CN111553105B - 一种干式平波电抗器温升热点预测方法 - Google Patents

一种干式平波电抗器温升热点预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种干式平波电抗器温升热点预测方法。该方法首先得到干式平波电抗器模型，并计算实际工况下各层包封绕组的电流激励；建立磁‑热双向耦合模型，考虑温度对材料损耗特性的影响，并依据精度要求设置迭代计算次数；再加载实际工况电流激励，求解包封绕组损耗和星型架涡流损耗；再将电磁损耗按照网格节点耦合至温度场作为热源，求解温度场分布，并进行双向耦合计算直至达到所设置的迭代计算次数；最后对温度场分布进行后处理，确定温升热点。本方法考虑温度对材料损耗特性的影响以及星型架涡流损耗对于包封绕组温升分布的影响，热源分布符合实际工况，能够精确地模拟对流换热过程，实现干式平波电抗器的温升计算并预测温升热点。

Description

一种干式平波电抗器温升热点预测方法
技术领域
本发明涉及干式平波电抗器温升热点预测领域，具体是一种干式平波电抗器温升热点预测方法。
背景技术
作为特高压直流输电的核心设备之一，干式平波电抗器在直流输电系统中发挥着重要的作用。实际运行时，干式平波电抗器串联于换流变压器和直流线路之间，可抑制纹波和限制逆变侧电压崩溃时的过电流、过电压。干式平波电抗器采用空芯结构，冷却方式属于自然冷却。干式平波电抗器的基本结构由电抗器本体、星型架、支撑架、外壳和连接附件等组成。电抗器本体主要包括n层同轴包封绕组，所有包封绕组在电气上并联。每层包封绕组由多股并绕的铝绞线绕制而成，包封绕组之间采用环氧树脂绝缘。
干式平波电抗器的损耗主要包括包封绕组的损耗和星型架的涡流损耗。随着电压等级的提升，干式平波电抗器的体积趋向于大型化，包封层数越来越多，结构也越来越复杂。在工程上，多包封绕组的结构使得温度的热点监测变得困难，为运营维护带来了新的挑战。若不能有效预测温升热点的位置并进行相应的防范措施和结构优化，由此带来的绝缘老化、过热故障等问题将对输电系统的正常运行造成极大威胁。
现有的干式平波电抗器温升计算方法采用解析法和有限元仿真法来分别计算包封绕组的电阻损耗和涡流损耗，并将干式平波电抗器包封绕组的平均损耗密度添加为热场中的热源，不能准确的体现实际工况下干式平波电抗器的损耗分布。此外，该方法在计算时没有考虑温升过程对于干式平波电抗器自身电阻值的影响以及由星型架涡流损耗导致的温升对于包封绕组温升分布的影响，不能准确模拟干式平波电抗器的温升过程。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种干式平波电抗器温升热点预测方法。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种干式平波电抗器温升热点预测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1、对干式平波电抗器建模并简化，得到干式平波电抗器模型；根据干式平波电抗器等效电路计算实际工况下干式平波电抗器的各层包封绕组的电流激励；建立干式平波电抗器磁-热双向耦合仿真模型；
步骤2、电磁场计算，得到干式平波电抗器的电磁损耗；
步骤3、温度场计算，得到干式平波电抗器的温度场分布；
步骤4、每次温度场计算完成后，判断迭代计算次数是否达到；若达到则进行步骤5，否则根据步骤1得到的干式平波电抗器磁-热双向耦合仿真模型计算更新后的电阻值并返回步骤2，重新求解干式平波电抗器的电磁损耗和温度场分布，迭代计算直至达到计算次数；迭代计算次数根据精度要求设置；
步骤5、对温度场分布进行后处理，确定温升热点的位置。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
本发明基于有限元法，首先得到干式平波电抗器模型，并根据干式平波电抗器等效电路计算实际工况下各层包封绕组的电流激励；再建立磁-热双向耦合模型，考虑温度对材料损耗特性的影响，并依据精度要求设置迭代计算次数；再在电磁场有限元仿真软件中加载实际工况电流激励，求解包封绕组损耗和星型架涡流损耗；再将电磁损耗按照网格节点耦合至温度场作为热源，求解温度场分布，并进行双向耦合计算直至达到所设置的迭代计算次数；最后对温度场分布进行后处理，确定温升热点。
由于建立磁-热多物理场双向耦合映射关系，考虑温度对材料损耗特性的影响以及星型架涡流损耗对于包封绕组温升分布的影响，热源分布符合实际工况(因为每层包封绕组自身各部分损耗不一定均匀)，能够较为精确地模拟对流换热过程，实现干式平波电抗器的温升计算并预测温升热点。相比于传统的干式平波电抗器温升热点预测方法，本发明提升了计算精度和预测的准确性。
附图说明
图1为现有技术中的干式平波电抗器等效电路图；
图2为本发明的干式平波电抗器的整体模型图；
图3为本发明的干式平波电抗器的二分之一模型图。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种干式平波电抗器温升热点预测方法(简称方法)，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1、对干式平波电抗器建模并简化，得到干式平波电抗器模型(参见图2)：使用三维绘图软件对干式平波电抗器绘制等比例三维模型，并对模型进行必要的简化，略去干式平波电抗器的外壳、支撑条和连接附件等非研究对象，只保留包封绕组和星型架，减小计算量的同时保证了通风结构的合理性，得到干式平波电抗器模型；
由于实际工况下的各层包封绕组中流过的电流无法实际测量，需要根据干式平波电抗器等效电路计算实际工况下干式平波电抗器的各层包封绕组的电流激励；
干式平波电抗器的等效电路(参见图1)用矩阵形式表达如式1)所示：
Figure BDA0002481115180000031
/>
式1)中，R1...Rn表示第n层包封绕组的电阻值；
Figure BDA0002481115180000032
其中ρ表示常温下的电阻率，ln表示第n层包封绕组的圆周长度，Sn表示第n层包封绕组的横截面积；w表示角频率；L1,1...Ln,n表示自感，M12...Mn,n-1以及M21...Mn-1,n均表示互感，均通过基于Bartky变换法的电感解析公式确定；/>
Figure BDA0002481115180000033
表示第n层包封绕组的电流相量；/>
Figure BDA0002481115180000034
表示第n层包封绕组的电压相量；
式1)的简化形式如式2)所示：
(KR+jwKM)I＝U (2)
式2)中，KR表示电阻矩阵，KM表示电感矩阵，I表示电流矩阵，U表示电压矩阵；
对式2)两边乘逆矩阵(KR+jwKM)-1即可得式3)：
I＝(KR+jwKM)-1U (3)
式3)中，电流矩阵I即为各层包封绕组中加载的电流激励；所述电流激励中包括直流电流和各次谐波电流；
在有限元仿真软件(本实施例采用Ansys Workbench)中建立干式平波电抗器磁-热双向耦合仿真模型即包封绕组和星型架所用材料的电阻值随温度的变化关系，如式4)所示：
R(T)＝R0[1+αΔT] (4)
式4)中，T为材料当前温度，R(T)为材料在温度为T时的电阻值，R0为材料初始温度下(本实施例为室温下)的电阻值，ΔT为材料温度变化即当前温度与初始温度的差值，α为电阻温度系数；
步骤2、电磁场计算，得到干式平波电抗器的电磁损耗：
(1)将步骤1得到的干式平波电抗器模型导入电磁场有限元仿真软件(本实施例采用Ansys Maxwell)中，构建干式平波电抗器电磁场仿真模型，选择瞬态场求解器；
(2)在各层包封绕组中加载步骤1得到的各层包封绕组各自的电流激励；设置包封绕组和星型架的材料属性以及步骤1得到的干式平波电抗器模型的边界条件，并手动设置网格剖分；
(3)用瞬态场求解器进行电磁场计算，求解出干式平波电抗器的电磁损耗；所述电磁损耗包括包封绕组损耗和星型架涡流损耗；
步骤3、温度场计算，得到干式平波电抗器的温度场分布；每次温度场计算完成后，判断迭代计算次数是否达到要求：干式平波电抗器热量传递的方式主要有三种：热传导、对流换热和热辐射，其中热传导主要在干式平波电抗器内部，对流换热和热辐射过程存在于包封绕组与外界空气之间，以对流换热为主；由于干式平波电抗器包封绕组间的气流马赫数较小，认为空气为不可压缩气体；由于干式平波电抗器散热过程中雷诺数较高，认为干式平波电抗器内部的空气流动为完全湍流，忽略分子粘性的影响；
(1)将步骤2得到的电磁损耗按照网格节点耦合至温度场计算软件(本实施例采用Fluent)中作为初始热源，在温度场计算软件中划分包封绕组和星型架的网格；
(2)分析干式平波电抗器的散热原理和散热条件，在温度场计算软件中选择k-ε湍流模型求解器，设置底端为速度入口、顶端为压力出口，设置初始入口速度和初始环境温度，空气压强指定为标准大气压强，设定温度收敛精度；并在温度场中设置包封绕组和星型架的材料以及热边界条件；
(3)进行温度场计算，得到干式平波电抗器的温度场分布；
步骤4、每次温度场计算完成后，判断迭代计算次数是否达到；若达到则进行步骤5，否则根据步骤1得到的干式平波电抗器磁-热双向耦合仿真模型计算更新后的电阻值并返回步骤2，重新求解干式平波电抗器的电磁损耗和温度场分布，迭代计算直至达到计算次数；迭代计算次数根据实际工程精度要求和误差精度设置；
步骤5、对温度场分布进行后处理，确定温升热点的位置：将步骤4得到的计算结果的数据点导出，采用曲线绘图软件(本实施例采用Origin)沿轴向方向绘出各层包封绕组的温升分布曲线，判断包封绕组的温升热点的具体位置即温升热点所在的包封层数和轴向高度，记录温升热点的温度大小，并总结温度变化规律。
本方法的研究对象可采用±800kv/6250A特高压直流干式平波电抗器，额定电感3*50mH，含26层包封绕组，理想条件下输送额定功率时的直流电流6250A。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种干式平波电抗器温升热点预测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1、对干式平波电抗器建模并简化，得到干式平波电抗器模型；根据干式平波电抗器等效电路计算实际工况下干式平波电抗器的各层包封绕组的电流激励；建立干式平波电抗器磁-热双向耦合仿真模型；
对干式平波电抗器绘制等比例三维模型，并简化模型，只保留包封绕组和星型架，得到干式平波电抗器模型；
干式平波电抗器磁-热双向耦合仿真模型如式4)所示：
R(T)＝R0[1+αΔT] (4)
式4)中，T为材料当前温度，R(T)为材料在温度为T时的电阻值，R0为材料初始温度下的电阻值，ΔT为材料当前温度与初始温度的差值，α为电阻温度系数；
步骤2、电磁场计算，得到干式平波电抗器的电磁损耗；
(1)将步骤1得到的干式平波电抗器模型导入电磁场有限元仿真软件中，构建干式平波电抗器电磁场仿真模型，选择瞬态场求解器；
(2)在各层包封绕组中加载步骤1得到的各层包封绕组的电流激励；设置包封绕组和星型架的材料属性以及步骤1得到的干式平波电抗器模型的边界条件，并手动设置网格剖分；
(3)用瞬态场求解器进行电磁场计算，求解出干式平波电抗器的电磁损耗；
步骤3、温度场计算，得到干式平波电抗器的温度场分布；
步骤4、每次温度场计算完成后，判断迭代计算次数是否达到；若达到则进行步骤5，否则根据步骤1得到的干式平波电抗器磁-热双向耦合仿真模型计算更新后的电阻值并返回步骤2，重新求解干式平波电抗器的电磁损耗和温度场分布，迭代计算直至达到计算次数；迭代计算次数根据精度要求设置；
步骤5、对温度场分布进行后处理，确定温升热点的位置。
2.根据权利要求1所述的干式平波电抗器温升热点预测方法，其特征在于步骤1中，干式平波电抗器的等效电路用矩阵形式表达如式1)所示：
Figure FDA0004136211970000011
式1)中，R1...Rn表示第n层包封绕组的电阻值；
Figure FDA0004136211970000021
其中ρ表示常温下的电阻率，ln表示第n层包封绕组的圆周长度，Sn表示第n层包封绕组的横截面积；w表.
示角频率；L1,1...Ln,n表示自感，M12...Mn,n-1以及M21...Mn-1,n均表示互感；In表示.
第n层包封绕组的电流相量；Un表示第n层包封绕组的电压相量；
式1)的简化形式如式2)所示：
(KR+jwKM)I＝U (2)
式2)中，KR表示电阻矩阵，KM表示电感矩阵，I表示电流矩阵，U表示电压矩阵；
对式2)两边乘逆矩阵(KR+jwKM)-1即可得式3)：
I＝(KR+jwKM)-1U (3)
式3)中，电流矩阵I为各层包封绕组中加载的电流激励形成的矩阵；所述电流激励包括直流电流和各次谐波电流。
3.根据权利要求1所述的干式平波电抗器温升热点预测方法，其特征在于步骤3具体是：
(1)将步骤2得到的电磁损耗按照网格节点耦合至温度场计算软件中作为初始热源，在温度场计算软件中划分包封绕组和星型架的网格；
(2)在温度场计算软件中选择k-ε湍流模型求解器，设置底端为速度入口、顶端为压力出口，设置初始入口速度和初始环境温度，空气压强指定为标准大气压强，设定温度收敛精度；并在温度场中设置包封绕组和星型架的材料以及热边界条件；
(3)进行温度场计算，得到干式平波电抗器的温度场分布。
4.根据权利要求1所述的干式平波电抗器温升热点预测方法，其特征在于步骤5具体是：将步骤4得到的计算结果的数据点导出，沿轴向方向绘出各层包封绕组的温升分布曲线，判断包封绕组的温升热点所在的包封层数和轴向高度，得到温升热点的位置和温度大小。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111950797B (zh) * 2020-08-21 2023-03-10 中国科学院合肥物质科学研究院 一种带连接头的大功率水冷母线局部温度预测方法
CN117725780A (zh) * 2023-12-01 2024-03-19 国网宁夏电力有限公司电力科学研究院 一种平波电抗器的绝缘故障概率评估方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6609079B1 (en) * 1998-05-14 2003-08-19 Va Tech Elin Transformatoren Gmbh Method and arrangement for ascertaining state variables
CN102608552A (zh) * 2012-04-14 2012-07-25 河北工业大学 变压器铁心材料的直流偏磁比总损耗曲线的获得方法
CN102621507A (zh) * 2012-04-14 2012-08-01 河北工业大学 变压器铁心材料的直流偏磁磁滞回线的获得方法
CN106202736A (zh) * 2016-07-14 2016-12-07 华北电力大学（保定） 一种换流变压器电磁场‑流体‑温度场耦合计算方法
CN109086514A (zh) * 2018-07-25 2018-12-25 国网江苏省电力有限公司检修分公司 一种基于多物理场耦合的电抗器温度场计算方法
CN110414080A (zh) * 2019-07-08 2019-11-05 三峡大学 一种提高电抗器各包封线圈生热散热能力的设计方法
WO2019223368A1 (zh) * 2018-05-22 2019-11-28 深圳供电局有限公司 一种高温超导corc仿真建模方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108334687B (zh) * 2018-01-29 2021-06-25 扬州大学 一种大中型电机运行温升可靠度的预测方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6609079B1 (en) * 1998-05-14 2003-08-19 Va Tech Elin Transformatoren Gmbh Method and arrangement for ascertaining state variables
CN102608552A (zh) * 2012-04-14 2012-07-25 河北工业大学 变压器铁心材料的直流偏磁比总损耗曲线的获得方法
CN102621507A (zh) * 2012-04-14 2012-08-01 河北工业大学 变压器铁心材料的直流偏磁磁滞回线的获得方法
CN106202736A (zh) * 2016-07-14 2016-12-07 华北电力大学（保定） 一种换流变压器电磁场‑流体‑温度场耦合计算方法
WO2019223368A1 (zh) * 2018-05-22 2019-11-28 深圳供电局有限公司 一种高温超导corc仿真建模方法
CN109086514A (zh) * 2018-07-25 2018-12-25 国网江苏省电力有限公司检修分公司 一种基于多物理场耦合的电抗器温度场计算方法
CN110414080A (zh) * 2019-07-08 2019-11-05 三峡大学 一种提高电抗器各包封线圈生热散热能力的设计方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
一种用于EPS系统的永磁同步电机弱磁控制的改进方法（英文）;曲宝军;杨庆新;李永建;李劲松;张长庚;李洪强;;机床与液压(第06期);全文 *
考虑器件损耗的DAB变换器最大输出功率分析;徐墨尘;李永建;李珊瑚;李尔平;;电源学报(第01期);全文 *

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