换流变压器油纸绝缘结构瞬态电场的计算方法研究

论文摘要

换流变压器是特高压直流输电系统中的重要设备之一。换流变压器阀侧绕组在运行过程中承受直流、交流复合电场的作用,还承受极性反转电压的作用,因而其内部电场分布、空间电荷的积聚与消散特性等都与普通电力变压器存在很大差异。本文针对换流变压器油–纸绝缘结构中瞬态电场的计算问题,利用罚函数法整合有限元边界条件,建立了完整的以节点电位为变量的状态方程。同时为了模拟极性反转时边界电位发生的阶跃变化,在状态方程的输入项中引入冲激函数,冲击函数的强度代表了边界电位发生阶跃变化时的变化量。利用冲激函数的积分特性,可以方便的对极性反转瞬态电场进行求解。由于换流变压器绝缘结构中的油浸纸、纸板等的电导率呈各向异性、非线性特性,本文推导了考虑绝缘材料各向异性及非线性特性的有限元离散形式。通过对一个有解析解的简单模型进行分析,对比了求解有限元状态方程常用的几种数值方法。从数值结果来看,利用状态空间法求解线性媒质问题的有限元状态方程,可以得到较高精度的数值解。而对于非线性问题,则需要利用龙格库塔法求解。最后,分析了一个实际换流变压器模型在极性反转试验电压下绝缘结构中的瞬态电场分布。计算结果表明,各向异性非线性媒质中的电场分布与各向同性线形媒质中的电场分布有很大不同。因此,为了准确的进行换流变压器绝缘结构设计,需要考虑媒质的各向异性及非线性特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要工作
• 第2章 瞬态电场的有限元方程
• 2.1 麦克斯韦方程组的一般微分形式
• 2.2 数学模型的建立
• 2.3 伽辽金方法构造有限元方程
• 2.3.1 伽辽金方法
• 2.3.2 形状函数
• 2.3.3 有限元方程
• 2.4 各向异性媒质的参数
• 2.5 轴对称情形
• 2.6 罚函数法构造有限元状态方程
• 2.7 非线性媒质
• 2.8 介质分界面上的面电荷的处理
• 2.9 本章小结
• 第3章 求解有限元状态方程的数值方法与计算机实现
• 3.1 线性媒质问题的求解
• 3.1.1 模态法
• 3.1.2 直接积分法
• 3.1.3 状态空间法
• 3.2 求解非线性问题的龙格库塔法
• 3.3 一个有解析解的简单模型
• 3.4 本章小结
• 第4章 换流变压器极性反转试验的数值模拟
• 4.1 典型油纸绝缘结构极性反转计算分析
• 4.2 换流变压器极性反转试验
• 4.3 媒质参数的选取
• 4.4 极性反转试验的数值模拟
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论及展望
• 参考文献
• 附录 A 稀疏存储和ICCG 算法
• 附录 B 绘制计算对象的结构图与各向异性材料水平倾角的计算
• 攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研情况
• 致谢
• 论文摘要