CN106354971A - 基于场路耦合分析的变压器状态预估新方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于场路耦合分析的变压器状态预估新方法。该方法包括：建立变压器模型并借助有限元理论对变压器电磁场进行分析；分析变压器所在系统工作状态，并等效为相应状态下的集总参数电路模型，进行电路分析；在电磁场分析和电路分析的基础上得到变压器场路耦合数学模型；借助有限元软件计算，得到变压器求解空间内各个节点的矢量磁位A，进而求解变压器绕组电流、阻抗等其他物理量，得到变压器电磁场分布，绕组所受电磁力以及变压器各部分损耗；将变压器各部分损耗值作为热源加载到变压器温度场模型中，采用有限体积法得到变压器温度场分布。从而实现对电力系统不同状态时变压器电磁场分布、绕组所受电磁力、以及温度场分布等多方面状态的预估分析，为变压器的检修和维护工作提供依据，提高工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及电力变压器运行和维护领域，尤其是涉及电力系统不同运行状态下变压器的状态预估与故障预测。
背景技术
随着我国电网规模的不断扩大，电压等级逐渐提高，电力变压器的单机容量也逐渐增大，作为电力系统中最重要和最昂贵的电气设备之一，变压器运行的安全可靠性直接关系到电力系统的安全与稳定。因此提高电力变压器运行的可靠性对整个电网的安全可靠运行具有十分重要的意义。为此不仅要在变压器设计制造过程中提高其可靠性，更要在变压器的运行过程中提高其维护和检修水平。
长期以来，我国电力系统对变压器的检修策略大多采用定期检修模式，忽略了该变压器的结构，产品质量以及是否发生过故障等情况。这样的检修方式往往会导致对不需要检修的变压器停运进行小修或者大修，造成人力、物力、财力的浪费；或者对需要检修维护的变压器没有进行及时的检修，造成电力系统严重的故障，影响电力系统安全稳定运行。因此建立一种预知性的检修方式成为电力变压器检修方式发展的必然。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述检修模式存在的缺陷而提供的一种基于场路耦合分析的变压器状态预估新方法，该方法通过模拟电力系统不同运行状态对变压器的影响判断变压器的运行状态，预测其可能存在的潜在风险，从而提前做好检修准备或预防工作。
为实现上述目的，可以通过以下技术方式来实现：基于场路耦合分析的变压器状态预估新方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1根据电磁场相关理论，建立变压器电磁场模型，并进行有限元处理；
步骤2分析变压器所在系统的工作状态，等效得到变压器外部电路集总参数模型，将变压器绕组作为电路元件与变压器外部激励和负载连成电路；
步骤3通过对电磁场模型和外部电路模型的耦合得到变压器三维瞬态场路耦合数学模型；
步骤4借助有限元软件对步骤3所得场路耦合数学模型进行计算，得到变压器电磁场计算结果，包括磁通密度分布、绕组所受电磁力以及各部分损耗分布；
步骤5通过步骤4得到的损耗结果作为变压器的热源，利用有限体积法计算，得到变压器的温度场分布以及热点温升；
步骤6根据步骤4和步骤5计算的结果观察不同运行状态下变压器运行的异常参数和状态，分析在网运行的变压器在电力系统不同状态时的运行状况及其存在的潜在风险。
步骤1所述的变压器电磁场模型为三维瞬态模型。
三维瞬态电磁场方程的获得，具体包括：
在变压器内部，忽略位移电流，由maxwell方程可以得到
其中H为磁场强度，Js为绕组电流密度，为涡流电流密度，σ为材料的电导率，A为矢量磁位；
忽略磁滞效应，有：
其中B代表磁感应强度，μ为介质的磁导率；
通过式(1)和式(2)可以得到瞬态电磁场方程，为：
对式(3)进行有限元离散得到：
步骤2所述的变压器绕组作为电路元件与外电路相连，则绕组电压的控制方程为：
感应电动势E可通过绕组所交链的磁通变化来求得：
其中Sc代表绕组截面积，nc代表绕组匝数，h代表绕组切向单位矢量，Ω代表标量磁位；
由式(5)和式(6)得到变压器外电路方程：
写成矩阵形式：
步骤3所述的场路耦合数学模型可通过式(4)和式(8)联立得到，场路耦合模型的数值离散方程为：
采用Crank-Nicholoson公式对式(9)进行时间离散，得到三维瞬态场路耦合计算格式：
步骤4所述的结果可以通过以下方式获得：
(1)磁场磁感应强度：
(2)采用虚位移的方法求解电磁力：
其中W′m0和W′m1分别为虚位移前、后的磁共能；S0、S1是虚位移前、后部件的位置；
(3)各部分损耗：
铁芯总损耗：PV＝Ph+Pc+Pe
其中，铁芯涡流损耗：Pc＝Kc(fBm)2，Kc为涡流损耗系数；铁芯磁滞损耗：Kh为磁滞损耗系数铁芯附加损耗：Pe＝Ke(fBm)1.5，Ke为附加损耗系数；
绕组铜耗：Pcu＝I2R
步骤6所述的为预估电力系统不同的运行状态对变压器的影响，可以将欲研究的系统状态等效为含有变压器元件的集总参数电路模型，以等效的电路模型作为变压器的外部激励源，借助前面所描述的场路耦合数学模型，利用有限元法对变压器的电磁场进行仿真计算，得到变压器各节点的矢量磁位A和变压器绕组电流I，进而求解变压器电磁场分布、绕组所受电磁力以及各部分损耗，并以电磁场计算所得的损耗作为温度场计算的热源输入，利用有限体积法计算得到变压器温度场分布，根据计算得到的变压器电磁场、绕组所受电磁力和温度场结果预估变压器内部状态，判断电力系统该状态下对变压器的运行的影响以及其潜在风险，从而做好检修准备和预防措施。
利用本发明基于场路耦合分析对变压器三维有限元磁场模型求解，不仅能充分考虑变压器材料的非线性特性，而且可以灵活的模拟变压器所在系统的运行状态，计算结果可以从磁场、电磁力、温度场多方面对变压器性能进行预估，提高了变压器检修和维护的目的性。
附图说明
附图为本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如附图所示，基于场路耦合分析的变压器状态预估新方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤101，为使得计算结果更加准确直观，根据变压器实体模型和电磁场相关理论，建立变压器三维电磁场模型，并进行有限元处理，得到变压器三维瞬态电磁场模型。其具体过程包括：
在变压器内部，忽略位移电流，由maxwell方程可以得到：
其中H为磁场强度，Js为绕组电流密度，为涡流电流密度，σ为材料的电导率，A为矢量磁位；
忽略磁滞效应，有：
其中B代表磁感应强度，μ为介质的磁导率；
通过式(1)和式(2)可以得到瞬态电磁场方程，为：
对式(3)进行有限元离散得到：
步骤102，分析变压器所在系统不同运行状况，并等效为相应状态的集总参数电路模型，进行电路分析。
变压器绕组作为电路元件与外电路相连，则绕组电压的控制方程为：
步骤103，将电路方程中的感应电动势用磁场中绕组所交链的磁通变化来表示，从而将电磁场方程与电路方程耦合，得到三维瞬态场路耦合数学模型，具体方式为：
感应电动势E可通过绕组所交链的磁通变化来求得：
其中Sc代表绕组截面积，nc代表绕组匝数，h代表绕组切向单位矢量，Ω代表标量磁位。
由式(5)和式(6)得到变压器外电路方程：
写成矩阵形式：
通过式(4)和式(8)联立得到场路耦合模型的数值离散方程为：
采用Crank-Nicholoson公式对式(9)进行时间离散，得到三维瞬态场路耦合计算格式：
步骤104，通过求解场路耦合方程得到求解空间各个节点的矢量磁位A和绕组电流I。
步骤105，在所得矢量磁位A的基础上，可求得变压器磁场分布，绕组所受电磁力以及各部分损耗分布，具体方法为：
磁场磁感应强度：
采用虚位移的方法求解电磁力：
其中W′m0和W′m1分别为虚位移前、后的磁共能；S0、S1是虚位移前、后部件的位置；
铁芯总损耗：PV＝Ph+Pc+Pe
其中，铁芯涡流损耗：Pc＝Kc(fBm)2，Kc为涡流损耗系数；铁芯磁滞损耗：Kh为磁滞损耗系数铁芯附加损耗：Pe＝Ke(fBm)1.5，Ke为附加损耗系数；
绕组铜耗：Pcu＝I2R
步骤106，基于传热学和流体力学相关理论，根据变压器实体，建立变压器温度场三维物理模型。
步骤107，将步骤105计算得到的变压器各部分损耗值作为热源加载到温度场模型中，用于温度场计算分析。
步骤108，对于变压器温度场模型，采用有限体积法对不同工况下变压器温度场进行数值模拟，得到变压器温度场分布。
利用本发明基于场路耦合分析对变压器三维有限元磁场模型求解，不仅能充分考虑变压器材料的非线性特性，而且可以灵活的模拟变压器所在系统的运行状态，计算结果可以从磁场、电磁力、温度场多方面对变压器性能进行预估，提高了变压器检修和维护的目的性。
Claims (7)
1.基于场路耦合分析的变压器状态预估新方法，其特征在于，包括：
步骤1根据电磁场相关理论，建立变压器电磁场模型，并进行有限元处理；
步骤2分析变压器所在系统的工作状态，等效得到变压器外部电路集总参数模型，将变压器绕组作为电路元件与变压器外部激励和负载连成电路；
步骤3通过对电磁场模型和外部电路模型的耦合得到变压器三维瞬态场路耦合数学模型；
步骤4借助有限元软件对步骤3所得场路耦合数学模型进行计算，得到变压器电磁场计算结果，包括磁通密度分布、绕组所受电磁力以及各部分损耗分布；
步骤5通过步骤4得到的损耗分布结果作为变压器的热源，利用有限体积法计算，得到变压器的温度场分布以及热点温升；
步骤6根据步骤4和步骤5计算的结果观察电力系统不同状态下变压器运行的异常参数和状态，分析在网运行的变压器在电力系统各种不正常状态时的运行状况及其存在的潜在风险。
2.根据权利要求1所述的基于场路耦合分析的变压器状态预估新方法，其特征在于步骤1所述的变压器电磁场模型为三维瞬态模型。
3.根据权利要求2所述的基于场路耦合分析的变压器状态预估新方法，其特征在于，所述三维瞬态电磁场方程的获得，具体包括：
在变压器内部，忽略位移电流，由maxwell方程可以得到：
其中H为磁场强度，Js为绕组电流密度，为涡流电流密度，σ为材料的电导率，A为矢量磁位；
忽略磁滞效应，有：
其中B代表磁感应强度，μ为介质的磁导率；
通过式(1)和式(2)可以得到瞬态电磁场方程，为：
对式(3)进行有限元离散得到：
则用于场路耦合计算的三维瞬态电磁场方程如式(4)所示。
4.根据权利要求1所述的基于场路耦合分析的变压器状态预估新方法，其特征在于步骤2所述的变压器绕组作为电路元件与外电路相连，则绕组电压的控制方程为：
感应电动势E可通过绕组所交链的磁通变化来求得：
其中Sc代表绕组截面积，nc代表绕组匝数，h代表绕组切向单位矢量，Ω代表标量磁位；
由式(5)和式(6)得到变压器外电路方程：
写成矩阵形式：
得到用于场路耦合计算的瞬态电路方程，如式(8)所示。
5.根据权利要求1所述的基于场路耦合分析的变压器状态预估新方法，步骤3所述的场路耦合数学模型可通过式(4)和式(8)联立得到，场路耦合模型的数值离散方程为：
采用Crank-Nicholoson公式对式(9)进行时间离散：
得到三维瞬态场路耦合计算格式，如方程(10)所示。
6.根据权利要求1所述的基于场路耦合分析的变压器状态预估新方法，步骤4所述的结果可以通过以下方式获得：
(1)磁场磁感应强度：B＝▽×A；
(2)采用虚位移的方法求解电磁力：
其中W′m0和W′m1分别为虚位移前、后的磁共能；S0、S1是虚位移前、后部件的位置；
(3)各部分损耗：
铁芯总损耗：PV＝Ph+Pc+Pe
其中，铁芯涡流损耗：Pc＝Kc(fBm)2，Kc为涡流损耗系数；铁芯磁滞损耗：Kh为磁滞损耗系数铁芯附加损耗：Pe＝Ke(fBm)1.5，Ke为附加损耗系数；
绕组铜耗：Pcu＝I2R。
7.根据权利要求1所述的基于场路耦合分析的变压器状态预估新方法，步骤6所述的为预估电力系统不同的运行状态对变压器的影响，可以将欲研究的系统状态等效为含有变压器元件的集总参数电路模型，以等效的电路模型作为变压器的外部激励源，借助前面所描述的场路耦合数学模型，利用有限元法对变压器的电磁场进行仿真计算，得到变压器各节点的矢量磁位A和变压器绕组电流I，进而求解变压器电磁场分布、绕组所受电磁力以及各部分损耗，并以电磁场计算所得的损耗作为温度场计算的热源输入，利用有限体积法计算得到变压器温度场分布，根据计算得到的变压器电磁场、电磁力和温度场结果预估变压器内部状态，判断电力系统该状态下对变压器运行的影响及其潜在风险，从而做好检修准备和预防措施。
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