复合绝缘非线性电场的有限元迭代计算

直流稳态和极性反转是换流变压器阀侧套管出线装置复合绝缘的典型运行状态,且绝缘介质具有较强的场变、温变非线性,因此温度梯度下,其电性能参数的改变将影响复合绝缘的直流稳态和极性反转电场。该文将有限元法用于定量分析电场、温度两个非线性因素对电场分布的影响。通过试验确定单一绝缘介质电导率与场强、温度的非线性函数关系。提出计及场强、温度非线性的有限元迭代算法,并通过存在解析解的同轴绝缘结构验证该算法的准确性。建立了-400 kV换流变压器出线装置复合绝缘结构全模型,分析了场强、温度对其直流稳态场、极性反转瞬态场的影响规律。结果表明,线性与非线性条件下得到的电场分布规律存在一定差异,且场变非线性对局部高场强区域有一定的抑制作用,而温变非线性可使高温区场强降低,低温区场强升高。在极性反转过程中,温变非线性可使复合绝缘出现畸变较严重的局部高场强区。该文提出的非线性电场有限元迭代算法及电场模拟结果可为换流变压器出线装置的设计提供参考。     

棒-板油纸复合绝缘的电场数值计算

换流变压器阀侧绕组端部属极不均匀场,承受交流电压、直流电压及极性反转等电压的作用。为此采用有限元仿真软件对棒-板油纸复合绝缘极不均匀场模型在不同参数情况时的直流场强分布、交流场强分布及极性反转场强分布进行了计算,绘制了绝缘油及绝缘纸板中最大场强与绝缘纸板厚度、纸板长度、棒直径等参数的关系曲线。棒-板油纸复合绝缘模型在交流电压及极性反转电压作用下的场强分布较为接近,但与直流电压下的场强分布有很大的不同。通过提高换流变压器阀侧绕组端部等效棒直径及油的电阻率,选择合理的油与纸空间相对位置及几何尺寸,可比较明显地提高换流变压器阀侧绕组绝缘特性。     

换流变压器出线装置的绝缘结构分析

换流变压器直流出线装置的可靠性是换流变压器研制的关键问题之一,长期以来直流出线装置依靠进口,优化出合理的直流出线装置绝缘结构对进一步促进换流变压器设备制造全面国产化具有重要的意义.笔者总结了换流变压器的运行特点,研究了直流出线装置的绝缘结构,并进行了直流出线装置绝缘结构的电场计算.换流变压器的运行特点为短路阻抗大、直流...     

极性反转时换流压器绝缘电场特性研究

本文基于界面空间电荷的观点，分析了极性反转时换流变压器绝缘电场的过渡过程和分布特征，并通过算例说明了多介质绝缘中极性反转电场的特殊性。     

高压直流换流变压器油纸绝缘线性与非线性电场分析

换流变压器油纸绝缘材料的电导率受电场强度与温度的影响呈非线性变化。为研究材料非线性对换流变压器极性反转电场分布的影响,对油纸绝缘电导率的非线性变化规律进行了数值拟合,利用RC等效电路进行了计算与分析,并运用Elec Net有限元软件对一台±400 k V换流变压器网侧和阀侧绕组端部电场进行了仿真。计算与仿真结果表明非线性材料极性反转完成时油中最大电场强度为线性材料的78%,但稳态时油中电场强度是线性情况下的36倍。电导率的电场强度非线性会均化由温度梯度带来的电场梯度。最后根据计算与仿真结果提出绝缘的改进方向。     

换流变压器网侧出线装置结构优化及电场计算

网侧出线装置绝缘结构是换流变压器整体绝缘结构中的重要组成部分,该结构的可靠与否直接决定换流变压器的运行安全性。与网侧接入较低电压水平的换流变压器相比,高电压等级的网侧出线装置结构更加复杂。在网侧接入500 kV换流变压器网侧出线装置的基础上,优化设计网侧接入750 kV换流变压器网侧出线装置,并采用电场仿真软件对其电场进行分析,计算其各部分电场分布和安全裕度,分析其安全性。     

极性反转时典型油纸复合绝缘的电场特性

极性反转是换流变压器一种特殊的工作状态,因极性反转时空间电荷的作用,绝缘油中会出现极高的危险场强。文中采用ANSYS10.0有限元仿真软件计算了极性反转时板-板、同轴、棒-板及换流变压器阀侧绕组端部局部模型等几种典型油纸复合绝缘电场的场强,绘制了绝缘油及绝缘纸板中最大场强与绝缘纸板厚度、油纸电导比、极性反转时间等参数的关系曲线。在板-板油纸复合绝缘中,增加绝缘纸板的厚度可以降低极性反转时油中及纸中场强。但在同轴油纸复合绝缘中,当绝缘厚度超过一定值后,纸中极性反转场强反而增加。在棒-板油纸复合绝缘中,极性反转场强与绝缘纸板的尺寸及位置关系具有较大的不确定性。延长极性反转时间可降低极性反转时的场强。极性反转场强随油纸电导比增加而增加,且存在饱和现象。     

换流变压器阀侧绝缘电场特性研究

采用Matlab软件仿真分析换流变压器阀侧绕组端部电场的励磁电压类别后建立了电容系数和电导率复合介质电场的数学模型,并对其复合绝缘结构建模,用有限元分析法分析计算各种励磁电压作用下的电场分布,得出了换流变压器阀侧绕组端部电场的复杂特性,为换流变压器阀侧绕组端部的安全绝缘设计提供了科学依据。     

复合绝缘结构中瞬态电场计算的复频域有限元法

随着电力电子器件和装备在电力系统中的广泛使用,器件和装备自身由多种绝缘材料构成的复合绝缘结构往往承受着正极性周期方波电压。在这种非正弦周期电压激励下,复合绝缘结构中的瞬态电场分布满足电准静态场条件。由于界面电荷的弛豫现象,复合绝缘结构中的瞬态电场在经过一段过渡过程后,最终达到非正弦周期稳态。现有基于傅里叶(Fourier)变换的频域有限元法只能得到非正弦周期激励下的周期稳态解,无法获得其瞬态响应。为此,文中综合考虑复合绝缘结构中的电荷弛豫,在电准静态场条件下,基于数值拉普拉斯(Laplace)变换的直接算法,提出复频域有限元法,推导复频域边界电场约束方程。此外,还提出数值Laplace变换直接算法中衰减系数的选取公式,实现了高精度的数值Laplace变换及其反变换。数值计算结果表明,所提的复频域有限元法能有效计算非正弦周期激励下的过渡过程,同时还可以计算由初始状态引起的零输入响应。所提方法为周期激励下复合绝缘结构的瞬态电场计算提供一种新方法。     

油–纸绝缘结构非线性交直流复合电场计算的定点频域有限元法

针对换流变压器交直流混合电压中含有高次谐波的特点,提出油–纸绝缘结构非线性交直流复合电场计算的定点频域有限元法,给出了定电导率的取值方法。采用定点法使得每次迭代的非线性有限元刚度阵与解向量不相关,从而提高了频域有限元法的求解速度。为验证该算法的有效性,针对一换流变压器阀侧绕组的典型模型,将频域法的计算结果与时域法的结果进行了对比,分析了不同算法的特点。计算结果表明,将定点法用于非线性交直流复合电场问题时计算量小,能够用来分析实际换流变压器的非线性交直流复合电场问题以及其他非线性非正弦稳态电场问题。     

有限元电场计算时模型表面网格精细控制方法

大型复杂模型有限元电场求解过程中,所关注设备表面网格的精细化控制往往难度较大。为此,对有限元电场数值计算时网格划分的相关基本原则进行讨论,考虑实体模型的基本几何结构,提出了基于多层外包实体实现设备表面网格精细控制的思想,在此基础上研究了有限元建模方法。以简单三维模型为例,分别介绍了外包实体生成算法、区域划分原则及相关操作流程。以标准模型为例介绍了所提方法的具体应用过程,同时对外包实体的参数设定进行了讨论。将该方法应用于±1100 kV特高压换流站直流阀厅设备表面电场计算中,计算所得模型表面电场过渡平滑,电场强度最大值为13.8 kV/cm。该方法有效实现了模型表面网格的精细控制,对大型复杂有限元模型的高效、精确建模具有一定的指导意义。     

换流变压器极性反转非线性电场分析

换流变压器绝缘材料电导率受电场强度、温度和压力等因素影响,即呈现非线性特性。为了考查非线性对换流变压器极性反转电场分布的影响,针对电导率对电场强度的非线性,对绝缘纸板和油的电导率非线性特性进行了数值拟合,并用于分析1台±500kV换流变压器的非线性极性反转电场。线性和非线性媒质条件下的计算结果表明,考虑1min极性反转的过程时,线性媒质中反转完成时刻的油中最大电场强度值同瞬间完成极性反转的数值结果几乎相同,而非线性条件下反转完成时刻的油中最大电场强度值要比瞬间完成极性反转的数值结果小50%。针对这一现象,进一步对非线性条件下空间电荷加速重新分布的过程进行了分析。     

基于有限元方法500kV交流输电线路表面电场强度的研究

本文基于有限元方法详细讨论了500 kV交流输电线路导线表面电场的分布规律,并定量分析了线路参数及导线表面特性对导线表面最大电场强度的影响.结果表明,线路采用多分裂、大截面、倒三角布置方式,可以降低导线表面电场强度;不光滑导线将导致导线表面电场增大.     

电缆绕组变压器绕组温度场的二维数值计算

对一个电缆绕组变压器的绕组，应用传热学和流体力学的原理建立其温度场和附近流场的有限元方程，通过求解方程，得到温度场和流场 分布，与实测温度值进行比较，误差均在3K范围内，从而证明了此方法的正确性，为研究该类变压器的温度特性提供了方便。     

Electric field calculation in composite dielectrics by surface charge method based on electric flux continuity condition

We propose a new surface charge method based on the continuity of electric flux passing through each partial area on the dielectric boundary. N partial areas divided on the boundary give the boundary equations for solving N unknown variables representing the surface charge density distribution. The electric flux is numerically calculated by integrating the normal component of electric flux density on each partial area. This method permits us to exclude the singularity of edge parts from the boundary equations because these parts do not contribute to the integration area. In this paper, we apply first‐order functions to simulate both triangular surface shape and charge density distribution on its surface as well. First, we have computed the electric field for a spherical dielectric under a uniform field. The calculated results show that the accuracy of the electric field at the spherical center is almost equal to the accuracy of the total surface area of the polygon which represents the sphere. Furthermore, this method has improved the accuracy of the field by about one order compared with the conventional surface charge methods. Second, we have computed the electric field for a dielectric human model under a uniform field. The calculated results demonstrates that the proposed method works well for a complicated shaped object with a dielectric constant greatly different from that of an ambient medium. © 2002 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 138(4): 10–17, 2002; DOI 10.1002/eej.1133     

求解时步有限元系统方程的改进非线性算法

针对在利用向后欧拉法求解时步有限元系统方程的非线性迭代中存在的数值误差使有限元后处理物理量的结果中出现很大噪声尖峰的问题,提出了一种能控制离散变量数值误差和后处理物理量噪声尖峰的改进算法.首先对电磁设备瞬态运行时步有限元系统方程的矩阵形式进行变形处理,推导了系统方程的新系数矩阵和非线性迭代的递归公式,以及非线性迭代误差估计的计算公式.然后,将改进的算法用于仿真计算一台感应电动机瞬态运行的反电动势和涡流损耗,对两种算法计算结果的对比分析,显示改进算法能显著地消除反电动势和涡流损耗中的噪声尖峰信号.     

有限公式电磁场数值计算理论与性能

为了探讨有限公式电磁场数值计算方法的理论框架,研究工程应用中性能指标的准确性和计算效率,围绕有限公式方法使用全局物理变量和与电磁学实验定律直接相联系的特点,论证了有限公式方法的创新性思维.在系统地阐述有限公式方法理论体系的基础上,结合高频场的计算公式,说明了有限公式方法的计算思路,并通过与现有电磁场数值计算方法相对比,分析了有限公式方法的特性与优势.结合散射问题中的高频场与电机内的静态场实例,验证了有限公式方法的主要技术指标.该方法的计算精确度、计算效率则明显优于现有的电磁场数值计算方法,对该方法的深入研究,必将推动电磁场数值计算理论的进一步发展.     

基于有限元法的换流阀水路系统电场分析

在高压直流输电工程中,换流站阀塔内冷水系统会出现漏水故障,严重影响特高压直流输电的稳定性。针对该类漏水故障问题,从阀塔内冷水回路场强因素考虑,采用有限元仿真和实验的方法,搭建了仿真所需的阀塔内冷水回路三维模型和水路局部模型,根据阀塔运行条件对内冷水系统作了电场仿真分析,同时设计了验证实验进行探究。仿真结果表明,内冷水系统回路的冷却水管表面场强部分大于空气击穿场强,等电位线会影响冷却水管周围电场。实验证实在一定条件下等电位线与冷却水管间会有明显放电现象,研究内容为阀塔漏水事故原因分析提供了参考依据。     

Electric field calculation in composite dielectrics by first‐order triangular surface charge method

This paper proposes a technique for calculating electric fields in composite dielectrics by the first‐order triangular surface charge method. The proposed technique utilizes two kinds of triangular elements, namely, conforming and nonconforming elements: these are elements whose charge density is continuous and discontinuous between the neighboring elements, respectively. We basically apply nonconforming elements at the edges of a polyhedral shape where the normal component of electric field cannot be fixed. We have computed the electric field for a spherical or a rectangular solid dielectric in the presence of a uniform field. Comparison shows that the proposed first‐order method works better than the zeroth‐order one, and that, in particular, the combined use of conforming and nonconforming elements produces the highest accuracy. © 2001 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 135(1): 8–14, 2001