CN104090190B - 一种特高压换流变压器缩比模型设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特高压换流变压器缩比模型设计方法，根据相似原理，考虑特高压换流变压器的结构特点及缩比模型应用场合，针对研究目标设定需要控制的典型物理量，设置相应的相似常数，这些相似常数通过控制方程联系，最终得到换流变压器总的缩比公式，根据换流变压器总的缩比公式设计缩比模型，通过仿真及测量缩比模型的电磁场分布，验证缩比模型和原模型的一致性，最终通过缩比模型预测大型原模型的电磁场分布特性。采用本发明所提出的缩比模型设计方法，设计出的缩比模型可以有效的反映原模型的电气特性，可以利用其进行试验研究，降低试验成本，缩短试验周期，对于研究特高压换流变压器等大型设备具有较好的经济效益。

Description

一种特高压换流变压器缩比模型设计方法

技术领域

本发明属于特高压直流输电设备试验领域，特别涉及一种用于测试的特压换流变压器缩比模型设计方法。

背景技术

特高压换流变压器是特高压直流输电工程中最重要的设备之一，它除了常规变压器的作用外，还与换流阀共同完成交流电与直流电之间的相互转换并将直流部分与交流系统互相绝缘隔离。其稳定性和可靠性对整个直流系统的运行有着至关重要的作用。随着电压等级提高，需要对换流变压器在不同试验电压下的电场和磁场分布特性进行更深入的研究。

现阶段对特高压换流变压器的电磁场分布主要进行数值仿真计算，利用有限元等仿真方法进行求解，已有成熟的商业软件。过去也采用解析计算方法，但是由于特高压换流变压器结构复杂，难以进行精确的计算。而且由于实际的变压器价格昂贵，电压等级高，不仅试验设备成本高，现场试验复杂，也难以在试验中对其内部的电压电流等数据进行测量采集，难以获得电场分布等。

如果对特高压换流变压器进行研究性的试验和测试，代价高甚至难以操作，需要针对特高压换流变压器设计缩比模型进行试验研究。基于相似理论的缩比模型可用于电磁场分布的研究，也可用于电磁环境等方面的研究等。通过对缩比模型的试验，来预测大型原模型的电磁场分布特性。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种特高压换流变压器缩比模型设计方法，即根据特高压换流变压器的结构特点，基于缩比理论，设计一种特高压换流变压器缩比模型，可以降低成本与试验难度，便于进行更深入的试验研究。

本发明所采用的技术方案是：一种特高压换流变压器缩比模型设计方法，其特征在于：根据相似原理，考虑特高压换流变压器的结构特点及缩比模型应用场合，针对研究目标设定需要控制的典型物理量，设置相应的相似常数，这些相似常数通过控制方程联系，最终得到换流变压器总的缩比公式，根据换流变压器总的缩比公式设计缩比模型，通过仿真及测量缩比模型的电磁场分布，验证缩比模型和原模型的一致性，最终通过缩比模型预测大型原模型的电磁场分布特性。

作为优选，所述的得到换流变压器总的缩比公式，其具体实现包括以下步骤：

步骤1：根据相似原理，考虑特高压换流变压器的结构特点及缩比模型应用场合，针对研究目标设定需要控制的典型物理量；将这些典型物理量、基本电磁场方程以及控制方程共同组成得到缩比方程：

$\left\{\begin{array}{c}\▿\×H=J+\frac{\∂D}{\∂t}\\ \▿\×E=-\frac{\∂B}{\∂t}\\ \▿\·B=0\\ \▿\·D=\mathrm{\ρ}\\ J=\mathrm{\σE}\\ D=\mathrm{\ϵE}\\ B=\mathrm{uH}\end{array}\right.$ (式壹)

其中，H表示磁场强度，J表示电流密度，D表示电位移矢量，E表示电场强度，B表示磁感应强度，ρ表示电荷密度，σ表示电导率，ε表示介电常数，μ表示磁导率；

假设缩比因子为k，根据相似理论，推导出缩比公式：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_H=k_I/k_x\\ k_{\mathrm{\σ}}=\sqrt{k_{\mathrm{\ϵ}}/k_{\mathrm{\μ}}}/k_x\\ k_D=k_x{k}_{\mathrm{\ρ}}\\ k_E=k_I\sqrt{k_{\mathrm{\μ}}/k_{\mathrm{\ϵ}}}/k_x\\ k_D=k_I\sqrt{k_{\mathrm{\ϵ}}{k}_{\mathrm{\μ}}}/k_x\\ k_B=k_{\mathrm{\μ}}{k}_I/k_x\\ k_J=k_I/k_x^2\\ k_t=k_x\sqrt{k_{\mathrm{\ϵ}}{k}_{\mathrm{\μ}}}\end{array}\right.$ (式贰)

其中，K_H表示磁场强度的缩比因子，K_I表示电流的缩比因子，K_x表示尺寸的缩比因子，K_σ表示电导率的缩比因子，K_ε表示介电常数的缩比因子，K_μ表示磁导率的缩比因子，K_D表示电位移矢量的缩比因子，K_ρ表示电荷密度的缩比因子，K_E表示电场强度的缩比因子，K_B表示磁感应强度的缩比因子，K_J表示电流密度的缩比因子，K_t表示时间的缩比因子；

步骤2：推导出包含诸如基本的电容、电感、电阻、电导类基本电气特征量的缩比公式：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_C=k_{\mathrm{\ϵ}}{k}_x\\ k_L=k_{\mathrm{\μ}}{k}_x\\ k_G=\sqrt{k_{\mathrm{\ϵ}}/k_{\mathrm{\μ}}}\\ k_R=\sqrt{\frac{k_{\mathrm{\μ}}}{k_{\mathrm{\ϵ}}}}\frac{1}{k_x}\end{array}\right.$ (式叁)

其中，K_C表示电容的缩比因子，K_L表示电感的缩比因子，K_G表示电导的缩比因子，K_R表示电阻的缩比因子；

步骤3：综合式贰和式叁，同时考虑电压与电流的缩比关系得到换流变压器总的缩比公式：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_C=k_{\mathrm{\ϵ}}{k}_x\\ k_L=k_{\mathrm{\μ}}{k}_x\\ k_t=k_x\sqrt{k_{\mathrm{\ϵ}}{k}_{\mathrm{\μ}}}\\ k_{\mathrm{\σ}}=\sqrt{k_{\mathrm{\ϵ}}/k_{\mathrm{\μ}}}/k_x\\ k_R=\sqrt{k_{\mathrm{\μ}}/k_{\mathrm{\ϵ}}}/k_x\\ k_E=k_U/k_x\\ k_D=k_U{k}_{\mathrm{\ϵ}}/k_x\\ k_{\mathrm{\ρ}}=k_U{k}_{\mathrm{\ϵ}}/k_x^2\\ k_I=k_U\sqrt{k_{\mathrm{\ϵ}}/k_{\mathrm{\μ}}}\\ k_H=k_U\sqrt{k_{\mathrm{\ϵ}}/k_{\mathrm{\μ}}}/k_x\\ k_B=k_U\sqrt{k_{\mathrm{\ϵ}}{k}_{\mathrm{\μ}}}/k_x\\ k_J=k_U\sqrt{k_{\mathrm{\ϵ}}/k_{\mathrm{\μ}}}/k_x^2\end{array}\right.$ (式肆)

其中，K_U表示电压的缩比因子。

作为优选，所述的缩比模型不仅要考虑工频情况，还需要考虑高频电压作用，对于频率也要进行相应的缩比；在高频情况下，不同频率的集肤效应深度不同，而且模型的尺寸不相同，其波传播过程也不相同，为保证原模型和缩比模型电场和磁场特性相同，其激励源频率应变为1/k，其中k为缩比因子。

一种利用权利上述的特高压换流变压器缩比模型设计方法设计的特高压换流变压器缩比模型，其特征在于：所述的缩比模型的绕组结构为两芯四柱式，网侧绕组在内，阀侧绕组在外，两芯并联连接。

作为优选，考虑实际制造因素，如果长、宽尺寸完全按照缩比因子缩比，如果导线的宽度过小，则不易绕制，甚至没有合适的导线进行缩比模型的制作，故需适当改变导线的长宽比例，以电流密度一致为参考标准进行缩比。

作为优选，所述的缩比模型的绕组的绕制方式要与原模型相同，其网侧绕组采用内屏蔽绕组，其阀侧绕组采用螺旋绕组。

作为优选，所述的缩比模型的选材需保证缩比模型和原模型材料介电常数和磁导率完全相同，以保证缩比模型和原模型的电气特性一致。

本发明为验证缩比模型设计方法的有效性，通过建立变压器的原模型和缩比模型进行仿真研究，得到了原模型和缩比模型的电场和磁场的分布特性，验证了缩比模型与原模型的等价性，表明利用上述缩比模型设计方法可以有效的反映原模型的电气特性。

本发明具有的优点和积极意义是：采用本发明所提出的缩比模型设计方法，设计出的缩比模型可以有效的反映原模型的电气特性，可以利用其进行试验研究，降低试验成本，缩短试验周期，对于研究特高压换流变压器等大型设备具有较好的经济效益。

附图说明

图1：是本发明实施例的特高压换流变压器缩比模型的绕组结构示意图；

图2：是本发明实施例的原模型典型路径磁场强度分布图；

图3：是本发明实施例的缩比模型典型路径磁场强度分布图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的一种特高压换流变压器缩比模型设计方法，根据相似原理，考虑特高压换流变压器的结构特点及缩比模型应用场合，针对研究目标设定需要控制的典型物理量，设置相应的相似常数，这些相似常数通过控制方程联系，最终得到换流变压器总的缩比公式，根据换流变压器总的缩比公式设计缩比模型，通过仿真及测量缩比模型的电磁场分布，验证缩比模型和原模型的一致性，最终通过缩比模型预测大型原模型的电磁场分布特性。

本实施例，为得到换流变压器总的缩比公式，采用以下步骤：

步骤1：根据相似原理，考虑特高压换流变压器的结构特点及缩比模型应用场合，针对研究目标设定需要控制的典型物理量；将这些典型物理量、基本电磁场方程以及控制方程共同组成得到缩比方程：

$\left\{\begin{array}{c}\▿\×H=J+\frac{\∂D}{\∂t}\\ \▿\×E=-\frac{\∂B}{\∂t}\\ \▿\·B=0\\ \▿\·D=\mathrm{\ρ}\\ J=\mathrm{\σE}\\ D=\mathrm{\ϵE}\\ B=\mathrm{uH}\end{array}\right.$ (式壹)

其中，H表示磁场强度，J表示电流密度，D表示电位移矢量，E表示电场强度，B表示磁感应强度，ρ表示电荷密度，σ表示电导率，ε表示介电常数，μ表示磁导率；典型物理量包括磁场强度、电场强度、电流密度、电感、电容、电导、电压、电流等物理量，它们之间也是有相互联系的，基本电磁场方程就是麦克斯韦方程组，即为式壹中的前四个式子，而控制方程就是基于各物理量相互关系的方程；

假设缩比因子为k，根据相似理论，推导出缩比公式：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_H=k_I/k_x\\ k_{\mathrm{\σ}}=\sqrt{k_{\mathrm{\ϵ}}/k_{\mathrm{\μ}}}/k_x\\ k_D=k_x{k}_{\mathrm{\ρ}}\\ k_E=k_I\sqrt{k_{\mathrm{\μ}}/k_{\mathrm{\ϵ}}}/k_x\\ k_D=k_I\sqrt{k_{\mathrm{\ϵ}}{k}_{\mathrm{\μ}}}/k_x\\ k_B=k_{\mathrm{\μ}}{k}_I/k_x\\ k_J=k_I/k_x^2\\ k_t=k_x\sqrt{k_{\mathrm{\ϵ}}{k}_{\mathrm{\μ}}}\end{array}\right.$ (式贰)

其中，K_H表示磁场强度的缩比因子，K_I表示电流的缩比因子，K_x表示尺寸的缩比因子，K_σ表示电导率的缩比因子，K_ε表示介电常数的缩比因子，K_μ表示磁导率的缩比因子，K_D表示电位移矢量的缩比因子，K_ρ表示电荷密度的缩比因子，K_E表示电场强度的缩比因子，K_B表示磁感应强度的缩比因子，K_J表示电流密度的缩比因子，K_t表示时间的缩比因子；

步骤2：推导出包含诸如基本的电容、电感、电阻、电导类基本电气特征量的缩比公式：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_C=k_{\mathrm{\ϵ}}{k}_x\\ k_L=k_{\mathrm{\μ}}{k}_x\\ k_G=\sqrt{k_{\mathrm{\ϵ}}/k_{\mathrm{\μ}}}\\ k_R=\sqrt{\frac{k_{\mathrm{\μ}}}{k_{\mathrm{\ϵ}}}}\frac{1}{k_x}\end{array}\right.$ (式叁)

其中，K_C表示电容的缩比因子，K_L表示电感的缩比因子，K_G表示电导的缩比因子，K_R表示电阻的缩比因子；

步骤3：综合式贰和式叁，同时考虑电压与电流的缩比关系，得到换流变压器总的缩比公式：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_C=k_{\mathrm{\ϵ}}{k}_x\\ k_L=k_{\mathrm{\μ}}{k}_x\\ k_t=k_x\sqrt{k_{\mathrm{\ϵ}}{k}_{\mathrm{\μ}}}\\ k_{\mathrm{\σ}}=\sqrt{k_{\mathrm{\ϵ}}/k_{\mathrm{\μ}}}/k_x\\ k_R=\sqrt{k_{\mathrm{\μ}}/k_{\mathrm{\ϵ}}}/k_x\\ k_E=k_U/k_x\\ k_D=k_U{k}_{\mathrm{\ϵ}}/k_x\\ k_{\mathrm{\ρ}}=k_U{k}_{\mathrm{\ϵ}}/k_x^2\\ k_I=k_U\sqrt{k_{\mathrm{\ϵ}}/k_{\mathrm{\μ}}}\\ k_H=k_U\sqrt{k_{\mathrm{\ϵ}}/k_{\mathrm{\μ}}}/k_x\\ k_B=k_U\sqrt{k_{\mathrm{\ϵ}}{k}_{\mathrm{\μ}}}/k_x\\ k_J=k_U\sqrt{k_{\mathrm{\ϵ}}/k_{\mathrm{\μ}}}/k_x^2\end{array}\right.$ (式肆)

其中，K_U表示电压的缩比因子。

本实施例的缩比模型不仅要考虑工频情况，还需要考虑高频电压作用，对于频率也要进行相应的缩比；在高频情况下，不同频率的集肤效应深度不同，而且模型的尺寸不相同，其波传播过程也不相同，为保证原模型和缩比模型电场和磁场特性相同，其激励源频率应变为1/k，其中k为缩比因子。

请见图1，图中1为铁心，2为网侧绕组，3为阀侧绕组。本实施例的特高压换流变压器缩比模型，其总体结构为两芯四柱式，网侧绕组2在内，阀侧绕组3在外，两芯并联连接。

本实施例中，通过研究各物理量的缩比关系来保证缩比模型的准确性，采用以下步骤进行缩比模型的设计。

(1)采用缩比因子为k，根据换流变压器总的缩比公式肆，首先进行模型尺寸的缩比。即缩比模型的长度L′＝kL，面积S′＝k²S，体积V′＝k³V。

保证原模型的匝数和绕组结构与原模型相同，缩比模型的绕组结构如表1所示。绕组的绕制方式要与原模型相同，其网侧绕组采用内屏蔽绕组，如表2所示，屏蔽线方式2P3中2指的是屏蔽线跨两个线饼，3指的是屏蔽线的插入深度是3匝线圈，2P2与2P1依次类推。阀侧绕组采用螺旋绕组。

表1 特高压换流变压器缩比模型的绕组结构

表2 网侧绕组的形式

(2)为保证缩比模型和原模型的电气特性一致，对材料参数进行设计，由于材料的介电常数和磁导率不可能按缩比因子随意改变，此处保证缩比模型和原模型材料介电常数和磁导率等完全相同。

(3)频率参数的缩比原则，考虑绕组的波传播过程，为保证原模型和缩比模型电场和磁场特性相同，采用激励源的频率应变为1/k，其中k为缩比因子。

(4)考虑实际制造因素，此处如果按照缩比因子k缩比，则导线的宽度太小，没有此类导线，即使特制导线亦难以绕制，所以考虑适当改变长宽比例，保证面积的缩比比例，以电流密度一致为参考标准进行缩比。

为验证缩比模型设计方法的有效性，采用一个180匝线圈的简化模型进行对比分析，建立缩比模型和原模型的仿真模型，通过有限元方法进行数值仿真，得到缩比模型和原模型的电场分布图和磁场分布图，原模型和缩比模型基本一致，验证了缩比模型设计方法的有效性。为更清晰的对比，选取两个模型上对应的特定路径，得到原模型和缩比模型的磁场强度分布如附图2和附图3，可以看出两者对应频率下的磁场强度分布相同。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种特高压换流变压器缩比模型设计方法，根据相似原理，考虑特高压换流变压器的结构特点及缩比模型应用场合，针对研究目标设定需要控制的典型物理量，设置相应的相似常数，这些相似常数通过控制方程联系，最终得到换流变压器总的缩比公式，根据换流变压器总的缩比公式设计缩比模型，通过仿真及测量缩比模型的电磁场分布，验证缩比模型和原模型的一致性，最终通过缩比模型预测大型原模型的电磁场分布特性；

其特征在于：所述的得到换流变压器总的缩比公式，其具体实现包括以下步骤：

步骤1：根据相似原理，考虑特高压换流变压器的结构特点及缩比模型应用场合，针对研究目标设定需要控制的典型物理量；将这些典型物理量、基本电磁场方程以及控制方程共同组成得到缩比方程：

其中，H表示磁场强度，J表示电流密度，D表示电位移矢量，E表示电场强度，B表示磁感应强度，ρ表示电荷密度，σ表示电导率，ε表示介电常数，μ表示磁导率；

假设缩比因子为k，根据相似理论，推导出缩比公式：

其中，K_H表示磁场强度的缩比因子，K_I表示电流的缩比因子，K_x表示尺寸的缩比因子，K_σ表示电导率的缩比因子，K_ε表示介电常数的缩比因子，K_μ表示磁导率的缩比因子，K_D表示电位移矢量的缩比因子，K_ρ表示电荷密度的缩比因子，K_E表示电场强度的缩比因子，K_B表示磁感应强度的缩比因子，K_J表示电流密度的缩比因子，K_t表示时间的缩比因子；

步骤2：推导出包含诸如基本的电容、电感、电阻、电导类基本电气特征量的缩比公式：

其中，K_C表示电容的缩比因子，K_L表示电感的缩比因子，K_G表示电导的缩比因子，K_R表示电阻的缩比因子；

步骤3：综合式贰和式叁，同时考虑电压与电流的缩比关系，得到换流变压器总的缩比公式：

其中，K_U表示电压的缩比因子。

2.根据权利要求1所述的特高压换流变压器缩比模型设计方法，其特征在于：所述的缩比模型不仅要考虑工频情况，还需要考虑高频电压作用，对于频率也要进行相应的缩比；在高频情况下，不同频率的集肤效应深度不同，而且模型的尺寸不相同，其波传播过程也不相同，为保证原模型和缩比模型电场和磁场特性相同，其激励源频率应变为1/k，其中k为缩比因子。

3.一种利用权利要求1所述的特高压换流变压器缩比模型设计方法设计的特高压换流变压器缩比模型，其特征在于：所述的缩比模型的绕组结构为两芯四柱式，网侧绕组在内，阀侧绕组在外，两芯并联连接。

4.根据权利要求3所述的特高压换流变压器缩比模型，其特征在于：考虑实际制造因素，如果长、宽尺寸完全按照缩比因子缩比，如果导线的宽度过小，则不易绕制，甚至没有合适的导线进行缩比模型的制作，故需适当改变导线的长宽比例，以电流密度一致为参考标准进行缩比。

5.根据权利要求3所述的特高压换流变压器缩比模型，其特征在于：所述的缩比模型的绕组的绕制方式要与原模型相同，其网侧绕组采用内屏蔽绕组，其阀侧绕组采用螺旋绕组。

6.根据权利要求3所述的特高压换流变压器缩比模型，其特征在于：所述的缩比模型的选材需保证缩比模型和原模型材料介电常数和磁导率完全相同，以保证缩比模型和原模型的电气特性一致。