一种基于COMSOL的变压器套管电-热-机耦合仿真分析方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于COMSOL的变压器套管电

【技术实现步骤摘要】
一种基于COMSOL的变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真分析方法及系统


[0001]本专利技术属于高电压与绝缘
，涉及一种基于COMSOL的变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真分析方法及系统。

技术介绍

[0002]变压器套管是变压器箱外的主要绝缘装置，需要作为引线对地绝缘，同时担负着固定引线的作用，因此变压器套管需要良好的电气强度以及足够的机械强度；同时由于在变压器运行过程中长期通过较大的负载电流，变压器需要具备良好的热稳定性，且能够在短路电流通过时承受瞬间过热。变压器套管在电力系统中起到极为重要的作用，必须保证在额定工况下各项参数保持正常。
[0003]变压器套管在工作时，由于电、热、机械等多个物理场的影响处于较为复杂的状态。电流的存在导致焦耳热的产生，同时电场、温升也将产生机电力、热应力等对变压器套管的机械结构造成一定的影响。
[0004]对于工作状态复杂的变压器套管，现有的研究中大多针对单一物理场进行仿真分析；显然这种针对单一物理场的仿真并不能体现变压器套管完整的工况信息，因此亟需一种包含全流程的变压器套管的多物理场仿真分析方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种基于COMSOL的变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真分析方法及系统，旨在解决现有技术中对于工作状态复杂的变压器套管，大多针对单一物理场进行仿真分析，并不能体现变压器套管完整的工况信息的缺陷性技术问题。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]本专利技术提出的一种基于COMSOL的变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]根据变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真分析所需参数，建立变压器套管三维模型，并将变压器套管三维模型导入COMSOL中；
[0009]根据变压器套管材料，分别确定进行变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真所需的材料属性；
[0010]添加变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真分析所需的物理场，并根据实际条件及变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真分析所需参数，分别设置各个物理场的边界条件并进行耦合；
[0011]设置网格精度剖分三维模型网格，并设置求解器参数加速仿真收敛，实现变压器套管电
‑
热
‑
机耦合有限元仿真计算。
[0012]优选地，变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真分析所需参数包括变压器套管的几何结构参数和外部变量；
[0013]几何结构参数包括变压器套管电容屏高度及厚度、伞的大小及数目；外部变量包括额定电压、电流和油箱温度；
[0014]建立变压器套管三维模型包括导杆、电容屏、上下瓷套、法兰及均压球部分；
[0015]变压器套管三维模型在保证仿真准确度的前提下为提高仿真效率，进行了模型简化：
[0016]1)、去除变压器套管部分复杂的特征；
[0017]2)、将变压器套管部分圆角结构简化为直角结构；
[0018]3)、去除变压器套管中螺栓和螺母。
[0019]优选地，进行变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真所需的材料包括导杆处敷设的铜、电容屏处敷设的油纸和铝箔、套管内部及油箱处敷设的变压器油、上下瓷套处敷设的陶瓷、法兰及均压球处敷设的钢；
[0020]进行变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真所需的材料属性包括电场分析中所需要的相对介电常数和电导率，固体传热场分析中所需要的导热系数和恒压热容，固体力学分析中所需要的杨氏模量和泊松比；
[0021]在变压器套管运行过程中，变压器套管运行时产生的温升影响，采用线性电阻率模型模拟材料电阻率随温度的变化，材料的电导率σ的计算如公式(1)所示：
[0022][0023]其中，ρ0为参考电阻率，T
ref
为参考温度，T为温度，α为电阻温度系数。
[0024]优选地，添加变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真分析所需的物理场包括静电场、电流场和固体传热场和固体力学场。
[0025]优选地，对于变压器套管，添加的静电场所满足的方程组如公式(2)所示：
[0026][0027]其中，D为电通量密度，E为电场强度，为电势；根据静电场所满足的方程组，变压器套管在静电场仿真中需要设置的边界为电势、接地和电荷守恒。
[0028]优选地，对于变压器套管，添加的电流场需要满足的方程组如公式(3)所示：
[0029][0030]其中，J为电流密度矢量，σ为材料的电导率，E为电场强度；根据电流场所满足的方程组，变压器套管在电流场仿真中，对变压器套管设置的边界为电流、接地和接触阻抗。
[0031]优选地，对于变压器套管，添加的固体传热场满足的方程如公式(4)所示：
[0032][0033]其中，ρ、C
p
、k分别为材料的密度、恒压热容、导热系数，T为温度，u为流体流速，Q为热源分布；根据固体传热场所满足的方程组，变压器套管在固体传热场仿真中需要设置的边界为温度和热通量；
[0034]当进行电流场与固体传热场的耦合时，将电流场中产生的电磁热作为一部分热源进行计算，焦耳热Q
e
的计算如公式(5)所示：
[0035]Q
e
＝J
·
E
ꢀꢀꢀ
(5)。
[0036]优选地，对于变压器套管，添加的固体力学场满足的方程如公式(6)所示：
[0037][0038]其中，S为应力张量，F
v
为单位体积力；变压器套管在固体力学场的仿真过程中，需要为变压器套管添加固定约束的边界条件。
[0039]优选地，当考虑静电场对变压器套管的结构产生的影响时，分析电磁应力的作用，在多物理场模块中添加机电力并选中静电场及固体力学场，电磁应力σ
EM
的计算如公式(7)所示：
[0040][0041]其中，δ为Kronecker函数；
[0042]当考虑固体传热场造成的影响时，分析温度上升导致的热膨胀，在多物理场模块中添加热膨胀并选中固体传热及固体力学，热应力∈
th
的计算如公式(8)所示：
[0043]∈
th
＝α(t)(T
‑
T0)
ꢀꢀꢀ
(8)
[0044]其中，α(t)为材料的热膨胀系数，T0为初始温度。
[0045]本专利技术提出的一种基于CO本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于COMSOL的变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：根据变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真分析所需参数，建立变压器套管三维模型，并将变压器套管三维模型导入COMSOL中；根据变压器套管材料，分别确定进行变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真所需的材料属性；添加变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真分析所需的物理场，并根据实际条件及变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真分析所需参数，分别设置各个物理场的边界条件并进行耦合；设置网格精度剖分三维模型网格，并设置求解器参数加速仿真收敛，实现变压器套管电
‑
热
‑
机耦合有限元仿真计算。2.根据权利要求1所述的基于COMSOL的变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真分析方法，其特征在于，变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真分析所需参数包括变压器套管的几何结构参数和外部变量；几何结构参数包括变压器套管电容屏高度及厚度、伞的大小及数目；外部变量包括额定电压、电流和油箱温度；建立变压器套管三维模型包括导杆、电容屏、上下瓷套、法兰及均压球部分；变压器套管三维模型在保证仿真准确度的前提下为提高仿真效率，进行了模型简化：1)、去除变压器套管部分复杂的特征；2)、将变压器套管部分圆角结构简化为直角结构；3)、去除变压器套管中螺栓和螺母。3.根据权利要求2所述的基于COMSOL的变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真分析方法，其特征在于，进行变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真所需的材料包括导杆处敷设的铜、电容屏处敷设的油纸和铝箔、套管内部及油箱处敷设的变压器油、上下瓷套处敷设的陶瓷、法兰及均压球处敷设的钢；进行变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真所需的材料属性包括电场分析中所需要的相对介电常数和电导率，固体传热场分析中所需要的导热系数和恒压热容，固体力学分析中所需要的杨氏模量和泊松比；在变压器套管运行过程中，变压器套管运行时产生的温升影响，采用线性电阻率模型模拟材料电阻率随温度的变化，材料的电导率σ的计算如公式(1)所示：其中，ρ0为参考电阻率，T
ref
为参考温度，T为温度，α为电阻温度系数。4.根据权利要求3所述的基于COMSOL的变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真分析方法，其特征在于，添加变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真分析所需的物理场包括静电场、电流场和固体传热场和固体力学场。5.根据权利要求4所述的基于COMSOL的变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真分析方法，其特征在于，对于变压器套管，添加的静电场所满足的方程组如公式(2)所示：
其中，D为电通量密度，E为电场强度，为电势；根据静电场所满足的方程组，变压器套管在静电场仿真中需要设置的边界为电势、接地和电荷守恒。6.根据权利要求5所述的基于COMSOL的变压器套管电
‑
热
‑
机耦合仿真分析方法，其特征在于，对于变压器套管，添加的电流场需要满足的方程组如公式...

【专利技术属性】
技术研发人员：张璐，蒲路，孙蕾，董天宇，王文森，李鹏程，李良书，穆海宝，吴经锋，王辰曦，薛倩楠，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：