[发明专利]雷电冲击电压下变压器瞬时电场分布的计算方法

说明书

本发明公开了雷电冲击电压下变压器瞬时电场分布的计算方法，建立电力变压器的有限元分析模型；对变压器绕组进行分组，仿真计算变压器绕组电场和磁场，获得各部分绕组的等效电容和等效电感分布参数；在电路仿真分析软件中搭建变压器完整绕组的等效电路模型，求解得到变压器受到雷电冲击电压全过程中各部分绕组的电压波形；将电压波形重新加载到有限元仿真模型中，进行瞬态电场的计算，得到变压器在受到雷电冲击电压全过程中瞬时电场分布情况。本发明将复杂电磁暂态耦合用场路间接耦合替代，计算变压器在受到雷电冲击电压全过程中瞬时电场分布情况，提高了分析计算的效率，降低变压器设计周期和成本，提高了电气性能，具有良好的实用性和经济性。

技术领域

本发明属于电力设备绝缘结构设计技术领域，特别涉及雷电冲击电压下变压器瞬时电场分布的计算方法。

背景技术

电力变压器是电力系统中不可或缺的设备，它在电能的传输、转换和分配过程中起着重要的作用。电力变压器在运行过程中，不光要长期工作在额定电压下，有时还要承受各种过电压。据统计，在各种过电压中，雷电过电压是引起电力变压器发生故障乃至产生事故的主要原因之一。其原因在于，电力变压器绕组结构十分复杂，其等效电路是有众多电容和电感组成的网络，而雷电过电压具有幅值高、持续时间短、陡度大等特点，其在变压器绕组中的传播会在其中产生剧烈的电位振荡和复杂的电磁暂态过程。这个过程导致的暂态电压虽然作用时间很短，但是绕组中的电压分布极不均匀，线圈的匝间、层间、段间以及线圈的对地部件将会产生振荡过电压，从而使局部场强增大，超过变压器的绝缘水平，导致绝缘损伤甚至发生击穿事件。

因此，研究干式变压器的雷电冲击响应波过程，计算雷电冲击下干式变压器内部的电压分布，计算出变压器内的场强分布，确定变压器内部是否会发生局部放电乃至击穿现象，对于优化变压器绕组排布方式、确定经济合理的绝缘结构、提高产品的可靠性、保证变压器的安全稳定运行具有重要的意义。限于计算的复杂性，目前对于电力变压器雷电冲击波过程以及雷电冲击电压下电场的系统分析计算并没有统一、成熟的方法，采用经验设计又难以满足变压器绕组和整体绝缘结构的最优设计，对电力变压器的生产制造技术进步有着一定的制约。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供雷电冲击电压下变压器瞬时电场分布的计算方法，该计算方法是一种可靠准确的雷电冲击电压下变压器瞬时电场分布的计算方法，能够快速准确的分析电力变压器绕组的雷电波冲击响应过程，计算出雷电电压冲击全过程中任意时刻变压器内部的电压和电场分布。

为达到上述目的，本发明通过采用以下技术方案予以实现：

雷电冲击电压下变压器瞬时电场分布的计算方法，包括如下步骤：

S1，根据变压器尺寸，等比例建立变压器的有限元仿真模型；确定有限元仿真模型中在雷电冲击下变压器瞬时电场分析计算所需要的材料和电气性能参数；以及确定进行雷电冲击时加载的雷电冲击波的种类以及相关参数；

S2，根据变压器绕组实际连接排布情况对绕组进行分组，利用有限元分析法对有绕组电场和磁场进行仿真计算，获得各部分绕组的等效电容和等效电感分布参数；

S3，根据绕组的等效电容和等效电感分布参数，在电路仿真分析软件中搭建变压器完整绕组的等效电路模型，通过求解等效电路模型得到变压器受到S1中确定的雷电冲击电压全过程中各部分绕组的电压值随时间变化的曲线，根据电压值随时间变化的曲线获得电压波形；

S4，将得到的各部分绕组对应的电压波形分别定义为函数并作为输入，重新加载到变压器的有限元仿真模型中的各部分绕组上，模拟绕组中雷电冲击波过程，进行瞬态电场的计算，得到变压器在受到雷电冲击电压全过程中瞬时电场分布情况。

S1中，变压器的有限元仿真模型中包含有变压器的铁芯、绝缘介质和绕组对应的模型。

S1中，变压器的有限元仿真模型采用二维轴对称模型。