一种干式空心电抗器匝间短路故障模拟方法及系统

技术领域

本发明涉及电力设备故障模拟技术领域，特别是涉及一种干式空心电抗器匝间短路故障模拟方法及系统。

背景技术

干式空心电抗器是电力系统中应用广泛的感性元件，起到无功补偿、限制短路电流、滤除高次谐波、减少直流系统谐波分量等作用。随着电力系统规模的发展，电抗器的数量日益增多，电抗器的安全稳定运行意义重大，电抗器能否安全可靠运行是保持电力系统稳定性的关键。近些年来，电抗器烧毁事故时有发生，对电力系统的安全可靠运行造成严重威胁。对电抗器多起事故的分析表明，匝间短路是导致电抗器起火烧毁的主要原因。因此，研究匝间短路对电抗器状态参数的影响，捕捉电抗器匝间短路故障初期的电磁特性和温升特性，对及时发现并切除电抗器匝间短路早期故障具有极其重要的意义。

现有的干式空心电抗器匝间短路故障状态的仿真建模分析，只分析匝间金属熔接性短路故障的电动力分布或磁场分布，缺乏对电抗器匝间短路故障初期的研究。电抗器承受的负荷一般为热负荷、机械负荷及运行时的电压差，其中热负荷是影响电抗器寿命的关键因素，运维人员也是通过定期用成像仪测量电抗器的温度对其进行检修维护，但是目前缺乏对电抗器匝间短路故障初期的状态分析。

发明内容

本发明实施例提供了一种干式空心电抗器匝间短路故障模拟方法及系统，解决了目前缺乏对电抗器匝间短路故障初期的状态分析问题。

本发明提供一种干式空心电抗器匝间短路故障模拟方法，包括以下步骤：

建立干式空心电抗器的几何模型；

结合几何模型与多物理场耦合方程，得到干式空心电抗器的耦合模型；

对耦合模型进行正常运行仿真模拟，得到正常运行状态下的电气参数以及多物理场分布情况；

设置匝间短路初期故障点，对耦合模型进行匝间短路初期故障仿真模拟，得到匝间短路初期故障状态下的电气参数以及多物理场分布情况；

将正常运行状态下与匝间短路初期故障状态下的电气参数以及多物理场分布情况进行对比，得到匝间短路故障状态下的电气参数变化规律以及多物理场分布特性。

优选的，根据包封数、层数、匝数、高度、内径和外径几何参数，建立干式空心电抗器二维轴对称的几何模型。

优选的，结合几何模型与多物理场耦合方程之前，需验证几何模型的准确性，包括以下步骤：

设置几何模型的绕组材料和空气域，并对设置后的几何模型及空气域进行网格剖分；

分别对干式空心电抗器各层绕组施加激励，计算出每层的电感值；

计算每层的电感值与设计单的电感值之间的第一相对误差；

对干式空心电抗器施加额定电压激励，计算额定工况下的各层电流；

计算额定工况下的各层电流与设计单的电流值之间的第二相对误差；

若第一相对误差和第二相对误差不满足设定值，则对干式空心电抗器的几何模型进行修正。

优选的，所述绕组材料包括电抗器导体线圈、包封和外部空气，绕组材料的属性包括电导率、相对磁导率、相对介电常数、参考电阻率、电阻率温度系数、参考温度、密度、导热系数、恒压热容、比热率和动力黏度。

优选的，对设置后的几何模型进行标准化自由三角形剖分，对设置后的空气域进行粗化自由三角形剖分。

优选的，所述多物理场耦合方程包括电磁场耦合方程、温度场耦合方程以及流体场耦合方程；

所述电磁场耦合方程如下式所示：

式中，r为柱坐标下径向距离，A为磁矢量位，z为轴向距离，μ

所述温度场耦合方程如下式所示：

式中，Q为焦耳热，k为导热率，

所述流体场耦合方程如下式所示：

式中，u为速度矢量，ρ为密度，P为压力，v为速度，α为流体动力粘度，g为重力加速度。

优选的，通过设置耦合模型单匝短路来模拟匝间短路初期故障点。

优选的，采用瞬态分析对耦合模型进行仿真模拟。

优选的，所述电气参数包括，所述多物理场包括电磁场、温度场以及流体场。

一种干式空心电抗器匝间短路故障模拟系统，包括：

几何模型构建模块，用于建立干式空心电抗器的几何模型；

耦合模型构建模块，用于结合几何模型与多物理场耦合方程，得到干式空心电抗器的耦合模型；

正常仿真模块，用于对耦合模型进行正常运行仿真模拟，得到正常运行状态下的电气参数以及多物理场分布情况；

故障仿真模块，用于设置匝间短路初期故障点，对耦合模型进行匝间短路初期故障仿真模拟，得到匝间短路初期故障状态下的电气参数以及多物理场分布情况；

对比模块，用于将正常运行状态下与匝间短路初期故障状态下的电气参数以及多物理场分布情况进行对比，得到匝间短路故障状态下的电气参数变化规律以及多物理场分布特性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过建立干式空心电抗器的几何模型，结合多物理场耦合方程，建立了干式空心电抗器耦合模型。该模型直接将多物理场耦合方程耦合至几何模型，对该模型设置初期故障点，然后进行仿真，即可得到故障初期状态下的多物理场仿真结果。本发明有助于研究干式空心电抗器在匝间短路初期故障状态下的多物理场特性，对及时发现并切除干式空心电抗器匝间短路故障具有重要意义，有利于干式空心电抗器的安全可靠运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种干式空心电抗器匝间短路故障模拟方法的流程图；

图2为本发明在正常运行状态下仿真模型的多物理场分布情况示意图；

图3为本发明在匝间短路故障下的仿真模型的多物理场分布情况示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出的一种干式空心电抗器匝间短路故障模拟方法，参照图1，包括以下步骤：

第一步：建立干式空心电抗器的几何模型，对额定工况进行仿真模拟，利用仿真结果与干式空心电抗器额定参数进行对比，验证仿真模型的准确性。具体包括：

S1：根据包封数、层数、匝数、高度、内径和外径等几何参数，建立干式空心电抗器二维轴对称模型的几何模型。在进行几何建模时，考虑干式空心电抗器的筒状结构，建立二维轴对称模型，将空气域设置为圆柱筒的几何结构。表1为本实施例的干式空心电抗器各几何参数值。

表1干式空心电抗器各几何参数值

S2：设置干式空心电抗器的绕组材料。需要设置材料属性的部位包括电抗器导体线圈、包封和外部空气，其中电抗器线圈采用的材料为铝，包封采用的材料为环氧树脂。需设置的材料属性包括：电导率、相对磁导率、相对介电常数、参考电阻率、电阻率温度系数、参考温度、密度、导热系数、恒压热容、比热率和动力黏度。表2为本实施例的干式空心电抗器的绕组材料部位以及材料属性值。

表2干式空心电抗器的绕组材料部位以及材料属性值

S3：为了增强电磁计算的准确性，在仿真计算中添加无限元域，无限元域功能本质上为扩散型的控制方程，“无限元”表示沿特定坐标轴拉伸的区域，其作用是近似形成无限大的域，添加无限元域后，电磁计算更接近真实状况。

S4：对干式空心电抗器几何模型及空气域进行网格剖分，考虑计算效率和准确性，对干式空心电抗器本体进行标准化自由三角形剖分，对空气域进行粗化自由三角形剖分。

S5：分别对干式空心电抗器各层绕组施加激励，计算出每层的电感值，并与设计单的电感值作对比。

S6：对干式空心电抗器施加额定电压激励，计算额定工况下的各层电流，并与设计单的电流值作对比。

S7：计算仿真计算值与额定值之间的相对误差。计算公式为：

表3几何模型每层的电感值与设计单的电感值之间的第一相对误差

表4几何模型额定工况下的各层电流与设计单的电流值之间的的第二相对误差

表3为本实施例的几何模型每层的电感值与设计单的电感值之间的第一相对误差值，表4为本实例的几何模型额定工况下的各层电流与设计单的电流值之间的的第二相对误差值。

S8：若仿真模型满足计算的准确性，则继续步骤S2，若误差较大，则对干式空心电抗器二维轴对称仿真模型进行修正。

第二步：结合几何模型与多物理场耦合方程，得到干式空心电抗器的耦合模型。

多物理场耦合方程包括电磁场耦合方程、温度场耦合方程以及流体场耦合方程；

电磁场耦合方程如下式所示：

式中，r为柱坐标下径向距离，A为磁矢量位，z为轴向距离，μ

温度场耦合方程如下：

干式空心电抗器绕组导线中的热传导方程为：

其中，Q为焦耳热，W/m

干式空心电抗器绕组绝缘中的热传导方程为：

在空气自然对流条件下，动量传递和热量传递的耦合控制方程为：

其中，u为速度矢量，ρ为密度，P为压力。

第三步：对耦合模型进行正常运行仿真模拟，得到正常运行状态下的电气参数以及多物理场分布情况。图2为正常运行状态下仿真模型的多物理场分布情况。

第四步：设置匝间短路故障点，对耦合模型进行匝间短路故障仿真模拟，得到匝间短路故障状态下的电气参数以及多物理场分布情况。图3为匝间短路故障下的仿真模型的多物理场分布情况。在和图2相同的几何模型下改变了某一匝的电路连接形式，即把某一匝的线圈短路，再进行仿真计算得到的结果。

第五步：将正常运行状态下的电气参数以及多物理场分布情况与匝间短路故障状态下的电气参数以及多物理场分布情况进行对比，得到匝间短路故障状态下的电气参数变化规律以及多物理场分布。

基于同一个发明构思，本发明还提供一种干式空心电抗器匝间短路故障模拟系统，包括几何模型构建模块、耦合模型构建模块、正常仿真模块、故障仿真模块以及对比模块。

几何模型构建模块用于建立干式空心电抗器的几何模型。

耦合模型构建模块用于结合几何模型与多物理场耦合方程，得到干式空心电抗器的耦合模型。

正常仿真模块用于对耦合模型进行正常运行仿真模拟，得到正常运行状态下的电气参数以及多物理场分布情况。

故障仿真模块用于设置匝间短路初期故障点，对耦合模型进行匝间短路初期故障仿真模拟，得到匝间短路初期故障状态下的电气参数以及多物理场分布情况。

对比模块用于将正常运行状态下与匝间短路初期故障状态下的电气参数以及多物理场分布情况进行对比，得到匝间短路故障状态下的电气参数变化规律以及多物理场分布特性。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。