【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电力系统电力设备故障，涉及一种基于场路双向耦合的换流变压器匝间短路的仿真方法。
技术介绍
1、换流站是高压直流输电系统中的重要组成部分，而换流变压器作为换流站能量转换、传输的核心电力设备，承担着隔离交、直流系统以及提供换流阀所需的可调节交流电压等多项重要任务。换流变压器发生匝间短路故障时，故障环流对绕组结构中的漏磁分布产生影响。换流变压器匝间短路故障时存在复杂的电磁耦合关系，若不能及时发现并切除故障，高能电弧将剧烈汽化分解周围绝缘油，在短时间内产生大量氢气、乙炔等可燃性气体。油中电弧产生的高温高压气泡呈现脉动增长行为，不断挤压周围绝缘油，导致变压器内部故障油压骤升。若没有差动保护、压力释放阀和油流继电器等保护装置的及时动作，当稳态压力超过变压器油箱承压极限时，油箱开裂、爆炸将难以避免。
2、目前，受限于理论模型参数的准确性及仿真算法的普适性，变压器匝间短路故障下匝间环流与匝间短路绕组漏磁耦合变化规律尚未揭示，故障电流以及变压器端电流的定量特征亦不明晰。此外，由于换流变压器具有特殊的铁芯和绕组结构，目前尚无一种行之有效、公认准确的匝间短路故障模型，造成故障特征计算及继电保护特性研究上的困难。
技术实现思路
1、为了解决现有变压器匝间短路模型的不足，无法准确计算匝间短路故障工况条件下的故障电流等物理量的问题，本专利技术的目的在于提出一种基于场路双向耦合的换流变压器匝间短路的仿真方法，该方法通过建立换流变压器匝间短路故障模型，实现设备级与系统级的瞬态协同仿真，从
2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
3、一种基于场路双向耦合的换流变压器匝间短路的仿真方法，包括以下步骤：
4、步骤1：根据换流变压器结构，搭建换流变压器三维几何模型；
5、步骤2：将换流变压器三维几何模型导入ansys maxwell中，选取换流变压器的长和高确定的平面，在宽的中点处对三维几何模型进行剖分，得到二维几何模型；
6、步骤3：对二维几何模型进行有限元网格剖分，得到二维有限元模型；
7、步骤4，搭建换流站电路拓扑，换流站电路拓扑中的三相换流变的有限元分析模块分别对应二维有限元模型的三个不同的二维瞬态磁场求解器，从而生成基于场路双向耦合的换流变压器匝间短路模型并求解，实现基于场路双向耦合的换流变压器匝间短路的仿真。
8、进一步的，步骤1包括以下过程：将换流变压器的铁芯简化为圆柱体或椭圆柱体，将调压绕组简化为同心圆筒结构，网侧或阀侧绕组多采用饼式结构，忽略饼间垫块的高度，将故障绕组划分为两段或者三段同心圆筒结构，搭建换流变压器三维几何模型。
9、进一步的，对二维几何模型进行有限元网格剖分，得到二维有限元模型，包括以下步骤：对二维几何模型进行有限元网格剖分，限制剖分单元的最大边长数值，添加求解器，设置瞬态磁场仿真求解的停止时间和计算时间步长以及磁场数据记录的停止时间和采样间隔，得到二维有限元模型。
10、进一步的，搭建换流站电路拓扑包括：三相换流变中各相换流变压器铁芯柱的网侧绕组出线并联后按星形接法连接三相对称交流电源，各相两芯柱的阀侧绕组出线并联后按星形或三角形接法连接三相桥式整流电路的交流侧，电源部分等效为理想电压源，负荷等效为阻抗。
11、进一步的，实现基于场路双向耦合的换流变压器匝间短路的仿真，包括实现基于场路双向耦合的换流变压器匝间短路模型的求解，得到每个时刻的矢量磁位、磁场强度、磁感应强度、电压与电流。
12、进一步的，求解的过程包括：包括对于内部磁场域，通过求解磁场控制方程，获得换流变压器绕组的感应电压，将换流变压器绕组的感应电压输入至换流站电路拓扑的电路约束方程中计算，得到绕组输入电流，绕组输入电流作为反馈输入描述内部磁场域的磁场控制方程，得到更新的绕组的感应电压；并且绕组输入电流作为电弧模型的输入变量，参与时变电弧电阻的运算，得到电弧电阻，然后电弧电阻将被返回至电路约束方程；内部磁场域和换流站电路拓扑之间在每一时间步长下进行双向数据交互，实现换流变压器匝间短路故障的场路双向耦合求解，得到每个时刻的矢量磁位、磁场强度、磁感应强度、电压与电流。
13、进一步的，电磁场控制方程为：
14、
15、其中，为哈密顿算子；ν为介质的磁阻率，a为矢量磁位，js为空间电流密度矢量，σ为介质的电导率；t为时间。
16、进一步的，空间电流密度矢量js通过下式计算：
17、
18、式中，di为电流方向系数；n为绕组匝数，a为并联支路数，sw为导体的总截面积，iin为铰链导体每匝绕组中流过的电流。
19、与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：
20、本专利技术针对换流变压器进行建模，得到换流变压器三维几何模型，通过剖分，得到二维有限元模型，通过使换流站电路拓扑中的三相换流变的有限元分析模块分别对应二维有限元模型的三个不同的二维瞬态磁场求解器，分析场路双向耦合机理并求解，获得准确可信的仿真计算结果。本专利技术可作为危险、昂贵、不切实际的真实换流变压器短路现场试验的有效替代方案，作为故障机理研究与理论分析的可靠技术手段；本专利技术中获得的换流变压器匝间短路故障仿真结果，能够实现匝间短路故障后换流变压器磁场分布和故障电流的精确计算与表征，揭示了绕组漏磁与短路环流之间的复杂耦合关系，为换流变压器匝间短路故障仿真提供了行之有效的仿真手段，为匝间短路故障特征提取、新型继电保护方案开发奠定基础。
21、进一步的，本专利技术能够获得内部磁场域和外电路之间各电气量获得稳定的仿真结果，有效保证了每一时间步长下数据的双向交换，实现瞬态协同仿真求解。相比于间接耦合法分开解决磁场问题和电路问题再进行数据交换的特点，本专利技术的仿真方法通过直接耦合法则在数据交换中同时解决了磁场问题和电路问题。本专利技术提高了计算精度，能够更加准确地模拟变压器的实际运行工况；
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1.一种基于场路双向耦合的换流变压器匝间短路的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于场路双向耦合的换流变压器匝间短路的仿真方法，其特征在于，步骤1包括以下过程：将换流变压器的铁芯简化为圆柱体或椭圆柱体，将调压绕组简化为同心圆筒结构，网侧或阀侧绕组多采用饼式结构，忽略饼间垫块的高度，将故障绕组划分为两段或者三段同心圆筒结构，搭建换流变压器三维几何模型。
3.根据权利要求1所述的基于场路双向耦合的换流变压器匝间短路的仿真方法，其特征在于，对二维几何模型进行有限元网格剖分，得到二维有限元模型，包括以下步骤：对二维几何模型进行有限元网格剖分，限制剖分单元的最大边长数值，添加求解器，设置瞬态磁场仿真求解的停止时间和计算时间步长以及磁场数据记录的停止时间和采样间隔，得到二维有限元模型。
4.根据权利要求1所述的基于场路双向耦合的换流变压器匝间短路的仿真方法，其特征在于，搭建换流站电路拓扑包括：三相换流变中各相换流变压器铁芯柱的网侧绕组出线并联后按星形接法连接三相对称交流电源，各相两芯柱的阀侧绕组出线并联后按星形或三角形接法连接三
5.根据权利要求1所述的基于场路双向耦合的换流变压器匝间短路的仿真方法，其特征在于，实现基于场路双向耦合的换流变压器匝间短路的仿真，包括实现基于场路双向耦合的换流变压器匝间短路模型的求解，得到每个时刻的矢量磁位、磁场强度、磁感应强度、电压与电流。
6.根据权利要求1所述的基于场路双向耦合的换流变压器匝间短路的仿真方法，其特征在于，求解的过程包括：包括对于内部磁场域，通过求解磁场控制方程，获得换流变压器绕组的感应电压，将换流变压器绕组的感应电压输入至换流站电路拓扑的电路约束方程中计算，得到绕组输入电流，绕组输入电流作为反馈输入描述内部磁场域的磁场控制方程，得到更新的绕组的感应电压；并且绕组输入电流作为电弧模型的输入变量，参与时变电弧电阻的运算，得到电弧电阻，然后电弧电阻将被返回至电路约束方程；内部磁场域和换流站电路拓扑之间在每一时间步长下进行双向数据交互，实现换流变压器匝间短路故障的场路双向耦合求解，得到每个时刻的矢量磁位、磁场强度、磁感应强度、电压与电流。
7.根据权利要求6所述的基于场路双向耦合的换流变压器匝间短路的仿真方法，其特征在于，电磁场控制方程为：
8.根据权利要求6所述的基于场路双向耦合的换流变压器匝间短路的仿真方法，其特征在于，空间电流密度矢量Js通过下式计算：
...【技术特征摘要】
1.一种基于场路双向耦合的换流变压器匝间短路的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于场路双向耦合的换流变压器匝间短路的仿真方法，其特征在于，步骤1包括以下过程：将换流变压器的铁芯简化为圆柱体或椭圆柱体，将调压绕组简化为同心圆筒结构，网侧或阀侧绕组多采用饼式结构，忽略饼间垫块的高度，将故障绕组划分为两段或者三段同心圆筒结构，搭建换流变压器三维几何模型。
3.根据权利要求1所述的基于场路双向耦合的换流变压器匝间短路的仿真方法，其特征在于，对二维几何模型进行有限元网格剖分，得到二维有限元模型，包括以下步骤：对二维几何模型进行有限元网格剖分，限制剖分单元的最大边长数值，添加求解器，设置瞬态磁场仿真求解的停止时间和计算时间步长以及磁场数据记录的停止时间和采样间隔，得到二维有限元模型。
4.根据权利要求1所述的基于场路双向耦合的换流变压器匝间短路的仿真方法，其特征在于，搭建换流站电路拓扑包括：三相换流变中各相换流变压器铁芯柱的网侧绕组出线并联后按星形接法连接三相对称交流电源，各相两芯柱的阀侧绕组出线并联后按星形或三角形接法连接三相桥式整流电路的交流侧，电源部分等效为理想电压源，负荷等效为阻抗。
5.根据权利要求1所述的基于...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈一悰，徐浩东，杨宵，张钰声，黄子堃，锁军，彭书涛，左坤，何继厚，闫晨光，
申请(专利权)人：国网陕西省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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