一種電抗器繞組在雷電波作用下響應特性的分析方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電抗器繞組在雷電波作用下響應特性的分析方法，其根據(jù)圓筒式繞組和鐵芯式繞組的結(jié)構(gòu)，計算得到電抗器的分布電容；電抗器分布電容包括匝間電容，餅層間電容以及繞組對鐵芯的電容和繞組對地電抗器外殼的電容；匝間電容和餅層間電容屬于縱向電容；繞組對鐵芯和外殼之間的電容屬于對地電容；通過電抗器的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以計算得到其分布電容。在雷電高頻電壓的作用下，導體中電阻參數(shù)的計算需要考慮導體的趨膚效應。進而根據(jù)繞組的上述分布參數(shù)，在Matlab軟件中搭建了電路模型，分析了在雷電波作用下，繞組各點的電壓分布情況，非常適用于工程設計，針對其電壓分布情況，可以對電抗器絕緣設計用著非常良好的指導意義。
【專利說明】一種電抗器繞組在雷電波作用下響應特性的分析方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于電力設備分析【技術(shù)領域】，具體涉及一種電抗器繞組在雷電波作用下響應特性的分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002]國民經(jīng)濟的高速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高帶來了電力負荷的高速增長。近年來，由于電力負荷增長迅猛，而發(fā)電裝機容量和輸配電能力不足，造成全國近20個省市電力供應緊張，部分省市出現(xiàn)限電拉閘。與此同時，隨著電力市場的開放，電力用戶對電能質(zhì)量的要求也在提高；電力生產(chǎn)與供應企業(yè)也比以往任何時候都重視電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。
[0003]在電力系統(tǒng)中，電抗器有著廣泛的應用，按用途可以將電抗器做以下劃分:1.限流電抗器，串聯(lián)于電力電路中，以限制短路電流的數(shù)值；2.并聯(lián)電抗器，一般接在超高壓輸電線的末端和地之間，起無功補償作用；3.通信電抗器，又稱阻波器，串聯(lián)在兼作通信線路用的輸電線路中，用以阻擋載波信號，使之進入接收設備；4.消弧電抗器，接于三相變壓器的中性點與地之間，用以在三相電網(wǎng)的一相接地時供給電感性電流，以補償流過接地點的電容性電流，使電弧不易起燃，從而消除由于電弧多次重燃引起的過電壓；5.濾波電抗器，用于整流電路中減少竹流電流上紋波的幅值，也可與電容器構(gòu)成對某種頻率能發(fā)生共振的電路，以消除電力電路某次諧波的電壓或電流；6.電爐電抗器，與電爐變壓器串聯(lián)，限制其短路電流起動電抗器，與電動機串聯(lián)，限制其起動電流。
[0004]電抗器繞組繞制在鐵芯周圍。鐵芯由硅鋼片堆疊而成，形成電抗器的磁路部分，繞組間通過絕緣油或者樹脂等絕緣體絕緣。繞組圍繞電抗器鐵芯繞制，繞組結(jié)構(gòu)分為圓筒式繞組以及餅式繞組兩種結(jié)構(gòu)。圓筒式繞組一般是用圓線和扁線繞制成的，導線圍繞鐵芯沿軸向由上至下繞下，軸向形成第一層線圈，同一層導線做彎折處理，在末端，從下至上繞，形成第二層線圈，依次可以形成多層線圈。餅式繞組是由沿軸向分布若干連續(xù)繞制的線餅組成，每個線餅由若干匝導線沿徑向一個挨一個疊繞起來。
[0005]近年來，雷電災害已成為目前電力故障產(chǎn)生的主要來源，例如雷擊線路，雷擊桿塔，雷電波入侵變電站等。并聯(lián)電抗器的造價高，維修不方便，維修周期長，電抗器的雷電災害給電網(wǎng)的運行帶來極大的不便和經(jīng)濟損失。據(jù)統(tǒng)計，電抗器故障很大一部分是電抗器的繞組故障，電抗器繞組發(fā)生故障多是由于其本身的絕緣結(jié)構(gòu)不夠合理，以致在極端的運行情況下，如遭受雷擊時，繞組絕緣損壞造成。大多數(shù)的電抗器都通過避雷器等裝置進行保護，然而，在雷電沖擊下，避雷器本身容易損壞，或者不正常動作，不能對變壓器起到有效的防雷保護。對變壓器的防雷不能完全依賴于避雷器，應積極探索變壓器本身防雷優(yōu)化設計的方法。因此，了解并研究雷電流沖擊下，變壓器繞組內(nèi)部的波過程，在變壓器防雷研究，變壓器本體設計及雷電預警系統(tǒng)有著重要的意義。
[0006]電抗器的研究主要分為基于電場的研究和基于電路的研究兩種，清華大學的王贊基在其畢業(yè)論文中詳細論述了如何基于場的方式來建立變壓器(電抗器)繞組的電磁模型從而分析其雷電響應特性，然而，場的分析方法過于復雜，形式多樣，對于不同結(jié)構(gòu)的并聯(lián)電抗器而言，單個模型適用性及其有限，不具備通用性。
[0007]電路模型通用性強，適用性廣，所以需要按照電路的思路搭建電抗器雷電響應模型。張喜樂等人在標題為VFTO作用下變壓器繞組的過電壓計算(高電壓技術(shù)，2005.31 (8):第4-7頁)的文獻中提出了對電抗器和變壓器的繞組進了電路建模，采用完全多導體模型，其忽略了中部若干個線餅之間的電磁耦合關(guān)系，該模型大大簡化了計算量，但帶來了較大的誤差。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種電抗器繞組在雷電波作用下響應特性的分析方法，具有較強的通用性，利用較少的結(jié)構(gòu)參數(shù)就可以計算得到所需的數(shù)據(jù)，且計算方法簡便有效。
[0009]一種電抗器繞組在雷電波作用下響應特性的分析方法，包括如下步驟:
[0010](I)根據(jù)電抗器繞組的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算出電抗器繞組相鄰餅層間的等值電容、等值電阻和等值電感；
[0011](2)根據(jù)雷電波的特性，確定雷電波的電壓表達；
[0012](3)建立電抗器繞組關(guān)于雷電波作用下的等效電路，其包括一電壓源、兩個接地電容C1~C2和n-ι個RLC (電阻-電感-電容)單元，η為電抗器繞組的餅層個數(shù)；其中η_1個RLC單元依次串聯(lián)后一端與接地電容C1的一端和電壓源的高壓端相連，另一端與接地電容(:2的一端相連，接地電容C1的另一端與接地電容C2的另一端和電壓源的低壓端相連并接地；所述的RLC單元由電阻R、電感L和電容C串聯(lián)成環(huán)路且電容C的兩端即對應為RLC單元的兩個串聯(lián)端口；
[0013]其中，第i個RLC單元中電阻R、電感L和電容C的參數(shù)值即對應為電抗器繞組第i餅層與第i+Ι餅層間的等值電容、等值電阻和等值電感；所述的電壓源電壓即對應雷電波電壓，i為自然數(shù)且KiSn-1;
[0014](4)對上述等效電路進行仿真，以分析電抗器繞組在雷電波作用下的響應特性。
[0015]所述的步驟(1)中根據(jù)以下公式計算電抗器繞組相鄰餅層間的等值電容Ch:
【權(quán)利要求】
1.一種電抗器繞組在雷電波作用下響應特性的分析方法，包括如下步驟: (1)根據(jù)電抗器繞組的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算出電抗器繞組相鄰餅層間的等值電容、等值電阻和等值電感； (2)根據(jù)雷電波的特性，確定雷電波的電壓表達； (3)建立電抗器繞組關(guān)于雷電波作用下的等效電路，其包括一電壓源、兩個接地電容C1~C2和n-ι個RLC單元，η為電抗器繞組的餅層個數(shù)；其中η_1個RLC單元依次串聯(lián)后一端與接地電容C1的一端和電壓源的高壓端相連，另一端與接地電容C2的一端相連；接地電容C1的另一端與接地電容C2的另一端和電壓源的低壓端相連并接地；所述的RLC單元由電阻R、電感L和電容C串聯(lián)成環(huán)路且電容C的兩端即對應為RLC單元的兩個串聯(lián)端口 ； 第i個RLC單元中電阻R、電感L和電容C的參數(shù)值即對應為電抗器繞組第i餅層與第i+1餅層間的等值電容、等值電阻和等值電感；所述的電壓源電壓即對應雷電波電壓，i為自然數(shù)且KiSn-1; (4)對上述等效電路進行仿真，以分析電抗器繞組在雷電波作用下的響應特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于:所述的步驟(1)中根據(jù)以下公式計算電抗器繞組相鄰餅層間的等值電容Ch:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分析方法，其特征在于:所述的匝間電容Ca的計算表達式如下:
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分析方法，其特征在于:所述的餅層間電容Cb的計算表達式如下:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于:所述的步驟(1)中根據(jù)以下公式計算電抗器繞組相鄰餅層間的等值電感Lh:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于:所述的步驟(1)中根據(jù)以下公式計算電抗器繞組相鄰餅層間的等值電阻Rh:
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于:所述的步驟(2)中根據(jù)以下關(guān)系式確定雷電波的電壓表達:
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于:所述的接地電容C1為電抗器繞組對電抗器鐵芯的電容，其電容值根據(jù)以下關(guān)系式確定:
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于:所述的接地電容C2為電抗器繞組對電抗器外殼的電容，其電容值根據(jù)以下關(guān)系式確定:
【文檔編號】G01R31/00GK103823137SQ201410064178
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月25日
【發(fā)明者】謝鵬康, 陳國柱 申請人:浙江大學
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