一种电力变压器承受直流偏磁能力计算方法及系统

技术领域

本发明属于电力变压器直流偏磁技术领域，具体涉及一种电力变压器承受直流偏磁能力计算方法及系统。

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、铁心温升增加等问题，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，从评价方法的适应范围来看，理论上数值模拟法具有很强的适应能力，可以适用于任何一个厂家的任何一台变压器产品的直流偏磁耐受能力评估，但其花费的时间代价很长、工作量也很大，更重要的是这种评价方法必须基于非常详细的设计数据的支撑，且未考虑负荷电流和直流偏磁电流的暂态效应。本申请发明人在先申请的中国专利公开文献CN114638140A通过构建变压器热磁耦合有限元模型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。但是对通过大数据的方式来评价电力变压器的直流偏磁能力，以降低变压器热磁耦合有限元模型计算的比重没有涉及。

发明内容

为了对电力变压器承受直流偏磁能力进行评价，本发明提供了一种电力变压器承受直流偏磁能力计算方法及系统，通过构建电力变压器直流偏磁能力评估数据库，实现直流偏磁耐受能力的大数据计算，结合电力变压器磁热耦合有限元模型补充完善数据，可以使直流偏磁能力评估更为系统化，效率更高。

本发明是这样来实现的。一种电力变压器承受直流偏磁能力计算方法，步骤如下：

步骤一、构建电力变压器直流偏磁能力评估数据库，电力变压器直流偏磁能力评估数据库的数据包含电力变压器技术参数和偏磁性能耐受参数；

步骤二、获取待评估电力变压器的电力变压器技术参数，包括电气参数、结构参数和材料参数；根据结构参数将电力变压器分为有零序磁通闭合通路型电力变压器和无零序磁通闭合通路型电力变压器；

步骤三、将待评估电力变压器的电力变压器技术参数与电力变压器直流偏磁能力评估数据库匹配，如匹配成功，计算偏磁性能耐受参数并进入步骤四，如匹配不成功，进入步骤五；

步骤四、根据待评估电力变压器参数类型、磁路几何长度、可耐受直流磁场强度许用值和偏磁热过载系数计算直流偏磁耐受能力；

步骤五、基于电力变压器磁热耦合有限元模型对电力变压器直流偏磁能力进行计算，并完善电力变压器直流偏磁能力评估数据库；

步骤六、当电力变压器中性点遭受最大直流电流超过电力变压器直流偏磁耐受能力时，计算实际直流电流下电力变压器可运行的时长。

进一步优选，步骤二中，所述电气参数包括电力变压器容量、电力变压器额定电流、电力变压器额定电压、电力变压器散热方式和电力变压器温升限值，结构参数包括器身结构形式和器身尺寸，器身结构形式包括电力变压器相数和铁芯柱数，材料参数包括硅钢片磁化特性曲线和机械特性曲线。所述偏磁性能耐受参数包括可耐受直流磁场强度和偏磁热过载系数，可耐受直流磁场强度由铁芯材料和结构参数决定，初值取1400A/m，偏磁热过载系数由电力变压器损耗和散热方式决定，初值取1.3。

进一步优选，步骤二中，获取的结构参数为电力变压器相数和铁芯柱数，对m相n柱型铁芯结构的电力变压器，当n>m时，电力变压器为有零序磁通闭合通路型电力变压器；当n≤m时，电力变压器为无零序磁通闭合通路型电力变压器。

进一步优选，步骤三中，计算偏磁性能耐受参数是指将待评估电力变压器技术参数与电力变压器直流偏磁能力评估数据库内电力变压器模型的技术参数相匹配。

进一步优选，步骤三中，对于无零序磁通闭合通路型电力变压器，根据电压等级、容量、型号对电力变压器直流偏磁能力评估数据库进行筛选，求解数据库内所有与待评估电力变压器相同电压等级、相同容量、相同散热方式电力变压器的偏磁热过载系数，裁剪平均数作为待评估电力变压器的偏磁热过载系数。

进一步优选，步骤三中，对于有零序磁通闭合通路型电力变压器，根据电压等级、容量、型号对电力变压器直流偏磁能力评估数据库进行筛选，求解电力变压器直流偏磁能力评估数据库内所有与待评估电力变压器相同电压等级、相同容量、相同型号结构参数电力变压器的磁路几何长度、励磁绕组匝数的裁剪平均数作为待评估电力变压器的磁路几何长度和励磁绕组匝数。

进一步优选，步骤三中，按硅钢片型号对电力变压器直流偏磁能力评估数据库进行检索，确定待评估电力变压器的可耐受直流磁场强度许用值。

进一步优选，步骤四中，无零序磁通闭合通路型电力变压器基于热效应的复合电流的有效值

进一步优选，步骤四中，对于有零序磁通闭合通路型电力变压器，电力变压器承受的直流偏磁电流：

；

式中，

本发明还提供了一种电力变压器承受直流偏磁能力计算系统，包括电力变压器直流偏磁能力评估数据库、数据匹配模块、偏磁校核模块、暂态计算模块及数据校正模块；所述电力变压器直流偏磁能力评估数据库、数据匹配模块、偏磁校核模块和暂态计算模块依次顺序连接，其中数据校正模块根据求解情况返回电力变压器直流偏磁能力评估数据库和偏磁校核模块循环计算；

电力变压器直流偏磁能力评估数据库用于存储不同型号电力变压器直流偏磁参数，包括电力变压器铁芯电磁参数、铁芯结构参数、散热方式、电压等级、容量及对应的偏磁热过载系数和可耐受直流磁场强度许用值；

数据匹配模块根据待计算电力变压器求解按铁芯结构参数、电压等级、散热方式精确匹配，铁芯结构参数、容量模糊匹配拟合效应待评价电力变压器的偏磁热过载系数和可耐受直流磁场强度许用值；

偏磁校核模块用于适应选取的数据计算电力变压器承受直流偏磁能力；

暂态计算模块根据用于当实际电力变压器最大直流偏磁大于计算出的电力变压器承受直流偏磁能力偏差时，计算实际直流电流暂态工况下电力变压器可运行的时长。

本发明的有益效果：通过构建电力变压器直流偏磁能力评估数据库，通过偏磁校核模块用于适应选取的数据计算电力变压器承受直流偏磁能力；通过暂态计算模块根据用于当实际电力变压器最大直流偏磁大于计算出的电力变压器承受直流偏磁能力偏差时，计算实际直流电流暂态工况下电力变压器可运行的时长。本发明可实现直流偏磁耐受能力的大数据计算，结合电力变压器磁热耦合有限元模型补充完善数据，可以使直流偏磁能力评估更为系统化，效率更高。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明的系统流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐明本发明。

参照图1，一种电力变压器承受直流偏磁能力计算方法，步骤如下：

步骤一、构建电力变压器直流偏磁能力评估数据库，电力变压器直流偏磁能力评估数据库的数据包含电力变压器技术参数和偏磁性能耐受参数。所述电力变压器技术参数包含电气参数、结构参数和材料参数，其中电气参数包括电力变压器容量、电力变压器额定电流、电力变压器额定电压、电力变压器散热方式和电力变压器温升限值，结构参数包括器身结构形式和器身尺寸，器身结构形式包括电力变压器相数和铁芯柱数，材料参数包括硅钢片磁化特性曲线和机械特性曲线。所述偏磁性能耐受参数包括可耐受直流磁场强度和偏磁热过载系数，可耐受直流磁场强度由铁芯材料和结构参数决定，初值取1400A/m，偏磁热过载系数由电力变压器损耗和散热方式决定，初值取1.3。

步骤二、获取待评估电力变压器的电力变压器技术参数，包括电气参数、结构参数和材料参数。根据结构参数将电力变压器分为有零序磁通闭合通路型电力变压器和无零序磁通闭合通路型电力变压器。获取的结构参数为电力变压器相数和铁芯柱数，对m相n柱型铁芯结构的电力变压器，当n>m时，电力变压器为有零序磁通闭合通路型电力变压器；当n≤m时，电力变压器为无零序磁通闭合通路型电力变压器。

步骤三、将待评估电力变压器的电力变压器技术参数与电力变压器直流偏磁能力评估数据库匹配，如匹配成功，计算偏磁性能耐受参数并进入步骤四，如匹配不成功，进入步骤五；

电力变压器直流偏磁耐受能力与电力变压器技术参数与铁芯材料相关，相同电压等级、相同容量、相同型号、相同铁芯材料的电力变压器其耐受直流偏磁能力的核心技术参数均在一个较小的范围内波动，因此计算偏磁性能耐受参数即将待评估电力变压器技术参数与电力变压器直流偏磁能力评估数据库内电力变压器模型的技术参数相匹配。

1.对于无零序磁通闭合通路型电力变压器，根据电压等级、容量、型号对电力变压器直流偏磁能力评估数据库进行筛选，求解数据库内所有与待评估电力变压器相同电压等级、相同容量、相同散热方式电力变压器的偏磁热过载系数，裁剪平均数作为待评估电力变压器的偏磁热过载系数

2、对于有零序磁通闭合通路型电力变压器，根据电压等级、容量、型号对电力变压器直流偏磁能力评估数据库进行筛选，求解电力变压器直流偏磁能力评估数据库内所有与待评估电力变压器相同电压等级、相同容量、相同型号结构参数电力变压器的磁路几何长度、励磁绕组匝数的裁剪平均数作为待评估电力变压器的磁路几何长度和励磁绕组匝数。

所述磁路几何长度的求解方式：生成有零序磁通闭合通路型电力变压器铁芯饱和后的等值磁路拓扑模型，铁芯达到磁饱和后，整个磁路的拓扑结构可等效为线圈内部的空道磁阻与对应段的铁芯磁阻并联，线圈端部磁阻与外部空间磁阻并联，以及铁轭、旁柱与其外部空间磁阻的并联这四个并联电阻的串联。其中，铁轭、旁柱、线圈端部铁芯部分的等值磁阻受外部空间磁阻的影响，以致整体磁阻并不与铁芯的磁路几何长度成正比，须予以修正。

按硅钢片型号对电力变压器直流偏磁能力评估数据库进行检索，确定待评估电力变压器的可耐受直流磁场强度许用值。

步骤四、根据待评估电力变压器参数类型、磁路几何长度、可耐受直流磁场强度许用值和无零序磁通闭合通路型电力变压器的偏磁热过载系数计算直流偏磁耐受能力。

无零序磁通闭合通路型电力变压器，由于磁路没有零序磁通的闭合通路，直流磁动势主要降落在铁芯外部的高磁阻部件，主要约束条件是直流电流通过励磁绕组所产生的热效应。铁芯磁路的等值磁阻很小，一个小的直流电流磁动势将在铁芯中激发出大量的直流磁通，使得铁芯使处于半波偏置状态，进而产生复杂的励磁电流和漏磁通分布。因此，无零序磁通闭合通路型电力变压器基于热效应的复合电流的有效值

对于有零序磁通闭合通路型电力变压器，电力变压器承受的直流偏磁电流：

，

式中，

步骤五、基于电力变压器磁热耦合有限元模型对电力变压器直流偏磁能力进行计算，并完善电力变压器直流偏磁能力评估数据库。

构建电力变压器磁热耦合有限元模型，电力变压器磁热耦合有限元模型包括瞬态电磁场模块和稳态温度场模块，瞬态电磁场模块包括设置铁芯硅钢片磁化特性、铜导线电导率、磁屏蔽板参数和绝缘油介电常数，并注入励磁绕组负载电流和直流偏磁电流，计算工频周期内电力变压器在偏磁工况下的电力变压器瞬态励磁绕组损耗、铁芯损耗和结构件损耗；瞬态电磁场与稳态温度场的多物理场耦合关系包括设置电磁场热损耗作为温度场热源的耦合时间与耦合间隔，将在直流偏磁下电力变压器稳态电磁场损耗数据耦合至稳态温度场模块，然后设置散热系数、绝缘介质参数和边界条件；稳态温度场绝缘介质参数包括绝缘油的导热系数，边界条件设置外部空气包为环境温度。稳态温度场中各部件温升限值按正常周期性负载下的电力变压器温度限制设置具体为，电力变压器模型的顶层油温、励磁绕组热点温度、结构件热点温度限值分别为105℃、120℃、140℃。

电力变压器直流偏磁能力通过直流偏磁电流来衡量，电力变压器磁热耦合有限元模型求解电力变压器承受的直流偏磁电流过程为：将磁热耦合求解获得的励磁绕组稳态热点温升与电力变压器稳态温升限值进行比较，若偏差小于温度系统偏磁1K则认为该电流值为电力变压器的直流偏磁耐受能力的限值，若偏差大于温度系统偏差1K则需要进一步调整电流重新进行计算，直到求解偏差满足要求为止，记为电力变压器承受的直流偏磁电流。

步骤六、当电力变压器中性点遭受最大直流电流I

采用电力变压器磁热耦合有限元模型，电力变压器各组部件在温度场温升限制主要考核电力变压器处于短期的非正常工作状态下的偏磁电流耐受能力，不考虑绝缘寿命损失的，等效于电力变压器长时急救负载下的电力变压器温度限值要求，电力变压器磁热耦合有限元模型的顶层油温、励磁绕组热点温度、铁芯热点温度限值115℃、140℃和160℃。按步骤五所述电力变压器磁热耦合有限元模型求解方法计算顶层油温限值

，

当顶层油温较励磁绕组热点温度、铁芯热点温度首先达到限值时，将电力变压器磁热耦合有限元模型求解方法计算的温度系统偏差调整为0.5K,并重新计算电力变压器允许运行的时长。

计算变压器油与油箱、油箱与外部空气包的辐射换热系数

，

式中，

，

其中，

计算励磁绕组与变压器油间的对流换热系数：

；

其中，

为工频状态下变压器油温差，当电力变压器在直流偏磁与工频两种状态下变压器油温差比值/>

；

励磁绕组与变压器油间的对流换热系数校正为：

。

计算所述电力变压器运行在直流偏磁电流下电力变压器各组部件到达电力变压器长时急救负载下的电力变压器温度限值的最短时间。

参照图2，一种电力变压器承受直流偏磁能力计算系统，包括电力变压器直流偏磁能力评估数据库、数据匹配模块、偏磁校核模块、暂态计算模块及数据校正模块；所述电力变压器直流偏磁能力评估数据库、数据匹配模块、偏磁校核模块和暂态计算模块依次顺序连接，其中数据校正模块根据求解情况返回电力变压器直流偏磁能力评估数据库和偏磁校核模块循环计算；

电力变压器直流偏磁能力评估数据库用于存储不同型号电力变压器直流偏磁参数，包括电力变压器铁芯电磁参数、铁芯结构参数、散热方式、电压等级、容量及对应的偏磁热过载系数和可耐受直流磁场强度许用值。

数据匹配模块根据待计算电力变压器求解按铁芯结构参数、电压等级、散热方式精确匹配，铁芯结构参数、容量模糊匹配拟合效应待评价电力变压器的偏磁热过载系数和可耐受直流磁场强度许用值。

偏磁校核模块用于适应选取的数据计算电力变压器承受直流偏磁能力。

暂态计算模块根据用于当实际电力变压器最大直流偏磁大于计算出的电力变压器承受直流偏磁能力偏差时，计算实际直流电流暂态工况下电力变压器可运行的时长。

以上实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。