CN113835051A - 确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法，包括：S1、在实验条件下分别得到激励线圈在空/负载工况下的总损耗，并由所述总损耗得到所述激励线圈在空/负载下的损耗差值；S2、获取所述激励线圈在空/负载工况下的涡流损耗修正系数；S3、通过所述涡流损耗修正系数修正所述激励线圈在空载工况下的涡流损耗；S4、由所述损耗差值与所述涡流损耗间的差值得到杂散损耗。其基于空负载工况下激励线圈的损耗差异，通过引入仿真涡流损耗修正系数，恰当地考虑了涡流损耗在负载和空载条件下的变化，有效提高了大型电力变压器的杂散损耗评估的准确性。

Description

确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法
技术领域
本发明涉及交直流混合激励条件下变压器导磁构件中磁场及损耗分布情况的分析计算技术领域，特别涉及一种确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法。
背景技术
随着高压直流输电系统的迅速发展和广泛应用，换流变压器作为该系统的关键设备，近年来受到越来越多的关注。换流变压器作为系统的关键设备，其杂散损耗分布是设计过程中最关键的性能参数之一。换流变压器通常在交直流混合激励下工作，这加剧了漏磁场和杂散损耗分布的不合理性，增加了过热和运行故障的风险，磁构件损耗研究问题面临着更严峻的挑战。评估磁构件的杂散损耗被认为是预测局部过热和优化设计大型电力变压器的关键措施，因此研究有效的损耗计算方法是十分必要的。
目前在杂散损耗问题的研究中，多数为正弦激励条件，交直流混合激励下材料损耗数据测量难度增大而该方面研究却相对较少。在通过测量确定杂散损耗时，以往的研究工作未考虑由于不同工况引起的漏磁通分布差异，涡流损耗也随之发生变化，给磁构件杂散损耗的确定带来一定误差。磁屏蔽的存在与否会造成空间磁场分布明显不同，然而高压大容量变压器通常在大直流偏压、多谐激励等极端条件下运行，导致叠层铁心的磁特性和损耗特性复杂，几乎不可能通过测量将涡流损耗与总损耗分开，使得充分有效地考虑线圈内部涡流损耗对漏磁分布的依赖性不易实现。因此需要研究一种能够精确估计叠片式磁构件中的杂散损耗的计算方法。
杂散损耗的研究属于交直流混合激励条件下变压器磁构件中磁场及损耗分布情况的问题，基于程志光博士提出的以电力变压器三维杂散损耗模拟为工程背景且涵盖多项杂散损耗模拟技术的TEAM Problem 21基准族模型，近年来学者对此类问题做了大量研究工作，杂散损耗的计算方法主要有：利用磁滞模型的方法计算杂散损耗；解析解和数值解相结合计算电力变压器漏磁场和漏磁场损耗进而计算分析谐波激励下结构件的杂散损耗以及通过瞬态场仿真求解激励线圈损耗，利用实验测量的模型总损耗减去相同工况下的线圈损耗仿真计算值，得到间接确定的电磁装备结构件中杂散损耗等，但是得到的磁构件杂散损耗值均不够准确。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法，基于空负载工况下激励线圈的损耗差异，通过引入仿真涡流损耗修正系数，恰当地考虑了涡流损耗在负载和空载条件下的变化，有效提高了大型电力变压器的杂散损耗评估的准确性。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法，包括以下步骤：
S1、在实验条件下分别得到激励线圈在空/负载工况下的总损耗，并由所述总损耗得到所述激励线圈在空/负载下的损耗差值；
S2、获取所述激励线圈在空/负载工况下的涡流损耗修正系数；
S3、通过所述涡流损耗修正系数修正所述激励线圈在空载工况下的涡流损耗；
S4、由所述损耗差值与所述涡流损耗间的差值得到杂散损耗。
优选的是，所述的确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法中，S1中，所述激励线圈在负载工况下的总损耗Pload包括欧姆损耗、涡流损耗和杂散损耗；所述激励线圈在空载工况下的总损耗Pno-load包括欧姆损耗和涡流损耗；并分别通过公式1和公式2进行表示：
Pload＝Pcoil.o+Pcoil.ec+Pt 公式1；
Pno-load＝Pno-coil.o+Pno-coil.ec 公式2；
其中，Pcoil.o为负载工况下激励线圈的欧姆损耗，Pcoil.ec为负载工况下激励线圈的涡流损耗，Pt为负载工况下杂散磁场引起的叠层磁构件损耗，即磁构件杂散损耗；Pno-coil.o为空载工况下激励线圈的欧姆损耗，Pno-coil.ec为空载工况下激励线圈的涡流损耗。
优选的是，所述的确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法中，S1中，由所述总损耗得到所述激励线圈在空/负载下的损耗差值通过公式3进行表示：
Pload-Pno-load＝(Pcoil.o-Pno-coil.o)+(Pcoil.ec-Pno-coil.ec)+Pt＝ΔPcoil.o+ΔPcoil.ec+Pt 公式3；
其中，ΔPcoil.o为空/负载工况下激励线圈的欧姆损耗差值；ΔPcoil.ec为空/负载工况下激励线圈的涡流损耗差值。
优选的是，所述的确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法中，所述实验条件要求保持空载工况下施加的激励电流与负载工况下施加的激励电流相等，以使负载工况下和空载工况下所述激励线圈的欧姆损耗不发生变化。
优选的是，所述的确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法中，激励线圈的欧姆损耗通过公式4计算得到：
Figure BDA0002858895660000031
其中，PO为激励线圈的欧姆损耗；i为在激励线圈中施加含有谐波的交直流混合激励时的交直流混合激励；R为激励线圈的等效电阻；T为计算激励线圈的欧姆损耗时线圈的工作时间；I为i的有效值。
优选的是，所述的确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法中，所述交直流混合激励i通过公式5计算得到：
Figure BDA0002858895660000032
其中，ω为基波角频率，iac-n为各次谐波交流电流幅值，
Figure BDA0002858895660000033
为相应于各次谐波交流电流幅值的初始相位，idc为直流激励电流幅值。
优选的是，所述的确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法中，所述涡流损耗修正系数为空/负载工况下的涡流损耗差值与空载工况下的涡流损耗间的比值，并通过公
式6表示：
Figure BDA0002858895660000034
其中，Pcoil.ec为负载工况下激励线圈的涡流损耗；Pno-coil.ec为空载工况下激励线圈的涡流损耗；ΔPcoil.ec为空/负载工况下的激励线圈的涡流损耗差值。
优选的是，所述的确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法中，S2中，所述激励线圈在空/负载工况下的涡流损耗修正系数通过仿真手段进行参数获取并计算得到，在仿真手段中所述激励线圈在空/负载工况下的涡流损耗修正系数通过公式7计算得到：
Figure BDA0002858895660000035
其中，Pcoil.s.ec为仿真中负载工况下激励线圈的涡流损耗；Pno-coil.s.ec为仿真中空载工况下激励线圈的涡流损耗。
优选的是，所述的确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法中，通过仿真手段进行参数获取并计算得到所述激励线圈在空/负载工况下的仿真涡流损耗修正系数前，还需根据材料电磁的各向异性对磁构件结构进行简化，而后利用SimcenterMagNet对激励线圈进行精细化有限元建模。
优选的是，所述的确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法中，S4中，所述杂散损耗通过公式8计算得到：
Pt＝Pload-Pno-load-εcoil.ec(Pno-load-Pno-coil.o) 公式8。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明的确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法中，在含有谐波的交直流混合激励下，通过引入一个损耗修正系数，更恰当地考虑了涡流损耗在负载和空载条件下的变化，相比于之前直接由负载和空载时的损耗差值来计算杂散损耗的方法，计算方法考虑更全面，有效提高了大型电力变压器的杂散损耗评估的准确性。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述的确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法的流程图；
图2为本发明实施例中空载工况下的TEAM-P21模型；
图3为本发明实施例中负载工况下的TEAM-P21模型；
图4为发明实施例中求解损耗修正系数的精细化模型图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示，本发明提供一种确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法，包括以下步骤：
S1、在实验条件下分别得到激励线圈在空/负载工况下的总损耗，并由所述总损耗得到所述激励线圈在空/负载下的损耗差值；
S2、获取所述激励线圈在空/负载工况下的涡流损耗修正系数；
S3、通过所述涡流损耗修正系数修正所述激励线圈在空载工况下的涡流损耗；
S4、由所述损耗差值与所述涡流损耗间的差值得到杂散损耗。
在上述方案中，在含有谐波的交直流混合激励下，通过引入一个损耗修正系数，更恰当地考虑了涡流损耗在负载和空载条件下的变化，相比于之前直接由负载和空载时的损耗差值来计算杂散损耗的方法，考虑更全面，有效提高了大型电力变压器的杂散损耗评估的准确性。
一个优选方案中，S1中，所述激励线圈在负载工况下的总损耗Pload包括欧姆损耗、涡流损耗和杂散损耗；所述激励线圈在空载工况下的总损耗Pno-load包括欧姆损耗和涡流损耗；并分别通过公式1和公式2进行表示：
Pload＝Pcoil.o+Pcoil.ec+Pt 公式1；
Pno-load＝Pno-coil.o+Pno-coil.ec 公式2；
其中，Pcoil.o为负载工况下激励线圈的欧姆损耗，Pcoil.ec为负载工况下激励线圈的涡流损耗，Pt为负载工况下杂散磁场引起的叠层磁构件损耗，即磁构件杂散损耗；Pno-coil.o为空载工况下激励线圈的欧姆损耗，Pno-coil.ec为空载工况下激励线圈的涡流损耗。
一个优选方案中，S1中，由所述总损耗得到所述激励线圈在空/负载下的损耗差值通过公式3进行表示：
Pload-Pno-load＝(Pcoil.o-Pno-coil.o)+(Pcoil.ec-Pno-coil.ec)+Pt＝ΔPcoil.o+ΔPcoil.ec+Pt 公式3；
其中，ΔPcoil.o为空/负载工况下激励线圈的欧姆损耗差值；ΔPcoil.ec为空/负载工况下激励线圈的涡流损耗差值。
一个优选方案中，所述实验条件要求保持空载工况下施加的激励电流与负载工况下施加的激励电流相等，以使负载工况下和空载工况下所述激励线圈的欧姆损耗不发生变化。
一个优选方案中，激励线圈的欧姆损耗通过公式4计算得到：
Figure BDA0002858895660000061
其中，PO为激励线圈的欧姆损耗；i为在激励线圈中施加含有谐波的交直流混合激励时的交直流混合激励；R为激励线圈的等效电阻；T为计算激励线圈的欧姆损耗时线圈的工作时间；I为i的有效值。
一个优选方案中，所述交直流混合激励i通过公式5计算得到：
Figure BDA0002858895660000062
其中，ω为基波角频率，iac-n为各次谐波交流电流幅值，
Figure BDA0002858895660000063
为相应于各次谐波交流电流幅值的初始相位，idc为直流激励电流幅值。
一个优选方案中，所述涡流损耗修正系数为空/负载工况下的涡流损耗差值与空载工况下的涡流损耗间的比值，并通过公式6表示：
Figure BDA0002858895660000064
其中，Pcoil.ec为负载工况下激励线圈的涡流损耗；Pno-coil.ec为空载工况下激励线圈的涡流损耗；ΔPcoil.ec为空/负载工况下的激励线圈的涡流损耗差值。
一个优选方案中，S2中，所述激励线圈在空/负载工况下的涡流损耗修正系数通过仿真手段进行参数获取并计算得到，在仿真手段中所述激励线圈在空/负载工况下的涡流损耗修正系数通过公式7计算得到：
Figure BDA0002858895660000065
其中，Pcoil.s.ec为仿真中负载工况下激励线圈的涡流损耗；Pno-coil.s.ec为仿真中空载工况下激励线圈的涡流损耗。
在上述方案中，因空/负载工况下激励线圈的涡流损耗难以测量，使得损耗修正系数难以通过公式6计算得到，因此需要采用仿真手段得到S2中的损耗修正系数。
一个优选方案中，通过仿真手段进行参数获取并计算得到所述激励线圈在空/负载工况下的仿真涡流损耗修正系数前，还需根据材料电磁的各向异性对磁构件结构进行简化，而后利用SimcenterMagNet对激励线圈进行精细化有限元建模。
在上述方案中，通过有限元建模计算的方法仿真求得损耗修正系数是大型变压器优化设计的有效解决方案，有着很好的实用性，可得出准确的损耗修正系数。
一个优选方案中，S4中，所述杂散损耗通过公式8计算得到：
Pt＝Pload-Pno-load-εcoil.ec(Pno-load-Pno-coil.o) 公式8。
实施例
应用本发明所述的确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法计算叠片式磁构件中的杂散损耗，具体包括以下步骤：
S1：负载时实验测得总损耗Pload；空载时实验测得总损耗Pno-load。
激励线圈的欧姆损耗可以通过公式4计算得出，公式4中的交直流混合激励i可以通过公式5计算得出。
如图2和图3所示，在空负载工况下的TEAM-P21模型中，当激励线圈1旁有磁构件2且没有补偿线圈3时为负载工况，当磁构件2被移除并远离激励线圈1且设有补偿线圈3时为空载工况。空载工况下引入补偿线圈3，可以减小空负载激励线圈1漏磁场的差异，即可以减小空负载激励线圈1涡流损耗的差异。
S2：利用SimcenterMagNet对激励线圈1进行精细化有限元建模，通过仿真计算得出损耗修正系数εcoil.ec。
如图4所示，根据1/4精细化模型图，利用SimcenterMagNet对激励线圈1进行精细化有限元建模，可以得到准确的激励线圈1涡流损耗，进而求得损耗修正系数。
S3：结合实验测量结果和数值计算结果的损耗修正系数确定最终的杂散损耗，具体如下：
调整电压保持空载激励线圈1和补偿线圈3上施加的激励电流等于有载条件下的激励电流，保证交直流混合激励i的有效值I不变，由公式4可知，激励线圈1内电流有效值不变可保证负载工况下和空载工况下线圈的欧姆损耗不发生变化，因而公式3中ΔPcoil.o一项为0。
将仿真计算得到的损耗修正系数代入公式8和损耗修正系数εcoil.ec的计算公式6中，整理求得涡流损耗差ΔPcoil.ec：
ΔPcoil.ec＝εcoil.ec·Pno-coil.ec＝εcoil.ec(Pno-load-Pno-coil.o) 公式9；
结合实验测量结果和数值计算结果的损耗修正系数，将公式9代入公式7中，得到公式8所示的最终的杂散损耗Pt。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.一种确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在实验条件下分别得到激励线圈在空/负载工况下的总损耗，并由所述总损耗得到所述激励线圈在空/负载下的损耗差值；
S2、获取所述激励线圈在空/负载工况下的涡流损耗修正系数；
S3、通过所述涡流损耗修正系数修正所述激励线圈在空载工况下的涡流损耗；
S4、由所述损耗差值与所述涡流损耗间的差值得到杂散损耗。
2.如权利要求1所述的确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法，其特征在于，S1中，所述激励线圈在负载工况下的总损耗Pload包括欧姆损耗、涡流损耗和杂散损耗；所述激励线圈在空载工况下的总损耗Pno-load包括欧姆损耗和涡流损耗；并分别通过公式1和公式2进行表示：
Pload＝Pcoil.o+Pcoil.ec+Pt 公式1；
Pno-load＝Pno-coil.o+Pno-coil.ec 公式2；
其中，Pcoil.o为负载工况下激励线圈的欧姆损耗，Pcoil.ec为负载工况下激励线圈的涡流损耗，Pt为负载工况下杂散磁场引起的叠层磁构件损耗，即磁构件杂散损耗；Pno-coil.o为空载工况下激励线圈的欧姆损耗，Pno-coil.ec为空载工况下激励线圈的涡流损耗。
3.如权利要求2所述的确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法，其特征在于，S1中，由所述总损耗得到所述激励线圈在空/负载下的损耗差值通过公式3进行表示：
Pload-Pno-load＝(Pcoil.o-Pno-coil.o)+(Pcoil.ec-Pno-coil.ec)+Pt＝ΔPcoil.o+ΔPcoil.ec+Pt 公式3；
其中，ΔPcoil.o为空/负载工况下激励线圈的欧姆损耗差值；ΔPcoil.ec为空/负载工况下激励线圈的涡流损耗差值。
4.如权利要求3所述的确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法，其特征在于，所述实验条件要求保持空载工况下施加的激励电流与负载工况下施加的激励电流相等，以使负载工况下和空载工况下所述激励线圈的欧姆损耗不发生变化。
5.如权利要求4所述的确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法，其特征在于，激励线圈的欧姆损耗通过公式4计算得到：
Figure FDA0002858895650000021
其中，PO为激励线圈的欧姆损耗；i为在激励线圈中施加含有谐波的交直流混合激励时的交直流混合激励；R为激励线圈的等效电阻；T为计算激励线圈的欧姆损耗时线圈的工作时间；I为i的有效值。
6.如权利要求5所述的确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法，其特征在于，所述交直流混合激励i通过公式5计算得到：
Figure FDA0002858895650000022
其中，ω为基波角频率，iac-n为各次谐波交流电流幅值，
Figure FDA0002858895650000025
为相应于各次谐波交流电流幅值的初始相位，idc为直流激励电流幅值。
7.如权利要求4所述的确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法，其特征在于，所述涡流损耗修正系数为空/负载工况下的涡流损耗差值与空载工况下的涡流损耗间的比值，并通过公式6表示：
Figure FDA0002858895650000023
其中，Pcoil.ec为负载工况下激励线圈的涡流损耗；Pno-coil.ec为空载工况下激励线圈的涡流损耗；ΔPcoil.ec为空/负载工况下的激励线圈的涡流损耗差值。
8.如权利要求7所述的确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法，其特征在于，S2中，所述激励线圈在空/负载工况下的涡流损耗修正系数通过仿真手段进行参数获取并计算得到，在仿真手段中所述激励线圈在空/负载工况下的涡流损耗修正系数通过公式7计算得到：
Figure FDA0002858895650000024
其中，Pcoil.s.ec为仿真中负载工况下激励线圈的涡流损耗；Pno-coil.s.ec为仿真中空载工况下激励线圈的涡流损耗。
9.如权利要求8所述的确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法，其特征在于，通过仿真手段进行参数获取并计算得到所述激励线圈在空/负载工况下的仿真涡流损耗修正系数前，还需根据材料电磁的各向异性对磁构件结构进行简化，而后利用SimcenterMagNet对激励线圈进行精细化有限元建模。
10.如权利要求8所述的确定交直流复合激励下导磁构件杂散损耗的方法，其特征在于，S4中，所述杂散损耗通过公式8计算得到：
Pt＝Pload-Pno-load-εcoil.ec(Pno-load-Pno-coil.o) 公式8。
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