【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电力系统变压器故障仿真，具体涉及一种油浸式变压器内部短路故障电弧能量仿真计算方法。
技术介绍
1、油浸式变压器是电力系统广泛使用的电压转换和能量传输设备，其安全稳定运行对电力系统至关重要。变压器内部故障往往以高能量电弧的形式产生，当油浸式变压器发生内部电弧故障时，电弧周围的绝缘油迅速汽化分解，产生大量可燃性瓦斯气体，导致油箱内部油压急剧升高，变压器箱体受超压载荷冲击而出现鼓包、破损，绝缘油和可燃性气体泄露，进而引起继发性燃爆事故。近年来，由高电压等级、大容量油浸式电力变压器内部电弧故障引发的爆炸事故时有发生，造成巨额经济损失，严重威胁运行人员安全。
2、油浸式电力变压器大都安装有继电保护装置和压力释放阀，但仍难以有效切断故障向事故衍变链条，现有防御技术的有效性受到广泛质疑。此外，随着电力系统的发展，变压器容量不断增大，对变压器防御技术的可靠性提出了更高的要求。然而，变压器内部电弧故障过程复杂，故障理论建模尚不完善，演化机理亦不明晰。电弧作为故障的能量源，其精确建模和能量计算是厘清内部燃弧故障过程和关键特征、揭示变压器故障衍化机理、探究油浸式变压器新型防御技术的重要基础和前提。
技术实现思路
1、为克服现有技术中的问题，本专利技术的目的在于提出一种油浸式变压器内部短路故障电弧能量仿真计算方法，该方法能够实现每一时刻下电磁场与电路之间的双向数据交换，保证各部分模型间的瞬态同步求解，从而提高了仿真结果的精度，为厘清内部燃弧故障过程和关键特征、揭示变压器故障衍化机
2、为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案。
3、一种油浸式变压器内部短路故障电弧能量仿真计算方法，包括如下步骤：
4、根据油浸式变压器的结构数据与材料数据，搭建油浸式变压器的二维有限元模型，对油浸式变压器的二维有限元模型进行网格剖分，得到磁场模型；
5、根据油浸式变压器的运行参数，搭建变压器原边绕组和副边绕组的外电路模型；
6、将变压器原边绕组和副边绕组的外电路模型中发生短路故障的原边绕组或副边绕组作为故障绕组，将故障绕组分为健康绕组和短路绕组，将短路绕组先与变压器内部故障改进油气电弧模型并联后，再与健康绕组模型串联，得到变压器短路故障的外电路模型；
7、对磁场模型与变压器短路故障外电路模型，进行双向场-路耦合的仿真计算，得到电弧能量。
8、进一步的，油浸式变压器的二维有限元模型通过以下过程确定：
9、基于变压器结构数据，分别将原边绕组线圈、副边绕组线圈和每段调压绕组线圈中的多个导体等效为一个线圈导体，然后建立油浸式变压器的二维有限元模型，包括铁芯模型、原边绕组模型、副边绕组模型以及调压绕组模型；
10、基于油浸式变压器的材料数据，设置油浸式变压器的二维有限元模型的材料属性。
11、进一步的，磁场模型通过以下过程确定：
12、对油浸式变压器的二维有限元模型进行网格剖分，其中原边绕组、副边绕组和调压绕组模型的网格密度大于铁芯模型的网格密度；并设置求解器参数，包括求解时间和步长。
13、进一步的，变压器内部故障改进油气电弧模型通过能量平衡方程建立。
14、进一步的，变压器内部故障改进油气电弧模型为：
15、
16、式中，g为故障电弧电导；t为时间；j为平均自由度；p为弧柱压强；v为电弧体积；t为电弧温度；u为电弧电压；i为电弧电流；ploss为功率损耗；ui为气体分子的电离势。
17、进一步的，变压器内部故障改进油气电弧模型中的弧柱压强、温度、体积和功率损耗通过以下过程确定：
18、将故障过程划分为两个阶段：第一阶段，绝缘油蒸发裂解，气泡迅速膨胀，气泡内压和温度迅速降低，导致弧柱区压强和温度降低；第二阶段，电弧在气泡内稳定燃烧，弧柱区压强和温度基本不变；
19、假设整个故障过程中电弧直径均为电弧电流的函数，则两个阶段弧柱压强、温度、体积和功率损耗的表达式如下：
20、
21、式中，pstage1和pstage2分别为第一阶段和第二阶段的弧柱压强；tstage1和tstage2分别为第一阶段和第二阶段的电弧温度；v为电弧体积；α、β、c、d为第一、第二、第三、第四常数；ploss1和ploss2分别为第一阶段和第二阶段的耗散功率；h为对流换热系数；t0为电弧周围气体的温度。
22、进一步的，变压器内部故障改进油气电弧模型的参数根据变压器油中燃弧试验获取的电弧电压和电弧电流数据，通过最小二乘拟合算法确定。
23、进一步的，故障电弧能量通过下式计算：
24、
25、式中，q为弧柱等离子体的能量；j为平均自由度；l为电弧柱长度；p为弧柱压强，k1为常数；t为电弧温度；e为电子电荷；ui为气体分子的电离势；g为故障电弧电导。
26、进一步的，故障电弧电导通过下式计算：
27、
28、式中，g为故障电弧电导；σ为电弧等离子体的电导率；s为弧柱截面积；b为电子迁移率；n为单位体积分子数。
29、进一步的，电弧等离子体的电离度通过下式计算：
30、
31、式中，χ为电弧等离子体的电离度；t为电弧温度；p为弧柱压强；ui为气体分子的电离势；k0为常数。
32、与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
33、本专利技术中根据油浸式变压器的运行参数，搭建变压器原边绕组和副边绕组的外电路模型然后基于变压器内部故障改进油气电弧模型，得到变压器短路故障的外电路模型，再利用双向场-路耦合的仿真计算方法，得到电弧能量，为厘清内部燃弧故障过程和关键特征、揭示变压器故障衍化机理、探究油浸式变压器新型防御技术提供了数据基础。与传统的场-路间接耦合法利用“查找表”的方式进行电磁场-电路之间的单向耦合相比，本专利技术的双向场-路耦合法能够实现每一时刻下电磁场与电路之间的双向数据交换，保证各部分模型间的瞬态同步求解，从而提高了仿真结果的精度。
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1.一种油浸式变压器内部短路故障电弧能量仿真计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的油浸式变压器内部短路故障电弧能量仿真计算方法，其特征在于，油浸式变压器的二维有限元模型通过以下过程确定：
3.根据权利要求2所述的油浸式变压器内部短路故障电弧能量仿真计算方法，其特征在于，磁场模型通过以下过程确定：
4.根据权利要求1所述的油浸式变压器内部短路故障电弧能量仿真计算方法，其特征在于，变压器内部故障改进油气电弧模型通过能量平衡方程建立。
5.根据权利要求4所述的油浸式变压器内部短路故障电弧能量仿真计算方法，其特征在于，变压器内部故障改进油气电弧模型为：
6.根据权利要求5所述的油浸式变压器内部短路故障电弧能量仿真计算方法，其特征在于，变压器内部故障改进油气电弧模型中的弧柱压强、温度、体积和功率损耗通过以下过程确定：
7.根据权利要求4所述的油浸式变压器内部短路故障电弧能量仿真计算方法，其特征在于，变压器内部故障改进油气电弧模型的参数根据变压器油中燃弧试验获取的电弧电压和电弧电流数据，通过最小二
8.根据权利要求5所述的油浸式变压器内部短路故障电弧能量仿真计算方法，其特征在于，故障电弧能量通过下式计算：
9.根据权利要求8所述的油浸式变压器内部短路故障电弧能量仿真计算方法，其特征在于，故障电弧电导通过下式计算：
10.根据权利要求8所述的油浸式变压器内部短路故障电弧能量仿真计算方法，其特征在于，电弧等离子体的电离度通过下式计算：
...【技术特征摘要】
1.一种油浸式变压器内部短路故障电弧能量仿真计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的油浸式变压器内部短路故障电弧能量仿真计算方法，其特征在于，油浸式变压器的二维有限元模型通过以下过程确定：
3.根据权利要求2所述的油浸式变压器内部短路故障电弧能量仿真计算方法，其特征在于，磁场模型通过以下过程确定：
4.根据权利要求1所述的油浸式变压器内部短路故障电弧能量仿真计算方法，其特征在于，变压器内部故障改进油气电弧模型通过能量平衡方程建立。
5.根据权利要求4所述的油浸式变压器内部短路故障电弧能量仿真计算方法，其特征在于，变压器内部故障改进油气电弧模型为：
6.根据权利要求5所述的油浸式变压器内部短路故障电弧能量仿...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐浩东，陈一悰，安腾宇，彭书涛，黄子堃，锁军，张钰声，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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