基于缩比准则的多包封干式空心电抗器的磁场分析方法

摘要

本发明公开了基于缩比准则的多包封干式空心电抗器的磁场分析方法，包括：将多包封空心电抗器简化为单层线圈的单包封空心电抗器；以圆环形载流导体作为空心电抗器简化模型，在每个环形导体中通入不同的电流并且环形导体中匝数并完全不相同，比较并选择最接近空心电抗器模型磁场分布的最优简化模型。可以实现大型干式空心电抗器的空间磁场分析预测，保证电抗器和电力系统的安全可靠运行。

权利要求

1.基于缩比准则的多包封干式空心电抗器的磁场分析方法，其特征是，包括：

将多包封干式空心电抗器简化为单层线圈的单包封干式空心电抗器；

以圆环形载流导体作为空心电抗器简化模型，在每个圆环形载流导体中通入不同的电流并且圆环形载流导体中匝数并不完全相同，比较并选择最接近空心电抗器模型磁场分布的最优简化模型；将三个圆环形载流导体作为空心电抗器简化模型；所述空心电抗器简化模型自上而下分别为环一，环二，环三，圆环形载流导体具有不同的安匝数，其中，环一，环三应具有相同的参数。

2.如权利要求1所述的基于缩比准则的多包封干式空心电抗器的磁场分析方法，其特征是，针对空心电抗器简化模型分析干式空心电抗器的径向磁场分布以及轴向磁场分布。

3.如权利要求1所述的基于缩比准则的多包封干式空心电抗器的磁场分析方法，其特征是，根据单个通电线圈磁场计算数学模型，单包封干式空心电抗器的磁场分布特性通过叠加原理计算得出。

4.如权利要求3所述的基于缩比准则的多包封干式空心电抗器的磁场分析方法，其特征是，叠加单个通电线圈的磁场，分为径向和轴向，缩比模型的磁场计算是根据单个通电线圈的磁场结果计算得出的。

5.如权利要求1所述的基于缩比准则的多包封干式空心电抗器的磁场分析方法，其特征是，干式空心电抗器的空间磁场分析预测，针对缩比环形简化的模型在进行电脑仿真以及现场试验后，经缩比准则转换后，即可预测电抗器的磁场分布。

6.基于缩比准则的多包封干式空心电抗器的磁场分析系统，其特征是，包括：

多包封干式空心电抗器简化单元，将多包封干式空心电抗器简化为单层线圈的单包封干式空心电抗器；

最优简化模型选择单元，以圆环形载流导体作为空心电抗器简化模型，在每个圆环形载流导体中通入不同的电流并且圆环形载流导体中匝数并不完全相同，比较并选择最接近空心电抗器模型磁场分布的最优简化模型；

将三个圆环形载流导体作为空心电抗器简化模型；所述空心电抗器简化模型自上而下分别为环一，环二，环三，圆环形载流导体具有不同的安匝数，其中，环一，环三应具有相同的参数。

说明书

基于缩比准则的多包封干式空心电抗器的磁场分析方法

技术领域

[0001] 本公开涉及输变电设备状态监测与故障诊断技术领域，特别是涉及基于缩比准则的多包封干式空心电抗器的磁场分析方法。

背景技术

[0002] 近年来，随着我国电力系统的不断发展，干式空心电抗器以其起始电压分布均匀、线性度高、运行噪音小等优点得到广泛应用，具有无功补偿、限流、滤波和过电压保护等重要作用。然而，缺乏闭合的铁磁回路，在运行时不但会在其周围产生强工频磁场，而且会对变电站周围电气设备的安全稳定运行构成复杂影响，故已成为变电站电磁污染的主要来源。此外，空心电抗器的空问磁场还可能对工作人员以及周边居民存在潜在的健康威胁。因此，研究大型空心电抗器空问磁场分布特性及其磁场预测，具有十分重要的现实意义。

发明内容

[0003] 为了解决现有技术的不足，本公开提供了基于缩比准则的多包封干式空心电抗器的磁场分析方法，所建模型实现预测磁场更加接近真实电抗器磁场。

[0004] 为了实现上述目的，本申请采用以下技术方案：

[0005] 基于缩比准则的多包封干式空心电抗器的磁场分析方法，包括：

[0006] 将多包封空心电抗器简化为单层线圈的单包封空心电抗器；

[0007] 以圆环形载流导体作为空心电抗器简化模型，在每个环形导体中通入不同的电流并且环形导体中匝数并不完全相同，比较并选择最接近空心电抗器模型磁场分布的最优简化模型。

[0008] 进一步的技术方案，将三个圆环形载流导体作为空心电抗器简化模型。

[0009] 进一步的技术方案，所述空心电抗器简化模型自上而下分别为环一，环二，环三，环形导体具有不同的安匝数，其中，环一，环三应具有相同的参数。

[0010] 进一步的技术方案，针对空心电抗器简化模型分析干式空心电抗器的径向磁场分布以及轴向磁场分布。

[0011] 进一步的技术方案，根据单个通电线圈磁场计算数学模型，单包封干式空心电抗器的磁场分布特性通过叠加原理计算得出。

[0012] 进一步的技术方案，叠加单个通电线圈的磁场，分为径向和轴向，缩比模型的磁场计算时是根据单个通电线圈的磁场结果计算得出的。

[0013] 进一步的技术方案，干式空心电抗器的空间磁场分析预测，针对缩比环形简化的模型在进行电脑仿真以及现场试验后，经缩比准则转换后，即可预测电抗器的磁场分布。

[0014] 基于缩比准则的多包封干式空心电抗器的磁场分析系统，包括：

[0015] 多包封空心电抗器简化单元，将多包封空心电抗器简化为单层线圈的单包封空心电抗器；

[0016] 最优简化模型选择单元，以圆环形载流导体作为空心电抗器简化模型，在每个环形导体中通入不同的电流并且环形导体中匝数并不完全相同，比较并选择最接近空心电抗器模型磁场分布的最优简化模型。

[0017] 与现有技术相比，本公开的有益效果是：

[0018] 本公开的技术方案可以实现大型干式空心电抗器的空间磁场分析预测，仿真或者现场试验均可，保证电抗器和电力系统的安全可靠运行。同时，电力运行部门可以根据缩比电抗器模型运行状态制定出科学合理的维修计划，避免不必要的解体检查和大量的人力及物力浪费，所带来的经济效益和社会效益是巨大的，适应国民经济发展对电力高质量、高可靠性要求的新形势。

附图说明

[0019] 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

[0020] 图1为本公开实施例子的散热通道宽度对空心电抗器磁场分布影响；

[0021] 图2为本公开实施例子的层数对空心电抗器磁场分布影响；

[0022] 图3为本公开实施例子的三环简化模型；

[0023] 图4为本公开实施例子的空心电抗器磁场分布特性；

[0024] 图5为本公开实施例子的不同电流配置下空心电抗器磁场分布特性；

[0025] 图6为本公开实施例子的单个通电线圈磁场计算示意图；

[0026] 图7为本公开实施例子的缩比模型空心电抗器轴向磁场分布；

[0027] 图8为本公开实施例子的缩比模型空心电抗器径向磁场分布。

具体实施方式

[0028] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0029] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0030] 干式空心电抗器磁场耦合与辐射严重，对周围电气设备形成电磁干扰的问题。但由于其庞大的体积和复杂的结构，给磁场直接计算带来许多困难。为了更加准确的对干式空心电抗器磁场进行分析，发明了一种基于缩比准则的多包封干式空心电抗器的磁场分析方法。该方法首先提出适用于多包封干式空心电抗器的缩比准则，对电抗器各个参数进行分析；然后分析多包封干式空心电抗器中包封宽度对于磁场分析的影响并根据结果建立简化模型；最后根据现有的多包封干式空心电抗器确定缩比系数，进行磁场预测。该发明可以实现大型的多包封干式空心电抗器的磁场评估，及时发现故障隐患，保证电抗器和电力系统的安全可靠运行。

[0031] 本申请的一种典型的实施方式中，基于缩比准则的多包封干式空心电抗器的磁场分析方法，包括以下步骤：

[0032] (1)通过对多包封干式空心电抗器包封宽度对磁场分布的研究，将多包封简化为单层线圈的单包封干式空心电抗器进行磁场分析；

[0033] (2)建立单个通电线圈磁场计算数学模型，单包封干式空心电抗器的磁场分布特性通过叠加原理计算得出，叠加单个通电线圈的磁场，分为径向和轴向。缩比模型的磁场计算方法是根据这个结果计算得出的。

[0034] (3)分析缩比准则，建立缩比模型，确定缩比系数；

[0035] (4)进行缩比实验仿真并进行数据分析。

[0036] (5)建立缩比简化模型。

[0037] 具体实施例子中，多包封空心电抗器磁场分布精确计算过程复杂、耗时较长，在许多场合经常仅需粗略估算磁场分布水平，因此可以将空心电抗器的结构进行简化，以简化场分布计算。

[0038] 空心电抗器的散热通道将每个包封都间隔开，改变了绕线的分布，进而影响磁场的分布。为探究不同散热通道宽度对多包封缩比模型预测效果的影响，这里建立三种内外径相同、等电流安匝数，不同散热通道宽度的模型。仿真结果如图1所示，结果显示，散热通道宽度对空心电抗器磁场分布影响较小。因此可将多包封空心电抗器简化为单包封空心电抗器进行简化计算。

[0039] 空心电抗器的单包封结构大多由多层线圈组成，在进行实验室绕制时，当线圈层数较多时，进行手工绕制是难以实现的。因此，对单包封结构中的线圈层数进行简化等效，减少线圈层数，会使实际的实验操作中更加高效。因此，基于等电流安匝数原则，针对多层线圈的单包封空心电抗器，探究线圈层数对缩比模型预测效果的影响，这里建立四种不同层数线圈的空心电抗器模型。仿真结果如图2所示，结果显示，当模型符合等电流安匝数原则时，层数对于单包封空心电抗器磁场分布影响较小。

[0040] 因此基于上述两次简化，可将多包封空心电抗器简化为单层线圈的单包封空心电抗器进行简化计算，这在保证了实验结果准确性的基础上，大大降低了实验室手工绕制的难度。

[0041] 关于磁场解析计算法，图6所示，首先计算单个通电线圈的空间磁场，P(x,O,z)为平面上任意一点，r为P点到电流元Idl的位矢，θ为电流元Idl到坐标原点连线与x轴的夹角。Bx,Bz分别表示径向和轴向分量，则：

[0042]

[0043] 其中，

[0044] 式(2)分别为单个通电线圈在空间任意一点时的轴向和径向分量。空心电抗器的每个包封都由N层线圈绕制而成，一般情况下，绕制空心电抗器的线圈数量较密，计算磁感应强度时可以忽略线圈缠绕俯仰角。根据磁场叠加定理，空心电抗器单个包封周围任一点的轴向和径向磁感应强度分别为：

[0045]

[0046] 根据公式(2)可以计算得到空心电抗器单个包封周围任意一点的磁感强度。对于空心电抗器的缩比模型，根据表1，可以得到上式参数变化：(x,z,R,I)变为(Kx,Kz,KR,K2I)带入上式得到缩比模型单个包封磁感应强度：

[0047]

[0048] 设空心电抗器的包封数为M层，则缩比模型的磁感应强度可以表示为：

[0049]

[0050] 公式(4)得到电抗器等效缩比模型周围任意一点磁感应强度的轴向和径向分量。带入公式 得到空心电抗器等效缩比模型周围空间任意一点的磁感应强度：

[0051] Ba＝＝kBb  (5)

[0052] 根据公式(5)，可以得出，空心电抗器按照几何相似常数k建立缩比模型时，磁感应强度缩小为原空心电抗器的k倍。

[0053] 缩比系数的确定：可以确定，忽略包封宽度对于磁场预测影响不大。因此将多包封干式空心电抗器简化为单包封干式空心电抗器进行磁场计算。缩比试验法建立各物理量的缩比准则以及电抗器的缩比模型，通过测量缩比模型的空问磁场，从而实现预测原电抗器周围磁场分布的目的。

[0054] 相似理论

[0055]

[0056] 其中，l表示模型几何长度。

[0057] a下标代表缩比模型。

[0058] b下标代表原模型。

[0059] 公式(6)以模型的几何相似说明相似理论，缩比模型和原模型几何相似，则对应几何长度成比例，比例值为几何长度相似常数。在建立缩比模型前，通常确定几个基本量纲，基本量纲都满足相似条件时，原模型和缩比模型之间就建立了从外形到各项参数的相似性。根据相似理论，缩比模型和原模型对应时刻的对应点成比例，发生在原模型的现象可以在缩比模型上再现。

[0060] 缩比模型是按照几何长度的相似常数，建立的小模型，几何相似是缩比模型与原型相似的基础，在确定几何相似的基础之上，进一步确定基本的电参数也相似，例如电感、磁场分布等现象相似，最终通过相似常数建立起缩比模型与原型的缩比准则。通过观察缩比模型的实验现象，等效地预测原型实验现象。为保证缩放前后的准确性，首先应研究各物理量的缩比准则。令相似常数等于比例系数为K，则各参数缩比准则如表1所示：

[0061] a几何相似

[0062] 缩比模型相似不变量包括包封数胛、导线匝数N、磁导率队电导率、材料类型等，也就说缩比模型与原型相比包封数目和导线匝数不变、缩比模型使用和原型相同的材料制作。

[0063] 长度可缩小为

[0064] 面积可缩小为

[0065] 体积可缩小为

[0066] b电参数相似

[0067] 定义缩比模型与原型的电流密度相同即电流密度的相似常数等于1。

[0068] 则电流可缩小为

[0069] c磁参数缩比准则：

[0070] 磁感应强度：根据安培定律的积分形式磁感应强度B可缩小为

[0071] 其他洗漱如屏蔽系数等，在缩比过程中保持不变。

[0072] 表1空心电抗器的缩比准则

[0073]参数 比例系数 参数 比例系数
几何长度 K 电流 K2
面积 K2 磁感应强度 K
体积 K3 匝数 1

[0074] 建立缩比模型：利用Ansoft Maxwell仿真软件建立了几何相似的空心电抗器模型，以尺寸最大的一个作为原模型，其余为缩比模型。选择1/6,1/10作为K值。通过建立三个仿真模型，表2为三种尺寸模型的参数，分析干式空心电抗器的径向磁场分布以及轴向磁场分布，如图7、8所示。

[0075] 表2三种尺寸模型的参数

[0076]参数 原模型 1/6模型 1/10模型
直径(m) 4.8 0.6 0.48
高度(m) 7.2 1.2 0.72
电流安匝数 240 6.6 2.4
匝数(N) 120 120 120

[0077] 建立缩比简化模型：缩比实验法解决空心电抗器磁场分布问题的有效性和准确性已经得到验证。但是缩比模型制造时会有一定难度，而且仅需少数测点的数据，造成一定浪费。因此需要基于缩比实验法进一步寻求简化方法，以使得该方法用于预测空心电抗器磁场分布时更为简单易行。为了简化建立缩比模型过程，缩短建模时间，本文在以圆环形载流导体作为空心电抗器简化模型，测量其附近的磁场分布，比较并选择最接近空心电抗器模型磁场分布的最优简化模型。

[0078] 目前的环形简化模型中，均是采取每个环形导体中通入相同的电流并且具有同样的匝数。但是根据空心电抗器磁场分布可以看出，磁场并不是一个均匀分布。越靠近电抗器中心，磁场越强。基于这个思路，本文选择三个圆环形载流导体作为空心电抗器简化模型，如图3，自上而下分别为环一，环二，环三。三种三环简化方案的参数，如表3所示，并且提出，环形导体具有不同的安匝数。其中，环一，三应具有相同的参数。以实现预测磁场更加接近真实电抗器磁场。

[0079] 表3三种三环简化方案的参数

[0080]安匝数/线圈匝数 方案一 方案二 方案三
环一 30/30 40/40 20/20
环二 60/60 40/40 80/80
环三 30/30 40/40 20/20

[0081] 由仿真结果可知，如图4、5所示，现有试验方法中提出的三简化环同参数简化模型(即方案二)在三个电流配置方案中，误差最大，其中方案一误差最小。使用方案一作为缩比环形简化的模型。在进行电脑仿真以及现场试验后，经缩比准则转换后，即可预测电抗器的磁场分布。这为电抗器的环形简化提供了新的思路，根据位置的不同，环形导体配置电参数不同，反而会缩小实验误差，提高磁场预测的准确度。

[0082] 本公开的实施例子还公开了基于缩比准则的多包封干式空心电抗器的磁场分析系统，包括：

[0083] 多包封空心电抗器简化单元，将多包封空心电抗器简化为单层线圈的单包封空心电抗器；

[0084] 最优简化模型选择单元，以圆环形载流导体作为空心电抗器简化模型，在每个环形导体中通入不同的电流并且环形导体中匝数并不完全相同，比较并选择最接近空心电抗器模型磁场分布的最优简化模型。

[0085] 以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。