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换流变压器交直流复合电场和极性反转电场算法研究

作　者: 刘刚
导　师: 李琳
学　校: 华北电力大学
专　业: 电工理论与新技术
关键词: 换流变压器交直流复合电场极性反转电场电导率非线性各向异性空间电荷密度
分类号: TM42
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

换流变压器是高压直流输电系统中的重要设备之一,其阀侧绕组在正常工况下承受含有高次谐波成分的交直流复合电场,在潮流反转时又承担极性反转瞬态电场,准确计算其油纸绝缘结构中的电场是换流变压器绝缘设计的基础,深入研究换流变压器交直流复合电场和极性反转瞬态电场分布特征对换流变压器的设计、制造和维护具有重要意义。本文对换流变压器油纸绝缘结构交直流复合电场和极性反转瞬态电场计算方法进行了深入的研究,主要内容如下：(1)交直流复合电场的频域有限元计算方法研究换流变压器阀侧绕组承受的交直流复合电压中不仅含有直流分量和基频交流分量,还含有高次谐波分量。目前变压器设计人员普遍采用的分析方法只将直流电场叠加交流电场作为交直流复合电场,忽略了高次谐波的影响。本文采用频域有限元方法分析绝缘介质电导率线性条件下的交直流复合电场,考虑了高次谐波电压分量的影响。对绝缘介质电导率-电场强度非线性条件下的交直流复合电场,提出将定点法和线性化迭代方法相结合,然后采用频域有限元方法进行计算。分别采用频域有限元方法、瞬态法和谐波平衡有限元方法分析了典型油纸绝缘结构的交直流复合电场,对比结果表明频域有限元算法既可以比瞬态法减少计算时间,又可以比谐波平衡有限元法节省计算机内存,适合实际换流变压器的交直流复合电场分析。本文同时对油纸绝缘结构典型模型在电阻率为线性、非线性和非线性各向异性条件下的交直流复合电场进行了计算,对计算结果作了比较分析。(2)绝缘介质电导率-电场强度非线性条件下换流变压器极性反转过程持续时间对极性反转完成时刻电场分布的影响目前国内外学者在换流变压器极性反转电场分析时没有同时考虑绝缘介质电导率非线性和短时极性反转过程的影响,本文详细研究了绝缘介质电导率-电场强度非线性条件下,短时极性反转过程持续时间对极性反转完成时刻电场分布的影响。分析结果表明,在绝缘介质电导率-电场强度非线性条件下,极性反转过程持续时间对反转完成时刻的电场分布影响很大,尤其是绝缘裕度较低的变压器油中电场强度值变化很大。如果同时考虑电导率-电场强度非线性及2分钟的短时极性反转过程,则反转完成瞬间油中最大电场强度值要比瞬间完成的电场强度值小50%,这对绝缘设计具有重要意义。(3)分析换流变压器极性反转电场的节点电荷(密度)-电位有限元方法目前国内外学者在分析换流变压器极性反转过程时,往往只是定性地用空间电荷在极性反转前后不能突变或变化量很小来解释电荷及其电场对换流变压器极性反转电场的影响,没有对油纸绝缘结构中的空间电荷做定量地研究。本文提出一种能够直接计算换流变压器极性反转瞬态过程中空间电荷及其电场分布的数值计算方法—节点电荷(密度)-电位有限元法,该方法直接以节点电荷(密度)和电位为待求量,计算精度较高。在得到空间电荷密度的基础上,提取导体表面电荷密度,从而可以准确地计算换流变压器金属结构件(比如静电环)表面法向电场强度,为结构设计提供依据。(4)一台±500kV换流变压器极性反转电场和电荷分布的计算利用本文提出的节点电荷(密度)—电位有限元方法,对一台±500kV换流变压器在极性反转电压下的瞬态电场、电荷及其电荷电场分布进行了计算分析。对比了绝缘介质电导率各向同性线性／非线性、各向异性线性／非线性条件下的瞬态电场和电荷分布,分析了瞬态过程中绝缘介质典型位置电场、电荷和静电环表面法向电场强度的变化特征。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第1章引言  13-21
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  13-16
  1.2 国内外研究现状  16-18
  1.3 换流变压器绝缘电场计算中存在的问题  18-19
  1.4 课题研究内容  19-21
第2章交直流复合电场的频域有限元方法  21-39
  2.1 基于标量电位的电准静态场有限元方程  21-24
  2.2 线性交直流复合电场的频域有限元法  24-25
  2.3 非线性交直流复合电场的定点频域有限元法  25-27
  2.4 非线性各向异性交直流复合电场的定点频域有限元法  27-29
    2.4.1 油浸层压纸板电导率的各向异性非线性  27-28
    2.4.2 非线性各向异性交直流复合电场的定点频域有限元法分析  28-29
  2.5 典型油纸绝缘结构在交直流复合电压下的电场分析  29-37
    2.5.1 换流变压器阀侧绕组激励电压  29-30
    2.5.2 典型油纸绝缘结构模型  30-31
    2.5.3 线性交直流复合电场分析  31-33
    2.5.4 非线性交直流复合电场分析  33-35
    2.5.5 非线性各向异性交直流复合电场分析  35-37
  2.6 本章小结  37-39
第3章极性反转瞬态电场的标量电位有限元方法  39-59
  3.1 极性反转电场初边值问题及其半离散方程  39-40
  3.2 有限元方程的全离散格式  40-41
  3.3 非线性极性反转瞬态电场分析  41-45
    3.3.1 非线性各向同性极性反转瞬态电场分析  41-42
    3.3.2 非线性各向异性极性反转瞬态电场分析  42-45
  3.4 自适应变步长算法  45-49
    3.4.1 变步长策略  46-47
    3.4.2 算法验证  47-49
  3.5 典型油纸绝缘结构极性反转电场分析  49-57
    3.5.1 极性反转电压  49
    3.5.2 极性反转瞬态电场分析  49-57
  3.6 本章小结  57-59
第4章极性反转瞬态电场的节点电荷电位有限元方法  59-74
  4.1 引言  59-61
  4.2 基于节点电荷-电位的有限元方程  61-62
  4.3 基于节点电荷密度-电位的有限元方程  62-66
    4.3.1 电荷密度刚度阵P计算  63-64
    4.3.2 罚函数法施加边界条件  64-65
    4.3.3 非线性极性反转过程计算格式  65-66
    4.3.4 导体法向电场强度计算  66
  4.4 算例验证  66-68
  4.5 典型油纸绝缘结构极性反转瞬态过程中电荷及其电场分析  68-72
  4.6 本章小结  72-74
第5章 ±500KV换流变压器极性反转电场分析  74-91
  5.1 前言  74
  5.2 ±500KV换流变压器计算模型及前处理  74-75
  5.3 仿真参数的选取  75-77
  5.4 换流变压器极性反转瞬态过程中电场和电荷分析  77-85
  5.5 换流变压器静电环法向电场强度分析  85-89
  5.6 本章小结  89-91
第6章结论  91-94
参考文献  94-102
攻读博士学位期间发表的论文  102-103
攻读博士学位期间参加的科研工作  103-104
致谢  104-105
作者简介  105

换流变压器交直流复合电场和极性反转电场算法研究

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