一种交直流叠加激励下变压器零序电磁参数提取方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，涉及一种交直流叠加激励下变压器零序电磁参数提取方法。

背景技术

交直流混联电网是电网发展的新形态，其规模的迅速扩大致使直流单极大地回线或双极不平衡运行工况激增，变压器中性点遭受直流入侵日趋严峻，导致其振动和过热加剧，甚至造成电网大面积停电。解决变压器中性点交直流叠加激励下油箱和油隙电磁特性精准表征的难题，需要建立适配交直流混联电网的完整变压器电磁暂态模型，而揭示交直流激励下油隙和油箱零序磁通时空分布规律以及零序动态漏电感参数解析分析是以上工作的前提。

关于变压器油箱等结构件的电磁暂态建模，早期传统变压器电磁暂态建模常大幅线性化油箱和油隙，其电感参数由标准零序测试获取，本质上仅能表征非线性电感在线性段的特性，无法表征油箱饱和非线性特征。为了赋予变压器电磁暂态模型对非线性零序特性的表征能力，基于Cauer电路的集总模型和计及油箱等结构件的分布模型被提出，前者假设三相零序磁通全部流入箱壁，将箱壁中涡流简化为沿箱壁周界流动的环流，整个箱壁采用25阶的Γ型单值非线性拓扑电路模拟，后者则以结构件和油隙漏磁通分布为依据，建立非线性电感和电阻串、并联的等值拓扑电路模型，对于漏磁空间分布具有一定的表征能力。

但是上述模型都存在相应的缺点：1、交直流叠加激励下，对于零序磁通的表征，集总模型仅对油箱箱壁模拟程度较高，简化了对箱盖、箱底、油隙以及拉板等结构件零序磁通的表征，未考虑油箱局部动态环流特性，造成对零序磁通表征结果不精确。2、交直流叠加激励下，对于零序磁通的表征，分布模型亦仅考虑其轴向非均匀分布，忽略辐向非均匀分布及边缘效应，而当变压器容量较大时辐向分布不可忽略。3、集总模型和分布模型均以工频零序测试数据提取模型参数，难以准确刻画油箱时变局部饱和与杂散损耗动态时变特性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种交直流叠加激励下变压器零序电磁参数提取方法，提取油隙和油箱的零序磁通，补充传统集总模型和分布模型简化或忽略的零序参数，从而降低三相变压器零序磁通仿真计算误差，为交直流混联电网大规模全电磁暂态仿真提供基础模型。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种交直流叠加激励下变压器零序电磁参数提取方法，该方法通过建立三相变压器电磁场模型，依据该模型模拟不同工况下三相变压器的场路耦合模型，同时应用时域场路耦合方法，基于能量扰动原理计算零序接线下三相变压器的漏磁通以得到油隙和油箱零序磁通的时空分布三维可视化仿真图，从而进行动态漏电感参数解析分析。

优选地，以双绕组三相三柱变压器的拓扑结构、材料属性和尺寸参数为依据，利用ANSYS软件建立三相变压器的电磁场模型。三相三柱变压器包括A、B和C三相铁心柱，上、下铁轭，以及三相绕组；其中上、下铁轭分别设置在三相铁心柱上、下两侧；三相绕组设置为高压绕组在外，低压绕组在内。

优选地，三相三柱变压器设置在一油箱模型中。

优选地，在三相变压器正常三相交流激励的基础上，通过在中性点上串接直流电压源，模拟中性点直流入侵的情况，得到不同工况下三相变压器的场路耦合模型。工况类型包括正常三相交流激励、零序接线、三相交直流叠加激励、三相交直流叠加激励时零序接线。

优选地，计算变压器动态漏电感的方法为：首先建立直流偏磁时三相变压器的电路模型，基于该模型构建时域微分方程：

然后建立T型等效电路，忽略不同相高压绕组间的互感以及不同相低压绕组间的互感，同时将二次侧参数归算到一次侧，得到等效电路矩阵方程：

通过动态漏电感矩阵[L

本发明的有益效果在于：本发明采用有限元方法，以时间和空间两个维度建立三相变压器的电磁场模型，通过仿真建立零序磁通的传输路径，利用能量平衡方法结合T型等效电路分离动态漏电感，从而补充传统集总模型和分布模型简化或忽略的零序参数，降低三相变压器零序磁通仿真计算误差，为交直流混联电网大规模全电磁暂态仿真提供基础模型。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为三相变压器电磁场模型；

图2为不同工况下三相变压器场路耦合模型；其中(a)为正常三相交流激励工况，(b)为三相交直流叠加激励工况，(c)为零序接线工况，(d)为三相交直流叠加激励时零序接线工况；

图3为直流偏磁时变压器电路模型；

图4为变压器T型等效电路；

图5为正常激励及遭受直流入侵时铁心磁通密度变化正视图；

图6为正常激励及遭受直流入侵时铁心磁通密度变化侧视图；

图7为正常激励及遭受直流入侵时铁心磁通密度变化俯视图；

图8为零序接线及遭受直流入侵时铁心磁通密度变化正视图；

图9为零序接线及遭受直流入侵时铁心磁通密度变化侧视图；

图10为零序接线及遭受直流入侵时铁心磁通密度变化俯视图；

图11为不同工况下油隙磁通密度变化正视图；

图12为不同工况下油隙磁通密度变化侧视图；

图13为不同工况下油隙磁通密度变化俯视图；

图14为正常三相激励下直流入侵对油箱漏磁的影响；

图15为零序接线时直流入侵对油箱漏磁的影响；

图16为正常三相激励下直流入侵对绕组电流的影响；

图17为正常三相激励下直流入侵对油箱涡流损耗的影响。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明通过建立一种基于有限元方法的三相变压器电磁场模型，分别与四种不同工况下的电路模型耦合，提取油隙和油箱零序磁通的时空分布三维可视化仿真图，能够补充传统集总模型和分布模型简化或忽略的零序参数，从而降低三相变压器零序磁通仿真计算误差。本发明主要包括以下三个部分：

一、基于ANSYS的三相变压器电磁场模型

为了研究油箱对大型变压器的影响，本发明以双绕组三相三柱变压器的拓扑结构、材料属性和变压器尺寸参数为依据，利用ANSYS软件建立变压器的磁场模型，并且通过有限元方法，分析计算磁场的参数。如图1所示为三相变压器的电磁场模型，图中三个圆柱体为变压器的三相绕组，绕制在三相铁心柱上，其中每一相高压绕组在外、低压绕组在内。铁心柱上下分别连接有铁轭，三相三柱变压器设置在一油箱模型中。三相三柱变压器磁场模型的求解域为邮箱模型外表面。

其中上、下铁轭以及铁心均采用自定义看磁性硅钢片，线圈材料为铜，油箱材料为1010碳钢。激励为时域微分电路迭代计算得到的线圈电流。

二、不同工况下三相变压器场路耦合模型

三相变压器的一次侧为星型接地连接方式，二次侧同样为星型并短路。本发明在传统零序实验和正常三相激励的基础上，在中性点上串接直流电压源，模拟中性点直流入侵的情况，由此得到4种不同工况下三相变压器的电路模型。工况类型分别为：正常三相交流激励，如图2(a)所示；三相交直流叠加激励，如图2(b)所示；零序接线，如图2(c)所示；三相交直流叠加激励时零序接线，如图2(d)所示。

三、零序接线下三相变压器动态漏电感参数解析分析

采用能量的方法计算电感参数具有较高的准确性，应用时域场路耦合方法，基于能量扰动原理计算变压器动态电感，通过T型等效电路可以将总漏电感等效分配到变压器两侧，从而计算单侧漏电感。直流偏磁时变压器电路模型如图3所示，以A相为例，直流偏磁时电路系统的时域微分方程为：

结合图4所示的T型等效电路，忽略不同相高压绕组之间的互感和不同相低压绕组之间的互感，并将二次侧参数归算到一次侧，推导出等效电路矩阵方程：

通过动态漏电感矩阵[L

采用本发明方法提取的相关数据如下：

1、不同工况下变压器铁心界面磁通密度时空分布情况

(1)正常三相交流激励及遭受直流入侵时不同截面磁通密度的时空分布

如图5所示，从正面看，中间心柱的磁场强度高于两侧心柱，铁轭中磁通密度分布随时间变化明显，直流入侵会导致铁心中的磁通密度增强，铁心最大磁密的变化可达0.4T。如图6所示，从侧面看，心柱中间部分磁通密度较小，直流入侵会增强这部分的磁通密度，铁心最大磁密的变化可达0.1T。从顶部看，如图7所示，中间心柱的磁通密度高于两侧心柱的磁通密度，直流入侵会增强中间心柱的磁通密度，铁心最大磁密的变化可达0.13T。

(2)零序接线及遭受直流入侵时不同截面磁通密度的时空分布

从正面看，直流入侵会导致铁心柱磁通密度增强，如图8所示，相较于三相激励时，零序接线时铁心最大磁密的变化值更大，可达0.22T。从侧面看，如图9所示，铁心中间部分磁通密度相对较大，直流入侵会导致铁心柱磁通密度增强，相较于三相激励，零序接线时铁心最大磁密的变化更大，可达到0.4T。从顶部看，如图10所示，三相心柱和绕组磁通密度分布基本相同，直流入侵会导致铁心柱磁通密度增强，相较于三相激励时，铁心最大磁密的变化更大，达到0.24T。

2、不同工况下油隙截面磁通的时空分布

如图11所示，从正面看，零序接线下油隙中磁通密度明显高于三相激励下油隙中的磁通密度，直流入侵会导致油隙靠近铁轭的磁通密度显著增强，且磁通密度超过0.01T的范围扩大。在正常三相交流激励下，直流入侵会导致油隙靠近铁轭处的磁通密度增加，磁通密度超过0.005T的范围变大。

如图12所示，从侧面看，零序接线下油箱上部分的磁通密度高于三相激励下的磁通密度，直流入侵会造成油隙磁通密度范围变化更大，且在正常三相交流激励时表现得更明显。从顶部看，如图13所示，在正常三相交流激励和零序接线下，直流入侵都会增强油隙径向磁通密度。

3、不同工况下直流入侵对油箱漏磁产生的影响

如图14所示，正常三相激励下，直流入侵会改变变压器油箱漏磁的分布情况，导致油箱部分区域漏磁增加，轻微饱和。在零序接线时，由于三相磁通同向，流入油箱的磁通增多，变压器油箱部分区域局部饱和，如图15所示，相对于正常三相激励时，饱和程度加重，面积增大。

4、不同工况下直流入侵对其他参数产生的影响

如图16所示，在正常三相激励时，直流入侵会导致三相绕组电流相加不为零，中性点出现零序电流；在零序接线时，直流入侵会导致在前半周时零序电流增加，后半周时零序电流减小。如图17所示，在正常三相激励下，直流入侵会导致变压器油箱中的涡流大幅增加，从而导致油箱涡流损耗激增；零序接线下，直流入侵会导致在前半周油箱上涡流及损耗提高，后半周油箱上涡流及损耗减小。

最后说明的是，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，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。