[发明专利]一种确定变压器直流偏磁瞬态磁场和涡流损耗分布的方法

说明书

本发明公开了一种确定变压器直流偏磁瞬态磁场和涡流损耗分布的方法，其技术方案为：建立直流偏磁下变压器的瞬态电路模型和磁路模型，电路模型中，在变压器的一次侧绕组上加直流电压源，并列出含有直流电压的电路方程；磁路模型中，考虑变压器铁心不同的拓扑结构及铁磁材料的磁饱和特性，并将涡流产生的磁动势引入模型，列出磁路方程；将磁路方程与电路方程进行耦合，得到非线性微分—代数方程组，利用牛顿—拉夫逊方法求解该方程组，确定直流偏磁下不同拓扑结构变压器的瞬态涡流损耗及磁场分布。本发明的计算过程收敛速度快，计算结果误差更小、更精确，利用该发明的计算结果，可进一步准确分析由直流偏磁引起的变压器局部过热、振动和噪声等问题。

技术领域

本发明涉及电机与电器专业方向的变压器技术领域，尤其涉及一种确定变压器直流偏磁瞬态磁场和涡流损耗分布的方法。

背景技术

直流偏磁是指在变压器的绕组中出现了直流电流，从而在铁心中产生直流磁通的一种非正常现象。产生直流偏磁现象的原因有两个：一是太阳磁暴在地球表面产生感应电位差，导致在中性点接地的变压器绕组中窜入地磁感应电流(简称GIC)。地磁感应电流频率很低，大约为0.001～1Hz之间，可近似为直流电流。二是受直流输电工程的影响。当高压直流输电工程采用单极—大地回线运行方式或双极不平衡运行方式时，会有较大直流电流经接地极流入大地，从而在大地表面产生直流电位差，直流分量经大地进入到中性点接地的变压器绕组中。

直流偏磁使变压器的铁心迅速达到饱和状态，励磁电流发生畸变，从而产生一系列电磁效应，如图1所示。此外，直流偏磁还会导致电力系统继电保护装置误动、电容器谐波放大、系统电压不稳定等，影响电力系统及电力设备的正常工作，甚至会引起电容器爆炸、系统电压崩溃、大停电等事故的发生。因此，直流偏磁现象不容忽视，尤其是对于变压器铁心的瞬态磁场和损耗分布，更是研究的热点。

国内外对变压器铁心瞬态磁场和损耗的计算方法大多采用磁滞模型法，该方法利用Preisach模型或Jiles-Atherton模型等磁滞特性模型，对交流动态磁化时的铁磁材料磁滞回线进行预估，通过数学公式表达磁通密度B或磁化强度M与磁场强度H的关系，再与有限元数值计算耦合，分析铁心磁场分布，最后利用坡印亭定理通过B与H的数值积分计算铁心损耗。这种方法涉及复杂的有限元数值推导，编程计算工作量大，计算结果存在较大的误差，工程实用性差。

发明内容

为了克服现有方法的不足，本发明提供了一种确定变压器直流偏磁瞬态磁场和涡流损耗分布的方法。建立直流偏磁下变压器的电路-磁路耦合模型以及磁通与铁心涡流损耗的关系表达式，利用牛顿-拉夫逊方法对铁心的瞬态磁场和涡流损耗分布进行仿真计算。该方法将非线性方程的求解过程转变为对相应的线性方程进行迭代求解，计算过程简单实用，收敛速度快，计算结果更加精确，误差更小，可以广泛应用于工程领域。

本发明采用下述技术方案：

一种确定变压器直流偏磁瞬态磁场和涡流损耗分布的方法，包括以下步骤：

建立直流偏磁下变压器的瞬态电路模型和磁路模型，电路模型中，在变压器的一次侧绕组上加直流电压源，并列出含有直流电压的电路方程；磁路模型中，考虑变压器铁心不同的拓扑结构及铁磁材料的磁饱和特性，并将涡流产生的磁动势引入模型，列出磁路方程；

将磁路方程与电路方程进行耦合，得到非线性微分—代数方程组，利用牛顿—拉夫逊方法求解该方程组，确定直流偏磁下不同拓扑结构变压器的瞬态磁场及涡流损耗分布。

进一步的，建立直流偏磁下变压器的空载等效电路模型，并得出相应的电路方程：