一種獲取變壓器繞組狀態(tài)與餅間電容參數(shù)關系的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種獲取變壓器繞組狀態(tài)與餅間電容參數(shù)關系的方法，包括以下步驟：根據(jù)實際變壓器尺寸建立變壓器繞組和鐵芯的1/2三維模型；設置變壓器油的相對介電常數(shù)；設置加載電壓的繞組的表面為終端邊界條件；設置鐵芯及變壓器油箱為接地邊界條件；分別計算出每個加載電壓的繞組的對地電容；最后利用求出的電能解得相鄰兩繞組間的電容值。
【專利說明】
-種獲取變壓器繞組狀態(tài)與餅間電容參數(shù)關系的方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于變壓器軟件仿真的技術領域，特別設及一種獲取變壓器繞組狀態(tài)與餅 間電容參數(shù)關系的方法。
【背景技術】
[0002] 進入21世紀W來，我國步入了快速發(fā)展的軌道，伴隨著工業(yè)和經(jīng)濟等各領域的飛 速發(fā)展，各行業(yè)對于電能的需求量迅速增大，作為社會發(fā)展的重要保障，在經(jīng)歷了超高壓和 特高壓兩個電壓等級的建設后，我國電網(wǎng)正處在前所未有的規(guī)模。數(shù)據(jù)顯示，2010全年，中 國總發(fā)電量為42065.4億千瓦時，較上年增長13.2%，占世界發(fā)電量的比重為19.7%，緊隨 美國位于世界第二位;至2010年底，全國發(fā)電設備容量為9.66億千瓦，較上年增長10.56%， 我國電網(wǎng)規(guī)模現(xiàn)居世界第一位。社會生產(chǎn)和人民生活對于用電要求的不斷提高將電力系統(tǒng) 的安全運行和可靠供電提至非常重要的地位。作為提高電壓等級、擴展輸電距離的主要設 備，電力變壓器在電力系統(tǒng)中處于主導地位。因此，電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性及社會的需要都對變 壓器的穩(wěn)定運行提出了更高的要求。
[0003] 據(jù)不完全統(tǒng)計，1995至2005年間我國IlOkV及W上變壓器共發(fā)生事故443起(其中 2003年后數(shù)據(jù)為國家電網(wǎng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)）：全部事故中因為繞組故障而導致的事故有315起， 占事故總臺數(shù)的71.1 %，其中，由于繞組抗短路強度不夠而引起的變壓器事故有178起，占 事故總臺數(shù)的40.2%，占繞組總事故的56.5%。由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，因繞組變形導致的變壓器 事故在電力系統(tǒng)變壓器事故中占有很大比重。因此，深入研究變壓器繞組變形的檢測和診 斷方法，對提高變壓器生產(chǎn)水平，保證電網(wǎng)安全運行有著積極的意義。
[0004] 但大型變壓器的內(nèi)部使用了大量的銅線，其造價往往十分昂貴，因此使用大型實 體變壓器研究不同測試方法對繞組變形的檢測效果是不現(xiàn)實的。為了解決該問題，廣大科 研工作者選擇利用變壓器等效電路模型對繞組變形檢測方法進行研究及分析。其中，繞組 等效模型中的電感及電阻參數(shù)利用測試儀器就能容易地得到具體數(shù)值，但餅間電容由于繞 組間的電氣連接卻無法通過測試得到。因此，人們普遍采用解析法對變壓器繞組餅間電容 進行求取。但該法只適用于對稱結(jié)構(gòu)的金屬體，而對于發(fā)生變形的繞組則效果不佳，且并無 計及邊緣效應對電容值的影響。故找到一種準確獲取變壓器繞組餅間電容參數(shù)的方法，進 而研究繞組發(fā)生變形后餅間電容的變化情況是極有必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的主要目的在于:針對上述問題，提出一種能夠較好的計算不同變壓器狀 態(tài)下的繞組餅間電容值，極大地簡化了工作量的獲取變壓器繞組狀態(tài)與餅間電容參數(shù)關系 的方法。
[0006] 為了實現(xiàn)上述技術目的，本方法的步驟為：
[0007] -種獲取變壓器繞組狀態(tài)與餅間電容參數(shù)關系的方法，包括W下步驟：
[000引步驟1:根據(jù)實際變壓器尺寸，建立變壓器的繞組、鐵忍和油箱的1/2模型，定義變 壓器油的相對介電常數(shù)，將油箱和鐵忍設置為地電位；
[0009] 步驟2:對該模型進行有限元剖分，分別設置一個繞組中的軸向相鄰的兩個線餅為 終端并加載電壓，再設置不加載電流激勵的繞組為懸浮電位，然后進行計算并分別得到兩 相鄰線餅的對地電容；
[0010] 步驟3:同時設置兩相鄰線餅為終端并加載不同電壓，算出此時整個箱體內(nèi)的電 能，并計算得到兩相鄰線餅之間的電容；
[0011] 步驟4:選擇一個繞組中另外兩個軸向相鄰的線餅，重復步驟2-3,計算出一個繞組 中的所有軸向相鄰線餅間的電容。
[0012] 所述的一種獲取變壓器繞組狀態(tài)與餅間電容參數(shù)關系的方法，所述的步驟1中，變 壓器的繞組、鐵忍及油箱的1/2模型包括高壓側(cè)繞組，低壓側(cè)繞組，鐵忍、變壓器油箱及變壓 器油。
[0013] 所述的一種獲取變壓器繞組狀態(tài)與餅間電容參數(shù)關系的方法，所述的模型中：
[0014] 所述的變壓器高壓側(cè)繞組或低壓側(cè)繞組的線餅數(shù)與實際變壓器高壓側(cè)繞組或低 壓繞組的線餅數(shù)相同，各線餅皆為一個圓柱狀的金屬體；
[0015] 所述的鐵忍根據(jù)實際變壓器的結(jié)構(gòu)分為不同厚度的疊層；
[0016] 所述的變壓器油箱尺寸與實際變壓器油箱相同；
[0017] 所述的變壓器油填充于變壓器高壓繞組、低壓繞組及鐵忍周圍；
[0018] 高、低壓繞組分別圍繞在鐵忍上，且兩個繞組與鐵忍的中屯、軸重合。
[0019] 所述的一種獲取變壓器繞組狀態(tài)與餅間電容參數(shù)關系的方法，所述的步驟1中，將 油箱和鐵忍設置為地電位的步驟為：
[0020] 先選擇鐵忍的整個外表面，設置為接地邊界條件，然后選擇變壓器油箱的外表面， 設置為接地邊界條件。
[0021] 所述的一種獲取變壓器繞組狀態(tài)與餅間電容參數(shù)關系的方法，所述的步驟2的步 驟為：
[0022] 對整個變壓器模型進行有限元剖分，然后設置一個繞組中的軸向相鄰的第一個線 餅為終端邊界條件，并加載Vi電壓，設置不加載電壓的繞組表面為懸浮電位，計算得到第一 個線餅的對地電容Cu;
[0023] 對整個變壓器模型進行有限元剖分，然后設置同一個繞組中的軸向相鄰的第二個 線餅為終端邊界條件，并加載V2電壓，設置不加載電壓的繞組表面為懸浮電位，計算得到第 二個線餅的對地電容C22。
[0024] 所述的一種獲取變壓器繞組狀態(tài)與餅間電容參數(shù)關系的方法，其特征在于，所述 的步驟3的步驟為：
[0025] 同時設置步驟2中的軸向相鄰的兩個線餅為終端邊界條件，并分別加載Vi和V2電 壓，計算得到整個變壓器的電能Wel2,然后計算得到兩軸向相鄰的兩個線餅之間間的電容值 Cu ：
[0026]
[0027] 其中Q為整個變壓器的體積。
[0028] 本發(fā)明的技術效果在于，通過提供的變壓器繞組餅間電容計算方法，能夠簡便地 設置各種不同的繞組位移故障，且提取不同繞組狀態(tài)下的餅間電容極為快捷。
[0029] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明提供的變壓器仿真模型剖視圖；
[0031] 圖2為本發(fā)明提供的軸向位移故障時變壓器繞組餅間電容變化情況；
[0032] 其中，1為變壓器高壓繞組，2為變壓器低壓繞組，3為變壓器鐵忍，4為變壓器油箱， 5為變壓器油，6為不加載電壓的繞組表面，7為繞組中的軸向相鄰的第一個線餅，8為繞組中 的軸向相鄰的第二個線餅。
【具體實施方式】
[0033] 為了使本發(fā)明所解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，W下結(jié)合 附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用 W解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0034] 參考圖1及圖2,本發(fā)明提供一種獲取變壓器繞組狀態(tài)與餅間電容參數(shù)關系的方 法，包括W下步驟：
[0035] 在Comsol有限元軟件中，建模選擇3維模型、物理場設置為靜電場，計算模塊為穩(wěn) 態(tài)；
[0036] 根據(jù)實際變壓器尺寸建立正常1/2變壓器仿真模型，該模型為沿著=相繞組的中 屯、點，將變壓器縱剖為1/2體積，包括有高壓側(cè)繞組1，低壓側(cè)繞組2,鐵忍3、變壓器油箱4及 變壓器油5;
[0037] 所述的變壓器高壓側(cè)繞組1，有符合實際變壓器高壓繞組的餅數(shù)，各線餅為皆一個 圓柱狀的金屬體；
[0038] 所述的變壓器低壓側(cè)繞組2,有符合實際變壓器高壓繞組的餅數(shù)，各線餅為皆一個 圓柱狀的金屬體；
[0039] 所述的鐵忍3,根據(jù)實際變壓器的結(jié)構(gòu)將其分為不同厚度的疊層；
[0040] 所述的變壓器油箱4的尺寸為實際變壓器油箱的大小；
[0041] 所述的變壓器油5填充于變壓器高壓繞組1、低壓繞組2及鐵忍3周圍；
[0042] 高低壓繞組分別圍繞在鐵忍3上，繞組1、2與鐵忍3的中屯、軸重合；
[0043] 根據(jù)測試得到的實際變壓器油的相對介電常數(shù)，設置模型中的變壓器油5;
[0044] 設置鐵忍3及變壓器油箱5為地電位，所述的具體步驟為:先選擇鐵忍3的整個外表 面，設置為接地邊界條件，然后選擇變壓器油箱5的外表面，設置為接地邊界條件；
[0045] 利用Comsol自帶功能剖分整個變壓器模型。設置一個繞組中的軸向相鄰的第一個 線餅7為終端邊界條件，編號為1，并加載Vi電壓。設置不加載電壓的繞組表面6為懸浮電位， 并將其設成懸浮電位組的形式。計算該變壓器模型，可W得到線餅7的對地電容Cu;
[0046] 利用Comsol自帶功能剖分整個變壓器模型。設置同一個繞組中的軸向相鄰的第二 個線餅8為終端邊界條件，編號為2,并加載V2電壓。設置不加載電壓的繞組表面6為懸浮電 位，并將其設成懸浮電位組的形式。計算該變壓器模型，可W得到線餅8的對地電容C22;
[0047] 同時設置繞組中的軸向相鄰的第一、二個線餅為終端邊界條件，并加載Vi和V2(Vi 聲V2)電壓。通過計算得到整個變壓器的電能Wel2。
[004引此時，可W得到兩繞組7和8間的電容值打2 :
[0049]
[0050] 得到餅間電容Ci2還需要驗證其正確性，并基于該有限元計算方法深入研究繞組位 移時的餅間電容變化情況，下面具體介紹繞組發(fā)生軸向位移時的變壓器餅間電容改變情 況，研究發(fā)生其他位移時的餅間電容變化可依此類推。
[0化1] 一、正確性驗證
[0052]由于實體變壓器繞組1和2為餅式結(jié)構(gòu)，因此可利用平行板電容計算公式來驗證 Comsol仿真求得的電容值的正確性，平行板電容器的電容C計算公式如下：
[0化3]
[0054] 其中，e為絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù);n為3.14;k為靜電常數(shù)，其值為9X10~9,單位 為NXnf2/(r2;d為兩極板間距離，單位為m;S為兩極板的正對面積，單位為m~2。根據(jù)平行板 電容器計算公式及Comsol仿真求得的餅間電容，如表1所示。
[0055] 表1不同計算方式求得的餅間電容比較
[0057]由表1可知，兩種計算方式求得電容值基本相等，由此可W證明利用Comsol計算變 壓器餅間電容值是可行的。
[005引二、軸向位移
[0059] 根據(jù)該變壓器模型，可求得上中下=個位置的高壓繞組1軸向位移時的餅間電容 變化情況，如附圖2所示。
[0060] 從附圖2中可W看出，上中下高壓繞組1發(fā)生軸向位移時的餅間電容基本相同，由 此可知軸向位移時，變壓器繞組不同位置的餅間電容改變都相同。
【主權項】
1. 一種獲取變壓器繞組狀態(tài)與餅間電容參數(shù)關系的方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1:根據(jù)實際變壓器尺寸，建立變壓器的繞組、鐵芯和油箱的1/2模型，定義變壓器 油的相對介電常數(shù)，將油箱和鐵芯設置為地電位； 步驟2:對該模型進行有限元剖分，分別設置一個繞組中的軸向相鄰的兩個線餅為終端 并加載電壓，再設置不加載電流激勵的繞組為懸浮電位，然后進行計算并分別得到兩相鄰 線餅的對地電容； 步驟3:同時設置兩相鄰線餅為終端并加載不同電壓，算出此時整個箱體內(nèi)的電能，并 計算得到兩相鄰線餅之間的電容； 步驟4:選擇一個繞組中另外兩個軸向相鄰的線餅，重復步驟2-3,計算出一個繞組中的 所有軸向相鄰線餅間的電容。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種獲取變壓器繞組狀態(tài)與餅間電容參數(shù)關系的方法，其特 征在于，所述的步驟1中，變壓器的繞組、鐵芯及油箱的1/2模型包括高壓側(cè)繞組，低壓側(cè)繞 組，鐵芯、變壓器油箱及變壓器油。3. 根據(jù)權利要求2所述的一種獲取變壓器繞組狀態(tài)與餅間電容參數(shù)關系的方法，其特 征在于，所述的模型中： 所述的變壓器高壓側(cè)繞組或低壓側(cè)繞組的線餅數(shù)與實際變壓器高壓側(cè)繞組或低壓繞 組的線餅數(shù)相同，各線餅皆為一個圓柱狀的金屬體； 所述的鐵芯根據(jù)實際變壓器的結(jié)構(gòu)分為不同厚度的疊層； 所述的變壓器油箱尺寸與實際變壓器油箱相同； 所述的變壓器油填充于變壓器高壓繞組、低壓繞組及鐵芯周圍； 高、低壓繞組分別圍繞在鐵芯上，且兩個繞組與鐵芯的中心軸重合。4. 根據(jù)權利要求1所述的一種獲取變壓器繞組狀態(tài)與餅間電容參數(shù)關系的方法，其特 征在于，所述的步驟1中，將油箱和鐵芯設置為地電位的步驟為： 先選擇鐵芯的整個外表面，設置為接地邊界條件，然后選擇變壓器油箱的外表面，設置 為接地邊界條件。5. 根據(jù)權利要求1所述的一種獲取變壓器繞組狀態(tài)與餅間電容參數(shù)關系的方法，其特 征在于，所述的步驟2的步驟為： 對整個變壓器模型進行有限元剖分，然后設置一個繞組中的軸向相鄰的第一個線餅為 終端邊界條件，并加載^電壓，設置不加載電壓的繞組表面為懸浮電位，計算得到第一個線 餅的對地電容C11; 對整個變壓器模型進行有限元剖分，然后設置同一個繞組中的軸向相鄰的第二個線餅 為終端邊界條件，并加載^電壓，設置不加載電壓的繞組表面為懸浮電位，計算得到第二個 線餅的對地電容C22。6. 根據(jù)權利要求5所述的一種獲取變壓器繞組狀態(tài)與餅間電容參數(shù)關系的方法，其特 征在于，所述的步驟3的步驟為： 同時設置步驟2中的軸向相鄰的兩個線餅為終端邊界條件，并分別加載VjPV2電壓，計 算得到整個變壓器的電能We3l2，然后計算得到兩軸向相鄰的兩個線餅之間間的電容值Cl2:其中Ω為整個變壓器的體積。
【文檔編號】G06F17/50GK105956269SQ201610285431
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月29日
【發(fā)明人】趙世華, 劉赟, 葉會生, 雷紅才, 黃福勇, 孫利朋, 萬勛, 秦家遠
【申請人】國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)湖南省電力公司, 國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院