CN116053013B - 一种大型变压器有载分接开关总体设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型变压器有载分接开关总体设计方法,涉及有载分接开关设计技术领域,包括建立有载分接开关仿真模型;计算不同工况下的有载分接开关各部件的电场分布数据;将所述电场分布数据输入所述有载分接开关仿真模型,生成所述有载分接开关的电场仿真模型;基于电场分布数据获取所述有载分接开关各部件的电场理论耐受值,将所述电场理论耐受值与所述有载分接开关各部件电场的设计耐受值进行比较验证。能够对切换开关油室的密封性进行实验和验证,有利于减少设计弯路,加快设计速度,有利于提高有载分接开关的设计寿命,有利于保证有载分接开关工作的稳定性和安全性,使有载分接开关各处的绝缘性能均能保持良好的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及有载分接开关设计技术领域,尤其涉及一种大型变压器有载分接开关总体设计方法。
背景技术
大型变压器是输变电工程中的关键变电站设备,起着在发电站端升高变压,在用户端降低电压,从而降低电能在输电环节的损耗,因此在输变电工程中发挥着重要作用。大型变压器通常由铁芯和线圈、装满矿物油的油箱和油枕、升高座、散热器、不同电压等级的套管等部件组成。其中小型变压器容量为500kVA及以下;中型变压器,容量范围为630-6300kVA;大型变压器,容量范围为8000-63000kVA;特大型变压器,容量范围为90000kVA以上,有载分接开关具有调压范围大、动作频繁、开断时电流变化率极高等特点,运行工况十分严苛。
目前使用的有载分接开关均为德国MR和瑞典ABB的产品,有载分接开关已经成为一个关键的“卡脖子”设备,是配电领域国产化率最低的器件之一,而有载分接开关引起的换流变故障,会给电网主网架的安全运行带来了巨大的风险。有载分接开关由切换开关和分接选择器两大部件组成。利用头部法兰安装在大型变压器箱盖上,通过其上的减速机构、伞齿轮盒、传动轴与电动机构连接,实现电动或远控分接变换错操作,总装完成后的有载分接开关。
有载分接开关寿命长度和开断和关合过程产生的电弧与内绝缘能力有关,而有载分接开关的绝缘能力和有载分接开关的电场和密封性密切相关,本发明通过在设计阶段对有载分接开关的电场进行计算,以及不同工况下分接开关各部件表面电场的分布情况,在设计阶段对其进行优化,校核分接开关的绝缘性能,以便于提高寿命长度和提高性能,以及更好的适应运行环境。
发明内容
本发明解决的技术问题是:通过在设计阶段对有载分接开关的电场进行计算,以及不同工况下分接开关各部件表面电场的分布情况,在设计阶段对其进行优化,校核分接开关的绝缘性能,以便于提高寿命长度和提高性能,以及更好的适应运行环境。
为解决上述技术问题,本发明提供如下技术方案:一种大型变压器有载分接开关总体设计方法,包括建立有载分接开关仿真模型;
计算不同工况下的有载分接开关各部件的电场分布数据;
将所述电场分布数据输入所述有载分接开关仿真模型,生成所述有载分接开关的电场仿真模型;
基于电场分布数据获取所述有载分接开关各部件的电场理论耐受值,将所述电场理论耐受值与所述有载分接开关各部件电场的设计耐受值进行比较验证;
基于比较验证结果对所述有载分接开关上部件进行优化;
对优化后的所述有载分接开关的密封性进行验证。
作为本发明所述的大型变压器有载分接开关总体设计方法的一种优选方案,其中:将所述有载分接开关仿真模型分解成的单个的零部件;
对所述有载分接开关各部件进行编号。
作为本发明所述的大型变压器有载分接开关总体设计方法的一种优选方案,其中:将所述有载分接开关各部件分别进行单元剖分,所述单元剖分包括将所述有载分接开关各部件离散为各个单元组成的计算模型,离散后单元与单元之间利用单元的节点进行连接,基于所述有载分接开关各部件具体的形态和计算精度对所述有载分接开关各部件进行单元划分。
作为本发明所述的大型变压器有载分接开关总体设计方法的一种优选方案,其中:所述单元剖分中单元划分越密集则计算精度越高,计算量随之增大,网格划分足够细密时,单元体积远小于整体模型体积,所述有载分接开关各部件离散为各个单元组成的计算模型中单个单元的电导率和介电常数为已知常数,所述有载分接开关各部件包括线性电阻材料和非线性电阻材料,在线性电阻材料中,无空间电荷存在时,电位满足拉普拉斯方程,其计算表达式为:
其中,ε0表示真空介电常数,εi表示所检测的所述有载分接开关该部件的材料,表示单元的节点的相对介电常数;
在非线性电阻材料中,计算表达式为:
其中,J表示传导电流密度,D表示电位移矢量,并且传导电流密度J和电位移矢量E之间满足J=γ(E,T),γ(E,T)表示电导率,由于在非线性电阻材料中电场强度和温度是非线性函数,所以电位满足非线性散射方程,其计算表达式为:
其中,εj表示非线性电阻材料的相对介电常数。
作为本发明所述的大型变压器有载分接开关总体设计方法的一种优选方案,其中:有限元方程的计算表达式为:
其中:表示n×n阶的非线性刚度矩阵,/>表示n阶电位列向量,/>表示n阶列向量和等效的电荷密度所形成的n阶列向量之和,当电导率γ为线性时有限元方程成立。
作为本发明所述的大型变压器有载分接开关总体设计方法的一种优选方案,其中:对于非线性电阻,电导率γ会受到场强和温度变化的影响,需要对电导率γ值的真实值进行判断,在假设单元电导率γ为常数的前提下:
若电导率γ值符合真实值,则所求出的电位值可信;
若电导率γ值不符合真实值,则所求出的电位值不可信
通过逐次迭代的方法对电导率γ的值的真实值进行判断:
首先对每一个有限元单元给定初始电导率γ值,由此得到场域中各点电位和场强E,由电导率γ值与场强E和温度的非线性关系γ=f(E,T)获取新的电导率γ值;
若经过反复迭代计算,直到相邻两次求解的各点电位值与γ的值之差小于预先定义的精度值为止,则表示电导率γ值符合真实值;
若经过反复迭代计算,相邻两次求解的各点电位值与γ的值之差无法小于预先定义的精度值,则表示电导率γ值不符合真实值,其判断表达式为:
或
其中,N表示有限元单元总数,表示第k次迭代完成后的电位的值,Ek表示第k次迭代完成后的场强的值,将Tk表示第k次迭代完成后的温度的值。
作为本发明所述的大型变压器有载分接开关总体设计方法的一种优选方案,其中:将所述有载分接开关中各部件边缘作为边界条件,单个部件中单元电场数据的总和构成所述有载分接开关单个部件整体的电场分布数据;
所述不同工况包括工况一和工况二;
工况一:分接开关在级间6kV的额定电压;
工况二:主绝缘的工频电压设置为150kV;
分别在工况一和工况二条件下计算的有载分接开关各部件的电场分布数据;
将工况一和工况二条件下的所述编号与电场分布数据进行一一映射对应,生成所述有载分接开关的电场仿真模型。
作为本发明所述的大型变压器有载分接开关总体设计方法的一种优选方案,其中:将工况一和工况二中所述电场分布数据进行汇总;
工况一和工况二中所述电场分布数据的最大值作为有载分接开关单个部件场强的理论耐受值。
作为本发明所述的大型变压器有载分接开关总体设计方法的一种优选方案,其中:将所述有载分接开关各部件电场理论耐受值与所述有载分接开关各部件场强的设计耐受值进行比较验证,其包括:
设定电场设计耐受值的裕度值为Y,并且Y>0;
所述电场理论耐受值除以所述设计耐受值;
若结果小于1+Y,表示该部件电场理论耐受值小于设计耐受值,需要对该部件进行优化;
若结果大于或等于1+Y,表示该部件电场理论耐受值大于设计耐受值;
所述设计耐受值还包括极限耐受值,电场强度增大到某一极限时就会被击穿,将导致击穿的该电场强度作为所述有载分接开关各部件的极限耐受值,设定极限耐受值为X;
将合格部件的所述电场理论耐受值除以所述极限耐受值X;
若结果小于1+X,表示该部件电场理论耐受值小于极限耐受值,绝缘性较差,需要对该部件的绝缘性进行优化;
若结果大于或等于1+X,表示该部件电场理论耐受值小于极限耐受值,绝缘性良好,该部件为合格部件。
作为本发明所述的大型变压器有载分接开关总体设计方法的一种优选方案,其中:所述有载分接开关有载分接开关由切换开关油室和分接选择器组成,其中所述切换开关油室包括分接开关头部、绝缘筒和筒底,对优化后的所述切换开关油室密封性进行验证,包括;
基于优化后述有载分接开关仿真模型,对所述切换开关油室进行密封测试;
所述密封测试包括承压力MPa和测试时间t:
采集检测的承压力mpan和测试时间tn的值,并与预先设定的承压力mpa和测试时间t的设定值mpax和tx进行比较;
若mpan>mpax,并且tn>tx,表示所述切换开关油室的密封性高于预定值,符合密封要求;
若mpan<mpax、tn>tx或mpan>mpax、tn<tx或mpan<mpax、tn<tx,表示所述切换开关油室的密封性低于预定值,不符合密封要求,需要对所述切换开关油室的密封性进行优化。
本发明的有益效果:通过有载分接开关仿真模型,对不同工况下的有载分接开关各部件的电场分布数据进行计算,并获取各部件的理论耐受值,然后与不同工况下的各部件的场强设计耐受值进行比较,能够对基于所述设计数据对有载分接开关模型进行优化,提高其部件的场强理论耐受值,直到所述场强的理论耐受值大于设计耐受值,在设计阶段就可以有载分接开关各个部件的电场在不同工况下的理论耐受值进行比较验证,对分接开关的绝缘性能进行校验;而且能够对切换开关油室的密封性进行实验和验证,有利于减少设计弯路,加快设计速度,有利于提高有载分接开关的设计寿命,有利于保证有载分接开关工作的稳定性和安全性,使有载分接开关各处的绝缘性能均能保持良好的安全性。
附图说明
图1为本发明一个实施例提供的一种大型变压器有载分接开关总体设计方法的基本流程示意图。
图2为本发明一个实施例提供的一种大型变压器有载分接开关总体设计方法的单元剖分示意图。
图3为本发明一个实施例提供的一种大型变压器有载分接开关总体设计方法的有载分接开关整体电场分布示意图,其中左边为工况一条件下的整体电场分布示意图,右边为工况一条件下的整体电场分布示意图。
图4为本发明一个实施例提供的一种大型变压器有载分接开关总体设计方法中的1号部件电场分布示意图,其中左边为工况一条件下的1号部件电场分布示意图,右边为工况一条件下的1号部件电场分布示意图。
图5为本发明一个实施例提供的一种大型变压器有载分接开关总体设计方法中的2号部件电场分布示意图,其中左边为工况一条件下的2号部件电场分布示意图,右边为工况一条件下的2号部件电场分布示意图。
图6为本发明一个实施例提供的一种大型变压器有载分接开关总体设计方法中的3号部件电场分布示意图,其中左边为工况一条件下的3号部件电场分布示意图,右边为工况一条件下的3号部件电场分布示意图。
图7为本发明一个实施例提供的一种大型变压器有载分接开关总体设计方法中的4号部件电场分布示意图,其中左边为工况一条件下的4号部件四电场分布示意图,右边为工况一条件下的4号部件电场分布示意图。
图8为本发明一个实施例提供的一种大型变压器有载分接开关总体设计方法中的5号部件电场分布示意图,其中左边为工况一条件下的5号部件电场分布示意图,右边为工况一条件下的5号部件电场分布示意图。
图9为本发明一个实施例提供的一种大型变压器有载分接开关总体设计方法中的6号部件电场分布示意图,其中左边为工况一条件下的6号部件电场分布示意图,右边为工况一条件下的6号部件电场分布示意图。
图10为本发明一个实施例提供的一种大型变压器有载分接开关总体设计方法中的7号部件电场分布示意图,其中左边为工况一条件下的7号部件电场分布示意图,右边为工况一条件下的7号部件电场分布示意图。
图11为本发明一个实施例提供的一种大型变压器有载分接开关总体设计方法中的8号部件电场分布示意图,其中左边为工况一条件下的8号部件电场分布示意图,右边为工况一条件下的8号部件电场分布示意图。
图12为本发明一个实施例提供的一种大型变压器有载分接开关总体设计方法中的9号部件电场分布示意图,其中左边为工况一条件下的9号部件电场分布示意图,右边为工况一条件下的9号部件电场分布示意图。
图13为本发明一个实施例提供的一种大型变压器有载分接开关总体设计方法的有载分接开关切换原理示意图。
图14为本发明一个实施例提供的一种大型变压器有载分接开关总体设计方法的有载分接开关的整体结构示意图。
图15为本发明一个实施例提供的一种大型变压器有载分接开关总体设计方法切换开关油室的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明,显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部实施例。
实施例1
参照图1,为本发明的一个实施例,提供了一种大型变压器有载分接开关总体设计方法,包括:我们通常把容量为630kVA及以下的变压器为小型变压器;800-6300kVA的变压器为中型变压器;8000-63000kVA的变压器为大型变压器;90000kVA的变压器为特大型变压器。随着变压器容量越做越大,过去称大型的现在只能称中型
S1:建立有载分接开关仿真模型。
将所述有载分接开关仿真模型分解成的单个的零部件;
对所述有载分接开关各部件进行编号。
设计建模阶段可以UG、SolidWorks作为设计软件进行建模,可以采用BPA和PSASP进行有载分接开关仿真建模。
S2:计算不同工况下的有载分接开关各部件的电场分布数据。
参照图2,将所述有载分接开关各部件分别进行单元剖分,所述单元剖分包括将所述有载分接开关各部件离散为各个单元组成的计算模型,离散后单元与单元之间利用单元的节点进行连接,基于所述有载分接开关各部件具体的形态和计算精度对所述有载分接开关各部件进行单元划分。
有限元法中分析的结构已不是原有的物体或结构,而是由众多单元以一定方式连结形成的离散集合,因而所获得的结果为近似解。如果划分单元数量大且合理,则会得到与实际情况相符合的结果。
所述单元剖分中单元划分越密集则计算精度越高,计算量随之增大,网格划分足够细密时,单元体积远小于整体模型体积,所述有载分接开关各部件离散为各个单元组成的计算模型中单个单元的电导率和介电常数为已知常数,所述有载分接开关各部件包括线性电阻材料和非线性电阻材料,在线性电阻材料中,无空间电荷存在时,电位满足拉普拉斯方程,其计算表达式为:
其中,ε0表示真空介电常数,εi表示所检测的所述有载分接开关该部件的材料,表示单元的节点的相对介电常数;
在非线性电阻材料中,计算表达式为:
其中,J表示传导电流密度,D表示电位移矢量,并且传导电流密度J和电位移矢量E之间满足J=γ(E,T),γ(E,T)表示电导率,在实际计算中,材料种类是已知的,对应的材料电导率γ(E,T)也是已知的,由于在非线性电阻材料中电场强度和温度是非线性函数,所以电位满足非线性散射方程,其计算表达式为:
其中,εj表示非线性电阻材料的相对介电常数。
有限元方程的计算表达式为:
其中:表示n×n阶的非线性刚度矩阵,/>表示n阶电位列向量,/>表示n阶列向量和等效的电荷密度所形成的n阶列向量之和,当电导率γ为线性时有限元方程成立,根据材料参数表可以查找一些材料的相对介电常数/>和电导率γ。
表1:模型材料参数表。
序号 | 材料名称 | 相对介电常数 | 电导率(S/m) |
1 | 45#钢 | 1 | 2000000 |
2 | 紫铜 | 1 | 58000000 |
3 | 黄铜 | 1 | 15000000 |
4 | 铜钨 | 1 | 18200000 |
5 | 铝合金 | 1 | 38000000 |
6 | SMC | 4.5 | 0 |
7 | 尼龙 | 3 | 0 |
8 | 环氧 | 5 | 0 |
9 | 大型变压器油 | 2.2 | 0 |
对于非线性电阻,电导率γ会受到场强和温度变化的影响,需要对电导率γ值的真实值进行判断,在假设单元电导率γ为常数的前提下:
若电导率γ值符合真实值,则所求出的电位值可信;
若电导率γ值不符合真实值,则所求出的电位值不可信
通过逐次迭代的方法对电导率γ的值的真实值进行判断:
首先对每一个有限元单元给定初始电导率γ值,由此得到场域中各点电位和场强E,由电导率γ值与场强E和温度的非线性关系γ=f(E,T)获取新的电导率γ值;
若经过反复迭代计算,直到相邻两次求解的各点电位值与γ的值之差小于预先定义的精度值为止,则表示电导率γ值符合真实值;
若经过反复迭代计算,相邻两次求解的各点电位值与γ的值之差无法小于预先定义的精度值,则表示电导率γ值不符合真实值,其判断表达式为:
或
其中,N表示有限元单元总数,表示第k次迭代完成后的电位的值,Ek表示第k次迭代完成后的场强的值,将Tk表示第k次迭代完成后的温度的值。
分接开关的单元剖分如图3所示,对过渡和弧形区域进行了加密(增加单元剖分的密集度),单元数量约为537.92万。电场计算的收敛精度设为0.1%,连续两次迭代误差小于0.1%则满足收敛条件。
S3:将所述电场分布数据输入所述有载分接开关仿真模型,生成所述有载分接开关的电场仿真模型(参照图4)。
将所述有载分接开关中各部件边缘作为边界条件,单个部件中单元电场数据的总和构成所述有载分接开关单个部件整体的电场分布数据;
所述不同工况包括工况一和工况二;
工况一:分接开关在级间6kV的额定电压;
工况二:主绝缘的工频电压设置为150kV;
分别在工况一和工况二条件下计算的有载分接开关各部件的电场分布数据;
将工况一和工况二条件下的所述编号与电场分布数据进行一一映射对应,生成所述有载分接开关的电场仿真模型。
将工况一和工况二中所述电场分布数据进行汇总;
工况一和工况二中所述电场分布数据的最大值作为有载分接开关单个部件场强的理论耐受值。
S4:基于电场分布数据获取所述有载分接开关各部件的电场理论耐受值,将所述电场理论耐受值与所述有载分接开关各部件电场的设计耐受值进行比较验证。
S5:基于比较验证结果对所述有载分接开关上部件进行优化。
将所述有载分接开关各部件电场理论耐受值与所述有载分接开关各部件场强的设计耐受值进行比较验证,其包括:
设定电场设计耐受值的裕度值为Y,并且Y>0;
所述电场理论耐受值除以所述设计耐受值;
若结果小于1+Y,表示该部件电场理论耐受值小于设计耐受值,需要对该部件进行优化;
若结果大于或等于1+Y,表示该部件电场理论耐受值大于设计耐受值。
在有载分接开关技术参数中,一般会对设计耐受值规定有相关技术参数,裕度值Y作为电场理论耐受值与设计耐受值相比留有的耐受值余地,由于工作环境原因导致有载分接开关在实际使用过程中实际耐受值往往会略低于设计耐受值,可以通过裕度值Y对其进行补偿,以便于保障有载分接开关实际使用的性能。
可以将裕度值Y设置为0.1,即代表理论耐受值高于设计耐受值10%,也就是在将所述有载分接开关各部件电场理论耐受值与所述有载分接开关各部件场强的设计耐受值进行比较验证时,理论耐受值大于或等于设计耐受值的110%,才会被判定该部件电场理论耐受值大于设计耐受值。
所述设计耐受值还包括极限耐受值,电场强度增大到某一极限时就会被击穿,将导致击穿的该电场强度作为所述有载分接开关各部件的极限耐受值,设定极限耐受值为X;
将合格部件的所述电场理论耐受值除以所述极限耐受值X;
若结果小于1+X,表示该部件电场理论耐受值小于极限耐受值,绝缘性较差,需要对该部件的绝缘性进行优化;
若结果大于或等于1+X,表示该部件电场理论耐受值小于极限耐受值,绝缘性良好,该部件为合格部件。
极限耐受值用于计算所述有载分接开关部件中的绝缘部件,用于划定有载分接开关的两端的最高的工作电压,也可以作为在有载分接开关故障发生时的一个判定指标,若有载分接开关的两端电压由于短路或线路大型变压器开闭瞬间,导致其两端瞬间电压增大到高于极限耐受值就会导致有载分接开关被击穿。
根据对有载分接开关各个部件的理论耐受值与设计耐受值和极限耐受值进行比较验证,然后基于比较验证结果,对有载分接开关各个部件的形状、结构、尺寸和材料方面进行优化,然后继续对有载分接开关各个部件的理论耐受值与设计耐受值和极限耐受值进行比较验证,直到有载分接开关上的所有部件符合有载分接开关各个部件的极限耐受值和理论耐受值。
可以将极限耐受值X设置为0.1,即代表理论耐受值高于极限耐受值10%,也就是在将所述有载分接开关各部件电场理论耐受值与所述有载分接开关各部件场强的极限耐受值进行比较验证时,理论耐受值大于或等于极限耐受值的110%,才会被判定该部件电场理论耐受值大于极限耐受值,将合格部件的所述电场理论耐受值设置的高于极限耐受值的110%,对分接开关的绝缘性能进行校验,有利于保证有载分接开关工作的稳定性和安全性,使有载分接开关各处的绝缘性能均能保持良好的安全边界,防止被轻易击穿。
S6:优化后的所述有载分接开关的密封性进行验证。
参照图14和15,所述有载分接开关有载分接开关由切换开关油室100和分接选择器200组成,其中所述切换开关油室100包括分接开关头部101、绝缘筒102和筒底103,对优化后的所述切换开关油室100密封性进行验证,包括;
基于优化后述有载分接开关仿真模型,对所述切换开关油室100进行密封测试;
所述密封测试包括承压力MPa和测试时间t:
采集检测的承压力mpan和测试时间tn的值,并与预先设定的承压力mpa和测试时间t的设定值mpax和tx进行比较;
若mpan>mpax,并且tn>tx,表示所述切换开关油室100的密封性高于预定值,符合密封要求;
若mpan<mpax、tn>tx或mpan>mpax、tn<tx或mpan<mpax、tn<tx,表示所述切换开关油室100的密封性低于预定值,不符合密封要求,需要对所述切换开关油室100的密封性进行优化。
由于对有载分接开关各部件的理论耐受值进行优化时,对有载分接开关部件的形状、结构、尺寸和材料方面进行过优化,需要基于优化后述有载分接开关仿真模型,在Ansys软件中根据优化后述有载分接开关仿真模型重新建立切换开关油室100的仿真,然后对切换开关油室100模型的密封性进行仿真模拟测试。
本实施例中,分接开关头部101包括头部法兰和头盖,头部法兰是铸铝合金件,耐腐蚀;头部法兰上有弯管(含旁通管)和一个头部齿轮传动装置:弯管包括继电器弯管:通过保护继电器与分接开关储油柜相连;吸油弯管:油室换油时吸油用的,该管伸到油室内部;注油弯管:油室回油管。该管可与继电器弯菅互易;溢油通管:该管与变压器油箱相通,是变压器油箱溢油排气用;旁通菅:变压器与分接开关真空注油或变压器运输存贮过程中临时安装在注油弯管与溢油通管两法兰之间。
头部齿轮传动装置:将电动机构经传动轴的传动力引入分接开关,它安装在头部法兰上,该传动装置还带有分接位置指示装置,通过其装置上的观察窗能清晰观察到分接开关分接位置数。
头部法兰和头盖采用钟罩式安装,钟罩式安装是一种特殊设计可卸开分接开关头部。由两部分组成:一是中间支撑法兰,与绝缘筒及筒底联结构成油室,临时安装在变压器铁轭上;二是头部法兰,固装在钟罩盖上。两个法兰之间通过密封件和紧固件连接一起。
绝缘转轴长度与直径的选取不受限制,始终浸在干净的变压器油中,无需均压零部件,也保证足够绝缘裕度。此外,头部传动齿轮装置是安装在头部法兰上,而不在头盖上,吊芯检修不须拆卸水平传动轴。复装后无需进行联结校验,减少维修工作量。
绝缘筒102是一个环氧玻璃丝缠绕筒,上端与头部法兰相连,下端由筒底封住。筒上触头数为6个。筒底103由铸铝合金制成,其上有两根贯穿传动轴和一只排油螺钉。筒底103贯穿轴和处预留渗漏的检修部位,便于检修,且检修工作量大为减少,检修成本较低。筒底103下部有三组齿轮传动,通过筒底103中心贯穿传动轴向上传递传动力,带动切换开关变换操作。
本实施例中,密封性测试的条件采用75℃±10℃热油200kPa压力30min,然后检测切换开关油室100是否有渗漏现象。
在设计阶段就可以有载分接开关各个部件的电场在不同工况下的耐受值进行计算,并与设计耐受值进行比较,提高其部件的场强理论耐受值,而且对切换开关油室100的密封性进行实验和验证,有利于减少设计弯路,加快设计速度,有利于提高有载分接开关的设计寿命,对分接开关的绝缘性(极限耐受值)能进行校验,有利于保证有载分接开关工作的稳定性和安全性,使有载分接开关各处的绝缘性能均能保持良好的安全边界,防止被轻易击穿。
实施例2
参照图4-12,为本发明另一个实施例,该实施例不同于第一个实施例的是,提供了一种大型变压器有载分接开关总体设计方法,为对本方法中采用的技术效果加以验证说明,本实施例采用传统技术方案与本发明方法进行对比测试,以科学论证的手段对比试验结果,以验证本方法所具有的真实效果。
参照图4-11,其中图5-11为工况一和工况二的条件下部分部件的电场分布图,将两种工况的仿真结果进行汇总后,得到所述有载分接开关的场强最大值如表2和3所示。
表2:工况1下所述有载分接开关各部件场强最大值统计表。
部件名称 | 最大场强(kV/mm) | 部件名称 | 最大场强(kV/mm) |
1号部件 | 0.004 | 15号部件 | 0.125 |
2号部件 | 0.254 | 16号部件 | 0.035 |
3号部件 | 0.456 | 17号部件 | 0.077 |
4号部件 | 0.256 | 18号部件 | 0.048 |
5号部件 | 0.458 | 19号部件 | 0.143 |
6号部件 | 0.558 | 20号部件 | 0.296 |
7号部件 | 1.265 | 21号部件 | 0.092 |
8号部件 | 0.558 | 22号部件 | 0.403 |
9号部件 | 1.335 | 23号部件 | 0.150 |
10号部件 | 0.878 | 24号部件 | 0.969 |
11号部件 | 0.778 | 25号部件 | 0.311 |
12号部件 | 0.028 | 26号部件 | 0.002 |
13号部件 | 0.118 | 27号部件 | 0.002 |
14号部件 | 0.218 |
表3:工况2下所述有载分接开关各部件场强最大值统计表。
由表2可知,分接开关在工况一(有载分接开关在级间6kV的额定电压)作用下,各部件表面的最大场强均小于有载分接开关变压器油30-40kV/2.5mm的耐受值。同样地,由表3可知,在工况二(主绝缘的工频电压设置为150kV)作用下,有载分接开关各部件表面场强最大值小于7kV/mm。考虑到150kV仅为有效值,最大值简单起见可乘以根号2,不到10kV/mm,同样小于耐受值。
在正常加载级间电压或主绝缘工频电压等正常工况下,有载分接开关各处的绝缘性能均能保持良好的安全边界。但是相对来说,主绝缘工频电压工况下,离变压器油的绝缘耐受值较为接近,可以在实际使用中对有载分接开关变压器油中的水含量进行定期采样检查,以确保其符合安全要求。
参照图13,根据有载分接开关切换原理,图中R1,R2为限流电阻,A、B、T1、T2、V1、V2为触头开关,其中,T1、T2为单刀双掷开关,A、B为静触头开关,V1、V2为动触头开关,上述六个有载分接开关的开闭状态,将会影响分接选择器中电流的通路情况,进而影响有载分接开关的电场分布状况。
每张子图上黑色较粗的线表示当前状态电流流经的方向。通过分接选择器改变变压器接头,将电流通路从最左侧分支转移到最右侧分支,中间须通过调整上述六个开关的开闭状态经过10个过渡状态,以确保电流通路的稳定,不影响整个电力系统的供电安全性和可靠性。在验证有载分接开关电场的耐受值时,可以对有载分接开关10个过渡状态的整体电场分布情况采用仿真软件进行分别计算和验证,以保证有载分接开关电场理论耐受值更接近真实情况,以便于对有载分接开关的结构进行优化。
其中,状态0到状态5的过渡调整,主要目的是将流经分接选择器电流的起始点,由N改至N+1;状态5至状态10的调整,主要目的是将电流通路由左侧迁移至最右侧支路,以此来完成整个分接选择器的切换过程。
针对换流变压器采用双柱结构的特点,采用开关切换回路对称布置的结构,优化结构布置,改善开关芯子的受力情况,同时空间的增加,也可增加开关内绝缘的距离,提高绝缘裕度;搭建有载分接开关内部绝缘的典型结构电场仿真模型,优化油室内电场分布,分析关键区域最大场强和确定对应的场强设计裕度值。
本实施例中,根据比较验证结果对有载分接开关样机触头设计进行优化,综合考虑动、静触头之间的接触形式(夹片、对撞式),确定有载分接开关主触头和辅助触头接触形式,确保开关切换过程触头的有效性和可靠性开关芯子静触头采用叠片式接触定触头结构,其上装有压力弹簧,整个静触头由5个叠片式触头并联组合而成,增加了开关的载流能力;5个叠片式触头之间相互分隔能够有效的散热,降低温升,增加抗短路能力。
本实施例中对有载分接开关的样品进行实地测试,在对切换开关油室100仿真测试后可以制作有载分接开关的样品进行实地测试,以便于收集实际测试数据。
测试流程包括:
在切换开关油室100中充入变压器油,有载分接开关中的运动构件及触头涂变压器油润滑;
有载分接开关电动操作前,手动检查分接开关与电动机构连结正确性及两终端机械限位可靠性;
装配完好的有载分接开关,应在触头不带电的情况下,能无故障地进行10个操作循环,并采集测试数据。
电动机构应在运行条件下或者带上等效负载的情况下,能无故障地进行10个操作循环的电动操作并采集测试数据。
然后将测试数据与要求的相关技术参数进行对比。
应当认识到,本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现,其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而,若需要,该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下,该语言可以是编译或解释的语言。此外,为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种大型变压器有载分接开关总体设计方法,其特征在于,包括:
建立有载分接开关仿真模型;
计算不同工况下的有载分接开关各部件的电场分布数据;
将所述电场分布数据输入所述有载分接开关仿真模型,生成所述有载分接开关的电场仿真模型;
基于电场分布数据获取所述有载分接开关各部件的电场理论耐受值,将所述电场理论耐受值与所述有载分接开关各部件电场的设计耐受值进行比较验证;
基于比较验证结果对所述有载分接开关上部件进行优化;
对优化后的所述有载分接开关的密封性进行验证;
将所述有载分接开关仿真模型分解成的单个的零部件;
对所述有载分接开关各部件进行编号;
将所述有载分接开关各部件分别进行单元剖分,所述单元剖分包括将所述有载分接开关各部件离散为各个单元组成的计算模型,离散后单元与单元之间利用单元的节点进行连接,基于所述有载分接开关各部件具体的形态和计算精度对所述有载分接开关各部件进行单元划分;所述单元剖分中单元划分越密集则计算精度越高,计算量随之增大,网格划分足够细密时,单元体积远小于整体模型体积,所述有载分接开关各部件离散为各个单元组成的计算模型中单个单元的电导率和介电常数为已知常数,所述有载分接开关各部件包括线性电阻材料和非线性电阻材料,在线性电阻材料中,无空间电荷存在时,电位满足拉普拉斯方程,其计算表达式为:
其中,ε0表示真空介电常数,εi表示所检测的所述有载分接开关该部件的材料,表示单元的节点的相对介电常数;
在非线性电阻材料中,计算表达式为:
其中,J表示传导电流密度,D表示电位移矢量,并且传导电流密度J和电位移矢量E之间满足J=γ(E,T),γ(E,T)表示电导率,由于在非线性电阻材料中电场强度和温度是非线性函数,所以电位满足非线性散射方程,其计算表达式为:
其中,εj表示非线性电阻材料的相对介电常数;
有限元方程的计算表达式为:
其中:表示n×n阶的非线性刚度矩阵,/>表示n阶电位列向量,/>表示n阶列向量和等效的电荷密度所形成的n阶列向量之和,当电导率γ为线性时有限元方程成立;
对于非线性电阻,电导率γ会受到场强和温度变化的影响,需要对电导率γ值的真实值进行判断,在假设单元电导率γ为常数的前提下:若电导率γ值符合真实值,则所求出的电位值可信;
若电导率γ值不符合真实值,则所求出的电位值不可信;
通过逐次迭代的方法对电导率γ的值的真实值进行判断:首先对每一个有限元单元给定初始电导率γ值,由此得到场域中各点电位和场强E,由电导率γ值与场强E和温度的非线性关系γ=f(E,T)获取新的电导率γ值;
若经过反复迭代计算,直到相邻两次求解的各点电位值与γ的值之差小于预先定义的精度值为止,则表示电导率γ值符合真实值;
若经过反复迭代计算,相邻两次求解的各点电位值与γ的值之差无法小于预先定义的精度值,则表示电导率γ值不符合真实值,其判断表达式为:
或
其中,N表示有限元单元总数,表示第k次迭代完成后的电位的值,Ek表示第k次迭代完成后的场强的值,将Tk表示第k次迭代完成后的温度的值;
将所述有载分接开关中各部件边缘作为边界条件,单个部件中单元电场数据的总和构成所述有载分接开关单个部件整体的电场分布数据;所述不同工况包括工况一和工况二;
工况一:分接开关在级间6kV的额定电压;
工况二:主绝缘的工频电压设置为150kV;
分别在工况一和工况二条件下计算的有载分接开关各部件的电场分布数据;
将工况一和工况二条件下的所述编号与电场分布数据进行一一映射对应,生成所述有载分接开关的电场仿真模型;
将工况一和工况二中所述电场分布数据进行汇总;
工况一和工况二中所述电场分布数据的最大值作为有载分接开关单个部件场强的理论耐受值;
将所述有载分接开关各部件电场理论耐受值与所述有载分接开关各部件场强的设计耐受值进行比较验证,其包括:
设定电场设计耐受值的裕度值为Y,并且Y>0;
所述电场理论耐受值除以所述设计耐受值;
若结果小于1+Y,表示该部件电场理论耐受值小于设计耐受值,需要对该部件进行优化;
若结果大于或等于1+Y,表示该部件电场理论耐受值大于设计耐受值;所述设计耐受值还包括极限耐受值,电场强度增大到某一极限时就会被击穿,将导致击穿的该电场强度作为所述有载分接开关各部件的极限耐受值,设定极限耐受值为X;
将合格部件的所述电场理论耐受值除以所述极限耐受值X;
若结果小于1+X,表示该部件电场理论耐受值小于极限耐受值,绝缘性较差,需要对该部件的绝缘性进行优化;
若结果大于或等于1+X,表示该部件电场理论耐受值小于极限耐受值,绝缘性良好,该部件为合格部件;
所述有载分接开关有载分接开关由切换开关油室(100)和分接选择器(200)组成,其中所述切换开关油室(100)包括分接开关头部(101)、绝缘筒(102)和筒底(103),对优化后的所述切换开关油室(100)密封性进行验证,包括:
基于优化后述有载分接开关仿真模型,对所述切换开关油室(100)进行密封测试;
所述密封测试包括承压力MPa和测试时间t;
采集检测的承压力mpan和测试时间tn的值,并与预先设定的承压力mpa和测试时间t的设定值mpax和tx进行比较;
若mpan>mpax,并且tn>tx,表示所述切换开关油室(100)的密封性高于预定值,符合密封要求;
若mpan<mpax、tn>tx或mpan>mpax、tn<tx或mpan<mpax、tn<tx,表示所述切换开关油室(100)的密封性低于预定值,不符合密封要求,需要对所述切换开关油室(100)的密封性进行优化。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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