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基于有限元分析的变压器抗短路电流电动力能力评估方法

销售价格: 150元/篇 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis 编辑:若诗 点击次数:87
论文字数:0 论文编号:el2021011721431321791 日期:2021-01-24 12:18 作者:上海论文网
本文是电力论文,在此基础上利用马尔科夫状态转换模型对变压器绕组累积形变进行预测,并及时发现变压器绕组存在的问题;对渭南110kV电网的变压器进行了抗短路能力评估和给出校核建议。论文取得的研究成果如下:(1)基于实际变压器参数对110kV的变压器进行了模拟仿真,采用“磁场-结构场”耦合的有限元方法研究单相接地短路、两相接地短路、三相短路状况下变压器绕组累积形变的情况,并对每种短路情况设置三种不同的短路冲击电流进行仿真分析,发现变压器在不同短路电流冲击下绕组累积形变量先保持低形变量,利用马尔科夫状态转换模型,对变压器绕组累积效应进行预测,有助于及时发现变压器存在的问题并解决。

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1绪论

 

随着电网的不断发展,未来电力系统的网络结构将因能源结构的变化而相应改变。电网的结构变得更加复杂,难以协调,当电网出现短路故障时短路电流可能会超出原定数值而直接威胁电网中变压器正常稳定运行,进而威胁到电力系统的安全可靠经济运行。这对变压器抗短路电流能力提出了很大的挑战,如果只采用现场吊罩检修或返厂修理则成本高且不易现实。事实上,我国多地110kV及以上电力系统已经出现短路电流超标与开关能力不足而导致的变压器绕组烧毁事件。因此对110kV及以上变压器进行抗短路电流能力校核可以评估变压器耐受短路冲击能力,可以提前发现电力系统的网络结构的变化带来的变压器运行潜在威胁,为现代电力系统安全稳定运行提供依据。针对变压器绕组在短路电流冲击下累积形变效应的问题,依据有限元理论,利用“磁场-结构场”耦合的方法,搭建了变压器绕组累积效应模型,并加以验证。在此基础上针对变压器绕组累积效应变化趋势的问题,依据马尔科夫理论,利用马尔科夫状态转换,搭建了变压器绕组累积形变预测模型,并加以验证。

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2变压器短路电流电动力效应模型

 

2.1变压器短路受力计算模型
弹性材料是指当材料受到外力作用后发生了形变,但当外力去掉之后,材料所发生的变形能完全恢复到未变形的状态[44]。但对于变压器中的铜绕组,根据变压器运行和检修情况可以发现,铜绕组在受到电磁力作用后其形变并不能恢复到初始状态,因此把铜绕组简单地看作弹性材料进行研究并不能达到实际的标准且会产生很多误差,不满足实际工程中的需要。因此,在以上的研究基础上,还需要考虑一种情况即铜绕组是塑性材料。塑性材料是指材料受到外力作用后发生了形变,但当外力去掉之后,材料所发生的变形不能完全恢复到未变形的状态,即会有一定的形变余量。而产生塑性形变的主要原因是材料受到的作用力远大于弹性材料的极限,使材料发生了塑性形变。为了能描述出材料是弹性材料还是塑性材料,可以通过应力-应变关系来表示,其中弹性材料其应力-应变关系近似是线性关系,而塑性形变应力-应变关系是非线性关系。对于变压器的铜绕组,当其所受外力较小时,可以将其看作弹性材料,而当受到的外力较大时,可以看作塑性材料,因此对铜绕组进行力学模型建模时需将其看作为弹塑性材料。

 

2.2“场路”耦合计算方法
变压器的铜绕组当其在短路时受到的电动力是远超其弹性极限的,因此产生了塑性形变。在材料发生塑性形变时,即使外力不变但其形变还是会继续下去,这种现象称之为屈服,将发生屈服现象的最小应力称之为屈服点。因为铜绕组没有明显的屈服现象,故采用产生0.2%残余变形的应力值为其屈服极限,称为屈服强度或条件屈服极限。超过该数值即可认为产生了塑性形变。变压器线圈在短路漏磁场作用下受到的短路电磁力会使线圈发生形变,其会引起变压器故障,进而影响变压器稳定运行。变压器的的形变有:绕组鼓包、绕组线圈弯曲产生轴向和辐向变形等。其产生的原因可分为:生产制造工艺不够规范,致使结构强度不达标;短路时绕组所受电动力过强;变压器绕组受到的外部机械力的破坏。由此可见,变压器绕组产生形变一方面是因为自内部自身原因所引起的,更多的是另一方面,即短路电动力的作用下导致绕组线圈的变形,进而引起绕组变形甚至损坏。其结构关系如图2.2所示:
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3变压器绕组短路电流电动力及其累积效应仿真................................................................26
3.1变压器绕组短路电动力形变三维仿真模型.................................................................26
3.2不同短路条件下累积效应仿真分析.............................................................................31
3.3小结.................................................................................................................................50
4基于马尔科夫状态转换变压器抗短路能力校核................................................................51
4.1预测方法.........................................................................................................................51
4.2预测仿真.........................................................................................................................52
4.3渭南电网变压器短路电动力耐受能力评估.................................................................64
4.4提高电力变压器抗短路累积效应的措施.....................................................................69
4.5小结.................................................................................................................................70
5总结和展望...........................................................................................................................71

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4基于马尔科夫状态转换变压器抗短路能力校核

 

4.1预测方法
对变压器SFSZ9-40000/110进行绕组累积效应预测仿真,目的是利用仿真数据验证预测算法模型是否正确,并在此基础上提出变压器抗短路校核方法,以保证变压器在110kV电力系统中,能减少停电检修次数,及时发现变压器故障,保证电力系统正常稳定运行。在变压器绕组累积形变仿真结果的基础上,利用马尔科夫状态转换模型进行预测,使用的数据为变压器在模拟仿真不同短路电流冲击下变压器绕组的累积形变效应后,引入马尔科夫状态转换算法对仿真结果进行预测,以期通过预测得到未来变压器绕组形变情况,减少仿真次数,用预测的方法研究变压器绕组形变情况,得出变压器绕组在受到短路冲击时绕组的形变情况及趋势,从而为变压器抗短路能力的提升提供一种新的研究方法。综上所述,新能源发电以及特高压输电的不断发展,对电网输电能力的提升有很大的帮助,同时,也对电网已有设备安全可靠运行带来了很大的挑战。尤其是电力变压器,短路电流水平的提升对变压器绕组结构安全和稳定运行有很大的影响。为此,论文在分析变压器短路电流、漏磁场、电动力和绕组累积效应的基础上,提出变压器校核方法,并对变压器抗短路电流能力进行综合评估,并提出整改措施,以期为规避现代电力系统变压器运行潜在故障风险提供理论依据。

 

4.2预测仿真
利用马尔科夫状态装换模型对变压器绕组短路累积形变进行预测,通过仿真数据与预测数据的对比可以发现:仿真值与预测值误差率小于5%,符合误差要求,表明马尔科夫状态装换模型的正确性。结合变压器绕组仿真结果,可知马尔科夫状态装换模型能较准确的反应变压器的形变过程,这对及时发现变压器绕组存在的问题,并做好应对措施提供理论依据。并在此基础上提出提高变压器抗短路能力校核方法。、中压单相短路时绕组累积形变的数据、两相短路时绕组累积形变的数据和三相短路时组累积形变的数据进行预测。记绕组形变量小于1cm,即低形变量为状态1,绕组形变量大于1cm,即高形变量为状态2。利用马尔科夫状态转换算法,通过MATLAB编程实现算法模型,并对变压器绕组累积效应进行预测。其中滤波是确定预测数值的状态,即绕组形变量大于1cm或者绕组形变量小于1cm,其原理是根据原始数据的数值确定出下一次预测数值状态的概率,并在此基础上进一步确定预测数值的取值。因此滤波概率能较为全面地反映预测过程。
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5总结和展望
然后在某一次短路电流冲击下突然发生形变量突变的情况,尤其以三相短路电流对绕组的危害最大,其形变量突变点远早于其他短路情况且变化迅速,表明变压器不能耐受三相短路的冲击;在混合短路电流冲击下,变压器绕组累积形变量的突变情况远比单一短路情况下的绕组累积形变快且形变量变化迅速,表明变压器不能耐受混合短路的冲击。(2)对渭南电网110kV变压器进行抗短路电流能力进行评估,采用单一某一种短路电流冲击和混合短路电流冲击进行仿真和预测发现:变压器型号为SFSZL7-31500/110和SSZ11-50000/110比SZ11-50000/110更能耐受单相短路接地电流冲击;变压器型号为SFSZL7-31500/110和SSZ11-50000/110比SZ11-50000/110更能耐受两相短路接地电流冲击;变压器型号为SSZ11-50000/110比SZ11-50000/110和SFSZL7-31500/110更能耐受三相短路电流冲击;变压器型号为SZ11-50000/110比SFSZL7-31500/110和SSZ11-50000/110更能耐受混合短路电流冲击。并在上述基础上给出了提高变压器抗短路电流能力措施。
参考文献(略)
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