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大型电力变压器直流偏磁现象的研究

作　者: 姚缨英
导　师: 谢德馨；徐子宏
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 电机与电器
关键词: 电力变压器直流偏磁系统仿真非线性场路耦合瞬态涡流场
分类号: TM41
类　型: 博士论文
年　份: 2000年
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内容摘要

电力变压器的磁动势和磁通出现直流分量的现象称为“直流偏磁”,这一现象将对变压器的正常运行产生不利的影响,诸如励磁电流有效值、高次谐波成分及其相应损耗的增加,铁心高度饱和引起的漏磁通的增加,以及由此引发的局部过热、绝缘老化等问题。电力变压器直流偏磁现象可由太阳等离子风引起的地磁场剧烈变化、直流输电和交流输电的并行运行等原因分别引发,对这一现象的研究已经引起各工业化国家的重视,但目前对电力变压器中直流偏磁现象的机理研究和定量分析尚处于初步阶段。本文根据变压器制造企业和有关电力设计部门对直流偏磁研究提出的问题和要求,对大容量电力变压器受直流偏磁的影响以及有关的理论难题进行了深入研究,揭示了直流偏磁现象的机理,定量分析了在特定直流成分下变压器运行性能的变化,比较了不同结构电力变压器在同一偏置水平下对直流偏磁的耐受能力,提出了普通电力变压器应能承受的直流偏置水平的参考值,以及提高抗偏磁能力的措施。全文内容分为四部分7章。第一部分包括前3章,在调查研究和资料收集的基础上,提出了一种分析依赖于系统的变压器直流偏磁效应的新方法,建立了系统仿真模型和铁心高度饱和情况下变压器三维瞬态涡流场计算模型,使用本文提出的解三维瞬态涡流场方程的多步方法,不仅可以抑制解的振荡,而且减小了计算量,提高了计算精度。第二部分即第4章,针对本课题研究中出现的电磁场分析方面的关键问题,本文提出了一种三维瞬态分析中处理铁心磁参数的方法,可以减少非线性迭代的计算量;为了减小浅集肤效应钢构件的有限元剖分和计算规模,提出了改进的表面阻抗法,针对构件的形状和饱和程度,对表面阻抗条件和表面阻抗值进行了不同的修正;为了减少电磁场分析的计算量,对解线性代数方程组的IC-CBCG和ICCG预处理方法作了改进。第三部分即第5章,论述了对本文所编软件的验证工作。主要包括用模型变压器进行空载实验并将实验结果与计算结果作了比较;用国际通用标准测试模型TEAM WORKSHOP问题21和问题10验证了三维稳态和瞬态涡流分析软件的正确性;计算已知实验结果的铁心电抗器和采取不同的方法计算一台单相变压器使分析软件得以验证。第四部分包括第6章和第7章,针对变压器设计和制造部门感兴趣的问题,给出了定量分析结果;提出了判定常规设计的变压器允许通过直流量大小的准则及其估算方法;对提高变压器抗偏磁能力从变压器结构设计方面提出了建议。本论文针对中性点接地的电力传输系统,提出了一种分析直流偏磁对电力变压器运行性

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
1 绪论  11-21
  1.1 直流偏磁现象及研究意义  11-13
  1.2 国内外研究概况及需要解决的问题  13-18
    1.2.1 直流偏磁问题研究概况  13-15
    1.2.2 变压器数值分析研究概况  15-18
  1.3 本文研究的主要内容、技术关键和采用的技术路线  18-21
2 变压器中性点出现直流电压偏移时的系统仿真方法  21-43
  2.1 与变压器直流偏磁效应相关的概念  21-26
  2.2 系统仿真模型  26-29
  2.3 用电路与磁路相结合的方法求解系统微分方程组  29-31
  2.4 计算用变压器参数  31-32
  2.5 组式变压器空载运行状态下受直流偏磁影响的系统仿真  32-34
  2.6 三相三柱变压器受直流偏磁影响的系统仿真  34-37
  2.7 三相五柱变压器受直流偏磁影响的系统仿真  37-40
  2.8 本章小结  40-43
3 直流偏磁情况下求解变压器漏磁、损耗及局部过热的三维瞬态分析方法  43-58
  3.1 概述  43
  3.2 解三维瞬态涡流场的A,φ-A 法  43-46
  3.3 用多步算法提高三维瞬态涡流场的求解精度和稳定性  46-55
    3.3.1 三维瞬态涡流分析控制方程的分离  47-48
    3.3.2 一阶常微分方程组的求解方法  48-49
    3.3.3 解三维瞬态涡流场的多步算法  49-52
    3.3.4 多步算法计算实例  52-55
  3.4 初值的确定、非线性磁参数的处理以及其它减小计算规模的措施  55-56
  3.5 本章小结  56-58
4 实现三维非线性瞬态场路耦合涡流分析的几个关键问题  58-81
  4.1 概述  58-59
  4.2 用二维瞬态非线性场路耦合有限元法计算三维分析中铁心的局部等效磁参数  59-67
    4.2.1 空载磁场计算的基本假设和物理模型  59-61
    4.2.2 二维非线性时变涡流场的场路直接耦合有限元分析  61-64
    4.2.3 对牛顿拉夫逊法雅可比矩阵迭代格式的改进  64-65
    4.2.4 磁化曲线的数值处理以及铁心高度饱和时磁化曲线的查取  65-66
    4.2.5 初值的计算  66-67
  4.3 变压器油箱的处理——浅透入深度材料的改进的表面阻抗分析法  67-76
    4.3.1 三维涡流分析中表面阻抗条件的研究-修正的表面阻抗条件  68-74
    4.3.2 三维涡流问题表面阻抗法的有限元模型  74-76
  4.4 改进的IC-CBCG(ICCG)法提高代数方程组的求解速度  76-78
  4.5 时间步长的选取  78-79
  4.6 本章小结  79-81
5 直流偏磁效应分析计算软件的验证  81-98
  5.1 直流偏磁对变压器运行性能影响的实验研究  81-86
  5.2 三维稳态涡流分析软件的验证  86-91
    5.2.1 验证实例1——TEAM WORKSHOP 问题21  86-90
    5.2.2 验证实例2——BKD-50000/500 铁心电抗器三维漏磁及损耗计算  90-91
  5.3 三维非线性瞬态分析基本软件的测试  91-96
    5.3.1 测试实例1——TEAM WORKSHOP 问题10  91-95
    5.3.2 测试实例2——DFP1-240000/500 单相变压器漏磁及损耗计算  95-96
  5.4 本章小结  96-98
6 直流偏磁效应对不同结构变压器运行性能的影响  98-124
  6.1 概述  98
  6.2 直流偏磁对不同类型三相变压器空载运行性能的影响  98-107
    6.2.1 双绕组变压器DFP1-240000/500 构成的组式变压器  98-101
    6.2.2 自耦变压器构成的组式变压器  101-102
    6.2.3 直流偏磁对三相三柱变压器运行性能的影响  102-104
    6.2.4 直流偏磁对三相五柱变压器运行性能的影响  104-107
  6.3 直流偏磁对励磁电流波形畸变的影响  107-109
  6.4 用三维瞬态场有限元法计算金属结构件中的损耗和局部过热  109-119
  6.5 直流偏磁对三相组式变压器温升的影响  119-120
  6.6 结构件局部过热条件  120-123
  6.7 结果分析  123-124
7 变压器允许直流偏置量的准则以及提高抗偏磁能力的措施  124-135
  7.1 变压器允许直流量的准则  124-129
    7.1.1 直流偏磁量与变压器运行性能的关系  125
    7.1.2 确定变压器允许直流偏磁量的准则  125-126
    7.1.3 变压器受直流偏磁影响程度的分析结果  126-127
    7.1.4 变压器允许直流偏磁量的估算方法  127-129
  7.2 变压器结构尺寸与减小直流偏磁效应的关系  129-131
  7.3 变压器主要参数与减小直流偏磁效应的关系  131-132
  7.4 系统防护措施  132-134
  7.5 本章小结  134-135
全文总结  135-137
致谢  137-138
攻读博士学位期间完成的科研项目和发表的论文  138-140
参考文献  140-146
附录一  146-149
博士学位论文创造性成果评价表  149

大型电力变压器直流偏磁现象的研究

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