包括：

第一确定单元，用于利用变压器的电气设计参数和放电位置，确定所述变压器发生故障时所产生的第一电弧能量；

处理单元，用于利用预设的能量转换系数，确定所述第一电弧能量中转换为所述变压器对应的变压器油箱的内部压力的第二电弧能量，并计算所述第二电弧能量对应的声功率；

第一仿真单元，用于基于所述声功率对所述变压器油箱进行声学仿真模拟，得到所述变压器油箱的内部的声压值；

第二仿真单元，用于将所述声压值作为机械场的输入进行声场和机械场的联合仿真处理，得到所述变压器油箱的压力分布云图；

第二确定单元，用于根据所述压力分布云图，确定所述变压器油箱中结构强度小于强度阈值的薄弱位置；

设置单元，用于在所述变压器油箱的所述薄弱位置设置压力释放装置。

优选的，所述处理单元包括：

确定模块，用于利用W＝σ*W

计算模块，用于基于所述第二电弧能量，通过P

优选的，所述第一仿真单元包括：

第一计算模块，用于将所述变压器对应的电弧放电位置点作为单极子声源，基于所述声功率，通过

第二计算模块，用于基于所述体积流速，通过

第三计算模块，用于利用所述振动幅值，通过

优选的，所述第一确定单元具体用于：利用变压器的电气设计参数和放电位置，通过W

本发明实施例第三方面公开一种变压器油箱，所述变压器油箱由箱壁、箱盖、箱底、加强结构和压力释放装置构成，通过上述本发明实施例第一方面公开的变压器油箱的设计方法，确定所述压力释放装置在所述变压器油箱的安装位置。

基于上述本发明实施例提供的一种变压器油箱的设计方法、系统及变压器油箱，该方法为：利用变压器的电气设计参数和放电位置，确定变压器发生故障时所产生的第一电弧能量；利用预设的能量转换系数，确定第一电弧能量中转换为变压器对应的变压器油箱的内部压力的第二电弧能量，并计算第二电弧能量对应的声功率；基于声功率对变压器油箱进行声学仿真模拟，得到变压器油箱的内部的声压值；将声压值作为机械场的输入进行声场和机械场的联合仿真处理，得到变压器油箱的压力分布云图；根据压力分布云图，确定变压器油箱中结构强度小于强度阈值的薄弱位置；在变压器油箱的薄弱位置设置压力释放装置。将变压器故障引起的电弧能量转换为声功率，并分别进行声学仿真与声场和机械场的联合仿真，得到用于设计变压器油箱的防爆结构的压力分布云图，提高变压器油箱的防爆性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种变压器油箱的设计方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的变压器油箱的防爆设计结构示意图；

图3为本发明实施例提供的计算第二电弧能量的声功率的流程图；

图4为本发明实施例提供的确定声压值的流程图；

图5为本发明实施例提供的单极子声源的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种变压器油箱的设计系统的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

由背景技术可知，在对变压器油箱进行防爆设计时，需要确定变压器内部的电弧故障能量传播方式，再根据电弧故障能量传播方式对变压器油箱的结构进行防爆设计。但是，由于目前确定电弧故障能量传播方式的方法的特殊性和局限性，无法对变压器内部故障所引起电弧故障能量的复杂变化过程进行准确分析，致使变压器油箱的防爆性能较差。

因此，本发明实施例提供一种变压器油箱的设计方法、系统及变压器油箱，通过将变压器故障引起的电弧能量转换为声功率，并分别进行声学仿真与声场和机械场的联合仿真，得到用于设计变压器油箱的防爆结构的压力分布云图，以提高变压器油箱的防爆性能。

参见图1，示出了本发明实施例提供的一种变压器油箱的设计方法的流程图，该设计方法包括：

步骤S101：利用变压器的电气设计参数和放电位置，确定变压器发生故障时所产生的第一电弧能量。

在具体实现步骤S101的过程中，对于需要进行变压器油箱防爆设计的变压器，利用该变压器的电气设计参数和放电位置，计算该变压器在发生内部故障时所产生的能量，该故障时所产生的能量即为第一电弧能量。

在具体计算第一电弧能量时，利用变压器的电气设计参数和放电位置，通过公式(1)确定变压器发生故障时所产生的第一电弧能量W

W

在公式(1)中，U(t)为电弧电压，i(t)为电弧电流，t为电弧持续时间。

可以理解的是，在变压器的内部出现短路时，由于变压器内部的特殊绝缘结构的设置，故障点处会形成短路电弧，该短路电弧两端的电压即为U(t)，可通过建立电弧长度和电场强度之间的物理关系计算电弧电压U(t)，也就是说U(t)＝E'l

需要说明的是，i(t)即为短路电弧电流，可通过标幺值法(仅举例)获取得到电弧电流i(t)。对于电弧持续时间，可利用变压器内部的传感器获取得到。

也就是说，在通过上述方式分别获取得到U(t)、i(t)和t之后，通过上述公式(1)即可计算得到变压器发生故障时所产生的第一电弧能量W

步骤S102：利用预设的能量转换系数，确定第一电弧能量中转换为变压器对应的变压器油箱的内部压力的第二电弧能量，并计算第二电弧能量对应的声功率。

在具体实现步骤S102的过程中，利用预设的能量转换系数，确定第一电弧能量中转换为变压器对应的变压器油箱的内部压力的第二电弧能量。也就是说，第一电弧能量中转换为变压器油箱的内部压力的部分能量即为第二电弧能量，换而言之，第二电弧能量为第一电弧能量中的一部分能量。

确定第二电弧能量之后，计算该第二电弧能量对应的声功率。

步骤S103：基于声功率对变压器油箱进行声学仿真模拟，得到变压器油箱的内部的声压值。

在具体实现步骤S103的过程中，将变压器对应的电弧放电位置点作为单极子声源，利用计算得到的声功率对变压器油箱进行声学仿真模拟，得到变压器油箱的内部的声压值。

步骤S104：将声压值作为机械场的输入进行声场和机械场的联合仿真处理，得到变压器油箱的压力分布云图。

在具体实现步骤S104的过程中，将变压器油箱的内部的声压值采用网格映射等方式，实现声场与机械场之间的数据传递。其中，机械场的数据计算分析采用结构有限元软件，通过运用瞬态分析模块对已经获取的参数进行结构有限元分析，并采用非线性有限元求解器进行求解，从而完成声场-机械场的联合仿真处理。

也就是说，将声压值作为机械场的输入，即将声场的计算结果作为机械场的输入，对该声压值进行声场和机械场的联合仿真处理(即声场-机械场的联合仿真处理)。可以理解的是，声场-机械场的联合仿真处理包括联合仿真和数据后处理。

根据声场-机械场的联合仿真处理的结果，确定时域下变压器油箱的压力分布云图，该压力分布云图可反映变压器油箱表面的压力。

步骤S105：根据压力分布云图，确定变压器油箱中结构强度小于强度阈值的薄弱位置。

在具体实现步骤S105的过程中，根据压力分布云图，确定变压器油箱中结构强度小于强度阈值的薄弱位置，以在该薄弱位置进行结构加强处理。

步骤S106：在变压器油箱的薄弱位置设置压力释放装置。

在具体实现步骤S106的过程中，对于每一薄弱位置，确定薄弱位置位于变压器油箱的区域信息，该区域信息指示该薄弱位置位于变压器油箱的哪一区域，以及该薄弱位置的范围大小。

可以理解的是，薄弱位置所处于的变压器油箱的区域和大小不同，所需要设置的压力释放装置(或者加强结构)也可能有所不同。

因此，对于一薄弱位置，利用该薄弱位置的区域信息选择相应类型的压力释放装置，将压力释放装置设置在薄弱位置。也就是说，根据薄弱位置的区域和大小在变压器油箱的薄弱位置处设置不同的压力释放装置，从而实现变压器油箱的防爆设计。

需要说明的是，压力释放装置的类型包括但不仅限于压力释放阀和防爆膜等。

可以理解的是，在确定变压器油箱的薄弱位置之后，可以合理的选择各个薄弱位置对应的压力释放装置，以及确定所需要设置的压力释放装置的数量，将各个压力释放装置设置在各自对应的薄弱位置处，当变压器发生故障时能通过压力释放装置快速释放变压器油箱的内部压力，避免变压器油箱因内部压力过大而造成结构破坏。

为更好解释说明变压器油箱的防爆设计的结构，通过图2进行解释说明，需要说明的是，图2仅用于举例。

参见图2示出了本发明实施例提供的变压器油箱的防爆设计结构示意图，可以理解的是，该变压器油箱的内部和外部的分界面，是用于保护器身的外壳和盛油的容器，是用于承受变压器器身和变压器油和总体起吊重量的壳体，并且还是用于安装外部部件的平台和变压器的散热体。

该变压器油箱主要由箱壁2、箱盖6、箱底5、加强结构(钢槽)3、加强结构4、压力释放装置7和压力释放装置8构成。

需要说明的是，上述构成变压器油箱的结构件仅用于示例说明，且压力释放装置7和压力释放装置8的安装位置和数量也仅用于示例说明。

在本发明实施例中，利用变压器的电气设计参数和放电位置，确定变压器发生故障时所产生的第一电弧能量，并确定第一电弧能量中转换为变压器对应的变压器油箱的内部压力的第二电弧能量和第二电弧能量对应的声功率。基于声功率对变压器油箱进行声学仿真模拟，得到变压器油箱的内部的声压值，将声压值作为机械场的输入进行声场和机械场的联合仿真处理，得到变压器油箱的压力分布云图。根据压力分布云图，确定变压器油箱中结构强度小于强度阈值的薄弱位置，在变压器油箱的薄弱位置设置压力释放装置。将变压器故障引起的电弧能量转换为声功率，并分别进行声学仿真与声场和机械场的联合仿真，得到用于设计变压器油箱的防爆结构的压力分布云图，提高变压器油箱的防爆性能。

上述本发明实施例图1步骤S102中涉及的计算第二电弧能量对应的声功率的过程，参见图3，示出了本发明实施例提供的计算第二电弧能量的声功率的流程图，包括以下步骤：

步骤S301：利用公式(2)确定第一电弧能量中转换为变压器对应的变压器油箱的内部压力的第二电弧能量。

在具体实现步骤S301的过程中，通过公式(2)计算第二电弧能量W。

W＝σ*W

在公式(2)中，W

可以理解的是，利用变压器的电气设计参数和数据算法拟合结果，确定该能量转换系数。

步骤S302：基于第二电弧能量，通过公式(3)计算第二电弧能量对应的声功率。

在具体实现步骤S302的过程中，基于第二电弧能量W，通过公式(3)计算第二电弧能量对应的声功率P

P

在公式(3)中，t为电弧持续时间。

需要说明的是，在变压器对应的绝缘油中，第二电弧能量以声波的形式传递至变压器油箱内部的各个区域，在变压器油箱的箱壁等结构上会产生相应的压强，在放电时长放电功率恒定的情况下，即可利用上述公式(3)计算第二电弧能量对应的声功率。

在本发明实施例中，分别利用构建的公式计算第二电弧能量和第二电弧能量对应的声功率，再基于声功率分别进行声学仿真与声场和机械场的联合仿真，得到用于设计变压器油箱的压力分布云图，提高变压器油箱的防爆性能。

上述本发明实施例图1步骤S103涉及的计算变压器油箱的内部的声压值的过程，参见图4，示出了本发明实施例提供的确定声压值的流程图，包括以下步骤：

步骤S401：将变压器对应的电弧放电位置点作为单极子声源，基于声功率，通过公式(4)计算单极子声源的体积流速。

在具体实现步骤S401的过程中，先利用指定软件构建变压器油箱的结构模型和电磁结构模型，将该结构模型和电磁结构模型导入声学有限元软件中进行前处理，进而再计算变压器油箱内部各个位置的声压值。

可以理解是，由前述内容可知，以声功率的形式替代电弧功率，采用声学仿真软件，运用声学波动方程对电弧能量的传播进行计算，将变压器对应的电弧放电位置点作为单极子声源，即电弧放电位置点存在单极子声源，通过公式(4)计算单极子声源的体积流速Q。

在公式(4)，k为波数，P

为更好理解上述涉及的单极子声源，结合图2，通过图5进行举例说明，参见图5，示出了本发明实施例提供的单极子声源的示意图。

在图5中，变压器的电弧放电位置点存在单极子声源1。

步骤S402：基于体积流速，通过公式(5)计算单极子声源的振动幅值。

在具体实现步骤S402的过程中，基于体积流速，通过公式(5)计算单极子声源的振动幅值A。

在公式(5)中，i为虚数的单位。

步骤S403：利用振动幅值，通过公式(6)计算变压器油箱的内部的声压值。

在具体实现步骤S403的过程中，利用振动幅值，通过公式(6)计算变压器油箱的内部的声压值P。

在公式(6)中，R为压力面至单极子声源的距离，也就是说，P为单极子声源在半径为R的球面上产生的压力，e为数学领域中的常数。

由前述内容可知在数据处理过程中采用声学有限元软件，可以理解的是，在利用声学有限元法计算时，变压器油箱的内壁设计为刚性边界，压力释放装置(压力释放阀或防爆膜)设置为完美匹配层(PML)或根据介质特性设置为全吸声边界，采用瞬态分析并且分析时长设置为至少一个放电周期(即1/f)，最后对声学有限元结果进行后处理等操作即可获取得到变压器油箱内部的声压值分布情况。

在本发明实施例中，将变压器对应的电弧放电位置点作为单极子声源，基于声功率，计算单极子声源的振动幅值，进而计算变压器油箱的内部的声压值。利用声压值进行声场-机械场的联合仿真处理，得到用于设计变压器油箱的压力分布云图，提高变压器油箱的防爆性能。

与上述本发明实施例提供的一种变压器油箱的设计方法相对应，参见图6，本发明实施例还提供了一种变压器油箱的设计系统的结构框图，该设计系统包括：第一确定单元601、处理单元602、第一仿真单元603、第二仿真单元604、第二确定单元605和设置单元606；

第一确定单元601，用于利用变压器的电气设计参数和放电位置，确定变压器发生故障时所产生的第一电弧能量。

在具体实现中，第一确定单元601具体用于：利用变压器的电气设计参数和放电位置，通过公式(1)确定变压器发生故障时所产生的第一电弧能量。

处理单元602，用于利用预设的能量转换系数，确定第一电弧能量中转换为变压器对应的变压器油箱的内部压力的第二电弧能量，并计算第二电弧能量对应的声功率。

第一仿真单元603，用于基于声功率对变压器油箱进行声学仿真模拟，得到变压器油箱的内部的声压值。

第二仿真单元604，用于将声压值作为机械场的输入进行声场和机械场的联合仿真处理，得到变压器油箱的压力分布云图。

第二确定单元605，用于根据压力分布云图，确定变压器油箱中结构强度小于强度阈值的薄弱位置。

设置单元606，用于在变压器油箱的薄弱位置设置压力释放装置。

在具体实现中，设置单元606具体用于：确定薄弱位置位于变压器油箱的区域信息，利用区域信息选择相应类型的压力释放装置，将压力释放装置设置在薄弱位置。

在本发明实施例中，利用变压器的电气设计参数和放电位置，确定变压器发生故障时所产生的第一电弧能量，并确定第一电弧能量中转换为变压器对应的变压器油箱的内部压力的第二电弧能量和第二电弧能量对应的声功率。基于声功率对变压器油箱进行声学仿真模拟，得到变压器油箱的内部的声压值，将声压值作为机械场的输入进行声场和机械场的联合仿真处理，得到变压器油箱的压力分布云图。根据压力分布云图，确定变压器油箱中结构强度小于强度阈值的薄弱位置，在变压器油箱的薄弱位置设置压力释放装置。将变压器故障引起的电弧能量转换为声功率，并分别进行声学仿真与声场和机械场的联合仿真，得到用于设计变压器油箱的压力分布云图，提高变压器油箱的防爆性能。

优选的，结合图6示出的内容，处理单元602包括确定模块和计算模块，各个模块的执行原理如下：

确定模块，用于利用公式(2)，确定第一电弧能量中转换为变压器对应的变压器油箱的内部压力的第二电弧能量。

计算模块，用于基于第二电弧能量，通过公式(3)计算第二电弧能量对应的声功率。

在本发明实施例中，分别利用构建的公式计算第二电弧能量和第二电弧能量对应的声功率，再基于声功率分别进行声学仿真与声场和机械场的联合仿真，得到用于设计变压器油箱的压力分布云图，提高变压器油箱的防爆性能。

优选的，结合图6示出的内容，第一仿真单元603包括第一计算模块、第二计算模块和第三计算模块，各个模块的执行原理如下：

第一计算模块，用于将变压器对应的电弧放电位置点作为单极子声源，基于声功率，通过公式(4)计算单极子声源的体积流速。

第二计算模块，用于基于体积流速，通过公式(5)计算单极子声源的振动幅值。

第三计算模块，用于利用振动幅值，通过公式(6)计算变压器油箱的内部的声压值。

在本发明实施例中，将变压器对应的电弧放电位置点作为单极子声源，基于声功率，计算单极子声源的振动幅值，进而计算变压器油箱的内部的声压值。利用声压值进行声场-机械场的联合仿真处理，得到用于设计变压器油箱的压力分布云图，提高变压器油箱的防爆性能。

优选的，本发明实施例还提供一种变压器油箱，该变压器油箱由箱壁、箱盖、箱底、加强结构和压力释放装置构成，通过上述本发明实施例提供的变压器油箱的设计方法，确定压力释放装置在变压器油箱的安装位置。

综上所述，本发明实施例提供一种变压器油箱的设计方法、系统及变压器油箱，通过将变压器故障引起的电弧能量转换为声功率，并分别进行声学仿真与声场和机械场的联合仿真，得到用于设计变压器油箱的压力分布云图，以提高变压器油箱的防爆性能。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。