CN109002664A - 一种基于有限元的串联变压器绝缘结构优化方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于有限元的串联变压器绝缘结构优化方法及系统，通过建立串联变压器二维模型，采用有限元分析法求解变压器内部绝缘电场分布情况，根部内部电场分布与电场控制值的差异，选择绕组间绝缘纸板或绕组绝缘端环进行结构改进，并重新计算电场分布，直到其满足电场控制值要求，达到内部绝缘优化设计的目的。本发明将数值分析方法应用于变压器绝缘优化设计，可有效提高变压器设计及生产效率，保证变压器安全稳定运行，具有良好的经济价值。

Description

一种基于有限元的串联变压器绝缘结构优化方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基于有限元的串联变压器绝缘结构优化方法及系统，属于变压器技术领域。
背景技术
统一潮流控制器用串联变压器是一种新型的电力变压器。国内虽已具备500kV串联变压器设计制造能力，但目前其运维、检修经验仍然薄弱，同时国内外关于串联变压器的公开性研究资料十分有限，其相关研究工作亦有待深入开展。变压器设计制造过程中，其绝缘结构设计尤为关键，直接关系到变压器能否安全运行。传统设计方法大多基于以往经验，其绝缘设计裕度难以把握。
发明内容
本发明目的是提供一种基于有限元的串联变压器绝缘结构优化方法及系统，通过建立串联变压器二维模型，采用有限元分析法求解变压器内部绝缘电场分布情况，根部内部电场分布与电场控制值的差异，选择绕组间绝缘纸板或绕组绝缘端环进行结构改进，并重新计算电场分布，直到其满足电场控制值要求，达到内部绝缘优化设计的目的。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于有限元的串联变压器绝缘结构优化方法，包括以下步骤：
1)初步确定串联变压器初始绝缘结构尺寸参数；
2)根据所述步骤1)确定的初始绝缘结构尺寸参数，在有限元分析软件中以1:1建立串联变压器二维电场有限元分析模型，模型中包括网侧绕组、阀侧绕组、平衡绕组、静电屏、绕组间绝缘纸筒、绝缘端环及绝缘垫块；
3)根据串联变压器运行条件，以网侧绕组和阀侧绕组运行相电压为加载条件，或以变压器绝缘耐受电压为加载条件，施加于变压器各绕组；
4)根据所述步骤2)建立的串联变压器二维电场有限元分析模型，所述步骤3)施加的加载条件，以及边界条件，采用有限元分析求解串联变压器电场分布情况；
5)根据所述步骤4)的电场分布结果，确定串联变压器绝缘薄弱点，即电场最大点，然后判断此处电场值是否超过绝缘电场控制值；如果超过绝缘电场控制值，则进入步骤6)，如果低于绝缘电场控制值，则停止计算，得到最终的串联变压器绝缘结构；
6)根据串联变压器绝缘薄弱点进行绝缘优化改进，若串联变压器绝缘薄弱点出现于绝缘端环或静电屏环形结构处，则通过增大绝缘端环或静电屏端部的曲率半径进行优化改进；若串联变压器绝缘薄弱点出现于绝缘纸筒或绝缘垫块，则通过增加绝缘纸筒厚度或层数进行优化改进；
7)根据优化后的绝缘结构，重新建立串联变压器有限元分析模型，返回步骤3)。
前述的串联变压器初始绝缘结构尺寸参数包括串联变压器的绕组间采用的绝缘纸筒、绝缘端环和绝缘垫块各自的数量、尺寸，以及相互间的距离参数。
前述的步骤3)中，运行条件是指串联变压器连接于电网的线路中，网侧绕组和阀侧绕组都承受额定运行电压，该额定运行电压即运行条件。
前述的加载条件中，相电压和耐受电压都是定值，在有限元求解模型中直接设置。
前述的步骤4)中，边界条件是指串联变压器二维电场有限元分析模型的左边界、上边界和右边界均设置电位为0V。
前述的步骤4)中，采用有限元分析求解串联变压器电场分布具体方法为，根据静电场方程通过有限元网格离散，形成刚度矩阵，并按照下式进行求解计算，即得到模型任意结构及任意位置的电位及电场分布结果，
[K][U]＝[F]
其中，[K]为刚度矩阵，[U]为各网格节点电位，[F]为各网格节点载荷。
前述的步骤5)中，绝缘电场控制值事先设定，取100kV/cm-200kV/cm。
前述的步骤6)中，具体优化改进过程为：若串联变压器绝缘薄弱点出现于绝缘端环或静电屏环形结构处，则通过增大绝缘端环或静电屏端部的曲率半径进行优化改进；若串联变压器绝缘薄弱点出现于绝缘纸筒或绝缘垫块，则通过增加绝缘纸筒厚度或层数进行优化改进。
一种基于有限元的串联变压器绝缘结构优化系统，包括参数输入模块，建模模块，条件触发模块，电场分析模块，定位模块和绝缘结构优化模块；
所述参数输入模块用于输入串联变压器初始绝缘结构尺寸参数和绝缘电场控制值；所述初始绝缘结构尺寸参数包括串联变压器的绕组间采用的绝缘纸筒、绝缘端环和绝缘垫块各自的数量、尺寸，以及相互间的距离参数；
所述建模模块以1:1建立串联变压器二维电场有限元分析模型，模型中包括网侧绕组、阀侧绕组、平衡绕组、静电屏、绕组间绝缘纸筒、绝缘端环及绝缘垫块；
所述条件触发模块用于设置串联变压器的运行条件，加载条件和边界条件；
所述电场分析模块用于计算串联变压器电场分布情况，并确定电场最大值；
所述定位模块用于判断电场最大值是否超过所述参数输入模块设定的绝缘电场控制值，并对电场最大值超过绝缘电场控制值的位置进行定位；
所述绝缘结构优化模块根据电场最大值所在的位置对绝缘结构进行改进。
前述的运行条件为网侧绕组和阀侧绕组所承受的额定运行电压；所述加载条件为网侧绕组和阀侧绕组的运行相电压或者串联变压器绝缘耐受电压；所述边界条件为串联变压器二维电场有限元分析模型的左边界、上边界和右边界均设置电位为0V。
本发明的有益效果是：
本发明方法可以精确控制串联变压器内部绝缘电场分布，准确定位内部电场绝缘薄弱点，同时模拟变压器在各种运行情况下或承受过电压下的绝缘耐受情况，可辅助变压器设计人员优化绝缘设计结构，同时帮助现场运行人员了解变压器内部绝缘薄弱点，及时发现变压器内部绝缘缺陷，保证变压器安全稳定运行。
本发明将数值分析方法应用于变压器绝缘优化设计，可有效提高变压器设计及生产效率，保证变压器安全稳定运行，具有良好的经济价值。
附图说明
图1是本发明的统一潮流控制器用串联变压器二维模型示意图；
图2基于有限元分析的串联变压器电场分布图；
图3是本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
传统的变压器绝缘设计大多基于以往经验，主要根据绝缘纸板的绝缘耐受程度选择主绝缘及纵绝缘配合尺寸，防止变压器绝缘击穿或局部放电。
本发明提供一种基于有限元的串联变压器绝缘结构优化方法，如图3所示，包括以下步骤：
步骤1，初步确定串联变压器初始绝缘结构尺寸；初始绝缘结构尺寸主要包括图1所示的绕组间采用的绝缘纸筒5、绝缘端环6、绝缘垫块7的数量、尺寸及相互间的距离参数等。
步骤2，根据步骤1确定的初始绝缘结构尺寸参数，在有限元分析软件中以1:1建立如图1所示串联变压器二维电场有限元分析模型，模型中主要考虑网侧绕组3、阀侧绕组2、平衡绕组1、静电屏4、绕组间绝缘纸筒5、绝缘端环6及绝缘垫块7结构。
步骤3，根据串联变压器运行条件，以网侧绕组和阀侧绕组运行相电压为加载条件，或以变压器绝缘耐受电压为加载条件，施加于变压器各绕组。
运行条件是指串联变压器连接于电网的线路中，网侧绕组和阀侧绕组都承受额定运行电压，该额定运行电压即运行条件。
加载条件中，相电压和耐受电压都是定值，如500kV串联变压器网侧绕组相电压为680kV，则有限元求解模型中将网侧绕组电压设置为680kV；阀侧绕组处理方法相同。
步骤4，根据步骤2建立的串联变压器二维电场有限元分析模型、施加的加载条件和边界条件，采用有限元分析求解串联变压器电场分布情况，得到如图2所示电场分布结果，
其中，边界条件为模型求解的不要条件之一，如图1中模型的左边界、上边界和右边界应设置电位为0V。
采用有限元分析求解电场分布主要根据步骤2的二维电场有限元分析模型，步骤3的加载条件和边界条件，结合静电场方程通过有限元网格离散，形成刚度矩阵、推导得到下式，并进行求解计算，即可得到图1中模型任意结构及任意位置的电位及电场分布结果。
[K][U]＝[F]
其中，[K]为刚度矩阵，[U]为需要求解的各节点电位；[F]为各网格节点载荷，主要由边界条件决定。
步骤5，根据步骤4的电场分布结果，确定串联变压器绝缘薄弱点，即电场最大点，以图2为例，其电场最大值出现于网侧绕组静电屏左上角Mx处，然后判断此处电场值是否超过绝缘电场控制值；其中，绝缘电场控制值事先设定，一般为100kV/cm-200kV/cm，但是为了安全起见或者提高安全裕度，可以根据需要设置的更低，如80kV/cm，这取决于不同变压器厂家各自的技术。
步骤6，根据串联变压器绝缘薄弱点确定是否需要进行绝缘优化改进，若其出现于绝缘端环或静电屏等环形结构处，则可增大绝缘端环或静电屏端部的曲率半径；若其出现于绝缘纸筒或绝缘垫块等位置，则可增加绝缘纸筒厚度或层数。
步骤7，根据优化后的绝缘结构，重新建立串联变压器有限元分析模型，进行电场分布分析，即重复步骤2至步骤4。
步骤8，参照步骤5，根据绝缘优化后的电场分析结果，确定串联变压器绝缘薄弱点，若不满足电场最大值应低于事先设定的绝缘电场控制值，则回到步骤6，进行优化并继续进行电场分析，直至满足要求则停止计算，得到最终的串联变压器绝缘结构。
为实现上述方法，本发明提供一种基于有限元的串联变压器绝缘结构优化系统，包括参数输入模块，建模模块，条件触发模块，电场分析模块，定位模块和绝缘结构优化模块；具体的，
参数输入模块用于输入串联变压器初始绝缘结构尺寸参数和绝缘电场控制值；其中，初始绝缘结构尺寸参数包括串联变压器的绕组间采用的绝缘纸筒、绝缘端环和绝缘垫块各自的数量、尺寸，以及相互间的距离参数；
建模模块以1:1建立串联变压器二维电场有限元分析模型，模型中包括网侧绕组、阀侧绕组、平衡绕组、静电屏、绕组间绝缘纸筒、绝缘端环及绝缘垫块；
条件触发模块用于设置串联变压器的运行条件，加载条件和边界条件；其中，运行条件为网侧绕组和阀侧绕组所承受的额定运行电压；加载条件为网侧绕组和阀侧绕组的运行相电压或者串联变压器绝缘耐受电压；边界条件为串联变压器二维电场有限元分析模型的左边界、上边界和右边界均设置电位为0V。
电场分析模块用于计算串联变压器电场分布情况，并确定电场最大值；
定位模块用于判断电场最大值是否超过参数输入模块设定的绝缘电场控制值，并对电场最大值超过绝缘电场控制值的位置进行定位；
绝缘结构优化模块根据电场最大值所在的位置对绝缘结构进行改进。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于有限元的串联变压器绝缘结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)初步确定串联变压器初始绝缘结构尺寸参数；
2)根据所述步骤1)确定的初始绝缘结构尺寸参数，在有限元分析软件中以1:1建立串联变压器二维电场有限元分析模型，模型中包括网侧绕组、阀侧绕组、平衡绕组、静电屏、绕组间绝缘纸筒、绝缘端环及绝缘垫块；
3)根据串联变压器运行条件，以网侧绕组和阀侧绕组运行相电压为加载条件，或以串联变压器绝缘耐受电压为加载条件，施加于串联变压器各绕组；
4)根据所述步骤2)建立的串联变压器二维电场有限元分析模型，所述步骤3)施加的加载条件，以及边界条件，采用有限元分析求解串联变压器电场分布情况；
5)根据所述步骤4)的电场分布结果，确定串联变压器绝缘薄弱点，即电场最大点，然后判断此处电场值是否超过绝缘电场控制值；如果超过绝缘电场控制值，则进入步骤6)，如果低于绝缘电场控制值，则停止计算，得到最终的串联变压器绝缘结构；
6)根据串联变压器绝缘薄弱点进行绝缘优化改进；
7)根据优化后的绝缘结构，重新建立串联变压器有限元分析模型，返回步骤3)。
2.根据权利要求1所述的一种基于有限元的串联变压器绝缘结构优化方法，其特征在于，所述串联变压器初始绝缘结构尺寸参数包括串联变压器的绕组间采用的绝缘纸筒、绝缘端环和绝缘垫块各自的数量、尺寸，以及相互间的距离参数。
3.根据权利要求1所述的一种基于有限元的串联变压器绝缘结构优化方法，其特征在于，所述步骤3)中，运行条件是指串联变压器连接于电网的线路中，网侧绕组和阀侧绕组都承受额定运行电压，该额定运行电压即运行条件。
4.根据权利要求1所述的一种基于有限元的串联变压器绝缘结构优化方法，其特征在于，所述加载条件中，相电压和耐受电压都是定值，在有限元求解模型中直接设置。
5.根据权利要求1所述的一种基于有限元的串联变压器绝缘结构优化方法，其特征在于，所述步骤4)中，边界条件是指串联变压器二维电场有限元分析模型的左边界、上边界和右边界均设置电位为0V。
6.根据权利要求1所述的一种基于有限元的串联变压器绝缘结构优化方法，其特征在于，所述步骤4)中，采用有限元分析求解串联变压器电场分布具体方法为，根据静电场方程通过有限元网格离散，形成刚度矩阵，并按照下式进行求解计算，即得到模型任意结构及任意位置的电位及电场分布结果，
[K][U]＝[F]
其中，[K]为刚度矩阵，[U]为各网格节点电位，[F]为各网格节点载荷。
7.根据权利要求1所述的一种基于有限元的串联变压器绝缘结构优化方法，其特征在于，所述步骤5)中，绝缘电场控制值事先设定，取100kV/cm-200kV/cm。
8.根据权利要求1所述的一种基于有限元的串联变压器绝缘结构优化方法，其特征在于，所述步骤6)中，具体优化改进过程为：若串联变压器绝缘薄弱点出现于绝缘端环或静电屏环形结构处，则通过增大绝缘端环或静电屏端部的曲率半径进行优化改进；若串联变压器绝缘薄弱点出现于绝缘纸筒或绝缘垫块，则通过增加绝缘纸筒厚度或层数进行优化改进。
9.一种基于有限元的串联变压器绝缘结构优化系统，其特征在于，包括参数输入模块，建模模块，条件触发模块，电场分析模块，定位模块和绝缘结构优化模块；
所述参数输入模块用于输入串联变压器初始绝缘结构尺寸参数和绝缘电场控制值；所述初始绝缘结构尺寸参数包括串联变压器的绕组间采用的绝缘纸筒、绝缘端环和绝缘垫块各自的数量、尺寸，以及相互间的距离参数；
所述建模模块以1:1建立串联变压器二维电场有限元分析模型，模型中包括网侧绕组、阀侧绕组、平衡绕组、静电屏、绕组间绝缘纸筒、绝缘端环及绝缘垫块；
所述条件触发模块用于设置串联变压器的运行条件，加载条件和边界条件；
所述电场分析模块用于计算串联变压器电场分布情况，并确定电场最大值；
所述定位模块用于判断电场最大值是否超过所述参数输入模块设定的绝缘电场控制值，并对电场最大值超过绝缘电场控制值的位置进行定位；
所述绝缘结构优化模块根据电场最大值所在的位置对绝缘结构进行改进。
10.根据权利要求9所述的一种基于有限元的串联变压器绝缘结构优化系统，其特征在于，所述运行条件为网侧绕组和阀侧绕组所承受的额定运行电压；所述加载条件为网侧绕组和阀侧绕组的运行相电压或者串联变压器绝缘耐受电压；所述边界条件为串联变压器二维电场有限元分析模型的左边界、上边界和右边界均设置电位为0V。
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