一種空心電抗器模型簡化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種空心電抗器模型簡化方法，包括以下步驟：首先繞制線圈作為空心電抗器的原模型以及若干圓環(huán)形載流導體作為簡化模型；利用磁場測量儀測量空心電抗器的原模型對應的徑向磁場及軸向磁場；利用磁場測量儀測量簡化模型對應的徑向磁場及軸向磁場；通過比較原模型對應的徑向磁場及軸向磁場與簡化模型對應的徑向磁場及軸向磁場，選擇最接近空心電抗器原模型磁場分布的最優(yōu)簡化模型。在保證能夠近似模擬原模型空間磁場分布的基礎(chǔ)上，采用簡化模型代替復雜的原模型，可明顯簡化空心電抗器模型的建立和制作過程。
【專利說明】一種空心電抗器模型簡化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種空心電抗器模型簡化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國用電量的增加，電網(wǎng)迅速發(fā)展，空心電抗器因具有起始電壓分布均勻、線性度好、損耗小和噪音低等優(yōu)點，在無功補償、故障限流等領(lǐng)域得到日益廣泛的應用。然而，空心電抗器不具有閉合的鐵磁回路，在運行時不但會在其周圍產(chǎn)生強工頻空間磁場，而且對變電站周圍電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運行構(gòu)成復雜影響，故已成為變電站電磁污染的主要來源。此外，空心電抗器的空間磁場還可能對工作人員以及周邊居民存在潛在的健康威脅。近年來，隨著智能變電站的發(fā)展和人們環(huán)保意識的增強，大型空心電抗器的磁場預測及其對周邊環(huán)境的磁場污染問題越來越受到關(guān)注，對空心電抗器空間磁場分布特性的研究也顯得愈加迫切。
[0003]針對空心電抗器空間磁場的分布問題，國內(nèi)外進行了大量研究，可主要分為以下三類。第一類為解析計算法，即根據(jù)畢奧-沙伐爾定律，先計算出單匝線圈附近的磁場，再通過疊加原理得到空心電抗器的磁場分布。第二類是數(shù)值計算法，此類方法從Maxwell方程出發(fā)，推導出微分或積分形式的簡化數(shù)學公式，然后用有限元法等仿真方法進行求解。以上兩種方法均需要預先獲取空心電抗器的詳細結(jié)構(gòu)參數(shù)，目前大型電抗器的計算結(jié)果精確度仍有待提高。第三類為實驗法，可細分為現(xiàn)場測量法和縮比實驗法兩種?，F(xiàn)場測量法能較準確、直觀地測得電抗器周圍的磁場分布，但須投入較大的人力和物力，且無法在建造完成前進行測量?？s比實驗法是指將大型磁場源按一定比例縮小，同時電流、電壓、頻率等物理量按照縮比準則分別縮小或放大，通過測量縮比模型周圍的磁場，以達到預測原大型磁場源空間磁場分布情況的目的。
[0004]無論采用上述哪種方法進行空心電抗器空間磁場的測量和評估，都將面臨空心電抗器數(shù)學模型或?qū)嶋H實驗模型較復雜、制作模型時間較長的問題。為此必須尋求簡化空心電抗器模型建立過程和縮短建模時間的新方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開了一種空心電抗器模型簡化方法，該方法基于空心電抗器的原模型，提出將若干圓環(huán)形載流導體作為空心電抗器的簡化模型。采用該簡化模型，可明顯簡化空心電抗器模型建立過程，縮短建模時間。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下:
[0007]一種空心電抗器模型簡化方法，包括以下步驟:
[0008]步驟一:首先繞制線圈作為空心電抗器的原模型以及若干圓環(huán)形載流導體作為簡化模型；
[0009]步驟二:利用磁場測量儀測量空心電抗器的原模型對應的徑向磁場及軸向磁場；
[0010]步驟三:保證流經(jīng)簡化模型對應的圓環(huán)形載流導體的電流密度與空心電抗器的原模型相同，利用磁場測量儀測量簡化模型對應的徑向磁場及軸向磁場；
[0011]步驟四:通過比較原模型對應的徑向磁場及軸向磁場與簡化模型對應的徑向磁場及軸向磁場，并選擇最接近空心電抗器原模型磁場分布的最優(yōu)簡化模型。
[0012]所述步驟一中，空心電抗器的原模型長度為l=134mm，直徑為D=138mm，匝數(shù)為N=120，背景磁場為0.03 μ T，流經(jīng)模型的電流為0.03Α，頻率為50Hz。
[0013]所述步驟一中，簡化模型包括單線圈簡化模型、雙線圈簡化模型和三線圈簡化模型。
[0014]所述步驟二中，測量空心電抗器的原模型的徑向磁場時，磁場測量儀放在高度為67mm處，即模型中心的高度。
[0015]所述單線圈簡化模型將所有匝集中在一個圓環(huán)形載流導體中，圓環(huán)形載流導體直徑與原模型相同，匝數(shù)為原模型匝數(shù)的1/3，通入圓環(huán)形載流導體的電流大小為原模型的3倍，電流頻率與原模型相同，以保證流經(jīng)圓環(huán)形載流導體的電流密度與原模型相同?？招碾娍蛊鞯脑Ｐ秃喎Q原模型。
[0016]所述雙線圈簡化模型使用兩個圓環(huán)形載流導體代替原模型，其中每個圓環(huán)形載流導體直徑與原模型相同，匝數(shù)為原模型匝數(shù)的1/3，通入圓環(huán)形載流導體的電流大小為原模型的3/2倍，電流頻率與原模型相同，以保證流經(jīng)圓環(huán)形載流導體的電流密度與原模型相同。
[0017]根據(jù)兩圓環(huán)形載流導體的間隔距離不同，雙線圈簡化模型包括兩種結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)一中，兩圓環(huán)形載流導體距離模型頂部分別為1/31和2/31 ;結(jié)構(gòu)二中，兩圓環(huán)形載流導體距離模型頂部分別為1/41和3/41。
[0018]所述三線圈簡化模型使用三個圓環(huán)形載流導體代替原模型，其中每個圓環(huán)形載流導體直徑與原模型相同，匝數(shù)為原模型匝數(shù)的1/3，通入圓環(huán)形載流導體的電流大小和頻率與原模型相同，以保證流經(jīng)圓環(huán)形載流導體的電流密度與原模型相同。
[0019]根據(jù)三圓環(huán)形載流導體的間隔不同，三線圈簡化模型包括三種結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)一中，三個圓環(huán)形載流導體分別位于模型的頂部、高度中央和底部；結(jié)構(gòu)二中，三圓環(huán)形載流導體距離模型頂部分別為1/41、1/21和3/41 ;結(jié)構(gòu)三中，三圓環(huán)形載流導體距離模型頂部分別為1/81,1/21 和 7/81。
[0020]所述空心電抗器的原模型或其簡化模型與交流電源及電流表串聯(lián)，磁場測量儀的探頭可靈活放置以測量不同位置的磁感應強度，在實驗中，連接各裝置的導線互相纏繞，以抵消其本身產(chǎn)生的磁場，從而減小測量誤差。
[0021]所述單線圈簡化模型，為保證流經(jīng)圓環(huán)形載流導體的電流密度與原模型相同，實驗中通入0.09A、50Hz的電流。
[0022]所述測量單線圈簡化模型對應的徑向磁場及軸向磁場時，測量徑向磁場時，磁場測量儀與單線圈簡化模型高度相同。
[0023]所述雙線圈簡化模型，為保證流經(jīng)圓環(huán)形載流導體的電流密度與原模型相同，實驗中通入0.045A、50Hz的電流。
[0024]所述測量雙線圈簡化模型對應的徑向磁場及軸向磁場時，測量徑向磁場時，磁場測量儀放置于兩個圓環(huán)形載流導體中間位置。
[0025]所述三線圈簡化模型，為保證流經(jīng)圓環(huán)形載流導體的電流密度與原模型相同，實驗中通入0.03A、50Hz的電流。
[0026]所述測量三線圈簡化模型對應的徑向磁場及軸向磁場時，測量徑向磁場時，磁場測量儀放置于與中間圓環(huán)形載流導體同高度的位置。
[0027]所述空心電抗器的原模型及測量簡化模型對應的徑向磁場時，測量點到中心軸的垂直距離記為r，由于磁場測量儀尺寸的限制，最小測量距離為距離中心軸r=85mm，測量軸向磁場時，磁場測量儀放在模型中心軸處，距離軸向中心的高度記為h。
[0028]本發(fā)明的有益效果:
[0029]本發(fā)明的優(yōu)點在于，在保證能夠近似模擬原模型空間磁場分布的基礎(chǔ)上，采用簡化模型代替復雜的原模型，可明顯簡化空心電抗器模型的建立和制作過程，大大縮短設(shè)計和研發(fā)周期，在空心電抗器空間磁場預測方面具有重要的技術(shù)價值和潛在的經(jīng)濟效益。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為單線圈簡化模型結(jié)構(gòu)；
[0031]圖2雙線圈簡化模型結(jié)構(gòu)一；
[0032]圖3雙線圈簡化模型結(jié)構(gòu)二 ；
[0033]圖4三線圈簡化模型結(jié)構(gòu)一；
[0034]圖5三線圈簡化模型結(jié)構(gòu)二 ；
[0035]圖6三線圈簡化模型結(jié)構(gòu)三；
[0036]圖7原模型與簡化模型徑向磁感應強度示意圖；
[0037]圖8原模型與簡化模型軸向磁感應強度示意圖。
【具體實施方式】:
[0038]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明:
[0039]一種空心電抗器模型簡化方法，包括以下步驟:
[0040]步驟一:首先繞制線圈作為空心電抗器的原模型以及若干圓環(huán)形載流導體作為簡化模型；
[0041]步驟二:利用磁場測量儀測量空心電抗器的原模型對應的徑向磁場及軸向磁場；
[0042]步驟三:保證流經(jīng)簡化模型對應的圓環(huán)形載流導體的電流密度與空心電抗器的原模型相同，利用磁場測量儀測量簡化模型對應的徑向磁場及軸向磁場；
[0043]步驟四:通過比較原模型對應的徑向磁場及軸向磁場與簡化模型對應的徑向磁場及軸向磁場，并選擇最接近空心電抗器原模型磁場分布的最優(yōu)簡化模型。
[0044]本發(fā)明在實驗室中建立了空心電抗器的原模型，以及若干圓環(huán)形載流導體作為簡化模型，測量其附近的徑向和軸向空間磁場分布，比較并選擇最接近空心電抗器原模型磁場分布的最優(yōu)簡化模型。
[0045]在原模型和簡化模型的空間磁場測量實驗中，假定系統(tǒng)電源及設(shè)備均為理想情況且工作在準靜態(tài)頻率下，忽略內(nèi)阻。空心電抗器原模型或其簡化模型與交流電源及電流表串聯(lián)，磁場測量儀的探頭可靈活放置以測量不同位置的磁感應強度。在實驗中，連接各裝置的導線互相纏繞，以抵消其本身產(chǎn)生的磁場，從而減小測量誤差。
[0046]空心電抗器原模型磁場測量:首先繞制線圈作為空心電抗器的原模型，此模型的長度為l=134mm，直徑為D=138mm，匝數(shù)為N=120。背景磁場為0.03 μ T，流經(jīng)模型的電流為
0.03Α，頻率為 50Hz。
[0047]測量徑向磁場時，磁場測量儀放在高度為67mm處，即模型中心的高度，測量點到中心軸的垂直距離記為r，由于磁場測量儀尺寸的限制，最小測量距離為距離中心軸r=85mm。測量軸向磁場時，磁場測量儀放在模型中心軸處,距離軸向中心的高度記為h。
[0048]實施例1:空心電抗器單線圈簡化模型磁場測量
[0049]如圖1所示，對于空心電抗器的簡化模型，我們首先將模型中所有匝集中在一個圓環(huán)形載流導體中，稱為單環(huán)簡化模型。本發(fā)明為了模型制作的簡便，繞制一個匝數(shù)為40的圓環(huán)形載流導體，其直徑與原模型相同。為保證流經(jīng)圓環(huán)形載流導體的電流密度與原模型相同，實驗中通入0.09A、50Hz的電流。
[0050]測量徑向磁場時，磁場測量儀與單環(huán)簡化模型高度相同，測量點到中心軸的垂直距離記為r，由于磁場測量儀尺寸的限制，最小測量距離為距離中心軸r=85mm。測量軸向磁場時，磁場測量儀放在模型中心軸處，距離軸向中心的高度記為h。
[0051]實施例2:空心電抗器雙環(huán)簡化模型磁場測量
[0052]第二種簡化模型是使用兩個圓環(huán)形載流導體代替原模型，稱為雙環(huán)簡化模型。本發(fā)明所繞制的每個圓環(huán)形載流導體匝數(shù)都為40，其直徑與原模型相同。為保證流經(jīng)圓環(huán)形載流導體的電流密度與原模型相同，實驗中通入0.045A、50Hz的電流。
[0053]根據(jù)兩圓環(huán)形載流導體的間隔距離不同，本發(fā)明研究圖2所示兩種結(jié)構(gòu)。如圖2所示，兩圓環(huán)形載流導體距離模型頂部分別為1/31和2/31 ;如圖3所示，兩圓環(huán)形載流導體距離模型頂部分別為1/41和3/41。
[0054]測量徑向磁場時，磁場測量儀放置于兩個圓環(huán)形載流導體中間位置，測量點到中心軸的垂直距離記為r，由于磁場測量儀尺寸的限制，最小測量距離為距離中心軸r=85mm。測量軸向磁場時，磁場測量儀放在模型中心軸處，距離軸向中心的高度記為h。
[0055]實施例3:空心電抗器三環(huán)簡化模型磁場測量
[0056]第三種簡化模型是使用三個圓環(huán)形載流導體代替原模型，稱為三環(huán)簡化模型。本發(fā)明所繞制的每個圓環(huán)形載流導體匝數(shù)都為40，其直徑與原模型相同。為保證流經(jīng)圓環(huán)形載流導體的電流密度與原模型相同，實驗中通入0.03A、50Hz的電流。
[0057]根據(jù)三圓環(huán)形載流導體的間隔不同，本發(fā)明研究圖3所示三種結(jié)構(gòu)。如圖4所示，，三個圓環(huán)形載流導體分別位于模型的頂部、高度中央和底部；如圖5所示，三圓環(huán)形載流導體距離模型頂部分別為1/41、1/21和3/41 ;如圖6所示，三圓環(huán)形載流導體距離模型頂部分別為 1/81、1/21 和 7/81。
[0058]測量徑向磁場時，磁場測量儀放置于與中間圓環(huán)形載流導體同高度的位置，測量點到中心軸的垂直距離記為r，由于磁場測量儀尺寸的限制，最小測量距離為距離中心軸r=85mm。測量軸向磁場時，磁場測量儀放在模型中心軸處,距離軸向中心的高度記為h。
[0059]簡化模型測量結(jié)果分析:根據(jù)測量結(jié)果，可以畫出原模型及簡化模型徑向和軸向的磁感應強度隨測量距離變化的曲線，如圖7和8所示?？芍?，上述六種結(jié)構(gòu)的簡化模型都可近似模擬原模型徑向及軸向磁場，但在距離中心200mm范圍內(nèi)，簡化模型所測得結(jié)果誤差較大，其原因主要是測量儀器探頭尺寸大。在距離200mm范圍外，簡化模型能較好地模擬原模型。[0060]綜合考慮到制作模型的簡便程度以及模型的精確度，將雙環(huán)簡化模型結(jié)構(gòu)I作為六種結(jié)構(gòu)中的最優(yōu)模型。利用該簡化模型，可簡便、迅速地模擬空心電抗器附近的磁場分布，徑向測量結(jié)果在模型直徑1.5倍距離外較精確，軸向測量結(jié)果在模型長度1.5倍距離外較精確。實際工程中空心電抗器的直徑和高度均為I?2m，而社會公眾的活動范圍一般大于空心電抗器直徑的1.5倍，故簡化模型在預測空心電抗器磁場分布時有重要的實際意義。
[0061]上述內(nèi)容雖然結(jié)合附圖闡述了本發(fā)明的【具體實施方式】，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制。在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，不付出創(chuàng)造性勞動而做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種空心電抗器模型簡化方法，其特征是，包括以下步驟: 步驟一:首先繞制線圈作為空心電抗器的原模型以及若干圓環(huán)形載流導體作為簡化模型； 步驟二:利用磁場測量儀測量空心電抗器的原模型對應的徑向磁場及軸向磁場； 步驟三:保證流經(jīng)簡化模型對應的圓環(huán)形載流導體的電流密度與空心電抗器的原模型相同，利用磁場測量儀測量簡化模型對應的徑向磁場及軸向磁場； 步驟四:通過比較原模型對應的徑向磁場及軸向磁場與簡化模型對應的徑向磁場及軸向磁場，并選擇最接近空心電抗器原模型磁場分布的最優(yōu)簡化模型。
2.如權(quán)利要求1所述的一種空心電抗器模型簡化方法，其特征是，所述步驟一中，空心電抗器的原模型長度為l=134mm，直徑為D=138mm，匝數(shù)為N=120，背景磁場為0.03 μ Τ，流經(jīng)模型的電流為0.03Α，頻率為50Hz。
3.如權(quán)利要求1所述的一種空心電抗器模型簡化方法，其特征是，所述步驟一中，簡化模型包括單線圈簡化模型、雙線圈簡化模型和三線圈簡化模型。
4.如權(quán)利要求1所述的一種空心電抗器模型簡化方法，其特征是，所述步驟二中，測量空心電抗器的原模型的徑向磁場時，磁場測量儀放在高度為67mm處，即模型中心的高度。
5.如權(quán)利要求3所述的一種空心電抗器模型簡化方法，其特征是，所述單線圈簡化模型將所有匝集中在一個圓環(huán)形載流導體中，圓環(huán)形載流導體直徑與原模型相同，匝數(shù)為原模型匝數(shù)的1/3，通入圓環(huán)形載流導體的電流大小為原模型的3倍，電流頻率與原模型相同，以保證流經(jīng)圓環(huán)形載流導體的電流密度與原模型相同。
6.如權(quán)利要求3所述的一種空心電`抗器模型簡化方法，其特征是，所述雙線圈簡化模型使用兩個圓環(huán)形載流導體代替原模型，其中每個圓環(huán)形載流導體直徑與原模型相同，匝數(shù)為原模型匝數(shù)的1/3，通入圓環(huán)形載流導體的電流大小為原模型的3/2倍，電流頻率與原模型相同，以保證流經(jīng)圓環(huán)形載流導體的電流密度與原模型相同。
7.如權(quán)利要求3所述的一種空心電抗器模型簡化方法，其特征是，所述三線圈簡化模型使用三個圓環(huán)形載流導體代替原模型，其中每個圓環(huán)形載流導體直徑與原模型相同，匝數(shù)為原模型匝數(shù)的1/3，通入圓環(huán)形載流導體的電流大小和頻率與原模型相同，以保證流經(jīng)圓環(huán)形載流導體的電流密度與原模型相同。
8.如權(quán)利要求1所述的一種空心電抗器模型簡化方法，其特征是，所述空心電抗器的原模型或其簡化模型與交流電源及電流表串聯(lián)，磁場測量儀的探頭可靈活放置以測量不同位置的磁感應強度，在實驗中，連接各裝置的導線互相纏繞，以抵消其本身產(chǎn)生的磁場，從而減小測量誤差。
9.如權(quán)利要求3所述的一種空心電抗器模型簡化方法，其特征是，所述單線圈簡化模型，為保證流經(jīng)圓環(huán)形載流導體的電流密度與原模型相同，實驗中通入0.09A、50Hz的電流； 所述雙線圈簡化模型，為保證流經(jīng)圓環(huán)形載流導體的電流密度與原模型相同，實驗中通入0.045A、50Hz的電流； 所述三線圈簡化模型，為保證流經(jīng)圓環(huán)形載流導體的電流密度與原模型相同，實驗中通入0.03A、50Hz的電流。
10.如權(quán)利要求1所述的一種空心電抗器模型簡化方法，其特征是，所述空心電抗器的原模型及測量簡化模型對應的徑向磁場時，測量點到中心軸的垂直距離記為r，由于磁場測量儀尺寸的限制，最小測量距離為距離中心軸r=85mm，測量軸向磁場時，磁場測量儀放在模型中心軸處,距離軸向中 心的高度記為h。
【文檔編號】H01F41/00GK103762057SQ201410010535
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月9日
【發(fā)明者】胡曉黎, 段玉兵, 雍軍, 劉嶸, 孟海磊 申請人:國家電網(wǎng)公司, 山東電力研究院