CN111157867A - 移相变压器雷电冲击绕组过电压计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种移相变压器雷电冲击绕组过电压计算方法，包括步骤：①根据移相变压器的接线方式，生成移相变压器的等效接线原理图；②建立移相变压器各绕组的初步等值电路模型；③计算初步等值电路模型中的各电容和电感值；④确定移相变压器的最终等值电路模型；⑤在最终等值电路模型中的相关位置施加相应幅值的雷电波；⑥利用电路仿真分析软件求解电路模型得到移相变压器中各部分绕组各处电压随时间的变化曲线以及不同时刻绕组中的电压分布情况。本发明能快速准确地计算移相变压器高压绕组在雷电冲击电压下线饼间的绝缘强度，利用本发明计算结果，能够较好地分析移相变压器的绝缘强度，指导移相变压器的绝缘结构制造设计，提升检测试验水平。

Description

移相变压器雷电冲击绕组过电压计算方法

技术领域

本发明涉及变压器抗雷电冲击技术领域，具体涉及一种移相变压器雷电冲击绕组过电压计算方法。

背景技术

移相变压器(Phase Shifting Transformer，PST)通过相角的调节，实现输电网络中的潮流分布，使得电能的分配更合理，提高电力系统的运行稳定性和效率。与传统变压器相比，移相变压器结构复杂，尤其是双心式结构，在产品绝缘结构设计时，需着重考虑工频电压、雷电过电压、操作过电压等各种电压的影响，并留有一定裕量，确保产品绝缘结构的安全可靠。雷电冲击电压波前时间波形的等效频率在数百千赫兹，属于高频冲击，统计表明变压器绝缘损坏故障中由雷击冲击引起占大多数。雷电冲击侵入到变压器上，将会在变压器绕组中产生复杂的电磁过程，也即绕组波过程，导致绕组匝间、线饼间以及绕组之间和绕组对地部件间电压分布不均匀，起始电压分布和最终电压分布的差值会产生振荡电压，一旦超出绝缘介质的耐电强度，将会引发绝缘损坏故障。因此无论是常规变压器还是移相变压器在制造时均需要做雷电冲击试验，而移相变压器进行雷电冲击试验目前尚无国家标准可参考，目前一般是参考IEC标准编制移相变压器雷电冲击试验方案，编制试验方案的一个重要前提是必须要了解移相变压器运行时在雷电冲击电压下的电位和电场分布，知道试验时雷电冲击的施加方式和幅值对电位和电场分布的影响，从而相应明确对移相变压器绝缘结构设计考核的要求和条件，因此，计算移相变压器在雷电冲击绕组中的电压分布对产品及试验方案的设计具有重要意义。

目前针对变压器在雷电冲击绕组过电压的计算方法主要有有限元法模型计算方法和分布参数模型计算方法，由于双心式移相变压器的串联变压器和励磁变压器之间需要采用大量连接部件进行连接，若采用有限元法模型直接精确计算绕组内的雷电冲击电压分布和绕组之间的冲击电压传递过程复杂、计算量大且十分耗时，因此非常困难；若采用分布参数模型计算方法，由于移相变压器与普通变压器在结构上存在很大差异，使得计算复杂并且缺乏实验验证手段，因此将分布参数模型计算方法用于移相变压器目前还没有形成可靠的、业内一致认可的方法。因此，研究针对移相变压器雷电冲击绕组过电压的新的有效算法，获得雷电冲击移相变压器绕组中的准确电压分布结果，对于提升移相变压器的设计制造和试验水平，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是：提供一种移相变压器雷电冲击绕组过电压计算方法，该计算方法是一种可靠、准确、高效的雷电冲击电压下PST绕组瞬时电压分布的计算方法，能够快速准确地计算雷电电压冲击PST内部的瞬时电位和电场分布，以克服现有技术的缺陷。

本发明的技术方案是：移相变压器雷电冲击绕组过电压计算方法，包括以下步骤：

①根据移相变压器的接线方式，抽象生成移相变压器的等效接线原理图：

根据移相变压器串联变内部绕组连接方式、励磁变内部绕组连接方式、串联变和励磁变间绕组的连接方式，抽象生成移相变压器的等效接线原理图；

②建立移相变压器各绕组的初步等值电路模型：

在步骤①所得的等效接线原理图的基础上，建立由绕组每个线饼的电感、绕组线饼间电容和绕组线饼的对地电容以及绕组线饼与其它绕组线饼之间的耦合电容构成的移相变压器各绕组的初步等值电路模型；

③根据电磁场有限元计算方法，计算初步等值电路模型中的各电容和电感值；

④确定移相变压器的最终等值电路模型：

根据步骤③计算结果，分别将耦合电容与绕组线饼间电容和绕组线饼的对地电容的大小进行比较，若耦合电容远小于绕组线饼间电容和绕组线饼的对地电容，则刨去耦合电容；若某个绕组的等效分布参数支路与其它绕组之间既无直接电气连接也无通过耦合电容连接，则刨去该支路，最后将刨去部分耦合电容和支路后的各绕组等效电路模型根据步骤①得到的移相变压器的等效接线原理图连接到一起，得到确定的移相变压器的最终等值电路模型；

⑤在最终等值电路模型中的相关位置施加相应幅值的雷电波；

⑥在电路仿真分析软件中搭建步骤④得到的移相变压器的最终等值电路模型，按照步骤⑤中确定的位置、幅值和波形施加侵入雷电冲击波，通过求解电路模型得到移相变压器中各部分绕组不同位置处的瞬时电压值，根据不同位置的随时间变化的电压值可得到绕组各处电压随时间的变化曲线以及不同时刻绕组中的电压分布情况。

进一步的方案是：上述步骤②中，绕组每个线饼的电感和绕组线饼间电容并联后，与耦合电容的一端以及绕组线饼的对地电容的一端组成Y连接，绕组线饼的对地电容的另一端接地，耦合电容的另一端用于组建整个移相变压器的等值电路模型时与其它绕组连接；由绕组每个线饼的电感、绕组线饼间电容和绕组线饼的对地电容以及绕组线饼与其它绕组线饼之间的耦合电容组成的电路单元依次串联在一起，串联的单元个数由绕组线圈的饼数决定；初步等值电路模型的首尾根据移相变压器实际的电气联结或者与其它绕组相连，或者接地，或者接雷电冲击输入波。

进一步的方案是：上述步骤④中，耦合电容远小于绕组线饼间电容和绕组线饼的对地电容的判断阈值为耦合电容小于绕组线饼间电容和绕组线饼的对地电容的二十分之一。

进一步的方案是：上述步骤⑤中，雷电波输入位置为串联变高压首端、串联变低压线圈、励磁变高压中性点、励磁变调压中性点当中的一个，雷电波输入位置选定后，其它相应端子接地；输入的雷电波的波形采用标准波形，波前和波尾时间分别为1.2μs和50μs；雷电波的幅值根据移相变压器的类型相应确定。

进一步的方案是：上述步骤⑥中，所用的电路仿真分析软件为MATLAB的Simulink。

本发明具有积极的效果：本发明的移相变压器雷电冲击绕组过电压计算方法，能够快速计算移相变压器高压绕组在雷电冲击电压下线饼间的绝缘强度，计算结果较为准确可靠，且计算方法简单易于实现，能够有效解决现有技术中无法精确、高效计算移相变压器绕组内的雷电冲击电压分布和绕组之间的冲击电压传递过程的瓶颈问题，利用本发明的计算方法所得结果，能够较好地分析移相变压器的绝缘强度，进而指导移相变压器的绝缘结构改进设计以及雷电冲击试验方案设计，提升移相变压器的设计制造和检测试验水平。

附图说明

图1为本发明实施例生成的一种移相变压器的等效接线原理图；

图2为本发明实施例建立的移相变压器各绕组的初步等值电路模型示意图；

图3为本发明实施例在电磁场仿真软件中建立的移相变压器的二维轴对称模型示意图；

图4为本发明实施例中建立的移相变压器的最终等值电路模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

（实施例1）

本实施例的移相变压器雷电冲击绕组过电压计算方法，以双心式移相变压器为例进行说明，该方法按照以下步骤实施：

①根据移相变压器的接线方式，抽象生成移相变压器的等效接线原理图：

根据移相变压器串联变内部绕组连接方式、励磁变内部绕组连接方式、串联变和励磁变间绕组的连接方式，抽象生成移相变压器的等效接线原理图。

本实施例中，以单相移相变压器为例，其串联变压器为高－低结构，包含内层的低压线圈和外层的高压线圈两个线圈；励磁变压器为高－调－调－高结构，包含4个线圈，从内至外分别为高压线圈、调压线圈、调压线圈和高压线圈，抽象生成的等效接线原理图如图1所示。

图1中，串联变有四个出线端子，分别为a、x、S和L端，其中，a和x端为低压线圈LV的出线端子，S和L端为高压线圈HV的出线端子，LV上下并联。励磁变有两个输出端子，分别为N和n端，其中N为高压线圈（由线圈HV2和HV1组成）的中性端子，n为调压线圈（由线圈TV2和TV1组成）的中性端子，HV1上下并联，HV2与HV1相连。串联变HV的中部与激励变HV1的中部相连，串联变的a端子通过单刀双掷开关K与励磁变的TV1或TV2相连。图1中的*号表示线圈的同名端。串联变的S和L端子分别接电源侧和负载侧，在雷电冲击波侵入条件下，二者可视为等电位，故可将S和L连接到一起。

显然，移相变压器的串联变和励磁变的各绕组根据运行过程中可能出现的过电压情况及需要考核的情况进行其它联结，视具体需要计算的情况而定，各端子除了雷电冲击绕组的入波端外的其余端子均接地。图1所示只是其中一种连接方法。

②建立移相变压器各绕组的初步等值电路模型：

雷电冲击电压波前时间波形的等效频率在数百千赫兹，属于高频冲击，因此，绕组匝间和饼间电容和绕组对地电容的影响不能忽略。绕组间的静电或电磁感应也会对绕组匝间、饼间电位差和绕组各匝对地电位产生影响，所以PST等值电路中必须考虑匝间和绕组各匝对地电容。但由于绕组匝数太多，以线匝为单元建立的等值电路过于复杂，不利于仿真和计算。在每个线饼线圈长度远远小于雷电波等值周期波的波长的百分之一时，可建立以线饼为单元的变压器绕组等值电路。据此，在步骤①的接线原理图的基础上，建立如图2所示的移相变压器各绕组的初步等值电路模型，初步等值电路模型包括：绕组每个线饼的电感L1，绕组线饼间电容C2和绕组线饼的对地电容C1，绕组线饼与其它绕组线饼之间的耦合电容C12；L1和C2并联后与C12、C1组成Y连接，C1的另一端接地，C12的另一端用于组建整个移相变压器的等值电路模型时与其它绕组联结；L1、C1、C2和C12组成的电路单元依次串联在一起，串联的单元个数由绕组线圈的饼数决定；初步等值电路模型的首尾根据移相变压器实际的电气联结或者与其它绕组相连，或者接地，或者接雷电冲击输入波，图2中给出了其中一种联结方式，首端接雷电输入波，末端接地；本实施例中不仅考虑了绕组的匝间电感和电容以及每匝绕组的对地电容，同时考虑到移相变压器的结构复杂，电磁关系互相耦合在一起，虽然有些绕组间没有和母线或其他的电气设备直接相连，但是其中某个绕组遭遇雷电冲击波入侵时，如果其它绕组的对地电容值较小，在其上会感应出很高的电压，导致过电压耦合传递，因此，本实施例中还考虑了不同绕组间的耦合电容C12，以使得最终计算结果更为准确。

③根据电磁场有限元计算方法，计算初步等值电路模型中的电容和电感值：

在现有的电磁场仿真软件中建立如图3所示的移相变压器的二维轴对称模型，并输入材料的电气性能参数。移相变压器一般为油浸式变压器，需要输入绝缘油和油浸纸的介电常数（参数可从电工手册查询或由厂家提供）。由于雷电冲击电压波头等值频率为100 kHz量级，由于频率从50 Hz变到MHz量级是，移相变压器的电感变化不超过10%、电容变化不超过2%，因此可用低频下的电感、电容值代替。根据现有的电磁场有限元计算方法，在步骤②建立的移相变压器各绕组的初步等值电路模型中施加50 Hz的激励（包括电压源和电流源），求取初步等值电路模型中的电场和磁场分布。分别利用电场和磁场的能量法原则求取电容和电感值。其中，通过线饼之间的电场储能计算出的电容为饼间电容，即图2中的C2；通过线饼与地之间的电场储能计算出来的电容为对地电容，即图2中的C1；通过绕组与绕组之间电场储能计算出来的电容为耦合电容，即图2中的C12；通过线饼磁场储能计算出来的电感为饼间电感，即图2中的L1。

④确定移相变压器的最终等值电路模型：

根据步骤③计算结果，分别将耦合电容C12与绕组线饼间电容C2和绕组线饼的对地电容C1的大小进行比较，如果C12远小于C1和C2（判断阈值设定为C12小于C1和C2的二十分之一以上），则刨去耦合电容C12，依此可刨去部分绕组之间的部分耦合电容；同时如果某个绕组的等效分布参数支路与其它绕组之间既没有直接电气连接，也没有通过耦合电容连接，则刨去该支路，最后将刨去部分耦合电容C12和支路后的各线圈等效电路模型根据步骤①得到的移相变压器的等效接线原理图连接到一起，得到如图4所示的移相变压器的最终等值电路模型。

⑤在最终等值电路模型中的相关位置施加相应幅值的雷电波：

雷电波输入中，根据需要计算的过电压分布情形，雷电波输入位置可以选择串联变高压首端、串联变低压线圈、励磁变高压中性点、励磁变调压中性点等位置，分别对应于图1中的SL、a、N和n端，一旦雷电冲击侵入端选定以后，其它端接地。（需要说明的是：在其它端或其它任意连接处串入其它电路元件，如电感、电阻、电容等，其计算方法不会改变，仍属于本发明的范畴。）雷电波的波形采用标准波形，波前和波尾时间分别为1.2μs和50μs，可以选择全波或者截波；雷电波的幅值根据移相变压器的具体情况而定，以220kV的PST为例，在图1中的SL处施加雷电冲击电压，其全波冲击电压幅值可加950kV，截波冲击电压幅值可加1050kV。

⑥在电路仿真分析软件中搭建步骤④得到的移相变压器的最终等值电路模型，按照步骤⑤中确定的位置、幅值和波形施加侵入雷电冲击波，通过求解电路模型得到移相变压器中各部分绕组不同位置处的瞬时电压值，根据不同位置的随时间变化的电压值可得到绕组各处电压随时间的变化曲线以及不同时刻绕组中的电压分布情况。

在本实施例中在MATLAB的Simulink工具箱中按照步骤④最终确立的等值电路模型搭建电路图。按照步骤⑤中确定的位置、幅值和波形，在电路相应位置接上一个信号发生单元，使其对电路加载设定好的雷电冲击波形。随后运行simulink程序，求解电路，得到PST绕组各处电压随时间的变化曲线以及不同时刻绕组中的电压分布情况。根据电压变化曲线和电压分布情况，可以得到PST绕组不同部位、不同时刻下的承受的电场强度，根据承受的电场强度和材料的许可耐电强度，在设计环节可以分析PST的绝缘裕度和绝缘薄弱环节，在试验环节可以判断能否对PST的纵向绝缘进行考核。

综上所述，本实施例的移相变压器雷电冲击绕组过电压计算方法，简单易于实现，能够计算PST高压绕组在雷电冲击电压下线饼间的绝缘强度，计算结果较为准确，解决了现有技术中无法精确计算绕组内的雷电冲击电压分布和绕组之间的冲击电压传递过程的瓶颈，有助于分析PST的纵绝缘强度，改进PST的绝缘结构设计，提高PST的绝缘强度，进而指导PST雷电冲击试验方案设计，提高和完善PST绝缘试验考核水平。

以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims (5)

1.一种移相变压器雷电冲击绕组过电压计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

①根据移相变压器的接线方式，抽象生成移相变压器的等效接线原理图：

根据移相变压器串联变内部绕组连接方式、励磁变内部绕组连接方式、串联变和励磁变间绕组的连接方式，抽象生成移相变压器的等效接线原理图；

②建立移相变压器各绕组的初步等值电路模型：

在步骤①所得的等效接线原理图的基础上，建立由绕组每个线饼的电感、绕组线饼间电容和绕组线饼的对地电容以及绕组线饼与其它绕组线饼之间的耦合电容构成的移相变压器各绕组的初步等值电路模型；

③根据电磁场有限元计算方法，计算初步等值电路模型中的各电容和电感值；

④确定移相变压器的最终等值电路模型：

根据步骤③计算结果，分别将耦合电容与绕组线饼间电容和绕组线饼的对地电容的大小进行比较，若耦合电容远小于绕组线饼间电容和绕组线饼的对地电容，则刨去耦合电容；若某个绕组的等效分布参数支路与其它绕组之间既无直接电气连接也无通过耦合电容连接，则刨去该支路，最后将刨去部分耦合电容和支路后的各绕组等效电路模型根据步骤①得到的移相变压器的等效接线原理图连接到一起，得到确定的移相变压器的最终等值电路模型；

⑤在最终等值电路模型中的相关位置施加相应幅值的雷电波；

⑥在电路仿真分析软件中搭建步骤④得到的移相变压器的最终等值电路模型，按照步骤⑤中确定的位置、幅值和波形施加侵入雷电冲击波，通过求解电路模型得到移相变压器中各部分绕组不同位置处的瞬时电压值，根据不同位置的随时间变化的电压值可得到绕组各处电压随时间的变化曲线以及不同时刻绕组中的电压分布情况。

2.根据权利要求1所述的移相变压器雷电冲击绕组过电压计算方法，其特征在于：所述步骤②中，绕组每个线饼的电感和绕组线饼间电容并联后，与耦合电容的一端以及绕组线饼的对地电容的一端组成Y连接，绕组线饼的对地电容的另一端接地，耦合电容的另一端用于组建整个移相变压器的等值电路模型时与其它绕组连接；由绕组每个线饼的电感、绕组线饼间电容和绕组线饼的对地电容以及绕组线饼与其它绕组线饼之间的耦合电容组成的电路单元依次串联在一起，串联的单元个数由绕组线圈的饼数决定；初步等值电路模型的首尾根据移相变压器实际的电气联结或者与其它绕组相连，或者接地，或者接雷电冲击输入波。

3.根据权利要求1所述的移相变压器雷电冲击绕组过电压计算方法，其特征在于：所述步骤④中，耦合电容远小于绕组线饼间电容和绕组线饼的对地电容的判断阈值为耦合电容小于绕组线饼间电容和绕组线饼的对地电容的二十分之一。

4.根据权利要求1所述的移相变压器雷电冲击绕组过电压计算方法，其特征在于：所述步骤⑤中，雷电波输入位置为串联变高压首端、串联变低压线圈、励磁变高压中性点、励磁变调压中性点当中的一个，雷电波输入位置选定后，其它相应端子接地；输入的雷电波的波形采用标准波形，波前和波尾时间分别为1.2μs和50μs；雷电波的幅值根据移相变压器的类型相应确定。

5.根据权利要求1所述的移相变压器雷电冲击绕组过电压计算方法，其特征在于：所述步骤⑥中，所用的电路仿真分析软件为MATLAB的Simulink。

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