CN106485009A - 一种雷电冲击电压下变压器绕组故障情况的仿真模拟方法 - Google Patents

Abstract

一种雷电冲击电压下变压器绕组故障情况的仿真模拟方法，根据不同结构绕组的分布电容、电感参数矩阵特征，去掉部分影响很小的电容和互感参数，选择相邻部分线饼的电容参数和互感参数，得到不同分布参数组合；并将不同互容、互感参数情况下分布参数模型雷电冲击下的绕组电压分布计算结果与多导体传输线模型的计算结果进行对比，选择差异最小的组合，作为故障仿真模型的基础参数。本发明方法结合变压器绕组电感、电容参数矩阵特点，并与多导体传输线模型计算结果进行对比分析，选取合理的电容、互感参数建立对应的分布参数模型，与现有分布参数模型相比，其电气网络特性与变压器绕组在雷电冲击下电气特性更为一致，故障仿真结果更接近实际情况，使故障特征分析更为准确。

Description

一种雷电冲击电压下变压器绕组故障情况的仿真模拟方法

技术领域

本发明一种雷电冲击电压下变压器绕组故障情况的仿真模拟方法，涉及雷电冲击电压下变压器绕组故障试验领域。

背景技术

变压器是电力系统最重要的设备之一，为保证变压器的安全稳定运行，必须在投运前对变压器的绝缘性能进行严格考核。雷电冲击试验是绝缘考核的主要方法之一，对于超、特高压的变压器，一旦发生故障，需要快速准备的判断故障类型与部位，保证顺利检修，使变压器的按期投运。而通过试验手段获取超、特高压变压器的不同故障特性十分困难，采用仿真首端可以方便的模拟不同故障情况。

利用仿真模拟故障情况的关键在于：仿真模型能否反映换流变压器绕组的电气特性。目前，绕组冲击电压下的仿真模型主要有集中参数模型、分布参数模型和集中-分布参数混合模型，主要用于研究雷电冲击下绕组的电压分布、高频脉冲信号在绕组中的传播过程等。其中多导体传输线模型考虑了全部电气参数，可以仿真模拟雷电冲击下绕组电压分布，但由于计算时电气网络参数不能突变，难以模拟匝间击穿等故障的暂态过程；分布参数模型可模拟间隙击穿等暂态过程，但考虑全部互容和互感电气参数时难以建模；现有模型仅考虑相邻单元之间的电气参数，导致计算误差较大，不利于进行故障特征分析。因此，提出一种更准确的雷电冲击电压下变压器绕组故障模拟方法，对于故障特征分析和诊断方法的研究有重要意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种雷电冲击电压下变压器绕组故障情况的仿真模拟方法，根据变压器结构和材料参数，利用有限元法计算绕组分布参数矩阵；建立变压器绕组多导体传输线模型，带入绕组分布参数矩阵计算雷电冲击下绕组的电压分布；选取不同的互感、互容参数组合建立对应分布参数模型，通过与多导体传输线模型的电压分布计算结果进行对比，选择差异最小的组合，作为故障仿真模型的基础参数；根据不同故障类型和故障位置，在分布参数模型对应位置上设置可变电阻模型，可更准确的进行雷电冲击下变压器绕组故障的仿真模拟。

本发明采取的技术方案为：

一种雷电冲击电压下变压器绕组故障情况的仿真模拟方法，其特征在于：根据不同结构绕组的分布电容、电感参数矩阵特征，去掉部分影响很小的电容和互感参数，选择相邻部分线饼的电容参数和互感参数，得到不同分布参数组合；并将不同互容、互感参数情况下分布参数模型雷电冲击下的绕组电压分布计算结果与多导体传输线模型的计算结果进行对比，选择差异最小的组合，作为故障仿真模型的基础参数。

一种雷电冲击电压下变压器绕组故障情况的仿真模拟方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：首先根据变压器的实际参数建立仿真模型，变压器参数包括铁心、绕组、绝缘、壳体等结构尺寸和材料属性，采用有限元法计算绕组分布电容、电感和电阻参数矩阵；

步骤2：建立变压器的多导体传输线模型，将分布电容、电感和电阻参数矩阵导入多导体传输线模型，计算各段绕组的电压和电流波形，得到雷电冲击下的绕组电压分布；

步骤3：结合分布电容、电感参数特征，去掉部分影响很小的电容和互感参数，选择相邻部分线饼的电容参数和互感参数，得到不同参数组合，并分别建立对应的分布参数模型。利用不同的分布参数模型分别仿真计算正常情况时雷电冲击作用下的绕组电压分布；

步骤4：将不同互容、互感参数情况下分布参数模型的计算结果与多导体传输线模型的计算结果进行对比，选择差异最小的组合，作为故障仿真模型的基础参数；

步骤5：根据不同故障类型和故障位置，在分布参数模型对应位置上设置可变电阻模型，模拟金属短路时的接触电阻或间隙击穿时的弧阻，并设置模拟不同时刻的击穿，进行雷电冲击下变压器绕组故障的仿真模拟，获取故障数据。

本发明一种雷电冲击电压下变压器绕组故障情况的仿真模拟方法，结合变压器绕组电感、电容参数矩阵特点，并与多导体传输线模型计算结果进行对比分析，选取合理的电容、互感参数建立对应的分布参数模型，与现有分布参数模型相比，其电气网络特性与变压器绕组在雷电冲击下电气特性更为一致，故障仿真结果更接近实际情况，使故障特征分析更为准确。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

图2是本发明的绕组多导体传输线模型图。

图3是本发明的不同分布参数模型计算结果进行对比图。

图4是本发明的故障模拟仿真模型图。

具体实施方式

一种雷电冲击电压下变压器绕组故障情况的仿真模拟方法，根据不同结构绕组的分布电容、电感参数矩阵特征，去掉部分影响很小的电容和互感参数，选择相邻部分线饼的电容参数和互感参数，得到不同分布参数组合；并将不同互容、互感参数情况下分布参数模型雷电冲击下的绕组电压分布计算结果与多导体传输线模型的计算结果进行对比，选择差异最小的组合，作为故障仿真模型的基础参数。

如图1所示，具体实施步骤如下：

步骤1：首先根据变压器的实际参数建立仿真模型，变压器参数包括铁心、绕组、绝缘、壳体等结构尺寸和材料属性；根据相应尺寸建立三维模型，并设置相应材料属性；采用有限元法，在静电场中计算分布电容参数矩阵，在稳态磁场中考虑雷电冲击的特征频率设置激励源，计算分布电感和电阻参数矩阵。

步骤2：建立如图2所示的变压器绕组多导体传输线模型，图中USi表示每匝首端电压，URi表示末端电压，ISi表示每匝首端电流，IRi表示末端电流，Ci(i-1)表示第i匝与i-1匝的匝间电容，Cig表示第i匝的对地电容。可列写绕组的电报方程如公式(1)，[K]、[R]、[L]、[G]分别为多导体系统的电位系数、电阻、电感、电导参数矩阵。将分布电容、电感和电阻等参数矩阵导入多导体传输线模型，计算各段绕组的电压和电流波形，得到雷电冲击下的绕组电压分布。

步骤3：结合分布电容、电感参数特征，去掉影响较小的电容和互感参数，选择影响较大的相邻部分线饼互容参数和互感参数，选择参数时考虑相邻1饼、相邻2饼等多种不同的组合，并分别建立对应的分布参数模型。利用不同的分布参数模型分别仿真计算正常情况时雷电冲击作用下的绕组电压分布。

步骤4：将不同互容、互感参数情况下分布参数模型的计算结果与多导体传输线模型的计算结果进行对比，选择差异最小的组合，作为故障仿真模型的基础参数。

步骤5：根据不同故障类型和故障位置，在分布参数模型对应位置上设置可变电阻模型，模拟金属短路时的接触电阻或间隙击穿时的弧阻，并设置模拟不同时刻的击穿，进行雷电冲击下变压器绕组故障的仿真模拟，获取故障情况下的电压、电流数据。

实施例：

以一个内屏蔽式单相双绕组变压器模型为例,本实施例以一个试验用内屏蔽式单相双绕组变压器模型为例进行仿真计算，此模型原边为550匝，副边为168匝。

1)：此试验变压器模型的长、宽、高分别为1.5m，0.80m和1.4m。原边绕组内、外径分别为246mm、286mm，高度为880mm；副边绕组内、外径分别为366mm、434mm，高度为860mm。以绕组每饼为一个单元，建立仿真模型计算分布参数，分别得到108×108的电容、电感、电阻参数矩阵。列出电容矩阵的前8行、8列如表1，单位为pF；电感矩阵的前8行、8列如表2，单位为mH。

表1

92.820	-60.760	-4.236	-1.652	-0.873	-0.540	-0.370	-0.272
								-60.760	150.456	-74.932	-3.165	-1.097	-0.529	-0.305	-0.198
-4.236	-74.932	150.724	-57.990	-3.128	-1.068	-0.511	-0.292
								-1.652	-3.165	-57.990	150.792	-74.844	-3.116	-1.064	-0.506
-0.873	-1.097	-3.128	-74.844	150.772	-57.956	-3.111	-1.058
								-0.540	-0.529	-1.068	-3.116	-57.956	150.804	-74.862	-3.110
-0.370	-0.305	-0.511	-1.064	-3.111	-74.862	150.812	-57.972
								-0.272	-0.198	-0.292	-0.506	-1.058	-3.110	-57.972	150.731

表2

0.224	0.151	0.115	0.084	0.066	0.050	0.040	0.031
								0.151	0.213	0.156	0.110	0.086	0.063	0.051	0.038
0.115	0.156	0.210	0.142	0.108	0.079	0.062	0.047
								0.084	0.110	0.142	0.207	0.152	0.107	0.083	0.062
0.066	0.086	0.108	0.152	0.206	0.139	0.107	0.077
								0.050	0.063	0.079	0.107	0.139	0.205	0.150	0.106
0.040	0.051	0.062	0.083	0.107	0.150	0.204	0.138
								0.031	0.038	0.047	0.062	0.077	0.106	0.138	0.204

2)：建立如图2所示的绕组多导体传输线模型，根据公式(1)所示的绕组电报方程，进行推导变换，带入上一步求得的[K]、[R]、[L]、[G]等分布参数矩阵，就可计算得到雷电冲击电压作用下绕组的电压和电流分布。

3)：结合分布电容、电感参数特征，由表1可以看到电容矩阵仅相邻饼间电容较大，其余电容至少小一个数量级，忽略其余电容；由表2看到，相隔5饼时互感减小为自感的约20％，考虑选取相邻1饼互感到相邻5饼互感等5组不同情况，并分别建立对应的分布参数模型，仿真计算正常情况时雷电冲击作用下的绕组电压分布。

4)：将上述5组不同互容、互感参数情况下分布参数模型的计算结果，与多导体传输线模型的计算结果及完全不考虑互感时的计算结果进行对比，如图3所示。可以看到无互感时与多导体传输线差异很大，而选取相邻3饼互感和相邻5饼互感时，差异反而比仅选用相邻两饼互感时更大，说明并不是加入更多互感参数更好，而是需要根据结构合理选择，此处选择相邻两饼互感作为故障仿真模型的基础参数。

5)：建立最终的故障模拟仿真模型如图4所示：首先按照所选的分布参数建立基础模型，图中Ln为第n饼自感，Cn为第n、n+1饼间的电容，Rn为第n饼电阻，Cgn为第n饼对地电容，Mij为第i、j饼间的互感；然后根据不同故障类型与故障位置，如图中F为设置的可变电阻，模拟第二饼间隙击穿时的弧阻，通过Time单元控制击穿时刻。其它故障可按上述方法相应设置，进行雷电冲击下变压器故障的仿真模拟，得到相应故障电压、电流数据。

Claims (2)

1.一种雷电冲击电压下变压器绕组故障情况的仿真模拟方法，其特征在于：根据不同结构绕组的分布电容、电感参数矩阵特征，去掉部分影响很小的电容和互感参数，选择相邻部分线饼的电容参数和互感参数，得到不同分布参数组合；并将不同互容、互感参数情况下分布参数模型雷电冲击下的绕组电压分布计算结果与多导体传输线模型的计算结果进行对比，选择差异最小的组合，作为故障仿真模型的基础参数。

2.一种雷电冲击电压下变压器绕组故障情况的仿真模拟方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：首先根据变压器的实际参数建立仿真模型，变压器参数包括铁心、绕组、绝缘、壳体结构尺寸和材料属性，采用有限元法计算绕组分布电容、电感和电阻参数矩阵；

步骤2：建立变压器的多导体传输线模型，将分布电容、电感和电阻参数矩阵导入多导体传输线模型，计算各段绕组的电压和电流波形，得到雷电冲击下的绕组电压分布；

步骤3：结合分布电容、电感参数特征，去掉部分影响很小的电容和互感参数，选择相邻部分线饼的电容参数和互感参数，得到不同参数组合，并分别建立对应的分布参数模型。利用不同的分布参数模型分别仿真计算正常情况时雷电冲击作用下的绕组电压分布；

步骤4：将不同互容、互感参数情况下分布参数模型的计算结果与多导体传输线模型的计算结果进行对比，选择差异最小的组合，作为故障仿真模型的基础参数；

步骤5：根据不同故障类型和故障位置，在分布参数模型对应位置上设置可变电阻模型，模拟金属短路时的接触电阻或间隙击穿时的弧阻，并设置模拟不同时刻的击穿，进行雷电冲击下变压器绕组故障的仿真模拟，获取故障数据。