CN105956269A - 一种获取变压器绕组状态与饼间电容参数关系的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取变压器绕组状态与饼间电容参数关系的方法，包括以下步骤：根据实际变压器尺寸建立变压器绕组和铁芯的1/2三维模型；设置变压器油的相对介电常数；设置加载电压的绕组的表面为终端边界条件；设置铁芯及变压器油箱为接地边界条件；分别计算出每个加载电压的绕组的对地电容；最后利用求出的电能解得相邻两绕组间的电容值。

Description

一种获取变压器绕组状态与饼间电容参数关系的方法

技术领域

本发明属于变压器软件仿真的技术领域，特别涉及一种获取变压器绕组状态与饼间电容参数关系的方法。

背景技术

进入21世纪以来，我国步入了快速发展的轨道，伴随着工业和经济等各领域的飞速发展，各行业对于电能的需求量迅速增大，作为社会发展的重要保障，在经历了超高压和特高压两个电压等级的建设后，我国电网正处在前所未有的规模。数据显示，2010全年，中国总发电量为42065.4亿千瓦时，较上年增长13.2％，占世界发电量的比重为19.7％，紧随美国位于世界第二位；至2010年底，全国发电设备容量为9.66亿千瓦，较上年增长10.56％，我国电网规模现居世界第一位。社会生产和人民生活对于用电要求的不断提高将电力***的安全运行和可靠供电提至非常重要的地位。作为提高电压等级、扩展输电距离的主要设备，电力变压器在电力***中处于主导地位。因此，电网运行的经济性及社会的需要都对变压器的稳定运行提出了更高的要求。

据不完全统计，1995至2005年间我国110kV及以上变压器共发生事故443起(其中2003年后数据为国家电网的统计数据)：全部事故中因为绕组故障而导致的事故有315起，占事故总台数的71.1％，其中，由于绕组抗短路强度不够而引起的变压器事故有178起，占事故总台数的40.2％，占绕组总事故的56.5％。由统计数据可知，因绕组变形导致的变压器事故在电力***变压器事故中占有很大比重。因此，深入研究变压器绕组变形的检测和诊断方法，对提高变压器生产水平，保证电网安全运行有着积极的意义。

但大型变压器的内部使用了大量的铜线，其造价往往十分昂贵，因此使用大型实体变压器研究不同测试方法对绕组变形的检测效果是不现实的。为了解决该问题，广大科研工作者选择利用变压器等效电路模型对绕组变形检测方法进行研究及分析。其中，绕组等效模型中的电感及电阻参数利用测试仪器就能容易地得到具体数值，但饼间电容由于绕组间的电气连接却无法通过测试得到。因此，人们普遍采用解析法对变压器绕组饼间电容进行求取。但该法只适用于对称结构的金属体，而对于发生变形的绕组则效果不佳，且并无计及边缘效应对电容值的影响。故找到一种准确获取变压器绕组饼间电容参数的方法，进而研究绕组发生变形后饼间电容的变化情况是极有必要的。

发明内容

本发明的主要目的在于：针对上述问题，提出一种能够较好的计算不同变压器状态下的绕组饼间电容值，极大地简化了工作量的获取变压器绕组状态与饼间电容参数关系的方法。

为了实现上述技术目的，本方法的步骤为：

一种获取变压器绕组状态与饼间电容参数关系的方法，包括以下步骤：

步骤1：根据实际变压器尺寸，建立变压器的绕组、铁芯和油箱的1/2模型，定义变压器油的相对介电常数，将油箱和铁芯设置为地电位；

步骤2：对该模型进行有限元剖分，分别设置一个绕组中的轴向相邻的两个线饼为终端并加载电压，再设置不加载电流激励的绕组为悬浮电位，然后进行计算并分别得到两相邻线饼的对地电容；

步骤3：同时设置两相邻线饼为终端并加载不同电压，算出此时整个箱体内的电能，并计算得到两相邻线饼之间的电容；

步骤4：选择一个绕组中另外两个轴向相邻的线饼，重复步骤2-3，计算出一个绕组中的所有轴向相邻线饼间的电容。

所述的一种获取变压器绕组状态与饼间电容参数关系的方法，所述的步骤1中，变压器的绕组、铁芯及油箱的1/2模型包括高压侧绕组，低压侧绕组，铁芯、变压器油箱及变压器油。

所述的一种获取变压器绕组状态与饼间电容参数关系的方法，所述的模型中：

所述的变压器高压侧绕组或低压侧绕组的线饼数与实际变压器高压侧绕组或低压绕组的线饼数相同，各线饼皆为一个圆柱状的金属体；

所述的铁芯根据实际变压器的结构分为不同厚度的叠层；

所述的变压器油箱尺寸与实际变压器油箱相同；

所述的变压器油填充于变压器高压绕组、低压绕组及铁芯周围；

高、低压绕组分别围绕在铁芯上，且两个绕组与铁芯的中心轴重合。

所述的一种获取变压器绕组状态与饼间电容参数关系的方法，所述的步骤1中，将油箱和铁芯设置为地电位的步骤为：

先选择铁芯的整个外表面，设置为接地边界条件，然后选择变压器油箱的外表面，设置为接地边界条件。

所述的一种获取变压器绕组状态与饼间电容参数关系的方法，所述的步骤2的步骤为：

对整个变压器模型进行有限元剖分，然后设置一个绕组中的轴向相邻的第一个线饼为终端边界条件，并加载V₁电压，设置不加载电压的绕组表面为悬浮电位，计算得到第一个线饼的对地电容C₁₁；

对整个变压器模型进行有限元剖分，然后设置同一个绕组中的轴向相邻的第二个线饼为终端边界条件，并加载V₂电压，设置不加载电压的绕组表面为悬浮电位，计算得到第二个线饼的对地电容C₂₂。

所述的一种获取变压器绕组状态与饼间电容参数关系的方法，其特征在于，所述的步骤3的步骤为：

同时设置步骤2中的轴向相邻的两个线饼为终端边界条件，并分别加载V₁和V₂电压，计算得到整个变压器的电能W_e12，然后计算得到两轴向相邻的两个线饼之间间的电容值C₁₂：

$C_{12}=\frac{2}{V_1{V}_2}\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫}{W}_{e12}d\mathrm{\Ω}-\frac{1}{2}(\frac{V_1}{V_2}{C}_{11}+\frac{V_2}{V_1}{C}_{22})$

其中Ω为整个变压器的体积。

本发明的技术效果在于，通过提供的变压器绕组饼间电容计算方法，能够简便地设置各种不同的绕组位移故障，且提取不同绕组状态下的饼间电容极为快捷。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明提供的变压器仿真模型剖视图；

图2为本发明提供的轴向位移故障时变压器绕组饼间电容变化情况；

其中，1为变压器高压绕组，2为变压器低压绕组，3为变压器铁芯，4为变压器油箱，5为变压器油，6为不加载电压的绕组表面，7为绕组中的轴向相邻的第一个线饼，8为绕组中的轴向相邻的第二个线饼。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1及图2，本发明提供一种获取变压器绕组状态与饼间电容参数关系的方法，包括以下步骤：

在Comsol有限元软件中，建模选择3维模型、物理场设置为静电场，计算模块为稳态；

根据实际变压器尺寸建立正常1/2变压器仿真模型，该模型为沿着三相绕组的中心点，将变压器纵剖为1/2体积，包括有高压侧绕组1，低压侧绕组2，铁芯3、变压器油箱4及变压器油5；

所述的变压器高压侧绕组1，有符合实际变压器高压绕组的饼数，各线饼为皆一个圆柱状的金属体；

所述的变压器低压侧绕组2，有符合实际变压器高压绕组的饼数，各线饼为皆一个圆柱状的金属体；

所述的铁芯3，根据实际变压器的结构将其分为不同厚度的叠层；

所述的变压器油箱4的尺寸为实际变压器油箱的大小；

所述的变压器油5填充于变压器高压绕组1、低压绕组2及铁芯3周围；

高低压绕组分别围绕在铁芯3上，绕组1、2与铁芯3的中心轴重合；

根据测试得到的实际变压器油的相对介电常数，设置模型中的变压器油5；

设置铁芯3及变压器油箱5为地电位，所述的具体步骤为：先选择铁芯3的整个外表面，设置为接地边界条件，然后选择变压器油箱5的外表面，设置为接地边界条件；

利用Comsol自带功能剖分整个变压器模型。设置一个绕组中的轴向相邻的第一个线饼7为终端边界条件，编号为1，并加载V₁电压。设置不加载电压的绕组表面6为悬浮电位，并将其设成悬浮电位组的形式。计算该变压器模型，可以得到线饼7的对地电容C₁₁；

利用Comsol自带功能剖分整个变压器模型。设置同一个绕组中的轴向相邻的第二个线饼8为终端边界条件，编号为2，并加载V₂电压。设置不加载电压的绕组表面6为悬浮电位，并将其设成悬浮电位组的形式。计算该变压器模型，可以得到线饼8的对地电容C₂₂；

同时设置绕组中的轴向相邻的第一、二个线饼为终端边界条件，并加载V₁和V₂(V₁≠V₂)电压。通过计算得到整个变压器的电能W_e12。

此时，可以得到两绕组7和8间的电容值C₁₂：

$C_{12}=\frac{2}{V_i{V}_j}\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫}{W}_{e12}d\mathrm{\Ω}-\frac{1}{2}(\frac{V_1}{V_2}{C}_{11}+\frac{V_2}{V_1}{C}_{22})---\left(1\right)$

得到饼间电容C₁₂还需要验证其正确性，并基于该有限元计算方法深入研究绕组位移时的饼间电容变化情况，下面具体介绍绕组发生轴向位移时的变压器饼间电容改变情况，研究发生其他位移时的饼间电容变化可依此类推。

一、正确性验证

由于实体变压器绕组1和2为饼式结构，因此可利用平行板电容计算公式来验证Comsol仿真求得的电容值的正确性，平行板电容器的电容C计算公式如下：

$C=\frac{\mathrm{\ϵ}S}{4\mathrm{\π}kd}---\left(2\right)$

其中，ε为绝缘介质的相对介电常数；π为3.14；k为静电常数，其值为9×10^9，单位为N×m^2/C^2；d为两极板间距离，单位为m；S为两极板的正对面积，单位为m^2。根据平行板电容器计算公式及Comsol仿真求得的饼间电容，如表1所示。

表1不同计算方式求得的饼间电容比较

两极板间距离/mm	解析方程式/pF	Comsol仿真/pF
			4.3	245.48	232.55

由表1可知，两种计算方式求得电容值基本相等，由此可以证明利用Comsol计算变压器饼间电容值是可行的。

二、轴向位移

根据该变压器模型，可求得上中下三个位置的高压绕组1轴向位移时的饼间电容变化情况，如附图2所示。

从附图2中可以看出，上中下高压绕组1发生轴向位移时的饼间电容基本相同，由此可知轴向位移时，变压器绕组不同位置的饼间电容改变都相同。

Claims (6)

1.一种获取变压器绕组状态与饼间电容参数关系的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据实际变压器尺寸，建立变压器的绕组、铁芯和油箱的1/2模型，定义变压器油的相对介电常数，将油箱和铁芯设置为地电位；

步骤2：对该模型进行有限元剖分，分别设置一个绕组中的轴向相邻的两个线饼为终端并加载电压，再设置不加载电流激励的绕组为悬浮电位，然后进行计算并分别得到两相邻线饼的对地电容；

步骤3：同时设置两相邻线饼为终端并加载不同电压，算出此时整个箱体内的电能，并计算得到两相邻线饼之间的电容；

步骤4：选择一个绕组中另外两个轴向相邻的线饼，重复步骤2-3，计算出一个绕组中的所有轴向相邻线饼间的电容。

2.根据权利要求1所述的一种获取变压器绕组状态与饼间电容参数关系的方法，其特征在于，所述的步骤1中，变压器的绕组、铁芯及油箱的1/2模型包括高压侧绕组，低压侧绕组，铁芯、变压器油箱及变压器油。

3.根据权利要求2所述的一种获取变压器绕组状态与饼间电容参数关系的方法，其特征在于，所述的模型中：

所述的变压器高压侧绕组或低压侧绕组的线饼数与实际变压器高压侧绕组或低压绕组的线饼数相同，各线饼皆为一个圆柱状的金属体；

所述的铁芯根据实际变压器的结构分为不同厚度的叠层；

所述的变压器油箱尺寸与实际变压器油箱相同；

所述的变压器油填充于变压器高压绕组、低压绕组及铁芯周围；

高、低压绕组分别围绕在铁芯上，且两个绕组与铁芯的中心轴重合。

4.根据权利要求1所述的一种获取变压器绕组状态与饼间电容参数关系的方法，其特征在于，所述的步骤1中，将油箱和铁芯设置为地电位的步骤为：

先选择铁芯的整个外表面，设置为接地边界条件，然后选择变压器油箱的外表面，设置为接地边界条件。

5.根据权利要求1所述的一种获取变压器绕组状态与饼间电容参数关系的方法，其特征在于，所述的步骤2的步骤为：

对整个变压器模型进行有限元剖分，然后设置一个绕组中的轴向相邻的第一个线饼为终端边界条件，并加载V₁电压，设置不加载电压的绕组表面为悬浮电位，计算得到第一个线饼的对地电容C₁₁；

对整个变压器模型进行有限元剖分，然后设置同一个绕组中的轴向相邻的第二个线饼为终端边界条件，并加载V₂电压，设置不加载电压的绕组表面为悬浮电位，计算得到第二个线饼的对地电容C₂₂。

6.根据权利要求5所述的一种获取变压器绕组状态与饼间电容参数关系的方法，其特征在于，所述的步骤3的步骤为：

同时设置步骤2中的轴向相邻的两个线饼为终端边界条件，并分别加载V₁和V₂电压，计算得到整个变压器的电能W_e12，然后计算得到两轴向相邻的两个线饼之间间的电容值C₁₂：

$C_{12}=\frac{2}{V_1{V}_2}\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫}{W}_{e12}d\mathrm{\Ω}-\frac{1}{2}(\frac{V_1}{V_2}{C}_{11}+\frac{V_2}{V_1}{C}_{22})$

其中Ω为整个变压器的体积。