直流偏磁狀態(tài)下變壓器磁滯特性及損耗特性確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力變壓器運(yùn)行和制造領(lǐng)域，尤其涉及一種直流偏磁狀態(tài)下變壓器磁 滯特性及損耗特性確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 受各種不可控因素的影響，電力變壓器運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)多種非正常工作狀 態(tài)。其中，直流偏磁現(xiàn)象是電力變壓器運(yùn)行過程中出現(xiàn)的非正常工作狀態(tài)的一種。電力變 壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象的原因是電力變壓器受太陽磁暴、高壓直流輸電運(yùn)行方式等因素的 影響，變壓器繞組的勵(lì)磁電流中出現(xiàn)直流分量，由此產(chǎn)生的直流磁通使鐵芯迅速進(jìn)入半周 飽和狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流則呈現(xiàn)出正負(fù)半周不對(duì)稱的形狀，從而影響變壓器運(yùn)行壽命，甚 至影響電力系統(tǒng)的正常工作。因此研宄電力變壓器的直流偏磁問題，探求直流偏磁現(xiàn)象的 機(jī)理，尋找變壓器耐受直流偏磁能力的判斷依據(jù)，對(duì)變壓器的制造和設(shè)計(jì)有著重要的參考 意義。
[0003] 研宄電力變壓器的直流偏磁問題，需要對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行諧波分析，準(zhǔn)確獲得鐵芯 的磁滯特性及損耗特性。諧波平衡有限元法可以在頻域內(nèi)實(shí)現(xiàn)非線性數(shù)值求解，同時(shí)計(jì)算 勵(lì)磁電流和鐵心磁場(chǎng)分布，避免了時(shí)步法中多個(gè)周期的計(jì)算。諧波平衡有限元法的基本原 理為在簡(jiǎn)化鐵磁材料的磁阻率為磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的比值的基礎(chǔ)上，將電磁場(chǎng)中的激 勵(lì)和待求量用傅里葉級(jí)數(shù)近似，將其代入到有限元方程中，各次諧波系數(shù)對(duì)應(yīng)相等，得到消 去時(shí)間項(xiàng)的諧波平衡方程，再通過場(chǎng)路耦合關(guān)系分析繞組勵(lì)磁電流和疊片鐵芯內(nèi)的磁場(chǎng)。
[0004] 利用傳統(tǒng)的諧波平衡有限元法分析電力變壓器的疊片鐵芯內(nèi)非線性磁場(chǎng)，研宄變 壓器直流偏磁問題，需要占用計(jì)算機(jī)較大的內(nèi)存，不適用于大規(guī)模的計(jì)算。而且此種方法的 前提是在不考慮鐵磁材料的磁滯效應(yīng)的前提下，無法計(jì)算鐵心的損耗及其分布特性。因此 在考慮鐵磁材料的磁滯效應(yīng)時(shí)，傳統(tǒng)的諧波平衡有限元法不再適用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種直流偏磁狀態(tài)下變壓器磁滯特性及損耗特性確定方法， 在考慮變壓器鐵芯磁滯效應(yīng)的基礎(chǔ)上，極大地降低內(nèi)存需求，提高勵(lì)磁電流和磁場(chǎng)計(jì)算結(jié) 果的精確性，進(jìn)而準(zhǔn)確獲得鐵芯的磁滯特性和損耗特性。由此為工程中的定量分析奠定基 礎(chǔ)，為鐵芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及完善搭接工藝提供重要的參考依據(jù)。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：
[0007] -種直流偏磁狀態(tài)下變壓器磁滯特性及損耗特性確定方法，包括：
[0008] 步驟1 :建立變壓器的疊片鐵芯模型，所述變壓器的疊片鐵芯模型包括柱-軛區(qū)和 接縫區(qū)；
[0009] 步驟2 :將所述疊片鐵芯模型劃分成多個(gè)有限元海個(gè)所述有限元包括多個(gè)結(jié)點(diǎn)， 每個(gè)所述結(jié)點(diǎn)具有對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)；
[0010] 步驟3 :給每個(gè)結(jié)點(diǎn)i的磁矢量位AJP每個(gè)結(jié)點(diǎn)的電流密度J J!武初值，磁矢量位 Ai和電流密度J s的初值為如下形式，
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種直流偏磁狀態(tài)下變壓器磁滯特性及損耗特性確定方法，其特征在于，包括： 步驟1:建立變壓器的疊片鐵芯模型，所述變壓器的疊片鐵芯模型包括柱-軛區(qū)和接縫 區(qū)； 步驟2 :將所述疊片鐵芯模型劃分成多個(gè)有限元；每個(gè)所述有限元包括多個(gè)結(jié)點(diǎn)，每個(gè) 所述結(jié)點(diǎn)具有對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)； 步驟3 :給每個(gè)結(jié)點(diǎn)i的磁矢量位AJP每個(gè)結(jié)點(diǎn)的電流密度JJ!武初值，磁矢量位A^口 電流密度Js的初值為如下形式，
由上述磁矢量位A和電流密度Js的初值建立第一諧波數(shù)據(jù)，所述第一諧波數(shù)據(jù)包括每 個(gè)結(jié)點(diǎn)的磁矢量位41的各次諧波的諧波系數(shù)41(|、41#、4^ 11。和每個(gè)結(jié)點(diǎn)的電流密度八的各 次諧波的諧波系數(shù)Ji，。、Ji;ns、Ji;n。； 步驟4:由磁矢量位與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系處理所述第一諧波數(shù)據(jù)內(nèi)的磁矢量位數(shù)據(jù)得 到磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，所述磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)包括每個(gè)有限元e的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)I，磁感應(yīng)強(qiáng) 度沿x軸分量數(shù)據(jù)MP磁感應(yīng)強(qiáng)度沿y軸分量數(shù)據(jù)Bey; 步驟5 :根據(jù)每個(gè)所述結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)確定結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的有限元e的位置； 若所述有限元e位于疊片鐵芯模型的柱-軛區(qū)，則通過基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的磁滯模型處理 所述有限元e的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)M導(dǎo)到對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)扎； 若所述有限元e位于疊片鐵芯模型的接縫區(qū)，則通過基于損耗函數(shù)的磁滯模型處理所 述有限元e的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)M導(dǎo)到對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)扎； 步驟6 :根據(jù)每個(gè)有限元e的磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)扎，結(jié)合已得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)I、磁感 應(yīng)強(qiáng)度沿x軸分量數(shù)據(jù)MP磁感應(yīng)強(qiáng)度沿y軸分量數(shù)據(jù)Bey，根據(jù)公式（3)和公式（4)得 到磁場(chǎng)強(qiáng)度沿x軸分量數(shù)據(jù)Hex和磁場(chǎng)強(qiáng)度沿y軸分量數(shù)據(jù)Hey: Bex/Be=Hex/He (3) Bey/Be=Hey/He (4); 步驟7 :處理所述磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，得到磁阻率數(shù)據(jù)R，所述磁阻率數(shù)據(jù)包括與所述結(jié)點(diǎn) 的各次諧波對(duì)應(yīng)的磁阻率數(shù)據(jù)，每個(gè)所述結(jié)點(diǎn)的第i次諧波包括第一磁阻率數(shù)據(jù)Rn、第二 磁阻率數(shù)據(jù)Ri2、第三磁阻率數(shù)據(jù)Ri3直至第n磁阻率數(shù)據(jù)Rin; 步驟8 :結(jié)合已得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度沿x軸分量數(shù)據(jù)Bex、磁感應(yīng)強(qiáng)度沿y軸分量數(shù)據(jù)Bey、 磁場(chǎng)強(qiáng)度沿x軸分量數(shù)據(jù)Hex和磁感應(yīng)強(qiáng)度沿y軸分量數(shù)據(jù)Hey，由公式（5)和公式（6)得 到每個(gè)有限元e的磁極化矢量沿x軸分量數(shù)據(jù)Mex、沿y軸分量數(shù)據(jù)凡y，進(jìn)而通過公式（7) 得到每個(gè)有限元e的與磁極化矢量相關(guān)的諧波向量數(shù)據(jù)Pe，
步驟9 :根據(jù)所述疊片鐵芯模型，第一諧波數(shù)據(jù)和諧波向量數(shù)據(jù)，建立所述結(jié)點(diǎn)的磁矢 量位化、磁阻率數(shù)據(jù)R和諧波向量數(shù)據(jù)P之間的第一關(guān)系； 步驟10 :通過場(chǎng)路耦合技術(shù)建立所述疊片鐵芯模型的電流密度Js與輸入電壓U之間的 第二關(guān)系； 步驟11 :結(jié)合所述第一關(guān)系和所述第二關(guān)系，得到第二諧波數(shù)據(jù)，所述第二諧波數(shù)據(jù) 包括所述結(jié)點(diǎn)的磁矢量位的各次諧波系數(shù)和所述結(jié)點(diǎn)的電流密度的各次諧波系數(shù)； 步驟12 :檢驗(yàn)所述第二諧波數(shù)據(jù)是否收斂，如果第二諧波數(shù)據(jù)不收斂，則執(zhí)行步驟13 ; 如果收斂，執(zhí)行步驟14 ; 步驟13 :采用第二諧波數(shù)據(jù)更新第一諧波數(shù)據(jù)，執(zhí)行步驟4 ; 步驟14 :根據(jù)所述第二諧波數(shù)據(jù)中的磁矢量位的各次諧波系數(shù)繪制磁滯回線，以便確 定所述變壓器的磁滯特性。 步驟15 :根據(jù)步驟4得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)和步驟6得到的磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，通過公式 (8)，分析所述變壓器的鐵芯損耗P:
其中P為疊片鐵芯的密度，T為時(shí)間周期，P為鐵芯損耗，時(shí)間周期T為電網(wǎng)頻率的倒 數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述有限元為二維有限元。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述有限元為三維有限元。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述每個(gè)結(jié)點(diǎn)的第i次諧波包括第一磁阻 率數(shù)據(jù)Rn、第二磁阻率數(shù)據(jù)Ri2、第三磁阻率數(shù)據(jù)Ri3直至第n磁阻率數(shù)據(jù)Rin中，n的取值范 圍為9至13。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，結(jié)合所述第一關(guān)系和所述第二關(guān)系，得到 第二諧波數(shù)據(jù)，具體包括： 根據(jù)公式
計(jì)算所述結(jié)點(diǎn)的磁矢量位 和電流密度的直流分量和1次諧波的諧波系數(shù)，其中Ai= {Ai(lAisAicJ; 根據(jù)公式
計(jì)算所述結(jié)點(diǎn)的磁矢量位 和電流密度的2次諧波的諧波系數(shù)，依次類推，直至計(jì)算出所述結(jié)點(diǎn)的磁矢量位和電流密 度的n次諧波的諧波系數(shù)，其中化={AinsAin。}; 其中，\是與步驟2中插值函數(shù)有關(guān)的系數(shù)，h是與諧波次數(shù)有關(guān)的矩陣。K是與電流 密度有關(guān)的向量，是與渦流有關(guān)的系數(shù)矩陣，電流密度是步驟3中的Js。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種直流偏磁狀態(tài)下變壓器磁滯特性及損耗特性確定方法。該方法包括：建立疊片鐵芯模型；剖分疊片鐵芯模型得到有限元；給每個(gè)結(jié)點(diǎn)的磁矢量位和電流密度賦初值；考慮磁滯效應(yīng)，結(jié)合有限元得到電磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果；結(jié)合定點(diǎn)技術(shù)和諧波解收斂技術(shù)處理所述磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)得到磁阻率數(shù)據(jù)；依次得到與各次諧波一一對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)形成第二諧波數(shù)據(jù)；若第二諧波數(shù)據(jù)不收斂，重復(fù)上述步驟，直至得到收斂的第二諧波數(shù)據(jù)。本發(fā)明提供的直流偏磁狀態(tài)下的變壓器的磁滯特性與損耗特性的確定方法，適用范圍廣，穩(wěn)定性強(qiáng)，適用于大規(guī)模的直流偏磁分析，從而為電力變壓器生產(chǎn)和制造提供重要依據(jù)。
【IPC分類】G01R31-00
【公開號(hào)】CN104777384
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510184067
【發(fā)明人】趙小軍, 鐘玉廷, 崔偉春, 張力暉, 關(guān)大偉, 孟凡輝, 王平, 劉剛
【申請(qǐng)人】華北電力大學(xué)（保定）
【公開日】2015年7月15日
【申請(qǐng)日】2015年4月17日