第27卷第7期 2014年7月 广东电力 GUANGD0NG ELECTRIC p0WER Vol_27 NO.7 Ju1.2()14 doi:10.3969/j.issn.1007—29()x.2()14.07.02() 变压器多导体传输线模型简化计算方法 张旭东 ,张敬平 , 马兴望 ,王增超 (1.国网沧州供电公司,河北沧州061000;2.华北电力大学 河北省输变电设备安全防御重点实验室,河北保定071O03) 摘要:应用多导体传输线(multi—conductor transmission line,MTL)模型对变压器端口宽频参数进行计算时,存 在以匝为单位的参数矩阵规模较大的问题,为此提出绕组MTL模型优化降阶的方法。考虑特快速暂态波形侵入 变压器造成的线圈电压不均匀分布的因素,对靠近入波端的一部分线匝不进行降阶,对剩余绕组进行简化,并 推导出降阶公式。在频域范围内对MTL模型解耦求解,将优化降阶方法应用到实验室一台1{)kv单相变压器 中,导纳的计算结果和测量结果基本一致;将矩阵规模由2 727X 2 727降至1 821×1 821,降价前后的导纳计算 值基本吻合。对比结果表明优化降阶方法是有效和可行的。 关键词:变压器;多导体传输线;矩阵降阶 中图分类号:TM401.1 文献标志码:A 文章编号:1007—29()X(2014)07—0096—05 Simplified Calculation Method for Transformer Multi—conductor Transmission Line Model ZHANG Xudong ,ZHANG Jingping ,MA Xinwang ,WANG Zengchao (1.State Grid Cangzhou Power Supply Bureau Company,Cangzhou,Hebei 06100(),China;2.Hebei Provincial Key Labora— tory of Power Transmission Equipment Security Defense,North China Electric Power University,Baoding,Hebei 07 1 003, China) Abstract:When using multi.conductor transmission line model for calculating broadband parameter of transformer port, there is a problem of larger scale of parameter matrix which is in turn unit.Therefore,this paper proposes a method of wind— ing MTL model for optimization reduction which considers uneven distribution of col1 voltage caused by very fast transient wave invasion into transformer and gives up reduction for a part of wire turns near to wave end Meanwhile,simplification iS proceeded for surplus windings and reduction formula is deduced.In frequency domain,decoupling solution was done for MTL model while optimization reduction method was applied in a 1()kV single—phase transformer in laboratory.Admittance result and measuring result were basically agreed.Reduce matrix scale from 2 727 X 2 727 to 1 821×1 82l and get basically i- dentical admittance calculating values before and after reduction.Comparison result indicated that this optimization reduction method was effective and feasible. Key words:transformer;multi.conductor transmission line;matrix order reduction 用多导体传输线(multi.conductor transmis. sion line,MTL)模型描述变压器线圈时,由于线 献[1]为了解决以匝为单位参数矩阵规模较大的难 题,提出了一种频域分段建模的方法,在频率低于 4 MHz范围内采用新型的集总参数RLC电路模 匝换位时电磁边界不连续,每一匝就是一根传输 线,导致线圈规模很大,求解会遇到很大问题。文 型,在频率高于4 MHz范围内采用无损MTL模 型进行建模。文献E2]采用集中参数与分布参数混 合模型来计算,靠近端口的线圈采用MTL模型, 收稿日期:2014-04.14 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50977O31) 其余用阻抗代替;文献r-3]延续此方法,对两部分 第7期 张旭东,等:变压器多导体传输线模型简化计算方法 之间电磁耦合进行了补充分析。文献[4]将变压器 绕组分成三部分建模,包括多导体模型、单导体模 型以及等效阻抗。这些方法增加了计算的复杂度, 在解决矩阵阶数较大的难题时不能保证计算的精 度。 本文提出绕组MTL模型的优化降阶方法,充 分考虑特快速暂态波形侵入绕组造成的电压分布不 均匀,将靠近入波端的一部分线匝不进行降阶,保 留这部分重要参数,对剩余绕组进行简化,推导整 理出降阶公式。实验证明这种方法具有更高的效 率。 1绕组参数降阶 1.1 电容 为了真实地反映线圈的实际结构,采用有限元 方法计算静电场分布,利用电场能量来计算电容, 最终得到电容矩阵c。将每匝导体展开,匝问电容 平均分配到导体两端,如图1所示。 年事 c,。 c加 电力系统特快速暂态波形具有几纳秒到几十纳 秒的波头,陡波前的电压侵入变压器会沿线圈或导 体产生不均匀电压分布,大部分电压降落在靠近人 波端的一小部分线圈或导体上¨2],这部分的参数很 大程度上决定了变压器的端口特性。假定保留图1 中前k匝线圈的参数,对剩余线圈进行简化,将 化简线圈的首尾相连,相连线圈的匝数可以根据精 度需要自己定义,为了将节点电容转化为匝问电 容,将这部分化简线圈最终化为2匝线圈。图2给 出了以第P匝线圈为保留线圈、第t匝线圈为首 个化简线圈的端点电容,化简线圈有W匝,一般 w取奇数。 对化简线圈以中间为界分为2匝线圈,设合并 后的2匝线圈编号分别为i、7,如图3所示。 C2p 1,2 2f 2r,2 1 2t+2,2t+3 2 2w一4,2t+2w一3 图2保留线圈和化简线圈间的端点电容 第p匝 =}= 第f匝 r _l_ 一 ; T 第/匝 一 图3归并后线圈的匝间电容 匝间电容计算公式为: C =C2p—I,2f一1+C2p 1,2f+1+…+C2p一1,2t+w 2+ C2P,2f+C2p2f+2+…+C2P,2f+w一3= ,∑C +{c , i C “=C2p 1,2f+w+C2p一1,2t+w+2+…+C2p一1,2t+2w 1+ C2p,2f+w-1+C2P,2f+w+l+…+C2P,2f+2w 2= J1 . ∑C +{c . =Ft/'+j 式中:i 和, 分别为第i个简化部分的第1匝和 最末匝,m为这部分的中间匝;C 、C 、C 分 别为第P匝保留线圈与第 、J、m匝线圈之间的 电容值。 化简线圈两匝间的电容计算公式为l5]: i I i l c = cij+ cim+ c删+ c~, t If1 i l £ 一, i — lt Il I1 )1 c =∑∑C + 1∑Cf + 1∑C . i i1 f』 lf J 』 式中:C 为合并后线圈i的自电容,C一为线圈 m的自电容,C 为线圈 与线圈 的互电容,C 为线圈i与线圈m的互电容,C f为线圈m与线圈 7的互电容。 1.2 电感 电感由两部分组成,即 L=L +LiE. 式中:L为电感矩阵,L 为外电感矩阵,Li为内 电感矩阵,E为单位矩阵。 外电感矩阵 Ln E r . 式中:C为经降阶处理的电容矩阵,s 为绝缘物质 的相对介电常数,C为光在真空中的速度。 在高频情况下透人导体的磁通同样可产生电 感,内电感矩阵 L =R ,/2 ̄f. 式中:R 为集肤效应产生的电阻矩阵,厂为频率。 1.3 电阻 计算电阻时必须考虑高频下的集肤效应,计算 式-6 为: jj 2(d +d÷ √ , z) d’ 为矩形导体时;、巴儿 H ’ 尺 : l √ ,为圆形导体时。 式中:尺 为单位长度的R , 为绕组导体的磁导 率, 为导体的电导率,d,、d 分别为矩形导体 横截面的长和宽,d为圆形导体横截面的直径。 1.4 电导 电导矩阵G根据电导的容性损耗计算,表达 式为 G=27rfctan , 其中tan =【).()7(1一 6 e-(【) _“z×1l_ ). 2变压器MTL模型的频域求解 图4为变压器绕组的MTL模型,导线编号是 按照绕组连接的先后顺序进行的,虚斜线表示各匝 绕组首末相连,N为绕组匝数。 Us(1) (1) (2) UR(2) ts(2) 一一 R(Ⅳ一1) UsfⅣ1) uR(A,1 厶(Ⅳ~1) 一一一一一一 一一一一一 ( Us(Ⅳ) UR(M Is(Ⅳ、 图4变压器绕组的MTL模型 MTL模型的频域形式可以用以下方程表示: 第27卷 f 【UZ :一z( )J(z), 1 型:一y( )v(Z). (1) 1 UZ 式(1)可以进一步简化为: f d2U(7,):ZYU(z):11 【,(z), lClZ一 (2) }l QZ‘ :YZI(z):rTt(z) _式中:u(z)、J(z)分别为沿线的电压、电流向量, z为沿传输线长度;阻抗矩阵z=R+j c ,其巾R 为电阻矩阵,∞为角频率;导纳矩阵Y=G+1 c ; J1 =ZY, =YZ,且这些参数均是频变的。 当MTL模型中的分布参数与频率相关时,采 用频域解法比较方便1 。通常MTL模型中各导体 的电压、电流互相影响、互相耦合,这就使得式 (2)中的r、 不是对角矩阵,不能直接求解矩阵 形式的二阶微分方程,需要首先实现方程解耦 j。 假设矩阵ZY和 z可对角化,定义模变换矩阵 和1、,,且模电压U =Tb U,模电流I =Ti J, 使其满足 。ZYTu= YZT,= , 式中,.为对角矩阵。 将模电压、模电流二阶求导可得: f 1 UZ : ZYTf』U (z): (z)_ (3) IUZ rf,I (z): (z). 模电流J 、模电压【, 有明确的物理意义:当 有一组激励加在有损MTL的端部时,多导体上的 电压、电流首先按照某一比例分解成 个模电流 和n个模电压,每一组模电流和模电压按照各自的 传播常数进行传播。通过式(3)可以求得模电压、 模电流的值,从而得到: (U(z)=Tu(e—U+m+efzUm). 【J(z)=Y。Tu(e U ~e Um). 式中y 为导纳特征矩阵,且Y。=YT r。‘T ;Um 为入射电压波矩阵,Um为反射电压波矩阵。 将边界条件z=0和z=f(f为导体长度。即 绕组线匝的平均长度[ ])带入式(4),整理得到 MTL始、末端的电流、电压关系为 『{IJs il :f —B A lA—B I i IUsUR{ f . ) R 第7期 张旭东,等:变压器多导体传输线模型简化计算方法 其中: A=YTur coth(r/)Tb , B=YTur’cosech(r/)T3 . 式中:J 、J 分别为MTL始端、末端的电流矩 阵,u 、u 分别为MTL始端、末端的电压矩阵。 3实例验证 为了验证上述理论,实验中测量一台10 kV 单相双绕组变压器,型号为D9.1()/10。其铁心形 式为C型,绕组形式为圆筒式,分为左半边绕组 和右半边绕组两个部分,每边绕组均由高压绕组和 低压绕组构成。10 kV单相双绕组变压器的基本结 构参数:高压绕组线1 8饼,每饼147匝,第17饼 的匝数为1 13;低压绕组线5饼,每饼23匝;导 体的直径0.69 mm,宽度1.70 mm,高度5.O() mm;绝缘纸厚度0.08 mm。10 kV单相双绕组变 压器高、低压绕组的串并联关系如图5所示。∽/哥 一 ∞\ ∽\ (a)高压绕组 痂 (b)低压绕组 图5 10 kV单相双绕组变压器的串并联关系 由于左半边绕组与右半边绕组的结构和参数均 相同,因此在计算宽频导纳时只需考虑任意一边绕 组,然后根据两边高、低压绕组的串并联关系来求 解整体变压器的宽频导纳。现以右半边绕组为例, 其高压绕组的导体材料为无氧铜导线,型号QQ. 2,并绕根数为1;低压绕组的导体材料为纸包铜 扁线,型号ZB.0.45,并绕根数为1。高压绕组的 分接开关有3个分接头(如图5所示),接到分接头 1、2、3时分别有2 612、2 488、2 364匝线圈。 实验中应用Agilent 4395A频谱/网络/阻抗分 析仪¨ ” 们测量右半边绕组的散射参数,测量频率 为100 ̄50 00()kHz。将测量得到的散射参数进行 转换,得到右半边绕组高压侧与低压侧之问的导 纳。 图6对降阶前变压器端口导纳的计算结果与测 量结果进行了比较,其中y y 和y 均为变 压器高低压绕组的端口导纳参数。从图6可以看出 降阶前导纳的计算结果和测量结果是基本一致的。 对高压绕组前5匝线圈不进行简化,对剩余绕 l——测量值 …~计算值l ^ !: :== =——— ∥ 频率/Hz 图6降阶前变压器导纳的计算值和测量值对比 组每3匝首尾连接进行简化;低压绕组前4匝不简 化,剩余绕组每3匝进行简化。最终矩阵规模由 2 727×2 727降为1 821×1 821,将得到的计算结 果与降阶前的计算结果进行对比(如图7所示),两 者非常一致。 ——降阶前 …~降阶后 l^ ’ :一—— — , 、\ /一一 .106 10 频率/Hz 图7降阶前后导纳幅频特性对比 为了更清楚地看到降阶方法的有效性,以y 为例,对几种频率下降低到相应阶数后与未降阶前 的导纳计算进行误差分析,结果见表1。 4结论 本文基于MTL模型提出了变压器绕组电容矩 阵的匝间降阶方法,并根据降阶方式给出了其他参 数的求解方法,在频域通过模电压、模电流实现 MTL模型方程的通用性解耦。通过一台10 kV单 相变压器进行实验,当矩阵阶数降低接近1/10时, 广东电力 表1 几种矩阵降阶方式的Y ,误差分析 第27卷 2()一23,201 1,Tsinghua University,Beijing,China.Shanghai: Hans Publishers,201 1:4296—4301. 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