[发明专利]一种考虑温度梯度的换流变压器复合电场计算方法

说明书

技术领域

本发明属于换流变压器多物理场耦合计算技术领域，尤其涉及一种考虑温度梯度的换流变压器复合电场计算方法。

背景技术

换流变压器是特高压直流输电工程中最重要的部件之一，具有传输功率和转换电能的作用。在实际工况中换流变压器处于复合电场中，此刻网侧处于基频正弦电压，阀侧包含直流电压、基频正弦电压、高次谐波电压，换流变压器网侧与阀侧的工作环境比较复杂，并且换流变压器的内部结构也较为复杂，复杂的工作环境和内部结构使换流变压器的绝缘成为比较薄弱的环节。而绝缘油、油浸纸板可改善强迫油循环的油道，使热源对流散热，也使绝缘性能提高，因此研究换流变压器的绝缘问题至关重要，绝缘是否优良直接影响直流输电系统的性能。换流变压器的电场计算可以为绝缘分析提供指导。然而大多数学者在研究电场时，假设内部绝缘介质电导率恒定，却不考虑电导率与温度正相关。这样的假设虽然给电场仿真带来了方便，但是这种电导率为常数的处理，可能会使仿真得到的电场与实际电场产生偏差，直接影响对绝缘性能的判断，难以满足换流变压器的实际设计需要。近年来发展运用的导向式油道能使冷却油沿指定路径通过绕组内部，使变压器油流速更大冷却效率更高。然而随着导向式油循环的兴起，相关分析并没有考虑纵绝缘因素，忽略油道的精细建模，这样的模型在分析温度分布时误差较大。

发明内容

针对上述问题，本发明在考虑温度梯度的情况下，根据内部绝缘介质电导率的不均匀分布，提出一种考虑温度梯度的换流变压器复合电场计算方法，使得计算结果更符合实际情况，该方法包括以下步骤：

步骤1：计算换流变压器的铁芯损耗与绕组损耗；

步骤2：精细换流变压器网侧、阀侧绕组的内部油道，按实际换流变压器分布及油道状态建立换流变压器二维流体-温度场模型；

步骤3：根据流体场和温度场特征，将换流变压器流体-温度场模型离散为三角形-四边形的混合网格，根据层流理论，采用有限体积法计算流体场和温度场；

步骤4：根据电场特征，建立换流变压器二维电场模型，并将换流变压器电场模型离散为三角形有限元网格，采用有限元方法计算电场；

步骤5：根据异构网格节点数据快速映射算法，利用插值将温度场中每个节点的数据映射到步骤4离散得到的电场三角形单元节点中；

步骤6：将换流变压器内部的绝缘油、油浸油纸按要求干燥、脱水，采用三电极法测量在不同温度下绝缘油、油浸油纸的电导率，并拟合得到绝缘油、油浸油纸的温度-电导率变化曲线；

步骤7：搭建输电系统模型，得到对地电压波形；

步骤8：采用快速傅里叶变换将对地电压波形变换到频域，在频域使用有限元方法求解后再采用快速傅里叶反变换得到原时域的周期非正弦稳态结果，即换流变压器内部电场分布。

所述绕组损耗包括换流变压器网侧、阀侧的欧姆损耗和涡流损耗。

所述步骤2还包括按照换流变压器的实际ODAF散热通道，建立绕组内部精细油道，添加绝缘纸板。

所述步骤5还包括采用层流模型对换流变压器的温度场进行分析，控制导向式油循环油路通道以及绕组流道的入口速度，使内部最大速度控制在规定范围内。

所述步骤6中通过湿温交变箱改变测试环境温度。

所述对地电压波形考虑了高次谐波的影响。

所述步骤8中使用有限元方法求解时，采用实际电场模型中各三角形节点温度的平均值作为每个单元的温度，根据电导率-温度拟合曲线得到各个单元电导率。

本发明的有益效果在于：

相比于现有的换流变压器电场分析方法，本发明考虑了温度梯度的存在，根据内部绝缘介质电导率的不均匀分布来计算电场，在换流变压器温度场计算时，精细建立绕组内部油道模拟对流换热，合理处理油浸纸板；在将温度场数据映射到电场时，采用异构网格节点数据快速映射算法，实现了换流变压器内部的不同物理场中不同类型网格之间的数据准确传递；本方法提高了计算准确度，使得计算结果更符合实际情况；同时为其它电气设备中的多物理场间接耦合奠定了基础。

附图说明

附图1为一种基于温度梯度的换流变压器电场计算方法流程图；

附图2为温度数据映射前后云图对比；

附图3为同一时刻换流变压器中均匀温度和考虑温度梯度的电位云图对比；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。应该说明的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

以二维问题为例，对本发明技术方案做详细描述。方法流程如图1所示：