一种短路故障下变压器绕组的动态受力分析方法技术

本发明专利技术公开了一种短路故障下变压器绕组的动态受力分析方法，在ANSYS Mechanical APDL软件环境下，选择磁‑结构耦合有限元单元，直接耦合磁场和结构场；根据变压器结构参数，建立变压器二维轴对称有限元模型；根据漏磁场分布和结构形变特点，设置变压器边界条件；根据模拟变压器短路故障或实际故障录波数据，定义动态载荷；采用瞬态分析方法，计算变压器短路过程中漏磁场和绕组受力动态变化情况。本方法实现了对变压器短路暂态过程中内部漏磁场和绕组受力的动态特性分析。

【技术实现步骤摘要】
一种短路故障下变压器绕组的动态受力分析方法
本专利技术属于变压器短路特性分析
，涉及一种短路故障下变压器绕组的动态受力分析方法。
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。变压器事故统计显示，变压器发生短路故障，由于其抗短路能力不足，是威胁变压器安全运行的主要因素。变压器绕组在巨大短路力冲击下，可能造成轴向或辐向的失稳，严重时甚至导致整个绕组垮塌。由于电力变压器造价昂贵，难以采用实验方法研究变压器抗短路能力。早期对于变压器绕组抗短路能力的研究主要采用静态力，把线圈作为一个静止的整体，不能考虑因绕组变形而导致安匝分布不平衡对绕组受力的影响。伴随科研工作者多年的不断探索，以及电磁领域数值分析技术的迅速发展，有限元已成为分析变压器漏磁场和绕组受力最有效的方法，并取得了大量的研究成果。但由于变压器短路故障暂态过程复杂，目前仍然难以分析短路过程中绕组形变产生的动态影响。实际上，变压器突发短路故障，绕组承受巨大电磁力冲击，线圈位移，从而改变了漏磁场分布，影响绕组受力分布，进而又反馈到结构场，整个过程是一种动态且相互影响过程。由于动态和静态存在很大不同，变压器静态校验虽然满足条件，但是突发短路故障仍时常遭受破坏。因此，找到一种能够准确解析变压器短路过程中内部漏磁场和绕组受力的动态计算方法，对于设计新型变压器，降低变压器的损坏率，确保电网的安全运行，都具重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种短路故障下变压器绕组的动态受力分析方法，解决了由于变压器短路故障暂态过程复杂，难以分析短路过程中绕组结构变形对电磁场和绕组受力产生的动态影响的问题。本专利技术所采用的技术方案是按照以下步骤进行：1)在ANSYSMechanicalAPDL软件环境下，选择PLANE13二维磁-结构耦合单元，设置具有UX、UY、AZ自由度，直接耦合磁场和结构场，采用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；2)根据实测数据，分配各部分结构的材料属性；3)根据模型不同部位精细化程度不同分区域剖分，并控制网格形状，避免出现畸变；4)设置磁通的边界条件，对铁心对称轴施加磁通平行约束；5)根据绕组受力形变特点，设置位移约束条件，分别固定压板的上边界和托板的下边界；6)根据模拟变压器外部突发短路的故障电流，或者实际故障录波数据，将短路电流折算成各线饼的等效电流密度，数值的正负代表电流方向；7)以各线饼的等效电流密度作为激励，以时间历程定义各载荷步，分别对高、低压绕组的相应线饼加载；8)采用瞬态分析方法，多载荷步缓慢加载并求解；9)利用ANSYS后处理计算器和显示器，输出变压器内部漏磁场、短路力和应力的计算结果。进一步，步骤3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设置为0.015，整体采用四边形剖分。进一步，步骤7中设置故障发生后持续0.2s，按照1ms为载荷步长，分别对高、低压绕组的相应线饼加载。进一步，步骤8中，以0.1ms划分载荷子步，选择每隔5个子步保存一次计算结果。本专利技术的有益效果是能够快速准确地对变压器短路故障过程中绕组在电磁场和结构场相互影响下的动态受力特性进行分析。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。本专利技术技术方案包括以下步骤：1.在ANSYSMechanicalAPDL软件环境下，选择PLANE13二维磁-结构耦合单元，设置具有UX、UY、AZ自由度，直接耦合磁场和结构场，采用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，包括铁心、高/低压绕组(线饼及垫块)、端圈、压板等，忽略角环、支架等固件的影响。如图1所示为一种变压器的结构。2.根据实测数据，分配各部分结构的材料属性——电磁特性和结构特性，包括相对磁导率、密度、弹性模量、泊松比等。变压器部分结构的材料属性参数，如表1所示。表1变压器材料属性表3.模型单元剖分将直接影响到计算精度，根据模型不同部位精细化程度不同分区域剖分。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设置为0.015，整体采用四边形剖分，并控制网格形状，避免出现畸变。4.设置磁通的边界条件，对铁心对称轴施加磁通平行约束；5.根据绕组受力形变特点，设置位移约束条件，分别固定压板的上边界和托板的下边界；6.根据模拟变压器外部突发短路的故障电流，或者实际故障录波数据，将短路电流折算成各线饼的等效电流密度，高、低压绕组电流方向相反，数值的正负代表电流方向，不妨定义流入为正，流出为负；7.以各线饼的等效电流密度作为激励，以时间历程定义各载荷步，设置故障发生后持续0.2s，按照1ms为载荷步长，分别对高、低压绕组的相应线饼加载；8.采用瞬态分析方法，打开大形变效应，以0.1ms划分载荷子步，选择每隔5个子步保存一次计算结果；9.使用ANSYS后处理器，输出任意时刻的变压器内部的漏磁场、短路力、应力分布图，以及节点的漏磁场和短路力随时间变化曲线。以上所述仅是对本专利技术的较佳实施方式而已，并非对本专利技术作任何形式上的限制，凡是依据本专利技术的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本专利技术技术方案的范围内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种短路故障下变压器绕组的动态受力分析方法，其特征在于按照以下步骤进行：1)在ANSYS Mechanical APDL软件环境下，选择PLANE13二维磁‑结构耦合单元，设置具有UX、UY、AZ自由度，直接耦合磁场和结构场，采用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；2)根据实测数据，分配各部分结构的材料属性；3)根据模型不同部位精细化程度不同分区域剖分，并控制网格形状，避免出现畸变；4)设置磁通的边界条件，对铁心对称轴施加磁通平行约束；5)根据绕组受力形变特点，设置位移约束条件，分别固定压板的上边界和托板的下边界；6)根据模拟变压器外部突发短路的故障电流，或者实际故障录波数据，将短路电流折算成各线饼的等效电流密度，数值的正负代表电流方向；7)以各线饼的等效电流密度作为激励，以时间历程定义各载荷步，分别对高、低压绕组的相应线饼加载；8)采用瞬态分析方法，多载荷步缓慢加载并求解；9)利用ANSYS后处理计算器和显示器，输出变压器内部漏磁场、短路力和应力的计算结果。

【技术特征摘要】
1.一种短路故障下变压器绕组的动态受力分析方法，其特征在于按照以下步骤进行：1)在ANSYSMechanicalAPDL软件环境下，选择PLANE13二维磁-结构耦合单元，设置具有UX、UY、AZ自由度，直接耦合磁场和结构场，采用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；2)根据实测数据，分配各部分结构的材料属性；3)根据模型不同部位精细化程度不同分区域剖分，并控制网格形状，避免出现畸变；4)设置磁通的边界条件，对铁心对称轴施加磁通平行约束；5)根据绕组受力形变特点，设置位移约束条件，分别固定压板的上边界和托板的下边界；6)根据模拟变压器外部突发短路的故障电流，或者实际故障录波数据，将短路电流折算成各线饼的等效电流密度，数值的正负代表电流方向；7)以各线饼的等效电流密度作为激励...

【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