一種分析變壓器在直流偏磁影響下的勵磁特性變化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)設(shè)備及電網(wǎng)安全穩(wěn)定保障措施領(lǐng)域，尤其涉及一種分析變壓 器在直流偏磁影響下的勵磁特性變化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 直流偏磁：流經(jīng)繞組的直流電流成為變壓器勵磁電流的一部分，該直流電流使變 壓器鐵芯偏磁，改變了變壓器的工作點，使得磁化曲線工作區(qū)的一部分偏移至鐵芯磁飽和 區(qū)，結(jié)果總勵磁電流變成尖頂波，最終導(dǎo)致變壓器振動增大，噪音變強(qiáng)，溫度升高等一系列 不正?，F(xiàn)象。
[0003] 磁化曲線：磁化曲線是表示物質(zhì)中的磁場強(qiáng)度與所感應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁化強(qiáng)度 之間的關(guān)系。當(dāng)磁場強(qiáng)度從零逐漸增大時，磁疇在磁場作用下，迅速沿外磁場方向排列，磁 化強(qiáng)度也逐漸增大，磁場強(qiáng)度越大，磁疇排列越整齊，磁化強(qiáng)度也越大。針對鐵磁材料自身 獨有的特性，磁化曲線反映了磁滯特性和磁飽和特性。
[0004] 多物理場：現(xiàn)實工程中，將溫度場、應(yīng)力場、濕度場等多個物理場相互疊加、相互影 響的問題叫做多物理場，也是一種特殊的耦合關(guān)系。
[0005] 有限元：有限元方法從數(shù)學(xué)角度看是近似求解數(shù)理邊值問題的一種數(shù)值計算方 法，是對原函數(shù)在求解區(qū)間以某種條件下的最優(yōu)近似逼近。有限元法將由偏微分方程表征 的連續(xù)函數(shù)所在的封閉場域劃分為有限個小區(qū)域，每個小區(qū)域用選定的近似函數(shù)來代替， 以獲得該場域中函數(shù)的近似數(shù)值。
[0006] 目前國際上對直流偏磁的分析總共分為三類：第一類是分析接地系統(tǒng)特點、地表 電磁場分布、地磁感應(yīng)電流在系統(tǒng)中的分布以及復(fù)雜電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模擬方法等的基礎(chǔ)上， 進(jìn)行關(guān)于電力系統(tǒng)在地磁干擾情況下，系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的直流大小、諧波含量及對系統(tǒng)無 功的影響等方面的研宄。第二類是對電力系統(tǒng)監(jiān)測和對變壓器進(jìn)行試驗，其中監(jiān)測是對電 力系統(tǒng)地磁場及電力系統(tǒng)故障進(jìn)行的，試驗則是用不同規(guī)模的變壓器在其中性線中注入直 流進(jìn)行勵磁電流、漏磁和溫升等方面的試驗。第三類是直流偏磁下的變壓器進(jìn)行仿真計算， 主要用解析法、等效磁路和電路法或部分結(jié)合有限元分析進(jìn)行存在直流時的變壓器性能分 析。綜合國內(nèi)外對直流偏磁現(xiàn)象的研宄可以看出，雖然變壓器直流偏磁現(xiàn)象很早就已發(fā)現(xiàn)， 但對產(chǎn)生此現(xiàn)象的機(jī)理的認(rèn)識還比較模糊，尚有許多問題沒有解決，具體總結(jié)如下：
[0007] (1)直流偏磁對系統(tǒng)及其用電設(shè)備運(yùn)行性能的影響大多從系統(tǒng)的角度去研宄，變 壓器僅作為系統(tǒng)中的一個元件，都是用簡化的等效電路或磁路模型來代替，最后使用類似 PSPICE或PSCAD之類的電網(wǎng)絡(luò)分析軟件求解系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方程，得到變壓器繞組中的電流波 形。這種方法對于關(guān)心變壓器運(yùn)行性能的制造廠家來說過于粗糙。關(guān)鍵原因是沒有把電磁 耦合特性添加到仿真模型中，這將造成分析結(jié)果存在較大偏差，這也是目前研宄偏磁影響 上的難點。
[0008] (2)直流偏磁對變壓器運(yùn)行性能的影響主要通過實驗進(jìn)行，而實驗研宄消耗時間、 經(jīng)費(fèi)，而且很難找出變壓器結(jié)構(gòu)與直流偏磁效應(yīng)之間的關(guān)系。
[0009] (3)目前涉及變壓器在直流偏磁情況下運(yùn)行性能的計算，均采用等效磁路或電路 的簡化方法研宄變壓器受直流偏磁的影響，雖然有文獻(xiàn)提到使用了二維或三維有限元計算 變壓器參數(shù)或進(jìn)行輔助分析，但對關(guān)鍵問題均未說明，例如未介紹如何考慮非線性、時變性 及具體的計算過程，也沒有相關(guān)的電磁場分布、損耗及局部過熱等情況的研宄結(jié)果，未見到 利用先進(jìn)的電磁場數(shù)值方法對各種變壓器的抗偏磁能力作綜合分析。
[0010] (4)分析計算時，直流電源的引入方式對結(jié)果影響很大，目前并對這一問題未給予 足夠重視。
[0011] 綜上所述，本申請發(fā)明人在實現(xiàn)本申請實施例中發(fā)明技術(shù)方案的過程中，發(fā)現(xiàn)上 述技術(shù)至少存在如下技術(shù)問題：
[0012] 在現(xiàn)有技術(shù)中，現(xiàn)有的分析直流偏磁對變壓器影響的方法存在分析準(zhǔn)確率較低， 直流偏磁宄竟對變壓器有什么影響并沒有統(tǒng)一的認(rèn)識，對于交流變壓器中性點接地時應(yīng)允 許多大的中性點電流通過，國內(nèi)外尚無明確的標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明提供了 一種分析變壓器在直流偏磁影響下的勵磁特性變化方法，解決了現(xiàn) 有的分析直流偏磁對變壓器影響的方法存在分析準(zhǔn)確率較低，直流偏磁宄竟對變壓器有什 么影響并沒有統(tǒng)一的認(rèn)識，對于交流變壓器中性點接地時應(yīng)允許多大的中性點電流通過， 國內(nèi)外尚無明確的標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)問題，實現(xiàn)了利用本申請的方法分析變壓器在直流偏磁影響 下的勵磁特性變化可較大提高分析準(zhǔn)確率，對于評價大型主變直流偏磁耐受能力提供了非 常重要的理論基礎(chǔ)和工程使用價值。
[0014] 為解決上述技術(shù)問題，本申請實施例提供了一種分析變壓器在直流偏磁影響下的 勵磁特性變化方法，所述方法包括：
[0015] 步驟1 :基于電磁耦合原理，建立勵磁電流、磁鏈、勵磁電壓的微分方程，所述微分 方程描述了與鐵芯相關(guān)的電路及磁路的耦合關(guān)系；
[0016] 步驟2 :基于傅里葉級數(shù)，求得勵磁電流微分方程中同時含有交流分量和直流分 量的磁鏈量化顯示解，所述磁鏈量化顯示解表示了變壓器在直流偏磁影響下的準(zhǔn)確勵磁特 性；
[0017] 步驟3 :基于有限元原理，利用多物理場仿真軟件ANASYS對所述步驟1和所述步 驟2進(jìn)行仿真驗證。
[0018] 進(jìn)一步的，所述微分方程具體為：
[0019]
【主權(quán)項】
1. 一種分析變壓器在直流偏磁影響下的勵磁特性變化方法，其特征在于，所述方法包 括： 步驟1;基于電磁禪合原理，建立勵磁電流、磁鏈、勵磁電壓的微分方程，所述微分方程 描述了與鐵巧相關(guān)的電路及磁路的禪合關(guān)系； 步驟2 ;基于傅里葉級數(shù)，求得勵磁電流微分方程中同時含有交流分量和直流分量的 磁鏈量化顯示解，所述磁鏈量化顯示解表示了變壓器在直流偏磁影響下的準(zhǔn)確勵磁特性； 步驟3 ;基于有限元原理，利用多物理場仿真軟件ANASYS對所述步驟1和所述步驟2進(jìn) 行仿真驗證。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述微分方程具體為：
其中，其中，U。。為一次側(cè)端電壓，N1和N2分別為 一次和二次側(cè)應(yīng)數(shù)，Id。為二次側(cè)繞組直流，化為總磁通，狗為直流磁通，H為磁場強(qiáng)度，1為 磁路長度，K為漏磁系數(shù)，設(shè)鐵屯、的磁化曲線用雙曲函數(shù)擬合為H=xsh(yB)，X，y是鐵屯、鋼 片磁化曲線相關(guān)的參數(shù)，為與工作點有關(guān)的設(shè)計常數(shù)，表明鐵的利用率，B為 磁通密度，A為鐵巧截面積，單位m2,aO為傅氏技術(shù)首項表達(dá)式。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于電磁禪合原理，建立勵磁電流、 磁鏈、勵磁電壓的微分方程，具體包括： ?。。=cos。M^假設(shè)所有磁通均經(jīng)鐵屯、閉合，漏磁效應(yīng)由漏磁系數(shù)K來考慮，系 統(tǒng)中某種原因引起變壓器中出現(xiàn)直流磁通妍，即P=樹+ 0。sinwf，口"_ = ^ 由安培環(huán)路定 律可得磁動勢平衡方程： Niii+NsI化=H1 (1) 設(shè)鐵屯、的磁化曲線可W用雙曲函數(shù)擬合為H=xsh(yB)，式（1)經(jīng)化簡可得：
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于傅里葉級數(shù)，求得勵磁電流微分 方程中同時含有交流分量和直流分量的磁鏈量化顯示解，具體包括：
式中T為工頻變化波形的時間周期。當(dāng)1。。= 0時，勵磁安應(yīng)的有效值為：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于有限元原理，利用多物理場仿真 軟件ANASYS對所述步驟1和所述步驟2進(jìn)行仿真驗證，具體包括： 首先通過步驟1和步驟2分別求解實體變壓器在勵磁電流中僅含有交流、僅含有直流、 既含有交流又含有直流下的磁化曲線特性； 然后計算不同偏磁電流大小作用下，主變勵磁電流的大小，并繪制偏磁電流-勵磁電 流-鐵巧磁通S維矢量圖； 最后基于有限元的方法，利用場分析工具對主變在直流偏磁影響下的各種工況進(jìn)行實 時仿真，并將仿真結(jié)果和理論計算值進(jìn)行對比驗證。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種分析變壓器在直流偏磁影響下的勵磁特性變化方法包括：步驟1：基于電磁耦合原理，建立勵磁電流、磁鏈、勵磁電壓的微分方程，所述微分方程描述了與鐵芯相關(guān)的電路及磁路的耦合關(guān)系；步驟2：基于傅里葉級數(shù)，求得勵磁電流微分方程中同時含有交流分量和直流分量的磁鏈量化顯示解，所述磁鏈量化顯示解表示了變壓器在直流偏磁影響下的準(zhǔn)確勵磁特性；步驟3：基于有限元原理，利用多物理場仿真軟件ANASYS對所述步驟1和所述步驟2進(jìn)行仿真驗證，實現(xiàn)了利用本申請的方法分析變壓器在直流偏磁影響下的勵磁特性變化可較大提高分析準(zhǔn)確率，對于評價大型主變直流偏磁耐受能力提供了非常重要的理論基礎(chǔ)和工程使用價值。
【IPC分類】G01R31-00
【公開號】CN104849587
【申請?zhí)枴緾N201510214689
【發(fā)明人】魏巍, 梁曉斌, 陳剛, 李甘, 周波
【申請人】國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院, 國家電網(wǎng)公司
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年4月30日