陡波前过电压下变压器的建模及快速仿真算法研究

论文摘要

由于气体绝缘变电站（GIS）中断路器、隔离开关以及接地开关操作或带电线路对地闪络,甚至雷电波的入侵产生的陡波前过电压会对GIS相连的设备造成危害,因此,研究陡波前过电压对电力变压器的影响问题具有极为重要的理论意义和实用价值。本文结合河北省自然科学基金项目“特快速暂态过电压对变压器的影响”（项目编号503624）和“气体绝缘变电站电磁环境与电磁干扰预测计算的研究”（项目编号:503424）,基于模型阶数缩减技术,重点研究了气体绝缘变电站中变压器高压线圈的高频电路模型的建立方法和陡波前过电压下变压器高压线圈电位分布快速计算的问题。论文主要包括以下的工作。1.提出了建立变压器高频宏模型的方法。该方法分为三个步骤:（1）从测量获得的散射参数或多导体传输线模型单位长度参数出发,求出电压传递函数并用矢量匹配法逼近;（2）将电压传递函数转化为状态方程表示,并运用基于Arnoldi算法的模型阶数缩减技术对状态方程降阶,由此获得降阶状态方程以及降阶电压传递函数表示的数学宏模型;（3）基于降阶电压传递函数运用网络综合技术实现电路宏模型。该电路宏模型简单、通用,仅由电阻、电感、电容和理想变压器组成,其模型参数可以根据电压传输函数的极点和留数非常方便地得出,并与国际通用软件兼容。通过对特制的变压器线圈模型的测量和仿真计算验证了所提方法的正确性。2.针对陡波前过电压下变压器高压线圈的频变参数多导体传输线模型,通过将参数频变部分用无源矢量匹配逼近,并转化为状态空间描述,提出了用于频变参数多导体传输线阶数缩减的改进积分相合变换法。3.提出了一种计算陡波前过电压下变压器高压线圈电位分布的频域快速方法。为了提高计算速度,根据变压器高压线圈和陡波前过电压输入信号的频率特性,提出了有效计算频段的概念,并在求解相合变换矩阵确定初始条件时使用了精细算法和第一类切比雪夫多项式逼近技术。通过对变压器线圈模型的测量和仿真计算验证了所提方法的快速性和正确性。4.作为工程应用,对750kV拉西瓦至西宁、拉西瓦至官亭输变电工程中拉西瓦GIS水电站使用的DSP―260MVA/800kV发电主变压器高压线圈和1000kV晋东南-南阳-荆门特高压交流试验示范工程中气体绝缘变电站使用的ODFPSZ-1000000MVA/1000kV主变高压线圈的电位分布进行了计算和分析。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 引言
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 陡波前过电压（VFTO）的产生
• 1.1.2 VFTO 的波形特点
• 1.1.3 VFTO 对变压器绝缘的影响
• 1.2 本课题国内外研究现状
• 1.2.1 GIS 的建模及 VFTO 的计算现状
• 1.2.2 VFTO 对变压器的影响研究现状
• 1.3 本论文研究的主要内容
• 第二章 背景知识
• 2.1 变压器线圈
• 2.1.1 变压器线圈的绕法
• 2.1.2 变压器线圈的绝缘
• 2.2 变压器线圈的多导体传输线模型
• 2.2.1 变压器线圈的多导体传输线模型
• 2.2.2 多导体传输线模型的单位长度参数计算
• 2.3 矢量匹配法
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 矢量匹配法的基本原理
• 2.3.3 初始极点与拟和阶数的选择
• 2.3.4 矢量匹配法的改进简介
• 2.4 改进的格拉姆-施密特正交化方法
• 第三章 变压器绕组的高频宏模型
• 3.1 概述
• 3.2 变压器绕组的电压传递函数
• 3.2.1 基于 S 参数测量的电压传递函数
• 3.2.2 由绕组分布参数计算的电压传递函数
• 3.3 电压传递函数的阶数缩减
• 3.3.1 模型阶数缩减技术概述
• 3.3.2 模型阶数缩减的 Arnoldi 方法
• 3.3.3 电压传递函数的阶数缩减
• 3.4 变压器绕组的高频电路宏模型
• 3.4.1 有理传递函数的划分
• 3.4.2 电路综合技术
• 3.4.3 变压器绕组的电路模型
• 第四章 VFTO 下变压器绕组电位分布的频域快速算法
• 4.1 变压器绕组的多导体传输线模型
• 4.2 变压器绕组的多导体传输线模型的频域解法
• 4.3 基于积分相合变换的阶数缩减技术
• 4.3.1 模型阶数缩减技术的选择
• 4.3.2 基于积分相合变换的模型阶数缩减技术
• 4.4 考虑参数频变的积分相合变换
• 4.4.1 频变传输线的广义系统形式方程
• 4.4.2 广义系统形式方程降阶模型的构造
• 4.5 VFTO 下变压器绕组电位分布的频域快速算法
• 4.6 算法验证
• 第五章 VFTO 下800kV 和1000kV 变压器高压线圈电位分布的计算
• 5.1 GIS 简介
• 5.2 GIS 中元器件的计算模型
• 5.2.1 传输线模型
• 5.2.2 隔离开关的电弧模型
• 5.2.3 GIS 与电缆连接处的建模
• 5.2.4 接地导体
• 5.2.5 变压器
• 5.2.6 GIS 中各元器件模型一览表
• 5.3 VFTO 下拉西瓦800kV 主变高压线圈的电位分布
• 5.3.1 800kV 变压器简介
• 5.3.2 800kV 变压器高压线圈电位分布的计算
• 5.4 VFTO 下晋东南1000kV 主变高压线圈的电位分布
• 5.4.1 1000kV 变压器简介
• 5.4.2 1000kV 变压器高压线圈电位分布的计算
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间参加的科研工作及学术论文发表