[發明專利]一種變壓器繞組短路強度判定的四維分析法

在審

• 申請號: 201611205978.7
• 申請日: 2016-12-23
• 公開（公告）號: CN107290622A
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: 李巖;井永騰
• 申請（專利權）人: 沈陽工業大學
• 主分類號: G01R31/06
• 分類號: G01R31/06
• 代理公司: 吉林省長春市新時代專利商標代理有限公司22204
• 代理人: 石岱,曹靜安

技術領域

本發明涉及一種適用于變壓器繞組短路強度判定的四維分析法，屬于變壓器技術領域。

背景技術

近年來，隨著電力系統的電壓等級的提高和變壓器單臺容量的增大，短路引起的電磁力也增大，變壓器短路事故下對繞組短路機械強度的研究成為變壓器設計的重要任務之一。變壓器在短路時，由于繞組在變壓器油箱內部，其受力情況難以監測，并且運動形式也無法觀測，短路時變壓器的繞組受力運動情況對于研究者來說是個黑匣子，這也是近年來變壓器抗短路能力研究的一個瓶頸。變壓器在長期運行時，由于溫升引起的材料老化，以及遭受多次短路沖擊產生的累積形變，都會影響變壓器繞組的短路強度。

由于大型電力變壓器繞組短路強度計算的難度和復雜性，近年來的研究大都是基于靜態理論和單次受力，考慮運行時間對變壓器繞組短路強度的影響，目前還未見相關的研究報道。因此，本文提出了繞組短路強度四維分析法，研究變壓器多次短路過程的電流-磁場-溫升動態特性，給出多次短路沖擊下并考慮溫升對材料特性影響的變壓器繞組穩定性判定方法，解決了針對長期運行、承受多次短路沖擊的變壓器繞組短路強度如何進行評估的問題。

發明內容

本發明的目的是要克服現有技術的不足，提出了短路強度判定的四維分析法，并將該方法應用于變壓器繞組短路強度的計算與分析中，此方法解決了在變壓器繞組短路強度分析中無法考慮運行時間影響這一問題，該方法將空間三維變量結合運行時間變量而形成四維分析變量，更加準確地考核了變壓器繞組的抗短路能力。

本發明的目的是這樣實現的：一種變壓器繞組短路強度判定的四維分析法，包含的步驟如下：

步驟1、基于J-A磁滯數學模型建立變壓器三維場路耦合電磁場數學模型，該模型在考慮空間因素的前提下，直接引入短路過程的電壓約束條件，將電磁場和短路電流同時求解，為后續步驟的分析計算提供初始載荷；

步驟2、對變壓器繞組軸向振動和輻向穩定性進行分析；該步驟主要從繞組振動理論出發，計算繞組的軸向振動過程，得到繞組振動過程的內在聯系以及規律，而且，總結出繞組載荷與位移的頻率對比關系、壓縮應力的作用以及彈性模量與振動位移的關系，該步驟為后續四維分析提供繞組失穩的判斷依據；

步驟3、引入第四維參數-運行時間，對變壓器在長期運行條件下，多次短路工況的動態受力以及溫升對變壓器繞組強度的影響進行分析，該步驟引入運行時間變量，使變壓器繞組的穩定性分析更接近于實際。

本發明的優點與積極效果如下：

1、提出了短路強度四維分析法，計算步驟如附圖1所示，并將該方法應用于變壓器繞組短路強度的計算與分析，該方法解決了在變壓器繞組短路強度分析中無法考慮運行時間影響這一問題，該方法將空間三維變量結合運行時間變量而形成四維分析變量，更加準確地考核了變壓器繞組的抗短路能力；

2、解決了變壓器運行時間影響繞組短路強度這一難題。

附圖說明

圖1是變壓器繞組短路強度四維分析法的流程圖。

具體實施方式

由附圖1所示：一種適用于變壓器繞組短路強度判定的四維分析法，包含的步驟如下：

第一步，基于J-A磁滯數學模型建立變壓器三維場路耦合電磁場數學模型，該模型在考慮空間因素的前提下，直接引入短路過程的電壓約束條件，將電磁場和短路電流同時求解；

建立變壓器三維場路耦合電磁場數學模型時，首先引入矢量磁位A(x、y、z、t)，由Maxwell方程可得三維電磁場方程為：

其中J為線圈中的電流密度，且有關系n_c為線圈匝數，S_c為線圈的總截面積，I為支路電流，因而式(1)還可寫為：

利用加權余量法建立上述方程的空間離散方程。取權函數等于形狀函數[N]^T，對上式進行加權積分可有：

將上式進行離散，則得到電磁場空間離散方程為：

在式(4)中，右端項代表繞組中的電流，在短路過程中隨時間變化的未知量，而電壓為已知量，因此將電磁場方程和外電路方程耦合起來，將電流表示成已知電壓和矢量磁位A的函數，以繞組電流和矢量磁位A為求解變量，通過耦合方程的求解，進而得到整個短路過程的解，為后續步驟的計算分析提供初始載荷；

第二步，對變壓器繞組軸向振動和輻向穩定性進行分析。