CN114638140B - 变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长计算方法 - Google Patents

变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长计算方法 Download PDF

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CN114638140B CN202210542982.1A CN202210542982A CN114638140B CN 114638140 B CN114638140 B CN 114638140B CN 202210542982 A CN202210542982 A CN 202210542982A CN 114638140 B CN114638140 B CN 114638140B
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Abstract

本发明属于变压器技术领域，公开了一种变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长计算方法，通过构建变压器热磁耦合有限元模型，设置边界条件和激励电源模块；以将历史直流偏磁工况下负荷电流和直流偏磁电流暂态波形数据进行暂态差异分层校正，然后求解变压器内部油面的平均温度和绕组、铁芯的热点温度暂态波形、模型修正系数；构建历史实测油面平均温度对绕组和铁芯仿真热点温度的数据特征集响应关系；最后通过变压器热磁耦合有限元模型实现变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长计算。本发明解决了变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长的计算问题。

Description

变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长计算方法
技术领域
本发明属于变压器仿真技术领域，具体涉及一种变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长计算方法。
背景技术
当前，国内正大力建设特高压直流工程，以解决能源分布不平衡问题，当直流输电出现单极大地运行工况时，直流接地极附近电网中的运行变压器将面临直流偏磁的风险。电力变压器发生直流偏磁时会出现空载损耗、噪声、铁芯温升增加等问题，对变压器的安全稳定运行产生了十分不利的影响，进而可能对整个电力系统产生极大的危害。
现有技术主要仅对直流偏磁对变压器影响进行稳态评估，定性分析变压器能否耐受当前偏磁电流，未考虑负荷电流和直流偏磁电流的暂态效应。当偏磁电流超过变压器允许值时需要停电或降负荷处理时，现有技术无法计算变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长，无法掌握和分析直流偏磁工况下变压器暂态状态掌握和分析。
发明内容
为了计算变压器在直流偏磁暂态过程下的短期允许运行时长，本发明提供了一种变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长计算方法。
本发明采用的技术方案是：一种变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长计算方法，步骤如下：
步骤一、构建变压器热磁耦合有限元模型，设置边界条件和激励电源模块；
步骤二、将历史直流偏磁工况下负荷电流和直流偏磁电流暂态波形数据进行暂态差异分层校正，校正后的电流通过激励电源模块注入变压器热磁耦合有限元模型，求解变压器内部油面的平均温度和绕组、铁芯的热点温度暂态波形；
步骤三、按变压器内部油面的平均温度实测值和仿真值差异求解模型修正系数；
步骤四、构建历史实测油面平均温度对绕组和铁芯仿真热点温度的数据特征集响应关系；
步骤五、获取变压器需要短期承受的负荷电流、直流偏磁电流，导入变压器热磁耦合有限元模型，按铁芯和绕组热点温度，计算变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长。
步骤一中变压器热磁耦合有限元模型的边界条件包括：变压器内部的辐射换热系数和对流换热系数，变压器外部的长方体空气边界，边界温度按历史偏磁时刻环境温度曲线设置。
变压器外部的长方体空气边界的长、宽、高三个方向的长度表示为
Figure 721090DEST_PATH_IMAGE001
。
其中u，v，w分别表示变压器热磁耦合有限元模型中长、宽、高三个方向，l BRDR（u,v,w）和l TR（u,v,w）分别为边界和变压器热磁耦合有限元模型在长、宽、高三个方向的长度集合，Pr为变压器额定功率，t air 为直流偏磁阶段环境平均温度，k air为环境温度下空气对应的对流散热系数。
步骤一所述激励电源模块使用暂态频域电流源，采用外接电路方式连接变压器热磁耦合有限元模型的三相绕组和中性点，连接绕组的电流源为暂态工频交流电流源，连接中性点的电流源为暂态直流电流源。
所述步骤二中，获取变压器历史直流偏磁下变压器负荷电流、偏磁电流、油面温度、绕组温度曲线数据，将负荷电流i AC 和直流偏磁电流i DC 曲线按交、直流电流特性分类进行暂态差异分层校正。
对负荷电流i AC ，从t a 时刻起，存在暂态电流波形的第n a 个模拟量满足第
Figure 110483DEST_PATH_IMAGE002
时刻电流值与5倍工频电流周期时刻前电流间差值大于突变启动标准量，即
Figure 598096DEST_PATH_IMAGE003
，ta至
Figure 604099DEST_PATH_IMAGE004
时间段内负 荷电流校正为：
Figure 835360DEST_PATH_IMAGE005
其中，t为时刻，t a 为负荷电流i AC 的暂态层级起始时刻，
Figure 875997DEST_PATH_IMAGE006
为电流采样间隔时间，T r 为工频电流周期，k AI 为交流突变启动系数， p为暂态电路波形的模拟量序列；
对直流偏磁电流i DC ，从t d 时刻起，存在暂态电流波形的第n d 个模拟量满足第
Figure 800091DEST_PATH_IMAGE007
时刻电流值与10倍工频电流周期时刻前电流间差值大于突变启动标准量，即
Figure 434334DEST_PATH_IMAGE008
，td至
Figure 95385DEST_PATH_IMAGE007
时间段内直流偏 磁电流校正为：
Figure 600316DEST_PATH_IMAGE009
其中t d 为直流偏磁电流i DC 的暂态层级起始时刻，k DI 为直流突变启动系数；
将差异分层校正后的负荷电流
Figure 85524DEST_PATH_IMAGE010
和直流偏磁电流
Figure 207063DEST_PATH_IMAGE011
作为激励源通过激 励电源模块注入变压器热磁耦合有限元模型，在热电耦合场对变压器内部对绕组、铁芯等 结构件温度做暂态分析，求解历史直流偏磁电流下变压器内绕组、铁芯热点温度随时间变 化的热暂态曲线。
其中，步骤三中，模型修正系数k mu 为：
Figure 780127DEST_PATH_IMAGE012
式中
Figure 795357DEST_PATH_IMAGE013
为实测暂态油面温度平均值，
Figure 61253DEST_PATH_IMAGE014
为仿真暂态油面温度平均值。
所述步骤四中，基于原始数据和模型修正系数生成油面平均温度随时间变化的数据集X oa 、铁芯热点温度随时间变化的数据集X fm 、绕组热点温度随时间变化的数据集X cm ，按所述步骤二中差异分层校正后对于包含n 0个暂态数据点的层级，对应的三个数据集元素分别为：
Figure 404510DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 171477DEST_PATH_IMAGE016
分别为第1，2，3，···，n 0个暂态数据点的油面平均 温度
Figure 916579DEST_PATH_IMAGE017
分别为第1，2，3，···，n 0个暂态数据点的铁芯热点温度，
Figure 979476DEST_PATH_IMAGE018
分别为第1，2，3，···，n 0个暂态数据点的绕组热点温度。
所述步骤四中，对于每个暂态时刻，计算每个暂态时刻油面平均温度对铁芯、绕组热点温度的加权、滞后、累加效应，求解j时刻实测油面平均温度对绕组和铁芯仿真热点温度的数据特征集响应关系：
Figure 810028DEST_PATH_IMAGE019
其中，s j 为j时刻热点温度调差系数，fm j 为j时刻的铁芯热点温度，oa j 为j时刻的油面平均温度，cm j 为j时刻的绕组热点温度。
所述步骤五中，通过调度系统获取变压器需要短期承受的负荷电流、直流偏磁电流，导入变压器热磁耦合有限元模型，变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长为：
Figure 724895DEST_PATH_IMAGE020
其中，t fm 为铁芯达到热点温度的时刻，t cm 为绕组达到热点温度的时刻，△T oa 为油面直流偏磁工况下的温升，T fm 为直流偏磁工况前的铁芯平均温度，T cm 为直流偏磁工况前的绕组平均温度，k mu 为模型修正系数。
本发明的有益效果：通过构建变压器热磁耦合有限元模型，设置边界条件和激励电源模块；以将历史直流偏磁工况下负荷电流和直流偏磁电流暂态波形数据进行暂态差异分层校正，然后求解变压器内部油面的平均温度和绕组、铁芯的热点温度暂态波形、模型修正系数；构建历史实测油面平均温度对绕组和铁芯仿真热点温度的数据特征集响应关系；最后通过变压器热磁耦合有限元模型实现变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长计算。本发明解决了变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长的计算问题。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细阐明本发明。
参照图1，一种变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长计算方法，步骤如下：
步骤一、构建变压器热磁耦合有限元模型，设置边界条件和激励电源模块；变压器热磁耦合有限元模型的边界条件包括：变压器内部的辐射换热系数和对流换热系数，变压器外部的长方体空气边界，边界温度按历史偏磁时刻环境温度曲线设置。
变压器外部的长方体空气边界的长、宽、高三个方向的长度表示为
Figure 714716DEST_PATH_IMAGE021
。
其中u，v，w分别表示变压器热磁耦合有限元模型中长、宽、高三个方向，l BRDR（u,v,w）和l TR（u,v,w）分别为边界和变压器热磁耦合有限元模型在长、宽、高三个方向的长度集合，P r 为变压器额定功率，t air为直流偏磁阶段环境平均温度，k air为环境温度下空气对应的对流散热系数。
所述激励电源模块使用暂态频域电流源，采用外接电路方式连接变压器热磁耦合有限元模型的三相绕组和中性点，连接绕组的电流源为暂态工频交流电流源，连接中性点的电流源为暂态直流电流源。
步骤二、将历史直流偏磁工况下负荷电流和直流偏磁电流暂态波形数据进行暂态差异分层校正，校正后的电流通过激励电源模块注入变压器热磁耦合有限元模型，求解变压器内部油面的平均温度和绕组、铁芯的热点温度暂态波形。
获取变压器历史直流偏磁下变压器负荷电流、偏磁电流、油面温度、绕组温度曲线数据，将负荷电流i AC 和直流偏磁电流i DC 曲线按交、直流电流特性分类进行暂态差异分层校正。
对负荷电流i AC ，从t a 时刻起，存在暂态电流波形的第n a 个模拟量满足第
Figure 322415DEST_PATH_IMAGE022
时刻电流值与5倍工频电流周期时刻前电流间差值大于突变启动标准量，即
Figure 499319DEST_PATH_IMAGE003
，ta至
Figure 483455DEST_PATH_IMAGE023
时间段内负荷 电流校正为：
Figure 937570DEST_PATH_IMAGE024
其中，t为时刻，t a 为负荷电流i AC 的暂态层级起始时刻，
Figure 106383DEST_PATH_IMAGE025
为电流采样间隔时间，T r 为工频电流周期，k AI 为交流突变启动系数， p为暂态电路波形的模拟量序列；
对直流偏磁电流i DC ，从t d 时刻起，存在暂态电流波形的第n d 个模拟量满足第
Figure 645949DEST_PATH_IMAGE007
时刻电流值与10倍工频电流周期时刻前电流间差值大于突变启动标准量，即
Figure 433777DEST_PATH_IMAGE008
，td至
Figure 368497DEST_PATH_IMAGE007
时间段内直流偏 磁电流校正为：
Figure 583578DEST_PATH_IMAGE026
其中t d 为直流偏磁电流i DC 的暂态层级起始时刻，k DI 为直流突变启动系数；
将差异分层校正后的负荷电流
Figure 469494DEST_PATH_IMAGE027
和直流偏磁电流
Figure 795433DEST_PATH_IMAGE028
作为激励源通过激励 电源模块注入变压器热磁耦合有限元模型，在热电耦合场对变压器内部对绕组、铁芯等结 构件温度做暂态分析，求解历史直流偏磁电流下变压器内绕组、铁芯热点温度随时间变化 的热暂态曲线。
步骤三、按变压器内部油面的平均温度实测值和仿真值差异求解模型修正系数；模型修正系数k mu 为：
Figure 224140DEST_PATH_IMAGE012
式中
Figure 469177DEST_PATH_IMAGE029
为实测暂态油面温度平均值，
Figure 248914DEST_PATH_IMAGE030
为仿真暂态油面温度平均值。
步骤四、构建历史实测油面平均温度对绕组和铁芯仿真热点温度的数据特征集响应关系；
基于原始数据和模型修正系数生成油面平均温度随时间变化的数据集X oa 、铁芯热点温度随时间变化的数据集X fm 、绕组热点温度随时间变化的数据集X cm ，按所述步骤二中差异分层校正后对于包含n 0个暂态数据点的层级，对应的三个数据集元素分别为：
Figure 237599DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 520812DEST_PATH_IMAGE016
分别为第1，2，3，···，n 0个暂态数据点的油面平均 温度
Figure 77696DEST_PATH_IMAGE017
分别为第1，2，3，···，n 0个暂态数据点的铁芯热点温度，
Figure 439669DEST_PATH_IMAGE018
分别为第1，2，3，···，n 0个暂态数据点的绕组热点温度。
对于每个暂态时刻，计算每个暂态时刻油面平均温度对铁芯、绕组热点温度的加权、滞后、累加效应，求解j时刻实测油面平均温度对绕组和铁芯仿真热点温度的数据特征集响应关系：
Figure 107411DEST_PATH_IMAGE031
其中，s j 为j时刻热点温度调差系数，fm j 为j时刻的铁芯热点温度，oa j 为j时刻的油面平均温度，cm j 为j时刻的绕组热点温度。
步骤五、获取变压器需要短期承受的负荷电流、直流偏磁电流，导入变压器热磁耦合有限元模型，按铁芯和绕组热点温度，计算变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长。
所述步骤五中，通过调度系统获取变压器需要短期承受的负荷电流、直流偏磁电流，导入变压器热磁耦合有限元模型，变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长为：
Figure 369765DEST_PATH_IMAGE032
其中，t fm 为铁芯达到热点温度的时刻，t cm 为绕组达到热点温度的时刻，△T oa 为油面直流偏磁工况下的温升，T fm 为直流偏磁工况前的铁芯平均温度，T cm 为直流偏磁工况前的绕组平均温度，k mu 为模型修正系数。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长计算方法，其特征是，步骤如下：
步骤一、构建变压器热磁耦合有限元模型，设置边界条件和激励电源模块；
步骤二、将历史直流偏磁工况下负荷电流和直流偏磁电流暂态波形数据进行暂态差异分层校正，校正后的电流通过激励电源模块注入变压器热磁耦合有限元模型，求解变压器内部油面的平均温度和绕组、铁芯的热点温度暂态波形；
步骤三、按变压器内部油面的平均温度实测值和仿真值差异求解模型修正系数；
步骤四、构建历史实测油面平均温度对绕组和铁芯仿真热点温度的数据特征集响应关系；
步骤五、获取变压器需要短期承受的负荷电流、直流偏磁电流，导入变压器热磁耦合有限元模型，按铁芯和绕组热点温度，计算变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长。
2.根据权利要求1所述的变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长计算方法，其特征是，步骤一中变压器热磁耦合有限元模型的边界条件包括：变压器内部的辐射换热系数和对流换热系数，变压器外部的长方体空气边界，边界温度按历史偏磁时刻环境温度曲线设置。
3.根据权利要求2所述的变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长计算方法， 其特征是，变压器外部的长方体空气边界的长、宽、高三个方向的长度表示为
Figure 167518DEST_PATH_IMAGE001
其中u，v，w表示变压器热磁耦合有限元模型中长、宽、高三个方向，l BRDR（u,v,w）和l TR（u,v,w）分别为边界和变压器热磁耦合有限元模型在长、宽、高三个方向的长度集合，P r 为变压器额定功率，t air为直流偏磁阶段环境平均温度，k air为环境温度下空气对应的对流散热系数。
4.根据权利要求1所述的变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长计算方法，其特征是，步骤一所述激励电源模块使用暂态频域电流源，采用外接电路方式连接变压器热磁耦合有限元模型的三相绕组和中性点，连接绕组的电流源为暂态工频交流电流源，连接中性点的电流源为暂态直流电流源。
5.根据权利要求1所述的变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长计算方法，其特征是，所述步骤二中，获取变压器历史直流偏磁下变压器负荷电流、偏磁电流、油面温度、绕组温度曲线数据，将负荷电流i AC 和直流偏磁电流i DC 曲线按交、直流电流特性分类进行暂态差异分层校正。
6.根据权利要求5所述的变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长计算方法， 其特征是，对负荷电流i AC ，从t a 时刻起，存在暂态电流波形的第n a 个模拟量满足第
Figure 638951DEST_PATH_IMAGE002
时刻电流值与5倍工频电流周期时刻前电流间差值大于突变启动标准量，即
Figure 755812DEST_PATH_IMAGE003
，ta至
Figure 920077DEST_PATH_IMAGE004
时间段内负荷电流校正 为：
Figure 364965DEST_PATH_IMAGE005
其中，t为时刻，t a 为负荷电流i AC 的暂态层级起始时刻，
Figure 499143DEST_PATH_IMAGE006
为电流采样间隔时间，T r 为工 频电流周期，k AI 为交流突变启动系数， p为暂态电路波形的模拟量序列；
对直流偏磁电流i DC ，从t d 时刻起，存在暂态电流波形的第n d 个模拟量满足第
Figure 877034DEST_PATH_IMAGE007
时 刻电流值与10倍工频电流周期时刻前电流间差值大于突变启动标准量，即
Figure 307141DEST_PATH_IMAGE008
，td至
Figure 770483DEST_PATH_IMAGE007
时间段内直流偏磁 电流校正为：
Figure 318139DEST_PATH_IMAGE009
其中，t d 为直流偏磁电流i DC 的暂态层级起始时刻，k DI 为直流突变启动系数；
将差异分层校正后的负荷电流
Figure 675171DEST_PATH_IMAGE010
和直流偏磁电流
Figure 650081DEST_PATH_IMAGE011
作为激励源通过激励电 源模块注入变压器热磁耦合有限元模型，在热电耦合场对变压器内部对绕组、铁芯结构件 温度做暂态分析，求解历史直流偏磁电流下变压器内绕组、铁芯热点温度随时间变化的热 暂态曲线。
7.根据权利要求6所述的变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长计算方法，其特征是，步骤三中，模型修正系数k mu 为：
Figure 459774DEST_PATH_IMAGE012
式中
Figure 76700DEST_PATH_IMAGE013
为实测暂态油面温度平均值，
Figure 898025DEST_PATH_IMAGE014
为仿真暂态油面温度平均值。
8.根据权利要求7所述的变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长计算方法，其特征是，所述步骤四中，基于原始数据和模型修正系数生成油面平均温度随时间变化的数据集X oa 、铁芯热点温度随时间变化的数据集X fm 、绕组热点温度随时间变化的数据集X cm ，按所述步骤二中差异分层校正后对于包含n 0个暂态数据点的层级，对应的三个数据集元素分别为：
Figure 699628DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 606404DEST_PATH_IMAGE016
分别为第1，2，3，···，n 0个暂态数据点的油面平均温度
Figure 110243DEST_PATH_IMAGE017
分别为第1，2，3，···，n 0个暂态数据点的铁芯热点温度，
Figure 317233DEST_PATH_IMAGE018
分别为第1，2，3，···，n 0个暂态数据点的绕组热点温度。
9.根据权利要求8所述的变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长计算方法，其特征是，步骤四中，对于每个暂态时刻，计算每个暂态时刻油面平均温度对铁芯、绕组热点温度的加权、滞后、累加效应，求解j时刻实测油面平均温度对绕组和铁芯仿真热点温度的数据特征集响应关系：
Figure 633945DEST_PATH_IMAGE019
其中，s j 为j时刻热点温度调差系数，fm j 为j时刻的铁芯热点温度，oa j 为j时刻的油面平均温度，cm j 为j时刻的绕组热点温度。
10.根据权利要求9所述的变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长计算方法，其特征是，所述步骤五中，通过调度系统获取变压器需要短期承受的负荷电流、直流偏磁电流，导入变压器热磁耦合有限元模型，变压器在直流偏磁暂态过程下短期允许运行时长为：
Figure 152651DEST_PATH_IMAGE020
其中，t fm 为铁芯达到热点温度的时刻，t cm 为绕组达到热点温度的时刻，△T oa 为油面直流偏磁工况下的温升，T fm 为直流偏磁工况前的铁芯平均温度，T cm 为直流偏磁工况前的绕组平均温度，k mu 为模型修正系数。
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