一种变压器绕组短路振动特性的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种变压器绕组短路振动特性的计算方法，首先建立等效模型：用ANSYS建立变压器二维有限元模型，由于二维模型结构表示的不完整性，参数要做一定等效处理。根据材料特性的等效性原理，计算并赋予变压器各部分结构的等效参数。进行振动特性分析：采用ANSYS磁‑结构直接耦合技术，使用变压器二维等效模型，设置系统重力加速度和阻尼参数，并对模型施加边界条件；分别以各线饼的等效电流密度为激励，采用瞬态分析方法，多载荷步加载并求解；利用ANSYS后处理器，输出绕组振动过程中的位移、速度和加速度。本方法实现了对变压器绕组振动问题的降围，以及短路振动特性的准确动态求解。

A method for calculating short-circuit vibration characteristics of transformer windings

The invention discloses a method for calculating the vibration characteristics of transformer winding short circuit, first established the equivalent model: a two-dimensional finite element model of transformer with ANSYS, because of not complete two-dimensional representation of model structure, parameter to do some equivalent treatment. According to the equivalence principle of material characteristics, the equivalent parameters of each part of the transformer are calculated and given. Analysis of vibration characteristics by direct coupling of ANSYS magnetic structure technology, using two-dimensional transformer equivalent model, setting up the system of the acceleration of gravity and damping parameters and boundary conditions of the model; with equivalent current density of each line of the cake as excitation, using the transient analysis method, multi-step loading and solution; after using ANSYS processor. The displacement, velocity and acceleration of the output winding vibration process. The method realizes the accurate dynamic solution of the vibration reduction of the transformer winding vibration and the short-circuit vibration characteristics.

【技术实现步骤摘要】
一种变压器绕组短路振动特性的计算方法
本专利技术属于电力变压器短路特性计算
，涉及一种变压器绕组短路振动特性的计算方法。
技术介绍
电力变压器是电力系统中的重要设备之一，其运行状况直接影响着电网的稳定运行。近年来变压器事故统计显示，其抗短路能力不足，是威胁变压器安全运行的主要因素。其中，变压器突发短路故障时，绕组在短路力作用下，而产生剧烈振动，出现结构松动或变形，是造成电力变压器损坏和事故的重要原因。绕组轴向振动特性的研究始于70年代初期，而后一直为各国学者所关注。但是由于变压器绕组结构复杂，以及当时研究工具的限制，对于绕组轴向振动特性的解析大多都作了很大程度的简化。目前，对于变压器短路故障的轴向振动模型，大多分为以下两种：一种是采用经典的“质量-弹簧-阻尼”系统模型，该方法能够快速计算振动特性；另一种则是采用有限元模型。对于现有数值解法，有限元法已成为分析这类问题最有效的方法。其中，较多人采用变压器有限元模型，加载绕组短路力求解动态响应；也有少数人开始使用三维磁-结构耦合分析方法。由于变压器短路引起的绕组振动是一个复杂的机电过程，对于经典的弹簧系统模型和实际仍存在一定差距；采用有限元模型加载短路力计算方法，仍忽略了电磁场和结构场间的动态相互影响；而三维磁-结构耦合分析方法，虽然较准确地解析了绕组短路振动过程，但由于计算占用资源巨大，工程应用过于复杂。因此，寻找一种准确快速地计算变压器绕组短路振动特性的方法，为变压器设计和快速故障分析，提供了技术支持。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种变压器绕组短路振动特性的计算方法，解决了目前变压器绕组短路振动特性计算方法过于复杂，计算结果不准确的问题。本专利技术所采用的技术方案是按照以下步骤进行：步骤1：根据变压器尺寸和部件，在ANSYS中建立变压器二维有限元模型；步骤2：由于二维模型的等效性，分别计算变压器各部分结构的等效属性；(1)计算绕组线饼、垫块层和端圈等结构的等效密度，分别均匀等效处理；(2)计算不同位置绝缘纸板在轴向预紧力作用下的弹性模量；(3)计算各绝缘层的等效弹性模量；步骤3：在ANSYS中定义并分配各结构的材料属性：电磁特性和结构特性；等效结构要赋予步骤2中计算的等效参数：等效密度、等效弹性模量；步骤4：根据模型不同部位精细化程度的不同，分区域合理划分网格结构，并控制网格形状，避免出现畸变；步骤5：定义轴向坐标系下的重力加速度g＝9.8m/s2；考虑系统阻尼的影响，根据具体变压器阻尼大小，定义系统瑞利阻尼常数α和β；步骤6：设置模型边界条件，轴对称边界施加磁通平行条件，固定件施加位移约束条件，分别对压板上边界和托板下边界施加轴向位移约束；步骤7：分别以各线饼的等效电流密度作为激励，以时间历程定义载荷步；设置故障持续0.2s的一段动态载荷，按照1ms为步长，分别对高、低压绕组各线饼加载；步骤8：采用瞬态分析方法，打开大形变效应和瞬态效应，划分载荷子步，设置写入结果文件的频率；步骤9：利用ANSYS后处理器，输出故障过程中绕组振动的位移、速度和加速度随时间变化曲线。进一步，步骤1中ANSYS中建立变压器二维有限元模型是指在ANSYSMechanicalAPDL软件环境下，选择PLANE13磁-结构耦合有限元单元，设置单元具有UX、UY、AZ自由度，直接耦合磁场和结构场，选取二维轴对称建模方式，根据变压器实际尺寸，建立二维轴对称模型。进一步，步骤2中由于垫块、端圈、压板和压木等结构均采用绝缘纸板制成，在一定范围内，其应力-应变关系可表示为：σ＝aε+bε3(1)式中：σ为应力；ε为应变；a为线性常数；b为硬化系数。通过实验可测得：a＝105MPa；b＝1750MPa。在轴向预紧力作用下，其弹性模量可表示为：压板和托板的弹性模量采用此参数直接定义。考虑各相同性的两种材料，在载荷作用下产生相同应变，建立了Voigt模型：Eφ＝φ1E1+φ2E2(3)垫块层和端部压木层采用Voigt模型等效。考虑两相承受相同的应力，建立了Reuss模型：端圈为多层层压式结构，具有两种结构属性，将其按结构特点纵向划分为几部分，采用Voigt模型和Reuss模型组合计算。式中：Eφ为材料的等效弹性模量；E1为绝缘纸板的弹性模量；E2为空隙的弹性模量；φ1和φ2分别为绝缘纸板和空隙的体积分数，且φ1+φ2＝1。进一步，步骤4中模型整体网格尺寸设置为0.02，绕组及周围增大剖分网格数量，尺寸设置为0.015，整体采用四边形剖分。进一步，步骤8中以0.1ms划分载荷子步，每隔5个子步保存一次计算结果。进一步，利用ANSYS后处理器，输出故障过程中绕组振动的位移、速度和加速度随时间变化曲线。本专利技术的有益效果是采用ANSYS二维有限元等效模型，实现了变压器绕组振动问题的降围；采用ANSYS磁-结构直接耦合分析技术，实现了短路振动特性的准确动态求解。附图说明图1为一种变压器模型结构图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术的计算方法，包括以下步骤：1.根据变压器尺寸，建立变压器二维模型；在ANSYSMechanicalAPDL软件环境下，选择PLANE13磁-结构耦合有限元单元，设置单元具有UX、UY、AZ自由度，直接耦合磁场和结构场，选取二维轴对称建模方式。根据变压器结构尺寸，建立二维轴对称模型，包括铁心、高/低压绕组(线饼、垫块层)、端圈、压板等。如图1所示为一种变压器模型结构图。2.由于二维模型的等效性，分别计算变压器各部分结构的等效属性。1)计算变压器各部分结构的等效密度，包括线饼、垫块层和端圈等结构，对其分别均匀等效处理。2)由于垫块、端圈、压板和压木等结构均采用绝缘纸板制成，属于非线性材料，计算不同位置绝缘纸板在轴向预紧力作用下的弹性模量。绝缘纸板在一定范围内，其应力-应变关系可表示为：σ＝aε+bε3(1)式中：σ为应力；ε为应变；a为线性常数；b为硬化系数。通过实验可测得：a＝105MPa；b＝1750MPa。在轴向预紧力作用下，其弹性模量可表示为：压板和托板的弹性模量采用此参数直接定义。3)计算二维等效模型其余绝缘层的等效弹性模量。根据垫块层和端部绝缘的结构特点，可将其分别视作一种复合材料，即绝缘纸板和空隙两种材料的复合，对其采用Voigt模型和Reuss模型等效计算。考虑各相同性的两种材料，在载荷作用下产生相同应变，建立了Voigt模型，可表示为：Eφ＝φ1E1+φ2E2(3)垫块层和端部压木层采用Voigt模型等效。考虑两相承受相同的应力，建立了Reuss模型，可表示为：端圈为多层层压式结构，具有两种结构属性，将其按结构特点纵向划分为几部分，采用Voigt模型和Reuss模型组合计算；类垫块层采用Voigt模型等效，而各层之间采用Reuss模型等效。式中：Eφ为材料的等效弹性模量；E1为两相材料中相1即绝缘纸板的弹性模量；E2为两相材料中相2即空隙的弹性模量；φ1和φ2分别为复合材料中相1和相2的体积分数，且φ1+φ2＝1。3.在ANSYS中定义并分配各结构的材料属性：电磁特性和结构特性，包括如相对磁导率、密度、弹性模量、泊松比；等效结构部分要赋予之前计算的等效参数：等效密度、各绝缘层的等效弹性模量。4.根据模型不同部位精细化程度的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变压器绕组短路振动特性的计算方法，其特征在于按照以下步骤进行：步骤1：根据变压器尺寸和部件，在ANSYS中建立变压器二维有限元模型；步骤2：由于二维模型的等效性，分别计算变压器各部分结构的等效属性；(1)计算绕组线饼、垫块层和端圈等结构的等效密度，分别均匀等效处理；(2)计算不同位置绝缘纸板在轴向预紧力作用下的弹性模量；(3)计算各绝缘层的等效弹性模量；步骤3：在ANSYS中定义并分配各结构的材料属性：电磁特性和结构特性；等效结构要赋予步骤2中计算的等效参数：等效密度、等效弹性模量；步骤4：根据模型不同部位精细化程度的不同，分区域合理划分网格结构，并控制网格形状，避免出现畸变；步骤5：定义轴向坐标系下的重力加速度g＝9.8m/s

【技术特征摘要】
1.一种变压器绕组短路振动特性的计算方法，其特征在于按照以下步骤进行：步骤1：根据变压器尺寸和部件，在ANSYS中建立变压器二维有限元模型；步骤2：由于二维模型的等效性，分别计算变压器各部分结构的等效属性；(1)计算绕组线饼、垫块层和端圈等结构的等效密度，分别均匀等效处理；(2)计算不同位置绝缘纸板在轴向预紧力作用下的弹性模量；(3)计算各绝缘层的等效弹性模量；步骤3：在ANSYS中定义并分配各结构的材料属性：电磁特性和结构特性；等效结构要赋予步骤2中计算的等效参数：等效密度、等效弹性模量；步骤4：根据模型不同部位精细化程度的不同，分区域合理划分网格结构，并控制网格形状，避免出现畸变；步骤5：定义轴向坐标系下的重力加速度g＝9.8m/s2；考虑系统阻尼的影响，根据具体变压器阻尼大小，定义系统瑞利阻尼常数α和β；步骤6：设置模型边界条件，轴对称边界施加磁通平行条件，固定件施加位移约束条件，分别对压板上边界和托板下边界施加轴向位移约束；步骤7：分别以各线饼的等效电流密度作为激励，以时间历程定义载荷步；设置故障持续0.2s的一段动态载荷，按照1ms为步长，分别对高、低压绕组各线饼加载；步骤8：采用瞬态分析方法，打开大形变效应和瞬态效应，划分载荷子步，设置写入结果文件的频率；步骤9：利用ANSYS后处理器，输出故障过程中绕组振动的位移、速度和加速度随时间变化曲线。2.按照权利要求1所述一种变压器绕组短路振动特性的计算方法，其特征在于：所述步骤1中ANSYS中建立变压器二维有限元模型是指在ANSYSMechanicalAPDL软件环境下，选择PLANE13磁-结构耦合有限元单元，设置单元具有UX、UY、AZ自由度，直接耦合磁场和结构场，选取二维轴对称建模方式，根据变压器实际尺寸，建立二维轴对...

【专利技术属性】
技术研发人员：王雪，吴涛，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北,13