CN116894373B - 一种干式电压互感器分频谐振下耐压值的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种干式电压互感器分频谐振下耐压值的确定方法，属于干式电压互感器耐压值测试技术领域；解决了电压互感器在发生分频谐振时造成的设备安全隐患问题；包括如下步骤：采用群集智能算法进行迭代确定历次分频谐振耐压计算值；建立干式电压互感器有限元仿真模型，对仿真模型施加外激励条件，评价历次分频谐振耐压计算值对绝缘材料性能的影响；在每次分频谐振耐压试验后，对干式电压互感器的空载电流特性、绕组直流电阻进行测量，通过与未进行分频耐压前的试验数据比较，评价历次分频谐振耐压计算值对干式电压互感器铁磁材料和绕组性能的影响；构建综合评价函数模型进行评分；本发明应用于干式电压互感器。
Description
技术领域
本发明提供了一种干式电压互感器分频谐振下耐压值的确定方法，属于干式互感器耐压值测试技术领域。
背景技术
35kV电压互感器多采用固体绝缘结构。在投入电网运行后，当电网参数发生变化时，电压互感器易出现铁磁谐振现象。根据频率不同，铁磁谐振可分为基频谐振、高频谐振和分频谐振。
当发生分频谐振时，电压互感器电压升高，频率降低，铁磁回路磁感应强度增加，铁磁回路饱和，电压互感器的励磁电流也会大幅提高，此时铁心和绕组发热较基频、高频谐振更加严重，可能会对互感器绝缘材料、铁磁材料和绕组造成不可逆损坏，严重影响设备安全稳定运行。因此，需要对分频谐振下电压互感器的耐压值进行试验，确保设备的安全运行。
发明内容
本发明为了解决电压互感器在发生分频谐振时造成的设备安全隐患问题，提出了一种干式电压互感器分频谐振下耐压值的确定方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种干式电压互感器分频谐振下耐压值的确定方法，包括如下步骤：
S1：采用群集智能算法进行迭代确定历次分频谐振耐压计算值；
S2：建立干式电压互感器有限元仿真模型，对仿真模型施加外激励条件，通过关键参数评价历次分频谐振耐压计算值对绝缘材料性能的影响；
S3：在每次分频谐振耐压试验后，对干式电压互感器的空载电流特性、绕组直流电阻进行测量，通过与未进行分频耐压前的试验数据比较，评价历次分频谐振耐压计算值对干式电压互感器铁磁材料和绕组性能的影响；
S4：构建干式电压互感器分频谐振耐压综合评价函数模型进行评分，当综合评分低于阈值或迭代达到设定次数时，结束迭代，得到干式电压互感器分频谐振耐压值。
在进行步骤S1前先搭建干式电压器分频谐波耐受电路，所述电路包括可调变频电源、升压励磁变压器、交流高压分压器和被试干式电压互感器，所述可调变频电源的输入端连接三相交流电，所述可调变频电源的输出端输出频率可调的单相交流电，所述升压励磁变压器的低压侧输入端与可调变频电源的输出端相连，所述升压励磁变压器的高压侧输出端与被试干式电压互感器相连，所述交流高压分压器并联在被试干式电压互感器两端用于监测被试干式电压互感器上的电压值。
所述步骤S1中采用群集智能算法进行迭代确定历次分频谐振耐压计算值的过程如下：
设第i次迭代后的被试干式电压互感器的耐压值为u i，当前的耐压值飞行速度为v i，定义f(u i)为最小化目标函数，p i为第i次迭代前f min对应的电压值，；
第i+1次迭代后的耐压值u i+1在权重w的作用下进行更新：
；
；
其中，C 1、C 2为加速度常数；r 1i和r 2i为两个互为独立的随机数；
采用自适应权重算法得到最小化目标函数：
；
；
；
其中，w min和w max是预先给定的最小惯性系数和最大惯性系数；f ave为第i次迭代时所有目标函数值的平均值；f min为第i次迭代时所有目标函数值的最小值。
所述步骤S2中干式电压互感器有限元仿真模型的构建过程如下：
获取干式电压互感器绕组、铁心、绝缘介质的三维几何参数，建立三维几何模型；
设置绕组、铁心、绝缘介质的材料属性和电气性能参数；
对干式电压互感器模型中各组成部分进行网格剖分，网格单元为正方体；
然后施加外激励条件，分为两种工况：第一种工况为50Hz正常运行情况下额定相电压；第二种工况为历次迭代后的耐压值u i，持续设定时间，且在施加耐压值之前，设置干式电压互感器各部件的初始温度条件，采用第一种工况下的温度场分布结果；
在几何模型搭建、参数设置、网格剖分、施加激励的基础上，得到第i次迭代后的干式电压互感器各部件电场强度和温度分布图，绝缘介质最大场强为E i，最高温度为T i。
所述步骤S2中采用Fallou模型评价历次迭代获得的耐压值对干式电压互感器绝缘性能的影响，评价模型的表达式如下：
；
上式中：L i为干式电压互感器绝缘材料寿命，A1、A2、B1和B2是常数，与具体的绝缘材料种类及试验环境有关，E i为干式电压互感器在第i次耐压值u i激励下内部绝缘材料场强的最高值，单位为kV/mm，T i为干式电压互感器在第i次耐压值激励下内部绝缘材料温度的最高值，单位为K，其中i=1,2,3，…，n。
所述步骤S3具体包括：
首先记录干式电压互感器在首次分频耐受电压试验前的空载特性曲线，并作为原始数组，该数组为X0=[I1，I2，I3，I4，I5]，其中I1，I2，I3，I4，I5分别为低压侧施加额定电压的20%、50%、80%、100%、120%情况下的空载电流，第i次分频耐受电压u i后测得的空载特性数组为Yi=[I1i，I2i，I3i，I4i，I5i]，其中I1i，I2i，I3i，I4i，I5i分别为低压侧施加第i次分频耐受电压u i的20%、50%、80%、100%、120%情况下的空载电流；
第i次测得的与原始数组的相关系数R i，误差平方和为S i，其计算公式如下：
；
；
在分频耐压试验前、施加历次分频耐压u i试验后，对干式电压互感器高、低压绕组进行直流电阻测量，测量电流为5A，高压绕组在分频耐压试验前的直流电阻测量值为r10，各低压绕组在未进行分频耐压试验前的直流电阻为[r210,r220,…, r2m0]，其中m为电压互感器低压绕组数量，高压绕组在第i次试验后的直流电阻为r1i，各低压绕组在第i次试验后的直流电阻为[r21i, r22i,…, r2mi]；
定义干式电压互感器绕组偏差为P i，通过P i评价第i次分频耐压试验后对干式电压互感器绕组的影响，P i的表达式如下：
。
所述步骤S4中干式电压互感器分频谐振耐压综合评价函数模型的表达式如下：
；
上式中：f(u i)表示第i次分频耐压试验后干式电压互感器综合状态评价函数，R i表示第i次测得的干式电压互感器空载特性曲线与首次分频耐受电压试验前的空载特性曲线的相关系数，S i表示第i次测得的干式电压互感器空载特性曲线与首次分频耐受电压试验前的空载特性曲线的误差平方和，L 0为干式电压互感器在额定相电压激励工况下绝缘材料寿命，L i为干式电压互感器在第i次耐压值u i激励下的绝缘材料寿命，P i为干式电压互感器绕组偏差。
当f(u i)≤80或迭代达到100次时，结束迭代，输出当前u i为干式电压互感器分频谐振耐压值。
本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明采用群集智能算法进行迭代确定历次分频谐振耐压计算值，采用自适应权重算法避免出现局部收敛的问题。通过分析历次分频谐振耐压计算值对干式电压互感器绝缘材料、铁心、绕组的影响，带入分频谐振耐压综合评价函数模型，当综合评分低于阈值或迭代达到设定次数时，结束迭代，得到干式电压互感器分频谐振耐压值。本发明为干式电压互感器分频谐振电压耐受能力的考核提供了新方法。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明干式电压互感器分频谐波耐受电路的结构示意图；
图2为本发明方法的流程图；
图中：1为变频柜、2为励磁变压器、3为分压器、4为被试干式电压互感器、31为高压电容、32为低压电容、33为电压表。
具体实施方式
如图1-2所示，本发明提供了一种干式电压互感器分频谐波耐压值的确定方法，采用群集智能算法进行迭代确定历次分频谐振耐压计算值，建立干式电压互感器有限元仿真模型，施加历次分频谐振耐压计算值，通过场强、温度等关键参数评价历次分频谐振耐压计算值对绝缘材料性能的影响；在每次分频谐振耐压试验后，对干式电压互感器的空载电流特性、绕组直流电阻进行测量，通过与未进行分频耐压前的试验数据比较，评价历次分频谐振耐压计算值对干式电压互感器铁磁材料和绕组性能的影响。在干式电压互感器分频谐振耐压综合评价函数模型下，当综合评分低于阈值或迭代达到设定次数时，结束迭代，得到干式电压互感器分频谐振耐压值。
本发明方法的具体实施步骤如下：
第一步：搭建干式电压互感器分频谐波耐受电路，包括可调变频电源，升压励磁变压器，交流高压分压器，被试干式电压互感器4。试验频率在25Hz和16.7Hz下进行第二步至第八步之间循环，得到二分频和三分频下的耐压值。
本发明搭建的干式电压互感器分频谐波耐受电路具体如图1所示，包括变频柜1，励磁变压器2，分压器3，被试干式电压互感器4。其中分压器3包括高压电容31、低压电容32和电压表33，通过高压电容31和低压电容32的电容分压比和电压表33显示的电压确定被试干式电压互感器4两端电压，该电压通过高压电容31与低压电容32电容分压比和低压电容32实测电压相乘得到。
变频柜1的输入电压为三相380V交流电压，变频柜1的输出电压为频率可调（10-100Hz）的0-400V单相交流电压。励磁变压器2的额定电压比为100kV/400V，励磁变压器2的400V低压侧与变频柜1的输出连接，励磁变压器2的100kV高压侧与被试电压互感器4连接，分压器3并联在被试电压互感器4两端，用于监测被试电压互感器4施加电压值。
第二步：采用群集智能算法确定分频谐波下的耐受电压值（耐压值），耐压初值设置为额定相电压，迭代最大次数设置为100次。
设第i次迭代后的耐压值为u i，当前的飞行速度为v i，定义f(u i)为最小化目标函数，p i为第i次迭代前f min对应的电压值；f(u i)值越小，对干式电压互感器4考核越严格。对于最小化问题，群集智能算法中耐压值u i最优值为全局最好位置，即：
；
耐压值飞行速度v i，第i+1次迭代后的耐压值u i+1在权重w的作用下进行更新：
；
；
其中，C 1、C 2为加速度常数；r 1i和r 2i为两个互为独立的随机数。
采用自适应权重算法避免出现局部收敛问题，自适应权重w i的计算公式如下：
；
；
；
其中，w min和w max分别为预先给定的最小和最大惯性系数，分别为0.4和0.9；f ave为第i次迭代时所有函数值的平均值；f min为第i次迭代时所有函数值的最小值。
第三步：为获得历次耐压试验对干式电压互感器内部绝缘材料性能的影响，建立干式电压互感器有限元仿真模型。
获取干式电压互感器绕组、铁心、绝缘介质的三维几何参数，建立三维几何模型；设置绕组、铁心、绝缘介质的材料属性和电气性能参数；对干式电压互感器模型中各组成部分进行网格剖分，网格单元为正方体，其中绕组和铁心的边长为50mm，绝缘介质的边长为40mm。
施加外部激励条件，外部激励源为一次绕组施加交流电压，分为两种工况：第一种工况为50Hz正常运行情况下额定相电压；第二种工况为历次迭代后的耐压值u i，持续时间为1min，且在施加耐压值之前，设置干式电压互感器各部件的初始温度条件，采用第一种工况下的温度场分布结果。
在几何模型搭建、参数设置、网格剖分、施加激励的基础上，得到第i次迭代后的干式电压互感器各部件电场强度和温度分布图，绝缘介质最大场强为E i，最高温度为T i。
第四步：采用Fallou模型评价历次迭代获得的耐压值对干式电压互感器绝缘性能的影响，其评价公式如下：
；
其中，L i为干式电压互感器在第i次耐压值u i激励下的绝缘材料寿命，A1、A2、B1和B2是常数，与具体的绝缘材料种类及试验环境有关，E i为干式电压互感器在第i次（i=1,2,3，…，n）耐压值u i激励下内部绝缘材料场强的最高值，单位为kV/mm，T i为干式电压互感器在第i次耐压值激励下内部绝缘材料温度的最高值，单位为K。L 0为干式电压互感器在额定相电压激励工况下绝缘材料寿命。
第五步：在第i次分频耐受电压u i后进行干式电压互感器空载励磁特性试验，高压侧开路，低压侧施加工频相电压，励磁特性曲线的测量点为额定电压的20%、50%、80%、100%、120%，记录低压侧空载电流。
首先记录干式电压互感器在首次分频耐受电压试验前的空载特性曲线，并作为原始数组，该数组为X0=[I1，I2，I3，I4，I5]，其中I1，I2，I3，I4，I5为低压侧空载电流（低压侧施加额定电压的20%、50%、80%、100%、120%情况下）。第i次分频耐受电压u i后测得的空载特性数组为Yi=[I1i，I2i，I3i，I4i，I5i]。
第i次测得的与原始数组的相关系数R i，误差平方和为S i，其计算公式如下：
；
。
第六步：在分频耐压试验前、施加历次分频耐压u i试验后，对干式电压互感器高、低压绕组进行直流电阻测量，测量电流为5A，高压绕组在分频耐压试验前的直流电阻测量值为r10，各低压绕组在未进行分频耐压试验前的直流电阻为[r210,r220,…, r2m0]，其中m为电压互感器低压绕组数量。高压绕组在第i次试验后的直流电阻为r1i，各低压绕组在第i次试验后的直流电阻为[r21i, r22i,…, r2mi]。
为考核第i次分频耐压试验后对干式电压互感器绕组的影响，定义干式电压互感器绕组偏差为P i，其计算公式如下：
。
第七步：综合考虑历次分频谐振耐压值u i对干式电压互感器绝缘、铁心和绕组的影响，定义第i次分频耐压试验后干式电压互感器综合状态评价函数为f(u i)，其计算公式如下：
。
第八步：当f(u i)≤80或迭代达到100次时，结束迭代，输出当前u i为干式电压互感器分频谐振耐压值。
关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、相互间连接方式以及，由上述技术特征带来的常规使用方法、可预期技术效果，除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的专利、期刊论文、技术手册、技术词典、教科书中已公开内容，或属于本领域常规技术、公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种干式电压互感器分频谐振下耐压值的确定方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：采用群集智能算法进行迭代确定历次分频谐振耐压计算值；
所述步骤S1中采用群集智能算法进行迭代确定历次分频谐振耐压计算值的过程如下：
设第i次迭代后的被试干式电压互感器的耐压值为u i，当前的耐压值飞行速度为v i，定义f(u i)为最小化目标函数，p i为第i次迭代前f min对应的电压值，；
第i+1次迭代后的耐压值u i+1在权重w的作用下进行更新：
；
；
其中，C 1、C 2为加速度常数；r 1i和r 2i为两个互为独立的随机数，
采用自适应权重算法得到最小化目标函数：
；
；
；
其中，w min和w max是预先给定的最小惯性系数和最大惯性系数；f ave为第i次迭代时所有目标函数值的平均值；f min为第i次迭代时所有目标函数值的最小值；
S2：建立干式电压互感器有限元仿真模型，对仿真模型施加外激励条件，通过关键参数评价历次分频谐振耐压计算值对绝缘材料性能的影响；
S3：在每次分频谐振耐压试验后，对干式电压互感器的空载电流特性、绕组直流电阻进行测量，通过与未进行分频耐压前的试验数据比较，评价历次分频谐振耐压计算值对干式电压互感器铁磁材料和绕组性能的影响；
S4：构建干式电压互感器分频谐振耐压综合评价函数模型进行评分，当综合评分低于阈值或迭代达到设定次数时，结束迭代，得到干式电压互感器分频谐振耐压值。
2.根据权利要求1所述的一种干式电压互感器分频谐振下耐压值的确定方法，其特征在于：在进行步骤S1前先搭建干式电压器分频谐波耐受电路，所述电路包括可调变频电源、升压励磁变压器、交流高压分压器和被试干式电压互感器，所述可调变频电源的输入端连接三相交流电，所述可调变频电源的输出端输出频率可调的单相交流电，所述升压励磁变压器的低压侧输入端与可调变频电源的输出端相连，所述升压励磁变压器的高压侧输出端与被试干式电压互感器相连，所述交流高压分压器并联在被试干式电压互感器两端用于监测被试干式电压互感器上的电压值。
3.根据权利要求2所述的一种干式电压互感器分频谐振下耐压值的确定方法，其特征在于：所述步骤S2中干式电压互感器有限元仿真模型的构建过程如下：
获取干式电压互感器绕组、铁心、绝缘介质的三维几何参数，建立三维几何模型；
设置绕组、铁心、绝缘介质的材料属性和电气性能参数；
对干式电压互感器模型中各组成部分进行网格剖分，网格单元为正方体；
然后施加外激励条件，分为两种工况：第一种工况为50Hz正常运行情况下额定相电压；第二种工况为历次迭代后的耐压值u i，持续设定时间，且在施加耐压值之前，设置干式电压互感器各部件的初始温度条件，采用第一种工况下的温度场分布结果；
在几何模型搭建、参数设置、网格剖分、施加激励的基础上，得到第i次迭代后的干式电压互感器各部件电场强度和温度分布图，绝缘介质最大场强为E i，最高温度为T i。
4.根据权利要求3所述的一种干式电压互感器分频谐振下耐压值的确定方法，其特征在于：所述步骤S2中采用Fallou模型评价历次迭代获得的耐压值对干式电压互感器绝缘性能的影响，评价模型的表达式如下：
；
上式中：L i为干式电压互感器绝缘材料寿命，A1、A2、B1和B2是常数，与具体的绝缘材料种类及试验环境有关，E i为干式电压互感器在第i次耐压值u i激励下内部绝缘材料场强的最高值，单位为kV/mm，T i为干式电压互感器在第i次耐压值激励下内部绝缘材料温度的最高值，单位为K，其中i=1,2,3，…，n。
5.根据权利要求4所述的一种干式电压互感器分频谐振下耐压值的确定方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括：
首先记录干式电压互感器在首次分频耐受电压试验前的空载特性曲线，并作为原始数组，该数组为X0=[I1，I2，I3，I4，I5]，其中I1，I2，I3，I4，I5分别为低压侧施加额定电压的20%、50%、80%、100%、120%情况下的空载电流，第i次分频耐受电压u i后测得的空载特性数组为Yi=[I1i，I2i，I3i，I4i，I5i]，其中I1i，I2i，I3i，I4i，I5i分别为低压侧施加第i次分频耐受电压u i的20%、50%、80%、100%、120%情况下的空载电流；
第i次测得的与原始数组的相关系数R i，误差平方和为S i，其计算公式如下：
；
；
在分频耐压试验前、施加历次分频耐压u i试验后，对干式电压互感器高、低压绕组进行直流电阻测量，测量电流为5A，高压绕组在分频耐压试验前的直流电阻测量值为r10，各低压绕组在未进行分频耐压试验前的直流电阻为[r210,r220,…, r2m0]，其中m为电压互感器低压绕组数量，高压绕组在第i次试验后的直流电阻为r1i，各低压绕组在第i次试验后的直流电阻为[r21i, r22i,…, r2mi]；
定义干式电压互感器绕组偏差为P i，通过P i评价第i次分频耐压试验后对干式电压互感器绕组的影响，P i的表达式如下：
。
6.根据权利要求5所述的一种干式电压互感器分频谐振下耐压值的确定方法，其特征在于：所述步骤S4中干式电压互感器分频谐振耐压综合评价函数模型的表达式如下：
；
上式中：f(u i)表示第i次分频耐压试验后干式电压互感器综合状态评价函数，R i表示第i次测得的干式电压互感器空载特性曲线与首次分频耐受电压试验前的空载特性曲线的相关系数，S i表示第i次测得的干式电压互感器空载特性曲线与首次分频耐受电压试验前的空载特性曲线的误差平方和，L 0为干式电压互感器在额定相电压激励工况下绝缘材料寿命，L i为干式电压互感器在第i次耐压值u i激励下的绝缘材料寿命，P i为干式电压互感器绕组偏差。
7.根据权利要求6所述的一种干式电压互感器分频谐振下耐压值的确定方法，其特征在于：当f(u i)≤80或迭代达到100次时，结束迭代，输出当前u i为干式电压互感器分频谐振耐压值。
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