一种大型变压器有载分接开关总体设计方法技术

本发明专利技术公开了一种大型变压器有载分接开关总体设计方法，涉及有载分接开关设计技术领域，包括建立有载分接开关仿真模型；计算不同工况下的有载分接开关各部件的电场分布数据；将所述电场分布数据输入所述有载分接开关仿真模型，生成所述有载分接开关的电场仿真模型；基于电场分布数据获取所述有载分接开关各部件的电场理论耐受值，将所述电场理论耐受值与所述有载分接开关各部件电场的设计耐受值进行比较验证。能够对切换开关油室的密封性进行实验和验证，有利于减少设计弯路，加快设计速度，有利于提高有载分接开关的设计寿命，有利于保证有载分接开关工作的稳定性和安全性，使有载分接开关各处的绝缘性能均能保持良好的安全性。的安全性。的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种大型变压器有载分接开关总体设计方法


[0001]本专利技术涉及有载分接开关设计
，尤其涉及一种大型变压器有载分接开关总体设计方法。

技术介绍

[0002]大型变压器是输变电工程中的关键变电站设备，起着在发电站端升高变压，在用户端降低电压，从而降低电能在输电环节的损耗，因此在输变电工程中发挥着重要作用。大型变压器通常由铁芯和线圈、装满矿物油的油箱和油枕、升高座、散热器、不同电压等级的套管等部件组成。其中小型变压器容量为500kVA及以下；中型变压器，容量范围为630
‑
6300kVA；大型变压器，容量范围为8000
‑
63000kVA；特大型变压器，容量范围为90000kVA以上，有载分接开关具有调压范围大、动作频繁、开断时电流变化率极高等特点，运行工况十分严苛。
[0003]目前使用的有载分接开关均为德国MR和瑞典ABB的产品，有载分接开关已经成为一个关键的设备，是配电领域国产化率最低的器件之一，而有载分接开关引起的换流变故障，会给电网主网架的安全运行带来了巨大的风险。有载分接开关由切换开关和分接选择器两大部件组成。利用头部法兰安装在大型变压器箱盖上，通过其上的减速机构、伞齿轮盒、传动轴与电动机构连接，实现电动或远控分接变换错操作，总装完成后的有载分接开关。
[0004]有载分接开关寿命长度和开断和关合过程产生的电弧与内绝缘能力有关，而有载分接开关的绝缘能力和有载分接开关的电场和密封性密切相关，本专利技术通过在设计阶段对有载分接开关的电场进行计算，以及不同工况下分接开关各部件表面电场的分布情况，在设计阶段对其进行优化，校核分接开关的绝缘性能，以便于提高寿命长度和提高性能，以及更好的适应运行环境。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的技术问题是：通过在设计阶段对有载分接开关的电场进行计算，以及不同工况下分接开关各部件表面电场的分布情况，在设计阶段对其进行优化，校核分接开关的绝缘性能，以便于提高寿命长度和提高性能，以及更好的适应运行环境。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种大型变压器有载分接开关总体设计方法，包括建立有载分接开关仿真模型；
[0007]计算不同工况下的有载分接开关各部件的电场分布数据；
[0008]将所述电场分布数据输入所述有载分接开关仿真模型，生成所述有载分接开关的电场仿真模型；
[0009]基于电场分布数据获取所述有载分接开关各部件的电场理论耐受值，将所述电场理论耐受值与所述有载分接开关各部件电场的设计耐受值进行比较验证；
[0010]基于比较验证结果对所述有载分接开关上部件进行优化；
[0011]对优化后的所述有载分接开关的密封性进行验证。
[0012]作为本专利技术所述的大型变压器有载分接开关总体设计方法的一种优选方案，其中：将所述有载分接开关仿真模型分解成的单个的零部件；
[0013]对所述有载分接开关各部件进行编号。
[0014]作为本专利技术所述的大型变压器有载分接开关总体设计方法的一种优选方案，其中：将所述有载分接开关各部件分别进行单元剖分，所述单元剖分包括将所述有载分接开关各部件离散为各个单元组成的计算模型，离散后单元与单元之间利用单元的节点进行连接，基于所述有载分接开关各部件具体的形态和计算精度对所述有载分接开关各部件进行单元划分。
[0015]作为本专利技术所述的大型变压器有载分接开关总体设计方法的一种优选方案，其中：所述单元剖分中单元划分越密集则计算精度越高，计算量随之增大，网格划分足够细密时，单元体积远小于整体模型体积，所述有载分接开关各部件离散为各个单元组成的计算模型中单个单元的电导率和介电常数为已知常数，所述有载分接开关各部件包括线性电阻材料和非线性电阻材料，在线性电阻材料中，无空间电荷存在时，电位满足拉普拉斯方程，其计算表达式为：
[0016][0017]其中，ε0表示真空介电常数，ει表示所检测的所述有载分接开关该部件的材料，表示单元的节点的相对介电常数；
[0018]在非线性电阻材料中，计算表达式为：
[0019][0020]其中，J表示传导电流密度，D表示电位移矢量，并且传导电流密度J和电位移矢量E之间满足J＝γ(E,T)，γ(E,T)表示电导率，由于在非线性电阻材料中电场强度和温度是非线性函数，所以电位满足非线性散射方程，其计算表达式为：
[0021][0022]其中,ε
j
表示非线性电阻材料的相对介电常数。
[0023]作为本专利技术所述的大型变压器有载分接开关总体设计方法的一种优选方案，其中：有限元方程的计算表达式为：
[0024][0025]其中：K表示n
×
n阶的非线性刚度矩阵，表示n阶电位列向量，P表示n阶列向量和等效的电荷密度所形成的n阶列向量之和，其中当电导率γ为线性时(电导率γ与场强、温度无关)成立。
[0026]作为本专利技术所述的大型变压器有载分接开关总体设计方法的一种优选方案，其中：对于非线性电阻，电导率γ会受到场强和温度变化的影响，需要对电导率γ值的真实值进行判断，在假设单元电导率γ为常数的前提下：
[0027]若电导率γ值符合真实值，则所求出的电位值可信；
[0028]若电导率γ值不符合真实值，则所求出的电位值不可信
[0029]通过逐次迭代的方法对电导率γ的值的真实值进行判断：
[0030]首先对每一个有限元单元给定初始电导率γ值，由此得到场域中各点电位和场强E，由电导率γ值与场强E和温度的非线性关系γ＝f(E,T)获取新的电导率γ值；
[0031]若经过反复迭代计算，直到相邻两次求解的各点电位值与γ的值之差小于预先定义的精度值为止，则表示电导率γ值符合真实值；
[0032]若经过反复迭代计算，相邻两次求解的各点电位值与γ的值之差无法小于预先定义的精度值，则表示电导率γ值不符合真实值，其判断表达式为：
[0033][0034][0035]其中，N表示有限元单元总数，表示第k次迭代完成后的电位的值，E
k
表示第k次迭代完成后的场强的值，将T
k
表示第k次迭代完成后的温度的值。
[0036]作为本专利技术所述的大型变压器有载分接开关总体设计方法的一种优选方案，其中：将所述有载分接开关中各部件边缘作为边界条件，单个部件中单元电场数据的总和构成所述有载分接开关单个部件整体的电场分布数据；
[0037]所述不同工况包括工况一(分接开关在级间6kV的额定电压)和工况二(主绝缘的工频电压设置为150kV)；
[0038]分别在工况一和工况二条件下计算的有载分接开关各部件的电场分布数据；
[0039]将工况一和工况二条件下的所述编号与电场分布数据进行一一映射对应，生成所述有载分接开关的电场仿真模型。
[0040]作为本专利技术所述的大型变压器有载分接开关总体设计方法的一种优选方案，其中：将工况一和工况二中所述电场分布数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大型变压器有载分接开关总体设计方法，其特征在于，包括：建立有载分接开关仿真模型；计算不同工况下的有载分接开关各部件的电场分布数据；将所述电场分布数据输入所述有载分接开关仿真模型，生成所述有载分接开关的电场仿真模型；基于电场分布数据获取所述有载分接开关各部件的电场理论耐受值，将所述电场理论耐受值与所述有载分接开关各部件电场的设计耐受值进行比较验证；基于比较验证结果对所述有载分接开关上部件进行优化；对优化后的所述有载分接开关的密封性进行验证。2.如权利要求1所述的大型变压器有载分接开关总体设计方法，其特征在于：将所述有载分接开关仿真模型分解成的单个的零部件；对所述有载分接开关各部件进行编号。3.如权利要求2所述的大型变压器有载分接开关总体设计方法，其特征在于：将所述有载分接开关各部件分别进行单元剖分，所述单元剖分包括将所述有载分接开关各部件离散为各个单元组成的计算模型，离散后单元与单元之间利用单元的节点进行连接，基于所述有载分接开关各部件具体的形态和计算精度对所述有载分接开关各部件进行单元划分。4.如权利要求1所述的大型变压器有载分接开关总体设计方法，其特征在于：所述单元剖分中单元划分越密集则计算精度越高，计算量随之增大，网格划分足够细密时，单元体积远小于整体模型体积，所述有载分接开关各部件离散为各个单元组成的计算模型中单个单元的电导率和介电常数为已知常数，所述有载分接开关各部件包括线性电阻材料和非线性电阻材料，在线性电阻材料中，无空间电荷存在时，电位满足拉普拉斯方程，其计算表达式为：其中，ε0表示真空介电常数，ε
ι
表示所检测的所述有载分接开关该部件的材料，表示单元的节点的相对介电常数；在非线性电阻材料中，计算表达式为：其中，J表示传导电流密度，D表示电位移矢量，并且传导电流密度J和电位移矢量E之间满足J＝γ(E,T)，γ(E,T)表示电导率，由于在非线性电阻材料中电场强度和温度是非线性函数，所以电位满足非线性散射方程，其计算表达式为：其中,ε
j
表示非线性电阻材料的相对介电常数。5.如权利要求4所述的大型变压器有载分接开关总体设计方法，其特征在于：有限元方程的计算表达式为：
其中：表示n
×
n阶的非线性刚度矩阵，表示n阶电位列向量，表示n阶电位列向量，表示n阶列向量和等效的电荷密度所形成的n阶列向量之和，其中当电导率γ为线性时(电导率γ与场强、温度无关)成立。6.如权利要求5所述的大型变压器有载分接开关总体设计方法，其特征在于：对于非线性电阻，电导率γ会受到场强和温度变化的影响，需要对电导率γ值的真实值进行判断，在假设单元电导率γ为常数的前提下：若电导率γ值符合真实值，则所求出的电位值可信；若电导率γ值不符合真实值，则所求出的电位值不可信通过逐次迭代的方法对电导率γ的值的真实值进行判断：首先对每一个有限元单元给定初始电导率γ值，由此得到场域中各点电位和场强E，由电导率γ值与场强E和温度的非线性关系γ＝f(E,T)获取新的电导率γ值；若经过反复迭代计算，直到相邻两次求解的各点电位值与γ的值之差小于预先定义的精度值为止，则表示电导率γ值符合真实值；若经过反复迭代计算，相邻两次求解的各点电位值与γ的值之差无法小于预先定义的精度值，则表示电导率γ值不符合真实值，其判断表达式为：或其中，N表示有限元单元总数，表示第k次迭代完成后的电位的值，E
k
表示第k次迭代完成后的场强的值，将T
k
表示第k次迭代完成后的温度的值。7.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亚东，邓军，肖毅，严英杰，周海滨，江秀臣，谢志成，朱强，
申请(专利权)人：中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心上海华明电力设备制造有限公司，
类型：发明
国别省市：