一种基于多物理耦合场的变压器绕组瞬态形变量计算方法技术

本发明专利技术涉及一种电力变压器在电力系统发生接地故障的情况下，处于电力系统枢纽作用的电力变压器的绕组在巨大的短路电动力作用下，利用有限元软件ANSYS和Matlab计算变压器绕组瞬态形变量的方法。主要解决了多物理耦合场下，电力变压器绕组动稳定性分析计算问题，同时可以模拟在复杂电力系统中发生短路故障时，变压器绕组的形变量、应力响应等其他结构性问题。发明专利技术采用了Simulink在电力系统和控制方面的优势，可以模拟不同条件下短路电流的产生，并结合ANSYS Maxwell在磁场分析优点，把ANSYS Maxwell的短路电动力的计算结果耦合到ANSYS Workbench中，利用ANSYS Workbench在结构场分析的优势，分析变压器在短路电动力作用下的结构特性的变化情况，为提高变压器的抗短路能力，提供参考。

A calculation method of transformer winding transient shape variable based on multi physical coupling field

【技术实现步骤摘要】
一种基于多物理耦合场的变压器绕组瞬态形变量计算方法
本专利技术涉及电力变压器绕组的抗短路研究领域，特别是一种基于多物理耦合场的变压器绕组瞬态形变量计算方法。
技术介绍
随着经济社会的不断发展，电力系统的容量不断加大，作为电力系统重要组成部分的电力变压器的容量也不断加大，对于大容量的电力变压器，往往处于电力系统的枢纽位置，一旦发生故障对整个系统的影响极大，所以加强对电力变压器在短路情况下的运行状况的研究，进而提高变压器的抗短路能力，就显得十分的重要。电力系统的短路分为三种情况，三相短路接地故障、两相接地短路故障以及单相接地短路，其中三相接地故障短路电流最大。在三相短路电流的作用下，变压器绕组会产生漏磁场，短路电动力增大，变压器绕组垮塌、凹陷、凸起等不同的形变情况。由于变压器设备价格昂贵，结构复杂，不宜进行大电流的短路试验，因此对于研究变压器的抗短路特性，加强绕组强度变得十分困难。随着计算机技术的飞速发展，国内外大多数专家学者，开始着手运用有限元等手段研究变压器短路条件下的形变特性。目前研究绕组变形特性的研究主要集中分析绕组轴向和辐向变形特性，在短路条件下，绕组的轴向主要是根据质量弹簧模型研究轴向振动特性，例如频率响应和振动幅度，绕组的辐向主要是根据线饼多跨模型，研究绕组单个线饼辐向屈曲特性，例如单个线饼在撑条作用下，绕组在电动力作用下的屈曲形变情况。对于变压器的结构强度的研究主要集中在磁场计算短路电动的大小，在其他有限元中分析绕组在短路电动力作用下的结构强度变化。大多数单一磁场和结构场的分析计算，对短路电流计算也多数集中于理论推导，求解短路电流，然后在有限元中赋予激励，求解单一磁场和结构场，较少利用耦合分析计算瞬态绕组形变情况；单一的计算，无法准确计算相应的形变情况。其他一些研究也主要集中在变压器短路条件下短路故障的设置，仅仅局限于变压器的高压或者低压绕组的出口处，线路阻抗一般是忽略不计。出口处短路的处理方式，与实际情况存在出入，实际大多数故障出现在线路之中，短路电流的计算需要考虑线路阻抗和电力系统不同负荷的运行情况，运用Simulink可以模拟复杂电力系统中某一节点发生接地故障，准确计算出该故障下瞬态短路电流，并作为有限元的激励，用Simulink模电力系统故障，配合ANSYS有限元对磁场和结构的仿真，使仿真更加接近于真实情况。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种基于多物理耦合场的变压器绕组瞬态形变量计算方法，解决了多物理耦合场下，电力变压器绕组动稳定性分析计算问题，同时能够模拟在复杂电力系统中发生短路故障时，变压器绕组的形变量、应力响应等其他结构性问题。本专利技术采用以下方案实现：一种基于多物理耦合场的变压器绕组瞬态形变量计算方法，包括以下步骤：步骤S1：根据变压器基本参数，计算出变压器的电气参数包括电阻和电感；步骤S2：利用Simulink模块搭建双电源供电的电力系统模型，进行变压器三相短路故障模拟；步骤S3：根据变压器实际尺寸，建立有限元仿真的几何模型；步骤S4：设置ANSYSMaxwell的计算类型,设置变压器的材料，绕组为铜，铁芯为硅钢片，设置绕组的激励为外部激励；步骤S5：利用ANSYSMaxwell计算出变压器绕组和铁芯所受的短路电动力的大小分布；步骤S6：利用ANSYSWorkbench，传入ANSYSMaxwell的计算数据，进行耦合场的分析计算。步骤S7：在ANSYSWorkbench中导入暂态结构分析模块，求解变压器绕组的形变量的变化情况。进一步地，所述步骤S2的具体内容为：利用MATLAB中的Simulink模块搭建双电源供电的电力系统模型，所述双电源采用的是三相电源，幅值为110kV,频率为50Hz；短路故障类型选择Simulink中三相接地故障模块，接地电阻为0.01Ω；双电源供电系统线路模型选择设PI型等值电路，等值电路的电容和电阻参数，根据线路距离参数设置在simulink中进行相关设置；每相导线的电抗x1，每相导线的电阻r1，线路总阻抗Z＝(r1+jx1)l，线路总导纳Y＝(g1+jb1)l，根据上式计算出PI型等效电路的阻抗和导纳，并在Simulink中进行相关设置。进一步地，所述步骤S3的具体内容为：根据变压器的实际尺寸利用Solidworks建立变压器三维几何模型，变压器的铁芯根据实际硅钢片叠加情况进行三维建模，绕组按照线饼的个数来分层搭建；SolidWorks建模完成，须保存.IGS格式，导入到ANSYSMaxwell中，进行有限元磁场的仿真。进一步地，所述步骤S4的具体内容为：设置ANSYSMaxwell的计算类型为暂态计算，设置变压器的材料，根据实际所用的硅钢片设置B-H曲线，设置基本参数，赋予绕组属性为铜，铁芯材料属性为硅钢片，设置绕组的激励为外部激励，绕组分别为WindingA、WindingB，绕组匝数为高压496匝，低压174匝，分别分配给WindingA、WindingB，外部激励通ANSYSMaxwell耦合模块进行耦合,Simulink通过Maxwellfunction与Maxwell进行数据传输，实现联合仿真。进一步地，所述步骤S5的具体内容为：对变压器的铁芯和绕组分别进行网格剖分和边界设置；设置绕组自适应的剖分，最小剖分单元为30mm,设置铁芯自适应剖分，铁芯的最小剖分边长为130mm；在步长的设置，保持Simulink与Maxwell一致，Simulink短路电流开始时间为0.1s,Simulink仿真结束时间为0.3，ANSYSMaxwell时间设置计算时间为0.3s,每步步长为0.001s，Simulink的计算时间与ANSYSMaxwell一致为0.3s；联合仿真结束后，ANSYSMaxwel计算出变压器绕组和铁芯所受的短路瞬态体电动力大小分布。进一步地，所述步骤S7的具体内容为：打开ANSYSWorkbench，导入步骤S5中计算完成的ANSYSMaxwell变压器的电动力计算结果，进行耦合场的分析；更新(update)ANSYSMaxwell的数据，在Transientstructure模块，导入Solidwork中建立的几何模型；选中要加载负荷的变压器绕组和铁芯，在结果数据框查看tabulardata数据框中的数据，并给予Maxwell模块计算而来的电动力体密度，施加相应的电动力载荷于绕组和铁芯；同时选择绕组轴向顶部与底部的面，并固定自由度，选择fixed约束条件，约束变压器绕顶端和底部，在铁芯和绕组上下轴向面固定的条件下，计算绕组瞬态的形变量变化情况。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术采用了Simulink在电力系统和控制方面的优势，可以模拟不同条件下短路电流的产生，并结合ANSYSMaxwell在磁场分析优点，把ANSYSMaxwell的短路电动力的计算结果耦合到ANSYSWorkbench中，利用ANSYSWorkbench在结构场分析的优势，分析变压器在短路电动力作用下的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多物理耦合场的变压器绕组瞬态形变量计算方法，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤S1：根据变压器基本参数，计算出变压器的电气参数包括电阻和电感；/n步骤S2：利用Simulink模块搭建双电源供电的电力系统模型，进行变压器三相短路故障模拟；/n步骤S3：根据变压器实际尺寸，建立有限元仿真的几何模型；/n步骤S4：设置ANSYS Maxwell的计算类型,设置变压器的材料，绕组为铜，铁芯为硅钢片，设置绕组的激励为外部激励；/n步骤S5：利用ANSYS Maxwell计算出变压器绕组和铁芯所受的短路电动力的大小分布；/n步骤S6：利用ANSYS Workbench，传入ANSYS Maxwell的计算数据，进行耦合场的分析计算。/n步骤S7：在ANSYS Workbench中导入暂态结构分析模块，求解变压器绕组的形变量的变化情况。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于多物理耦合场的变压器绕组瞬态形变量计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：根据变压器基本参数，计算出变压器的电气参数包括电阻和电感；
步骤S2：利用Simulink模块搭建双电源供电的电力系统模型，进行变压器三相短路故障模拟；
步骤S3：根据变压器实际尺寸，建立有限元仿真的几何模型；
步骤S4：设置ANSYSMaxwell的计算类型,设置变压器的材料，绕组为铜，铁芯为硅钢片，设置绕组的激励为外部激励；
步骤S5：利用ANSYSMaxwell计算出变压器绕组和铁芯所受的短路电动力的大小分布；
步骤S6：利用ANSYSWorkbench，传入ANSYSMaxwell的计算数据，进行耦合场的分析计算。
步骤S7：在ANSYSWorkbench中导入暂态结构分析模块，求解变压器绕组的形变量的变化情况。


2.根据权利要求1所述的一种基于多物理耦合场的变压器绕组瞬态形变量计算方法，其特征在于：所述步骤S2的具体内容为：利用MATLAB中的Simulink模块搭建双电源供电的电力系统模型，所述双电源采用的是三相电源，幅值为110kV,频率为50Hz；短路故障类型选择Simulink中三相接地故障模块，接地电阻为0.01Ω；双电源供电系统线路模型选择设PI型等值电路，等值电路的电容和电阻参数，根据线路距离参数设置在simulink中进行相关设置；






每相导线的电抗x1，每相导线的电阻r1，线路总阻抗Z＝(r1+jx1)l，线路总导纳Y＝(g1+jb1)l，根据上式计算出PI型等效电路的阻抗和导纳，并在Simulink中进行相关设置。


3.根据权利要求1所述的一种基于多物理耦合场的变压器绕组瞬态形变量计算方法，其特征在于：所述步骤S3的具体内容为：根据变压器的实际尺寸利用Solidworks建立变压器三维几何模型，变压器的铁芯根据实际硅钢片叠加情况进行三维建模，绕组按照线饼的个数来分层搭建；SolidWorks建模完成，须保存.IGS格式，导入到ANSYSMaxwell中，进行有限元磁场的仿真。


4.根据权利要求1所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈伯根，吴霆，兰生，
申请(专利权)人：福州天宇电气股份有限公司，福州许继电气有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35