一种大容量高频变压器高频建模方法

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种大容量高频变压器高频建模方法。

背景技术

特高压输电系统运行过程中，将承受工频、操作、雷电等类型过电压的威胁。其中雷电过电压对特高压系统冲击最大，根据相关统计表明，雷击是导致输电线路跳闸的最主要原因，而雷电过电压是导致电力设备绝缘发生故障的重要因素之一。同时，我国也是一个多雷国家，东部沿海、华南、西部以及华中部分地区属于雷电活动最为频繁的区域。特高压输电线路输送距离远，途经多个省份，沿途气候、地形复杂，因此，特高压输电线路遭受雷击的概率更大。输电线路遭受雷击后，雷电流会以雷电侵入波的形式入侵特高压变电站，雷电侵入波会引起站内绕组类设备绝缘击穿以及一些设备外绝缘闪络，严重威胁站内设备的安全运行。理论上讲，特高压交流输电的电压等级越高、输送容量越大，绝缘故障带来的损失和系统扰动问题也将越严重，过电压计算与绝缘设计是否合理将直接影响整个工程的经济性甚至整个工程的安全性。因此准确计算特高压交流系统的过电压水平具有重要意义。

目前，雷电过电压计算多采用软件仿真，比较通用的仿真软件有EMTP 电磁暂态仿真程序和IEEE 防雷工作组的防雷计算程序FLASH，其中EMTP 应用最为广泛。EMTP仿真的基础是建立输电系统的过电压仿真模型，其中变压器作为电力系统中的核心装备，其模型对仿真结果具有较大影响，是过电压仿真建模工作中的重点。目前过电压仿真常用的模型有：端口电容模型、频率响应特性模型以及变压器传递过电压模型。端口电容模型利用一个集总参数电容等效变压器绕组对地电容、绕组间电容和绕组内部的串联电容，一般利用测量变压器在阶跃波下的电压响应特性计算获得或直接利用标准推荐值。端口电容模型没有考虑变压器绕组的磁特性，无法准确反映变压器在雷电过电压下的端口特性。频率响应模型是以RLC串并联电路模拟变压器，理论上该模型能更好地反映雷电过电压下变压器的端口特性，但是很少有文献研究该类型模型的建模方法与参数提取方法，因此需要进一步进行研究。

针对目前特高压变压器雷电过电压仿真建模存在的问题，本发明考虑雷电过电压仿真中不同的适用场景，以阻抗分析仪测量得到的阻抗宽频特性为基础，建立了不考虑雷电过电压传递特性的单端口模型和考虑雷电过电压传递特性的双端口模型。建模过程中利用矢量匹配、无源修正等方法保证了建模的准确性和无源性。最后利用现场测量的特高压交流变压器时域响应特性，验证了本发明所建模型的准确性。

发明内容

为了解决上述存在的技术问题，本发明考虑寄生电容的等效电路模型，以实际测量的变压器端口电路特性为基础，建立其等效电路模型，该电路模型能更好地反映变压器的电气特性。

本发明采用的技术方案如下：

一种大容量高频变压器高频建模方法，所述方法为建立大容量高频变压器双端口等效电路模型，所述等效电路模型为阻抗Z10、绕组Lm、阻抗Rm并联，阻抗Z20与绕组Ls、阻抗Rs串联，其中，Z10表示原边线圈之间的寄生阻抗，Z20表示副边线圈的寄生阻抗，在原边线圈和副边线圈之间设置阻抗Z12，Z12表示原副边之间的互阻抗，然后结合测量得到的阻抗数值和所提的考虑寄生参数的高频模型，利用常规的矢量匹配法的即可获得Z10，Z20和Z12三个参数，从而获得相应的高频模型。

进一步地，所述测量方法为：在测量时分别进行开短路校验以及负载校验以最大程度地降低测量引线对测量结果的影响，

测量步骤如下：

(1) 完成接线，此处采用“屏蔽层双端接地” 的接线方法；

(2) 电缆末端开路测量开路阻抗特性 Zo; 电缆末端短路测量短路阻抗 Zs; 电缆末端接负载，测量负载阻抗特性 Zlm; 直接测量负载的真实阻抗特性 Zl；

(3) 电缆末端接被测设备，测量得到宽频阻抗Zxm；

(4) 利用校验公式与测量数据校验获得设备校验后的阻抗特性 Zx。

本发明的有益效果：

本发明为一种大容量高频变压器高频建模方法容量大，适合于长距离大容量的新能源传输，利于长距离输电线路搭建。

本发明考虑寄生电容的等效电路模型，以实际测量的变压器端口电路特性为基础，建立其等效电路模型，该电路模型能更好地反映变压器的电气特性。

本发明所述电路等效模型，一般适用频段较高的大容量高频变压器的高频建模上。

本发明大容量高频变压器高频机理模型充分考虑了大容量高频变压器的主磁路电感特性和寄生电容效应，包括绕组与磁芯之间，绕组与外壳间的电容，而且所提模型的参数具有明确的物理意义。

附图说明

图1为建模流程示意图；

图2为特大容量高频变压器结构示意图；

图3为大容量高频变压器高频等效电路模型。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

本发明建模的基础是阻抗测试仪测量得到的变压器电气特性，因此首先要保证测量结果的准确性。大容量高频变压器较大，利用阻抗分析仪测量时会用到较长的测量引线，有时引线长达 30 m，长测量引线对测量结果有较大影响。

阻抗匹配建模法是常用的电路建模方法，利用测量得到的阻抗/导纳参数，结合由经验公式的数学表达式进行曲线，从而得到等效的电路模型。

双端口等效电路模型的仿真结果与实测结果在多种电压陡度上均吻合良好。基于传统工频模型的仿真结果与实测结果差别较大，本发明所提模型峰值最大误差仅为10% 。因此本发明所提特高压交流变压器端口等效模型适用于变电站的操作过电压计算。

本发明以大容量高频变压器为研究对象，在雷击过电压条件下，进行不同工程应用场景下的输出端口高频等效建模，参数提取，仿真对比，所提高频模型与常规稳态模型的对比分析等研究。

本发明用于大容量高频变压器寄生参数的测量,寄生参数的传输及存储,寄生参数的函数拟合,考虑寄生参数的等效电路的生成,等效电路元件的无源优化。通过高频建模方法得到大容量高频变压器的含有寄生电感的高频等效电路模型,用于频域和时域仿真,为分析大容量高频变压器的传输特性、瞬态均压问题的研究提供理论依据。

在测量时分别进行开短路校验以及负载校验以最大程度地降低测量引线对测量结果的影响。

测量步骤如下：

(1) 完成接线，此处采用“屏蔽层双端接地” 的接线方法。

(2) 电缆末端开路测量开路阻抗特性 Zo; 电缆末端短路测量短路阻抗 Zs; 电缆末端接负载，测量负载阻抗特性 Zlm; 直接测量负载的真实阻抗特性 Zl。

(3) 电缆末端接被测设备，测量得到宽频阻抗Zxm。

(4) 利用校验公式与测量数据校验获得设备校验后的阻抗特性 Zx。

大容量高频变压器的结构示意图如图2所示。变压器原边由串联绕组、公共绕组形成，俩者之间含有磁芯；副边绕组为单一的低压绕组，也含有磁芯。此类变压器结构非常复杂，现有变压器建模方法不能完成其建模工作。

图3中所示的变压器双端口等效电路模型。考虑到高频情况下的寄生参数的特性，在常规变压器模型上增加了Z10，Z20和Z12三个阻抗。其中，Z10表示原边线圈之间的寄生阻抗，Z20表示副边线圈的寄生阻抗，Z12表示原副边之间的互阻抗。在考虑这三个寄生参数后，可以很好地反映高频变压器在雷击过电压下的高频特性。

结合测量得到的阻抗数值和所提的考虑寄生参数的高频模型，利用常规的矢量匹配法的即可获得Z10，Z20和Z12三个参数，从而获得相应的高频模型。