关键词： 高频变压器   油纸绝缘   局部放电   数值仿真  

摘要： 高频变压器作为电力电子中的重要电器组件,具有电气隔离和调节电压的作用,随着对电压频率的要求越来越高,高频变压器在生产和生活中所占的比重越来越大,而局部放电现象会使得变压器油升温裂解产生气泡,空间电场畸变最终演变为电弧放电击穿绝缘,对经济生产和生命安全造成影响。以往对于油浸式变压器油纸绝缘局部放电的研究主要是基于直流、工频交流前提下展开的仿真和实验研究,对于高频情况主要针对气固绝缘系统高频局部放电,聚焦于电压形式、温度等因素对放电宏观特性的影响,关于高频电压下局部放电的放电量和放电次数等细节的研究报道还较少。本文基于不同高频电压下油纸绝缘局部放电的有限元仿真模型,得到高频电压下油纸绝缘局部放电的初始放电电压幅值、电子电荷密度与频率的关系,同时还发现在放电过程中产生离子复合、滞留电荷现象并分析其机理;然后通过高频、工频下油纸绝缘局部放电实验平台,分析了高频下油纸绝缘局部放电的放电特性,并总结了高频下、工频下局部放电最大放电量和放电次数随施加电压变化的趋势,以及不同高频下局部放电的放电电压、放电电流随外施电压大小的关系,得出在1～10k Hz范围内的高频中,对油纸复合绝缘的绝缘性能影响最小的高频外施电压幅值;最后研究高频下局部放电的气泡特性,基于搭建分离多相流有限元仿真模型,得到变压器油中气泡运动轨迹,以及气泡对放电通道的影响和不同高频对气泡自身的形态、产气速率、移动速率的影响。通过实验和仿真相结合的方式,研究了高频下油纸绝缘局部放电的特性。仿真部分的主要创新点是将油纸复合介质细化分为三个区域,使得仿真数据更加贴合实际,为高频变压器油纸绝缘的劣化防护和提高油纸绝缘的介电性能提供了理论支持;实验部分通过研究不同高频下最大放电量和放电次数,得到规定频率范围内对油纸绝缘性能影响最小的频率取值,为工业生活中高频变压器的使用提供可靠频率参考,为以后高频局放的研究者提供数据支持。

关键词： CMOS   LC压控振荡器   谐振腔   变压器   电流复用   注入锁定  

摘要： 随着人们对无线通信信息传输速度的要求不断升高,毫米波段因其充裕的信道容量和优秀的数据传输能力吸引了研究人员的注意力。在这一波段,电感电容压控振荡器具有噪声低、抖动小等特点,在各类K波段信号源中被广泛应用。本文根据电流复用压控振荡器和注入锁定移相器这两个振荡器电路,从基础理论分析,电路结构设计和片上无源器件的优化等方面入手进行研究,完成了基于双反馈技术的电流复用压控振荡器和基于注入锁定的信号发生相移器两款设计。在毫米波压控振荡器中,相位噪声和功耗之间的折衷问题一直是其设计难点。本文首先针对这一问题,提出了一款K波段基于双反馈技术的压控振荡器。本设计保留一个晶体管漏极到栅极的反馈,将另一晶体管的反馈改为从源级到栅极,减小其一个周期内线性区工作时间。此外,本工作还设计了一个反向耦合变压器来实现两种反馈的结合。通过走线,该变压器的两个差分端耦合方向相反,使两个晶体管分别都能提供负阻,实现起振。本设计基于55纳米CMOS工艺流片,核心电路面积仅0.046 mm2,功耗为3.7 mW。测量结果为,该设计在1MHz频偏处相位噪声约为-108.45 dBc/Hz,调谐范围约为4%。计算得到的FoM可达190 dBc/Hz。现有的注入锁定移相器都需要一个从片外提供一个本征信号,这样降低了芯片的集成度。针对本问题,本文提出了一款基于注入锁定相移原理的信号发生相移器。本设计通过将一个振荡器核心电路的信号注入另一个振荡器,实现了片上全集成的注入锁定相移。这款移相器不仅能够实现相移,还能提供可调的频率信号。此外,我们还针对现有的小信号模型作出了改进,提出了其大信号模型,并通过理论分析出,在23GHz左右,在注入锁定移相器中可以实现60°的连续相移。该设计基于55纳米CMOS工艺流片,信号发生相移器核心部分电路面积为0.078 mm2。测量结果表明,其调频范围为2.3GHz(22.5～24.8 GHz),最小输出功率为5.2dBm,相位噪声约为-83dBc/Hz。最大连续可调相位达到45.5°。

关键词： 油纸绝缘   老化   空间电场   界面电荷   质量评价  

摘要： 换流变压器作为高压直流输电的关键部件,绝缘故障率却一直居高不下,这对目前已大量应用的特高压直流输电工程设备的安全运行造成严重威胁。换流变压器的主绝缘是油纸复合绝缘结构,它的绝缘性能由变压器油和高密度层压变压器纸板共同决定,来自不同厂家生产的油和纸板,其绝缘性能参差不齐,是影响换流变压器安全稳定运行的关键因素。在换流变压器实际运行工况下,内部油、纸材料会因承受大梯度温度场、电场等多物理场耦合作用逐渐老化,且受油纸复合绝缘结构界面电荷等因素的影响,其内部直流电场具有一定的不确定性,而温度、老化等因素对油、纸材料绝缘性能影响显著,都会对运行状态下绝缘结构的设计和校核的准确性带来挑战,因此,有必要研究不同老化状态下不同工况时的油纸绝缘电气特性演化规律和其空间电场的分布特性及界面电荷的积聚特性。本文针对国内外应用广泛的三种变压器油,采用相同纸板进行浸渍处理,并对其进行90℃高温热老化,老化时间分别为1天、7天、21天、28天和35天,对其进行不同温度下的多种电气性能参数实测,并应用基于Kerr效应的电场测量平台,得到了不同老化状态下油中空间电场和油纸界面电荷的时空分布特性。另外,本文还基于实测数据提出了一种基于样品间分散性与专家打分法相结合的主客观权重综合赋权的油纸材料绝缘性能综合评价方法,在客观统一的标准下,对不同厂家的油浸纸板性能进行了衡量,为绝缘材料工艺提升、精确遴选提供了数据支撑。本文所取得的研究成果主要有:(1)开展了不同热老化时间下,不同温度下三种油浸纸板的电气\介电性能演变测试,得到了长期运行条件下三种油浸纸板关键绝缘特性的性能演化规律。(2)基于Kerr效应电场测量平台,开展了不同热老化时间下,油纸复合绝缘的油中电场、电荷的分布情况,得到了油纸绝缘不同老化状态下的电场、电荷时空分布特性。(3)提出了基于油纸绝缘材料综合性能评价方法,将纸板的介电、电气特性与油纸复合绝缘的电场、电荷特性相结合,构成共计21个考核指标,覆盖了换流变压器油纸绝缘重点关注的性能,结合专家主观经验赋权、全方位、客观地得到了三种油浸纸板间的绝缘性能优劣,评价结果可靠性较高。

关键词： 电力变压器   绕组变形   匝间短路   变压器漏磁   缺陷检测  

摘要： 绕组变形和匝间短路是危害电力变压器安全稳定运行的潜在性绕组缺陷,而绕组缺陷的在线检测是阻碍其急剧恶化的必要手段。变压器漏磁分布对绕组几何形状和匝间电流的变化极为敏感,近年来有不少学者提出通过光纤传感技术来获取变压器内部漏磁信息,进而实现绕组缺陷的在线检测。但是,目前对于绕组缺陷形式及其高概率引发位置研究较少,漏磁传感器的优化布局缺乏理论依据;绕组缺陷下漏磁分布的畸变规律尚不明确,缺陷检测判据的设计存在困难。因此,本文围绕变压器绕组缺陷的具体形式,缺陷的高概率引发位置和缺陷下漏磁分布的畸变规律及缺陷检测的漏磁判据设计展开研究。本文具体研究内容如下:首先,分析了变压器绕组变形缺陷的具体形式及其高概率点。采用场-路耦合的计算方法获取110 k V变压器在短路冲击下的绕组电磁力分布规律与作用形式,并将该冲击力的强度与作用形式引入至高低压绕组的力学仿真模型,实现不同冲击力作用下绕组的变形仿真,并分析了绕组变形的具体形式及其形变机理,主要包括高压绕组辐向凸出、低压绕组辐向屈曲和绕组轴向弯曲等变形,所得仿真模拟的变形缺陷更贴合于实际变压器绕组的变形形式;以不同典型绕组结构为对象进行建模,设计出典型绕组结构的受力仿真模型,分析了不同结构下变压器绕组的受力特性,明确出变形缺陷发生的高概率位置。其中,导线换位区域容易发生绕组辐向变形,安匝不平衡区域容易发生绕组轴向弯曲与轴向压缩变形,铁芯窗内区域相较于窗外位置更易发生绕组变形,A、C相绕组则受B相绕组影响易发生侧移。随后,探究了绕组变形与匝间短路缺陷下变压器漏磁分布的畸变规律。引入绕组形变形式与高概率引发位置的研究结果,对绕组线饼进行精细化建模,并在各高概率位置上设置贴合实际案例的绕组变形形式,开展不同位置与变形缺陷下110k V变压器漏磁仿真研究,分析了变形缺陷下漏磁分布的畸变规律;设计绕组轻微匝间短路缺陷的等效仿真模型,获取了作为漏磁激励源的绕组电流在不同匝间绝缘劣化程度下的变化情况,进一步分析了匝间短路缺陷下变压器漏磁分布的变化规律。研究结果表明:变压器绕组变形缺陷下,高低压绕组间的轴向漏磁变化相对更为明显,畸变范围也更大;匝间短路缺陷下,短路绕组中电流的激增导致了变压器内部漏磁分布的畸变,并且高低压绕组间和高压绕组外侧的漏磁畸变均比较明显,漏磁畸变覆盖了上下铁轭间的整个高度空间。最终,对一台缩比试验变压器进行了绕组缺陷下漏磁特性的试验与仿真验证,并设计了缺陷检测的漏磁判据。以试验变压器为研究对象搭建了典型绕组缺陷的模拟试验平台,设计了不同严重程度的辐向变形、轴向变形和匝间短路缺陷绕组,实际测量分析了不同绕组缺陷下变压器内部漏磁分布的变化规律。建立了试验变压器的全尺寸高保真三维仿真模型,将仿真结果与实测结果进行对比,验证了本文所用仿真建模及相应模型简化方法的合理性与准确性。提出了基于有限元仿真模型的绕组缺陷检测漏磁判据设计方法,并以本文所用试验变压器为例,在考虑负载变化的情况下设计了典型绕组缺陷检测的漏磁判据,可支撑对绕组局部变形和少匝短路等缺陷的检测与判定。

关键词： 变压器   绕组温升   传热   天然酯油   结构优化  

摘要： 矿物质油是大型油浸式变压器中目前最普遍使用的传热介质。矿物绝缘油的绝缘性能优异、稳定性高并且成本低廉,但其降解时间长,环保性能差。为了使变压器更环保,使用天然酯油代替传统的矿物油作为大型变压器的冷却介质已成为一种趋势。天然酯油自然降解时间短、生物降解率高,是理想的矿物绝缘油的替代产品。天然酯油变压器比矿物油变压器寿命更长且具有更强的过载能力。但天然酯油的黏度较高,若直接将矿物绝缘油替换为天然酯绝缘油可能会严重影响变压器的传热效果,因此急需开展大型天然酯油变压器传热性能的研究。本文以大型油浸式变压器无感绕组温升平台和型号SWZ22-50MVA/110k V的大型油浸式变压器为研究对象,建立并通过实验验证了绕组温升实验平台温度场仿真计算模型和大型油浸式变压器温度场的计算模型,将天然酯油与矿物油在强迫油循环与自然循环模式下的传热性能进行对比研究。本文主要工作如下:建立大型油浸式变压器二维轴对称漏磁场模型,计算出了变压器内涡流损耗密度分布,为后续温度场计算提供了准确的热源。建立绕组温升试验平台强迫油循环模式下的二维轴对称流体-温度场计算模型,并进行了验证。实验结果表明,传热模型误差在3%以下。建立绕组温升实验平台自然循环模式下的二维轴对称流体-温度场计算模型,经实验验证,模型误差在2%以下。定义“油温度优势差”的概念,结合铜油温差,利用传热模型的计算结果对两种模式下天然酯油与矿物油的传热性能进行了对比分析。结果显示在强油循环模式中,天然酯油的传热性能优于矿物油,在自然循环模式中,天然酯油的传热性能弱于矿物油。建立大型油浸式变压器自然循环模式下的二维轴对称流体-温度场计算模型,结合铜油温差与各导向分区热点温度,对天然酯油和矿物油的传热性能进行了对比分析,结果显示在自然循环模式中,天然酯油变压器的传热性能弱于矿物油变压器。针对大型天然酯油油浸式变压器,从轴向油道尺寸与辐向油道尺寸的角度出发,对影响变压器内部传热性能的因素进行了研究,提出了结构优化方案。结果显示采用适当增加轴向油道尺寸以及适当减小辐向油道尺寸的方法,可以优化大型天然酯油变压器的传热性能。

关键词： 干式变压器   热网络模型   局部努塞尔数   有限元仿真   温度场  

摘要： 随着碳达峰、碳中和目标的不断推进,风力发电、光伏发电和新能源汽车等低碳技术在电网中的渗透率不断增加,配电网负荷的随机性和波动性特征愈来愈明显。在面对这种波动性负荷时,干式变压器的温度场变化情况更为复杂,其运行温度过高问题将会加重,为运行维护工作带来了巨大的挑战。准确计算干式变压器的动态温度对预防过热运行、提高负荷调控水平有重要意义,传统的干式变压器温度计算方法动态特性较差,难以适应日益复杂的运行条件。针对上述问题,本文基于热网络-有限元耦合方法对干式变压器的动态温升建模方法展开了研究。论文具体研究内容如下:(1)建立了考虑轴向热传递过程的干式变压器热网络模型。结合热电类比原理和干式变压器热传递过程,建立了干式变压器的热网络模型,模型中引入轴向热阻表征轴向热传递过程;确定了各个模型参数的计算方法,详细分析了散热气道内的空气对流特性,提出通过局部努塞尔数关联式修正模型的对流热阻,以提高模型对于温度分布的计算精度。(2)建立了干式变压器三维磁-热-流耦合有限元仿真模型,获取努塞尔数、温度和流速等仿真数据用于对热网络模型进行参数修正。基于厂家提供的几何结构参数和材料参数,建立了干式变压器的磁-热-流耦合模型,分析了电磁场仿真结果以及自然对流和强制对流方式下的流体场和温度场仿真结果;接着,搭建了干式变压器温升实验平台,验证了有限元仿真模型的合理性和准确性;最后,利用仿真数据拟合得到局部努塞尔数关联式,用于修正热网络模型的对流热阻,并对比了使用努塞尔数经验公式和局部努塞尔数关联式的热网络模型的计算精度。(3)实现了热网络模型与干式变压器实体间的个性化匹配,考虑到实现模型与实体间的同步运行是建立个性化匹配的重要环节,通过实验案例探讨了实现两者同步运行的方法。首先,利用实验测量数据对基于仿真数据修正后的热网络模型进行再修正,建立了模型和实体的等效性;接着,分析了各个随运行时间变化的参数对热网络模型计算精度的影响,确定了保证同步运行的温度测量点,并制定了同步运行策略;最后,通过轴流风机风速衰减的实验案例分析了热网络模型与干式变压器实体同步运行的可行性。

关键词： 电力变压器   次同步频率分量   场路耦合有限元   模型降阶   时间并行算法   无功功率  

摘要： 随着风电等新能源发电容量的增加,以及各类电力电子换流器的广泛应用,电力系统次同步振荡的风险逐渐提升。为抑制振荡事故的扩散,各种次同步振荡抑制器也被投入使用。上述情况都会使系统中注入次同步频率分量,并使变压器处于周期性非对称偏置磁化的运行条件下,造成铁心饱和,引起电流谐波/间谐波严重畸变、铁心损耗和温升增加、无功功率增大等,对变压器铁心的稳态磁特性造成影响。现有变压器偏置磁化问题研究都是针对直流偏磁这一工况,而次同步分量注入条件下的分量类别、非线性磁场稳态计算方法、变压器运行参数更为复杂。本文围绕场路耦合有限元的高效计算方法和非对称偏置磁化条件下变压器稳态磁特性模拟方法开展研究,主要工作及成果如下:(1)针对偏置磁化条件下电力变压器非线性磁场的快速模拟问题,推导了基于定点法的二维场路耦合时步有限元方程,由于定点法采用微分磁阻率处理铁心区域的B-H关系,因此迭代方程中的系数矩阵与输入向量都具有非线性。本文从并行计算和模型降阶角度提出两类高效求解算法,在并行计算方面,提出了一种针对非线性方程的改进Parareal时间并行算法,并对该改进算法的收敛性进行了分析,算例表明在保留原始精度的条件下缩短了模型的总体迭代时间;在模型降阶方面,提出了基于本征正交分解-离散经验插值法(POD-DEIM)处理系数矩阵与输入向量双重非线性项的有限元降阶模型,算例表明降阶模型通过保留较低的自由度极大提升了总体迭代效率,并保证降阶后模型仍具有较高精度。(2)针对二维模型只能计算中间对称平面的磁场,而不能反映实际的三维全局磁场,导致三相铁心饱和程度不同时计算精度降低的问题,本文建立了基于定点法的三维场路耦合时步有限元模型。首先考虑库仑规范和两类边界条件建立了伽辽金有限元迭代格式;其次针对模型求解问题,在前处理阶段建立绕组电流密度方向矢量矩阵处理电流标量与电流密度矢量间的转换关系,在迭代阶段对非线性各向异性铁心区域建立合适的局部收敛定点磁阻率公式。利用二维模型计算得到的绕组电流稳态解,可作为三维磁场模型的电流输入进行一个周期迭代,得到三维矢量磁位初始分布,并作为三维模型初值,可以减少总体迭代时间;在局部磁密过大时使用差分磁阻率和缩短迭代时间步长的方法提高收敛的稳定性并降低时步间误差。仿真结果表明,次同步分量会改变变压器铁心磁感线分布并导致空间漏磁场扩散区域增大,对变压器的影响与次同步分量幅值、频率和相序有关。(3)针对次同步分量对铁心损耗影响的问题,建立了基于损耗分离理论和Parareal算法的铁心损耗计算模型。本文通过损耗分离理论处理非正弦激励下的铁心损耗计算问题,根据各损耗项的成因及特点,磁滞损耗需在完成一个完整磁滞回线周期后计算,涡流损耗可在整个迭代周期完成后计算,剩余损耗在Parareal划分的每个粗时间步长下计算,解决损耗瞬时值无实际物理意义的问题;引入Parareal算法还可实现模型的并行求解和迭代加速。仿真与实验结果对比验证了损耗计算的准确性。(4)针对次同步分量使铁心饱和,从而引起铁心消耗无功功率增加的问题,需分别对基波无功和全频域无功进行分析。对于基波无功,通过三相最大基波周期无功和稳态周期下的平均基波无功进行分析,结果表明施加次同步分量后各时刻基波无功波动显著,且对同一时刻但不同相间的无功也不同,但稳态周期下三相无功近似相等。由于次同步分量注入变压器导致其电压电流引入了新的频率分量,因此基于Clifford代数理论建立考虑间谐波的多重矢量功率理论并对功率分量进行划分,结果表明各功率分量随次同步频率的变化趋势不相同,且谐波/间谐波畸变无功是无功功率增加的最显著成分。(5)为探究电力系统中运行的变压器受次同步分量的影响,以某220kV系统中运行的并联主变压器与串联潮流控制变压器两台典型变压器为例,考虑两类变压器承受来自系统次同步分量的形态差异,分别建立仿真模型,以三维场路耦合有限元模型的计算结果为基础,分析次同步分量对系统中变压器的磁场、电流、损耗、无功等稳态磁特性影响。随后根据上述磁特性制定铁心饱和、温升、无功及谐波等相关运行指标,探究在限定指标下变压器可承受次同步分量的情况,为次同步振荡抑制器等主动发出次同步分量装置的运行控制提供参考。

关键词： 油浸式电力变压器   故障诊断   机器学习   深度学习   DGA在线监测系统  

摘要： 电力变压器是电力系统中不可或缺的部件,它的安全运行对于保证整个电网的稳定运行至关重要。油中溶解气体分析(dissolved gas analysis,DGA)方法是油浸式电力变压器内部故障诊断最常用、最有效的方法。传统的离线检测DGA方式要定期实地停电检验,且监测周期较长。如今,电网电力数据中心中变压器在线监测系统可在不停电的状态下获得大量的DGA数据。现有的变压器故障诊断方法多数存在故障诊断准确率偏低、且无法有效应用于DGA在线监测系统中等问题。因此,需要探索一种故障判别精准率更高且可适用于实际DGA在线监测系统的油浸式电力变压器故障判别方法。基于此,本文提出基于机器学习的油浸式电力变压器DGA在线监测故障诊断方法,为判别变压器状态提供参考,主要研究内容和结论如下:通过将PCA与RF算法结合起来,提出一种新的变压器故障诊断方法。首先,通过对数据集的比值升维,增强了其特征维度,从而丰富了样本信息;其次,采用PCA降维算法,去除了特征升维过程中产生的冗余信息,从而更好地提取原始数据,并利用RF模型对其进行故障分类。经过实验证明,将PCA和RF算法结合在一起,可以显著提高变压器故障诊断的准确性,从而有效地验证了该组合模型在变压器油色谱数据故障诊断中的可行性和有效性。根据实际DGA在线监测系统并非是小样本量的故障判别,而是含有较多正常运行数据的大样本数据集特点,根据电力变压器的数据类型设计了基于2D-CNN的DGA在线监测第一级故障诊断模型。实验结果表明,2D-CNN模型分类器对于实际DGA在线监测系统的诊断精度最高,说明采用该2D-CNN模型有利于提高故障诊断精确度。在此基础上,本文根据DGA在线监测系统实际运行时情况设计2D-CNN与PCA-RF相融合的两级诊断模型,以更好地应用于变压器的故障判别。实验表明,相比于其他几种单一算法判别模型和其它方式的组合判别模型而言,采用2D-CNN模型作为第一级、RCA-RF作为第二级的组合模型对于实际DGA在线监测数据而言拥有较高的故障判别准确率。因此,采用2D-CNN与PCA-RF相融合的两级诊断模型可应用于实际DAG在线监测系统。