冲击电压作用下变压器绕组的高频模型及电压分布研究

摘要

冲击电压试验是大型电力变压器在出厂时例行实验，其一般包括雷电全波冲击试验、雷电截波冲击试验和操作波冲击试验。当冲击电压侵入变压器绕组内部时，若绕组绝缘设计不当则会造成变压器纵绝缘或主绝缘的击穿。由于冲击电压具有波头上升时间短、电压变化快、频率高等特点，会对变压器及其他电力设备产生很大的危害。因此研究冲击电压作用下变压器线圈的建模和计算其电压分布对变压器绝缘设计有重要的指导意义。
　　 本文研究内容主要包括以下几个方面:
　　 (1)介绍国内外在计算变压器绕组耐受冲击过电压的建模方法，对不同的变压器绕组建模方法做了分析和对比。阐述了这些方法各自的适用范围和他们各自的优缺点。
　　 (2)介绍典型的电力变压器绕组的线圈结构和绝缘类型。阐述了冲击电压在自然界形成的条件及其对电力设备产生的危害;分析了实验室条件下产生冲击电压的方法和列举了产生冲击电压的试验设备、测量仪器及电力变压器绝缘试验的国家标准;并详细推导了用牛顿迭代法计算标准雷电全波的算法，最后在MatlabSimulink平台上进行建模仿真得到了标准雷电全波的仿真波形。
　　 (3)阐述用有限元计算变压器绕组分布参数的方法，并推导了利用多导体传输线模型(MTL)计算绕组某匝的电压传递函数公式。介绍了实验法测量绕组电压传递函数的试验方法和设备。并利用矢量匹配法对电压传递函数进行有理函数式逼近以得到有理函数表达式，通过实例分析，证明了该方法的有效性和高拟合精度。最后详细推导了计算绕组电压分布的时域卷积算法并通过编写程序计算得到了仿真波形。
　　 (4)应用Arnoldi降阶算法对高阶传递函数进行了降阶处理，以电网络综合理论为基础，并利用无源R、L和C单元，建立了降阶传递函数的高频电路模型。最后，在Matlab/Simulink仿真平台上对降阶前后的响应波形进行了对比分析。结果表明:Arnoldi降阶算法对系统的传递特性改变很小，保证了模型的计算精度。
　　 文章最后阐述了计算绕组谐振频率的经验公式，并根据绕组电压传递函数的幅频曲线计算出了绕组谐振频率点;并对其进行了仿真研究，仿真结果验证了谐振频率点计算的准确性和高频条件下变压器绕组建模方法的正确性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 本课题国内外研究现状

1．2．1 变压器建模的主要方法

1．2．2 国内外计算冲击电压的主要方法

1．2．3 冲击电压对变压器绝缘的危害

1．3 本文的主要研究内容

第2章 基于牛顿迭代算法的标准雷电冲击波的产生

2．1 变压器绕组的线圈结构及绝缘类型

2．2 冲击电压产生的原理及绝缘试验标准

2．2．1 冲击电压产生的原理

2．2．2 电力变压器绝缘试验标准

2．3 标准雷电全波的产生

2．3．1 牛顿(Newton)迭代算法的原理

2．3．2 雷电冲击电压的仿真计算结果

2．4 本章小结

第3章 时域卷积算法计算变压器绕组的电压分布

3．1 基于计算绕组的分布参数得到电压传递函数

3．1．1 分布参数电容矩阵的计算

3．1．2 分布参数电感矩阵的计算

3．1．3 分布参数电阻矩阵计算

3．1．4 分布参数电导矩阵计算

3．1．5 绕组电压传递函数的计算

3．2 绕组电压传递函数的实验测量方法

3．2．1 基于S参数的测量方法

3．2．2 直接测量法

3．3 基于矢量匹配算法对传递函数的有理函数逼近

3．3．1 矢量匹配法的基本原理

3．3．2 矢量匹配法的计算实例

3．4 时域卷积算法计算绕组的电压分布

3．4．1 时域卷积算法的推导

3．4．2 MATLAB仿真结果分析

3．5 本章小结

第4章 基于电网络理论的变压器绕组高频电路模型

4．1 简单电网络的网络函数

4．2 基于Arnoldi算法的降阶技术

4．3 降阶后的高频电路模型

4．3．1 由电压传递函数到状态方程

4．3．2 基于电网络理论的电路模型

4．4 基于高频电路模型仿真计算绕组电压分布

4．4．1 Matlab Simulink仿真结果分析

4．4．2 降价前后仿真结果的对比分析

4．5 本章小结

第5章 变压器绕组谐振点的计算

5．1 绕组谐振点的分析

5．2 谐振频率的仿真计算

5．3 本章小结

结论与展望

1 本文工作总结

2 今后研究工作展望

参考文献

致谢

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