一种变压器防尘装置及其集尘极电压设计方法

摘要

本发明公开了一种变压器防尘装置及其集尘极电压设计方法，包括框架、电源箱、集尘极和电晕极；所述框架用于安装在变压器的冷却器上；所述集尘极设于所述框架上，且与电源箱的正极相连，用于吸附被吸入冷却器内的灰尘；所述电晕极设于所述框架上，其与所述集尘极平行设置，且与电源箱的负极相连，由纵电晕线和横电晕线交错而成。本发明基于电场强度、粉尘粒子荷电量和除尘效率三个目标，设计了最优集尘极电压优化模型，可有效滤除吸入冷却器的灰尘，提高除尘效果，能够有效解决变压器工作时发热异常的问题。

权利要求

1.一种变压器防尘装置，其特征在于，包括：

框架，所述框架用于安装在变压器的冷却器上；

电源箱；

集尘极，所述集尘极设于所述框架上，且与所述电源箱的正极相连，用于吸附被吸入冷却器的灰尘；

电晕极，所述电晕极设于所述框架上，其与所述集尘极平行设置，且与所述电源箱的负极相连，由纵电晕线和横电晕线交错而成；

所述变压器防尘装置集尘极电压v的优化模型具体为：式中，δ表示空气的相对密度，m表示修正系数，LD表示电晕线直径，Qb表示粉尘荷电量归一化基准值，w(d)表示优化模型加权系数，f(d)表示粉尘粒子对应的概率密度函数，LP表示集尘极宽度，u表示粉尘粒子移动速度，ε0表示真空介电常数，ε表示相对介电常数，d表示粉尘粒子半径，LC表示集尘极与电晕极间距离。

2.根据权利要求1所述的一种变压器防尘装置，其特征在于：所述电晕极中的纵电晕线和横电晕线的数量关系为：式中，NP表示电晕极内纵向所需电晕线数量，NT表示电晕极内横向所需电晕线数量，LT表示集尘极长度，D表示防尘装置电晕线附近电晕区的直径，LP表示集尘极宽度。

3.一种变压器防尘装置集尘极电压设计方法，其特征在于，包括以下步骤：建立变压器防尘装置中电场强度e(v)随集尘极电压v变化的数学模型；

建立变压器防尘装置电场中粉尘粒子荷电量q(v)随集尘极电压v变化的数学模型；

建立变压器防尘装置除尘效率η(v)随集尘极电压v变化的数学模型；

基于电场强度、粉尘粒子荷电量和除尘效率三个目标，建立变压器防尘装置集尘极电压v的优化模型，求解所述优化模型得到优化过的集尘极电压值；

所述变压器防尘装置集尘极电压v的优化模型具体为：式中，δ表示空气的相对密度，m表示修正系数，LD表示电晕线直径，Qb表示粉尘荷电量归一化基准值，w(d)表示优化模型加权系数，f(d)表示粉尘粒子对应的概率密度函数，LP表示集尘极宽度，u表示粉尘粒子移动速度，ε0表示真空介电常数，ε表示相对介电常数，d表示粉尘粒子半径，LC表示集尘极与电晕极间距离。

4.根据权利要求3所述的一种变压器防尘装置集尘极电压设计方法，其特征在于：所述集尘极电压v的表达式为：其中，δ表示空气的相对密度，m表示修正系数，LD表示电晕线直径。

5.根据权利要求3或4所述的一种变压器防尘装置集尘极电压设计方法，其特征在于：所述电场强度e(v)随集尘极电压v变化的数学模型具体为：其中，LC表示集尘极与电晕极间距离。

6.根据权利要求3或4所述的一种变压器防尘装置集尘极电压设计方法，其特征在于：所述粉尘粒子荷电量q(v)随集尘极电压v变化的数学模型具体为：式中，ε0表示真空介电常数，ε表示相对介电常数，d表示粉尘粒子半径，LC表示集尘极与电晕极间距离。

7.根据权利要求3或4所述的一种变压器防尘装置集尘极电压设计方法，其特征在于：所述除尘效率η(v)随集尘极电压v变化的数学模型具体为：式中，LP表示集尘极宽度，u表示粉尘粒子移动速度，ε0表示真空介电常数，ε表示相对介电常数，d表示粉尘粒子半径，LC表示集尘极与电晕极间距离。

8.根据权利要求3所述的一种变压器防尘装置集尘极电压设计方法，其特征在于：所述优化模型加权系数w(d)具体为：式中，db为粉尘粒子半径上限，其与粉尘粒子半径下限da的关系为(1-ln0.5)da。

说明书

一种变压器防尘装置及其集尘极电压设计方法

技术领域

[0001] 本发明属于高压电力设备技术领域，具体涉及一种变压器防尘装置及其集尘极电压设计方法。

背景技术

[0002] 随着经济的高速发展，全社会用电量逐年增多。为了满足社会的用电需求，电力系统规模迅速扩大，±800kV换流站、1000kV变电站以及500kV变电站日益增加，变压器作为整个变电站内的核心设备，影响着电能的安全传输。由于容量大、发热高，高压变压器普遍采用风冷冷却器进行散热，利用风扇强力抽风，因而常会用出现将杨絮等杂物吸入设备内，使得散热器上形成一层絮状物，从而影响散热效果，造成变压器温度上升，绝缘油加速劣化，影响设备安全稳定运行。

[0003] 为了解决上述问题，文献《变压器散热器可替换滤网的研制》提出了一种变压器可替换滤网来滤除空气中的柳絮、塑料袋等杂物，提高变压器冷却器的散热效果，但是该滤网由于网孔大小限制，不能滤除小于网孔尺寸的杂物，除尘效果较差。为了进一步提高除尘效果，本发明在文献《变压器散热器可替换滤网的研制》的基础上，提出了一种变压器防尘装置及其集尘极电压设计方法，通过电除尘的方法来增强除尘效果。

发明内容

[0004] 针对上述问题，本发明提出一种变压器防尘装置及其集尘极电压设计方法，基于电场强度、粉尘粒子荷电量和除尘效率三个目标，设计了最优集尘极电压优化模型，可有效滤除吸入冷却器的灰尘，提高除尘效果，能够有效解决变压器工作时发热异常的问题。

[0005] 实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

[0006] 第一方面，本发明提供了一种变压器防尘装置，包括：

[0007] 框架，所述框架用于安装在变压器的冷却器上；

[0008] 电源箱；

[0009] 集尘极，所述集尘极设于所述框架上，且与所述电源箱的正极相连，用于吸附被吸入冷却器的灰尘；

[0010] 电晕极，所述电晕极设于所述框架上，其与所述集尘极平行设置，且与所述电源箱的负极相连，由纵电晕线和横电晕线交错而成。

[0011] 优选地，所述电晕极中的纵电晕线和横电晕线的数量关系为：

[0012]

[0013] 式中，NP表示电晕极内纵向所需电晕线数量，NT表示电晕极内横向所需电晕线数量，LT表示集尘极长度，D表示防尘装置电晕线附近电晕区的直径，LP表示集尘极宽度。

[0014] 优选地，所述电晕极设于相邻集尘极之间；所述电晕极由纵电晕线和横电晕线相互垂直交错而成。

[0015] 优选地，所述变压器防尘装置集尘极电压v的优化模型具体为：

[0016]

[0017] 式中，δ表示空气的相对密度，m表示修正系数，LD表示电晕线直径，Qb表示粉尘荷电量归一化基准值，w(d)表示优化模型加权系数，f(d)表示粉尘粒子对应的概率密度函数，LP表示集尘极宽度，u表示粉尘粒子移动速度，ε0表示真空介电常数，ε表示相对介电常数，d表示粉尘粒子半径，LC表示集尘极与电晕极间距离。

[0018] 第二方面，本发明提供了一种变压器防尘装置集尘极电压设计方法，包括以下步骤：

[0019] 建立变压器防尘装置中电场强度e(v)随集尘极电压v变化的数学模型；

[0020] 建立变压器防尘装置电场中粉尘粒子荷电量q(v)随集尘极电压v变化的数学模型；

[0021] 建立变压器防尘装置除尘效率η(v)随集尘极电压v变化的数学模型；

[0022] 基于电场强度、粉尘粒子荷电量和除尘效率三个目标，建立变压器防尘装置集尘极电压v的优化模型，求解所述优化模型得到优化过的集尘极电压值。

[0023] 优选地，所述集尘极电压v的表达式为：

[0024]

[0025] 其中，δ表示空气的相对密度，m表示修正系数，LD表示电晕线直径。

[0026] 优选地，所述电场强度e(v)随集尘极电压v变化的数学模型具体为：

[0027]

[0028] 其中，LC表示集尘极与电晕极间距离。

[0029] 优选地，所述粉尘粒子荷电量q(v)随集尘极电压v变化的数学模型具体为：

[0030]

[0031] 式中，ε0表示真空介电常数，ε表示相对介电常数，d表示粉尘粒子半径，LC表示集尘极与电晕极间距离。

[0032] 优选地，所述除尘效率η(v)随集尘极电压v变化的数学模型具体为：

[0033]

[0034] 式中，LP表示集尘极宽度，u表示粉尘粒子移动速度，ε0表示真空介电常数，ε表示相对介电常数，d表示粉尘粒子半径，LC表示集尘极与电晕极间距离。

[0035] 优选地，所述变压器防尘装置集尘极电压v的优化模型具体为：

[0036]

[0037] 式中，δ表示空气的相对密度，m表示修正系数，LD表示电晕线直径，Qb表示粉尘荷电量归一化基准值，w(d)表示优化模型加权系数，f(d)表示粉尘粒子对应的概率密度函数，LP表示集尘极宽度，u表示粉尘粒子移动速度，ε0表示真空介电常数，ε表示相对介电常数，d表示粉尘粒子半径，LC表示集尘极与电晕极间距离。

[0038] 优选地，所述优化模型加权系数w(d)具体为：

[0039]

[0040] 式中，db为粉尘粒子半径上限，其与粉尘粒子半径下限da的关系为(1-ln0.5)da。

[0041] 与现有技术相比，本发明的有益效果：

[0042] 本发明提供的一种变压器防尘装置及其集尘极电压设计方法，其中的防尘装置包括集尘极、电晕极、框架和电源箱四个部分，整体结构简单，易于制造和实现。

[0043] 进一步地，本发明基于电场强度、粉尘粒子荷电量和除尘效率三个目标，设计了最优集尘极电压优化模型，可有效滤除吸入冷却器的灰尘，提高除尘效果，能够有效解决变压器工作时发热异常的问题。

附图说明

[0044] 图1为本发明一种实施例的变压器防尘装置的整体结构示意图。

具体实施方式

[0045] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0046] 下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

[0047] 实施例1

[0048] 如图1所示，本发明实施例提供了一种变压器防尘装置，包括：框架1、集尘极2、电晕极3和电源箱4；

[0049] 所述框架1用于安装在变压器的冷却器上；在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述框架1的横截面成矩形，包括顺次相连的四条边；

[0050] 所述集尘极2设于所述框架1上，且与所述电源箱4的正极相连，用于吸附被吸入冷却器的灰尘；在本发明实施例的一种具体方式中，所述集尘极2采用的是具有一定厚度的金属极板；

[0051] 所述电晕极3设于所述框架1上，其与所述集尘极2平行设置，优选地，位于相邻集尘极2之间，即集尘极2的数量相比电晕极3多一个，且与所述电源箱4的负极相连，由纵电晕线和横电晕线相互垂直交错而成；在本发明实施例的优选实施方式中，所述电晕极内的纵电晕线与横电晕线的数量关系如下式所示：

[0052]

[0053] 式中，NP表示电晕极内纵向所需电晕线数量，NT表示电晕极内横向所需电晕线数量，LT表示集尘极长度，D表示电晕线附近电晕区的直径，即电晕线沿直径方向有直径为D的电晕区。

[0054] 本发明实施例中变压器防尘装置集尘极电压v的优化模型具体为：

[0055]

[0056] 式中，δ表示空气的相对密度，m表示修正系数，LD表示电晕线直径，Qb表示粉尘荷电量归一化基准值，w(d)表示优化模型加权系数，f(d)表示粉尘粒子对应的概率密度函数，LP表示集尘极宽度，u表示粉尘粒子移动速度，ε0表示真空介电常数，ε表示相对介电常数，d表示粉尘粒子半径，LC表示集尘极与电晕极间距离。

[0057] 综上所述：

[0058] 本发明实施例中提供的一种变压器防尘装置，其中的防尘装置包括集尘极、电晕极、框架和电源箱四个部分，整体结构简单，易于制造和实现，且本发明实施例中的变压器防尘装置的集尘极电压v的是经过优化设计过的，可有效滤除吸入冷却器的灰尘，提高除尘效果，能够有效解决变压器工作时发热异常的问题。

[0059] 实施例2

[0060] 本发明实施例提供了一种变压器防尘装置集尘极电压设计方法，具体包括以下步骤：

[0061] 步骤(1)：建立变压器防尘装置中电场强度e(v)随集尘极电压v变化的数学模型；在本发明实施例的一种具体实施方式中，具体为：

[0062] 当变压器防尘装置集尘极电压为v时，变压器防尘装置中电场强度e(v)为：

[0063]

[0064] 式中，LC表示集尘极与电晕极间距离；

[0065] 所述集尘极电压v的表达式为：

[0066]

[0067] 其中，δ表示空气的相对密度，m表示修正系数，LD表示电晕线直径；

[0068] 步骤(2)：建立变压器防尘装置电场中粉尘粒子荷电量q(v)随集尘极电压v变化的数学模型；在本发明实施例的一种具体实施方式中，具体为：

[0069] 当空气中的粉尘被电晕后，将处于荷电状态，由于粉尘粒子半径不同，其对应的荷电方式略有差异，考虑到防尘装置主要是用于去除半径较大的粉尘粒子，一般是采用电场荷电方式，则粉尘粒子荷电量q(v)可以表示成：

[0070]

[0071] 式中，ε0表示真空介电常数，ε表示相对介电常数，d表示粉尘粒子半径。

[0072] 防尘装置去除的粉尘粒子半径在10um到1000um之间，即粉尘粒子半径下限da＝10um，上限dc＝1000um。

[0073] 步骤(3)：建立变压器防尘装置除尘效率η(v)随集尘极电压v变化的数学模型；在本发明实施例的一种具体实施方式中，具体为：

[0074] 根据变压器防尘装置工作原理，结合电场强度和粉尘粒子荷电量可得除尘效率η(v)表达式：

[0075]

[0076] 式中，LP表示集尘极宽度，u表示粉尘粒子移动速度。

[0077] 步骤(4)：基于电场强度、粉尘粒子荷电量和除尘效率三个目标，建立变压器防尘装置集尘极电压v的优化模型，求解所述优化模型得到优化过的集尘极电压值，在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述步骤(4)具体包括以下子步骤：

[0078] 根据变压器防尘装置工作原理，要使粉尘粒子电晕带电，变压器防尘装置中电场强度e(v)必须大于等于粉尘粒子起始电晕所需电场强度，则变压器防尘装置中集尘极电压v可以表示成：

[0079]

[0080] 式中，δ表示空气的相对密度，m表示修正系数，LD表示电晕线直径。

[0081] 针对q(v)数学模型，当粉尘处于荷电状态时，粒子主要是借助电场力作用被吸附到集尘极上，此时对应的荷电量越大越好；针对η(v)数学模型，装置除尘效率越大越好，则集尘极电压优化模型可以表示成：

[0082]

[0083]

[0084] 考虑到集尘极电压优化模型含有粉尘粒子荷电量和除尘效率两个目标，为了便于求解最优电压值，通过加权法将两个目标统一起来，由于粉尘粒子荷电量和除尘效率两个目标数量级相差较大，在进行加权求解前，需要先对粉尘粒子荷电量归一化处理，则集尘极电压优化模型可以简化成：

[0085]

[0086] 式中，Qb表示粉尘荷电量归一化基准值，w表示优化模型加权系数。

[0087] 上面建立的集尘极电压优化模型是针对半径为d的单一粉尘粒子，要想得到所有粉尘粒子的集尘极电压优化模型，还需分析粉尘粒子的分布，考虑到粉尘粒子一般服从正态分布，而粒子半径下限da＝10um，上限dc＝1000um，则粉尘粒子对应的概率密度函数为：

[0088]

[0089] 式中，f(d)表示粉尘粒子对应的概率密度函数。

[0090] 根据单一粉尘粒子的集尘极电压优化模型和粉尘粒子的概率密度函数，可得所有粉尘粒子对应的集尘极电压优化模型：

[0091]

[0092] 式中，T(v)表示集尘极电压最终优化模型，w(d)表示集尘极电压优化模型加权系数。

[0093] 所述集尘极电压优化模型加权系数w(d)设计方法具体为：

[0094] 根据集尘极电压优化模型可知：粉尘荷电量和除尘效率两个目标模型都是随着粉尘粒子半径d变化而变化的，当粉尘粒子半径d较大时，防尘装置要求除尘效率越高越好，则对应的除尘效率目标值权重应大于粉尘荷电量目标值权重，而当粉尘粒子半径d较小时，防尘装置要求粉尘荷电量越高越好，则对应的粉尘荷电量目标值权重应大于除尘效率目标值权重。结合变压器防尘装置实际除尘特点，选择粉尘粒子半径db为临界点，则集尘极电压优化模型加权系数w(d)可以表示成：

[0095]

[0096] 式中，db可以表示成(1-ln0.5)da。

[0097] 最终通过求解所述优化模型得到优化过的集尘极电压值，完成集尘集电压的设计。

[0098] 综上所述：

[0099] 本发明实施例中的变压器防尘装置集尘极电压设计方法，基于电场强度、粉尘粒子荷电量和除尘效率三个目标，设计了最优集尘极电压优化模型，可有效滤除吸入冷却器的灰尘，提高除尘效果，能够有效解决变压器工作时发热异常的问题。

[0100] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。