CN112560335B - 一种变压器多目标及结构参数综合优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器多目标及结构参数综合优化设计方法，主要包括以下步骤：首先对变压器优化数值进行计算，即变压器绕组短路电动力计算、变压器热点温度计算、变压器绕组端部场强计算；然后将变压器热点温度、绕组孔隙率、绕组所受短路电动力、绕组间距离作为约束条件，上述优化目标量作为目标函数，通过粒子群算法模型求解得到满足目标函数的变压器优化结构参数原边绕组匝数，绕组线径，原边绕组层数，绕组层间距离。

Description

一种变压器多目标及结构参数综合优化设计方法

技术领域

本发明属于变压器优化设计技术领域，更具体地，涉及一种变压器多目标及结构参数综合优化设计方法。

背景技术

变压器是电力系统中最重要的输变电设备，其安全稳定的运行对电力系统至关重要。长期运行的变压器由于内部热点温度以及老化的影响，会引起其内部绝缘损坏，长时间作用下轻则使变压器损坏，重则会造成人员伤亡。在电压等级和容量提高的同时，对变压器多目标下的优化设计也提出了更高的要求，因此对变压器多目标的综合优化设计方法是极为迫切的。

变压器额定负载下运行时内部热点温度长时间作用下影响其内部绝缘性能，当过负载或者短路条件下，变压器绕组所受电动力会导致绕组变形，且绕组端部场强会剧烈增加，进一步对变压器安全运行造成严重危害。变压器多目标的优化往往存在变压器结构参数之间矛盾，例如过多考虑变压器运行时的热点温度会导致绕组抗短路冲击能力下降，绕组端部场强值亦会增大，然而目前关于变压器多目标综合优化设计研究鲜有提及。因此，亟需一种简便、实用的变压器多目标优化设计方法。本发明以变压器部分优化目标与结构变量作为粒子群算法的约束条件，通过粒子群算法模型进行综合寻优，提出了一种变压器多目标及结构参数综合优化设计方法。

发明内容

为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种变压器多目标及结构参数综合优化设计方法，包括如下步骤：

第一步，变压器优化目标数值计算：

变压器绕组短路电动力F计算：

幅向短路电动力F_a和轴向短路电动力F_b：

式中m是绕组导线的层数，当m为偶数时，m＝m，如果m为奇数时，m＝m+1；n是绕组每层的匝数；d_ins为绕组层间距离；轴心为变压器绕组的几何中心，ω_k为第k层绕组与所述轴心的距离，d_t为绕组线径，i_km是原边绕组的短路电流幅值，b为绕组每层平均磁密；w为绕组系数，绕组间距离R_w，绕组孔隙率W_p；其中d_ins、ω_k、d_t、R_w的单位是毫米，计算时采用的是所述d_ins、ω_k、d_t、R_w在毫米单位下的数值；

变压器绕组短路电动力F：

变压器热点温度计算：

L_nl为额定电流下负载损耗和空载损耗比值；H为热点系数，g_r为额定负载下绕组表面对流换热系数；

变压器绕组端部场强E_r计算：

式中U_HN为高压绕组额定电压，单位是kV，U_LN为低压绕组额定电压，单位是kV；ε_r为变压器油介电常数，k为每层绕组从下至上的编号，1≤k≤m；

第二步，将权值α₁、α₂、α₃分别赋予绕组短路电动力F、热点温度T_h、绕组端部场强E_r，确定粒子群算法优化目标函数，以变压器热点温度T_h、绕组孔隙率W_p、绕组所受短路电动力F、绕组间距离R_w作为粒子群算法的约束条件：

L(n,d_t,m,d_ins)＝α₁F+α₂T_h+α₃E_r

其中，T_a是环境温度，单位是摄氏度；α₁＝0.623，α₂＝0.246，α₃＝0.131；

第三步，设置L(n,d_t,m,d_ins)为粒子群算法的目标函数，通过粒子群算法模型求解变压器优化的结构参数，即所述原边绕组匝数n，绕组线径d_t，原边绕组层数m，绕组层间距离d_ins。

本发明的有益效果在于，该优化设计方法全面考虑了变压器优化设计中的矛盾问题，在多个结构参数相互制约的条件下通过粒子群算法进行了多目标的综合优化，有效降低了变压器多目标优化设计的难度，与其它方法相比，具有优化参量多，简单，准确的优势。

附图说明

图1为变压器多目标综合优化方法流程图；

图2为变压器绕组俯视图及其结构参数示意图；

图3为变压器绕组正视图及其参数示意图。

具体实施方式

下面结合附图和案例对本发明的实施流程作进一步详述。

第一步，变压器优化目标数值计算：

变压器绕组短路电动力F计算：

幅向短路电动力F_a和轴向短路电动力F_b：

式中m是绕组导线的层数，当m为偶数时，m＝m，如果m为奇数时，m＝m+1；n是绕组每层的匝数；d_ins为绕组层间距离；轴心为变压器绕组的几何中心，ω_k为第k层绕组与所述轴心的距离，d_t为绕组线径，i_km是原边绕组的短路电流幅值，b为绕组每层平均磁密；w为绕组系数，绕组间距离R_w，绕组孔隙率W_p；其中d_ins、ω_k、d_t、R_w的单位是毫米，计算时采用的是所述d_ins、ω_k、d_t、R_w在毫米单位下的数值；

变压器绕组短路电动力F：

变压器热点温度计算：

L_nl为额定电流下负载损耗和空载损耗比值；H为热点系数，g_r为额定负载下绕组表面对流换热系数；

变压器绕组端部场强E_r计算：

式中U_HN为高压绕组额定电压，单位是kV，U_LN为低压绕组额定电压，单位是kV；ε_r为变压器油介电常数，k为每层绕组从下至上的编号，1≤k≤m；

第二步，将权值α₁、α₂、α₃分别赋予绕组短路电动力F、热点温度T_h、绕组端部场强E_r，确定粒子群算法优化目标函数，以变压器热点温度T_h、绕组孔隙率W_p、绕组所受短路电动力F、绕组间距离R_w作为粒子群算法的约束条件：

L(n,d_t,m,d_ins)＝α₁F+α₂T_h+α₃E_r

其中，T_a是环境温度，单位是摄氏度；α₁＝0.623，α₂＝0.246，α₃＝0.131；

第三步，设置L(n,d_t,m,d_ins)为粒子群算法的目标函数，通过粒子群算法模型求解变压器优化的结构参数，即所述原边绕组匝数n，绕组线径d_t，原边绕组层数m，绕组层间距离d_ins。

Claims (1)

1.一种变压器多目标及结构参数综合优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，变压器优化目标数值计算：

变压器绕组短路电动力F计算：

幅向短路电动力F_a和轴向短路电动力F_b：

式中m是绕组导线的层数，当m为偶数时，m＝m，如果m为奇数时，m＝m+1；n是绕组每层的匝数；d_ins为绕组层间距离；轴心为变压器绕组的几何中心，ω_k为第k层绕组与所述轴心的距离，d_t为绕组线径，i_km是原边绕组的短路电流幅值，b为绕组每层平均磁密；w为绕组系数，绕组间距离R_w，绕组孔隙率W_p；其中d_ins、ω_k、d_t、R_w的单位是毫米，计算时采用的是所述d_ins、ω_k、d_t、R_w在毫米单位下的数值；

变压器绕组短路电动力F：

变压器热点温度计算：

L_nl为额定电流下负载损耗和空载损耗比值；H为热点系数，g_r为额定负载下绕组表面对流换热系数；

变压器绕组端部场强E_r计算：

式中U_HN为高压绕组额定电压，单位是kV，U_LN为低压绕组额定电压，单位是kV；ε_r为变压器油介电常数，k为每层绕组从下至上的编号，1≤k≤m；

第二步，将权值α₁、α₂、α₃分别赋予绕组短路电动力F、热点温度T_h、绕组端部场强E_r，确定粒子群算法优化目标函数，以变压器热点温度T_h、绕组孔隙率W_p、绕组所受短路电动力F、绕组间距离R_w作为粒子群算法的约束条件：

L(n,d_t,m,d_ins)＝α₁F+α₂T_h+α₃E_r

其中，T_a是环境温度，单位是摄氏度；α₁＝0.623，α₂＝0.246，α₃＝0.131；

第三步，设置L(n,d_t,m,d_ins)为粒子群算法的目标函数，通过粒子群算法模型求解变压器优化的结构参数，即所述原边绕组匝数n，绕组线径d_t，原边绕组层数m，绕组层间距离d_ins。

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