摘 要

本文借助三维建模软件和有限元分析软件，针对车载式变压器空负载损耗测试装置在不同工况，不同环境温度下的瞬态和稳态温度场进行了三维数值模拟。首先分别进行电气设备的稳态温度场分析，然后就测试装置在长时空载，短时空载和长时负载三种情况下，随着环境温度的变化（20℃到40℃）的温度场分布情况进行了对比和分析，所得的结果对测试装置在实际工作中避免过热，保证工作的高效安全有重要的意义。

研究结果表明了中间变压器是系统温升的主要因素，其接头处是系统工作时的发热薄弱点。随着环境温度的提高，系统的温升也会有轻微上升。长时负载测试会导致系统的温升进一步提高。

本文的特色在于： 通过对电气设备的单独仿真，为系统整体的仿真提供参考和简化依据。设置了三种实际中遇到的工况，分别仿真研究并对比，分析温度场分布变化的原因。同时加入环境温度的变化，使仿真研究的结果能更好的贴合实际工作情况。

关键词：变压器空负载测试；温度场；有限元分析

Abstract

The three-dimensional numerical simulation of the transient and steady temperature field about a vehicle mounted transformer no-load/load test device under different operating conditions and ambient temperature has been carried out in the paper, using the 3D modeling software and finite element analysis software. First, the static temperature field of the electrical equipment has been analyzed. Then the temperature field distribution of the test device has been compared and analyzed with the change of ambient temperature (20 ℃ to 40℃) under three conditions of long time no-load, short time no-load and long-time load. The result can avoid overheating in the actual work. It is important to ensure the efficient and safe work condition.

The research results have shown that the intermediate transformer is the main factor of the temperature rise of the system, and its joint is the weak point of heating when system works. With the increase of ambient temperature, the temperature rise of the system will also increase slightly. Long time load test will lead to further improvement of the system’s temperature.

The characteristic of this paper is that the simulation of electrical equipment can provide reference and simplification for the simulation of the whole system. Three actual operation have been set up, and the reasons for the change of temperature field are analyzed by simulation and comparison. The change of ambient temperature is added, in order to make the simulation results can better fit the actual work.

Key Words: transformer no-load/load test device; temperature field; finite element analysis

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 温度场理论的研究发展 1

1.2.2 温度场计算方法的发展 2

1.3 研究内容 3

第2章 温度场的基本理论及研究方法 4

2.1 温度场的基本理论 4

2.1.1 传热学基础理论 4

2.1.2 稳态导热及导热基本定律 4

2.1.3 边界条件 5

2.1.4 导热微分方程及其推导过程 6

2.2 有限单元法简介 7

2.3 研究方法和方案 7

2.3.1 场景几何建模及模型数据的读取 8

2.3.2模型网格的划分 8

2.3.3 边界条件的分析及输入 9

2.3.4 温度场的计算 9

第3章 车载测试系统电气元件温度场仿真 10

3.1 变频电源的温度场仿真 10

3.1.1 变频电源的基本原理和发热薄弱点 10

3.1.2 IGBT模块的构成 10

3.1.3 IGBT模块的温度场分析 11

3.2 补偿电容器的温度场仿真 15

3.2.1 并联电容器的结构 15

3.2.2 并联电容器的内部热源和散热方式 16

3.2.3 并联电容器的温度场仿真 16

3.3 中间变压器的温度场仿真 22

3.3.1 变压器的内部热源 22

3.3.2变压器的散热 23

3.3.3变压器的建模 24

3.3.4 变压器的温度场仿真 25

3.4 电压互感器的温度场仿真 31

3.5 电流互感器的温度场仿真 34

3.6 本章小结 37

第4章 车载测试系统温度场仿真 38

4.1实验装置的建模 38

4.2 短时空载试验温度分析 39

4.3长时空载试验温度分析 43

4.4长时负载试验温度分析 45

4.5 散热装置 49

4.6 本章小结 50

第5章 结论与展望 51

参考文献 53

致 谢 55

第1章 绪论

1.1 研究背景

随着我国经济的飞速发展，社会对于电力系统的供电质量及可靠性提出了更高更好的要求。其中电力变压器对电网中电能传输的分配性、稳定性及运行的经济性起着重要的作用。

变压器的空负载损耗是衡量变压器运行效率和性能的重要性能参数，通过测量空负载损耗，分析它们的变化规律，便可发现磁路中的局部或整体缺陷，也可检验绕组是否存在匝间短路等各种缺陷，因此对空负载损耗进行监测是十分必要的。

实际生活中，很多变压器在达到了使用年限后依然在继续使用，使得电网上依然有大量老旧变压器运行服役，对于这些达到使用年限的老旧变压器，通过测量其空负载损耗来区分并淘汰损耗过大，没有经济价值的变压器，对国家的电网节能效应潜力巨大。

由于变压器体积较大，安装完不便拆卸，所以需要车载式变压器空载损耗测试装置，车辆及试验设备现场自动展开便可试验，试验设备不需要下车。

对于车载式变压器空负载损耗测试装置，需要满足长时间，高强度的变压器测试工作，由于变压器测试时电流大，电气元件发热严重，长期工作的话可能会导致系统的温度过高，影响设备的效率和安全。对测试装置进行温度场的仿真研究，有助于提前掌握设备的温升情况，发现设备的发热薄弱点。

1.2 国内外研究现状

温度场仿真研究是通过研究物体的红外辐射机制，建立物体的仿真模型，将不同的时间，空间条件作为变量输入到仿真模型中，通过仿真软件的运算得到对应环境下的红外图像，更有效地预测目标的温度特性，从而对产品的开发在理论阶段有更加可靠的参照^[1]。

1.2.1 温度场理论的研究发展

热能传递有三种基本方式，分别是热传导、热对流和热辐射^[2][3]。

在热传导方面，法国物理学家毕奥在19世纪初根据屏蔽导热的实验结果，提出了导热定律。法国的傅里叶用数理方法得出该定律的数学表达式，该表达式也被称为了傅里叶定律的微分形式^[4]。