[發(fā)明專利]一種短路故障下變壓器繞組的動態(tài)受力分析方法

有效

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• 申請日: 2017-01-17
• 公開（公告）號: CN106768559B
• 公開（公告）日: 2019-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王雪;吳濤
• 申請（專利權(quán)）人: 華北電力大學(xué)（保定）
• 主分類號: G01L5/00
• 分類號: G01L5/00;G01R31/06
• 代理公司: 北京輕創(chuàng)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11212
• 代理人: 談杰

本發(fā)明公開了一種短路故障下變壓器繞組的動態(tài)受力分析方法，在ANSYS Mechanical APDL軟件環(huán)境下，選擇磁?結(jié)構(gòu)耦合有限元單元，直接耦合磁場和結(jié)構(gòu)場；根據(jù)變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立變壓器二維軸對稱有限元模型；根據(jù)漏磁場分布和結(jié)構(gòu)形變特點，設(shè)置變壓器邊界條件；根據(jù)模擬變壓器短路故障或?qū)嶋H故障錄波數(shù)據(jù)，定義動態(tài)載荷；采用瞬態(tài)分析方法，計算變壓器短路過程中漏磁場和繞組受力動態(tài)變化情況。本方法實現(xiàn)了對變壓器短路暫態(tài)過程中內(nèi)部漏磁場和繞組受力的動態(tài)特性分析。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于變壓器短路特性分析技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種短路故障下變壓器繞組的動態(tài)受力分析方法。

背景技術(shù)

電力變壓器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，其運行狀況直接影響著電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。變壓器事故統(tǒng)計顯示，變壓器發(fā)生短路故障，由于其抗短路能力不足，是威脅變壓器安全運行的主要因素。變壓器繞組在巨大短路力沖擊下，可能造成軸向或輻向的失穩(wěn)，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致整個繞組垮塌。

由于電力變壓器造價昂貴，難以采用實驗方法研究變壓器抗短路能力。早期對于變壓器繞組抗短路能力的研究主要采用靜態(tài)力，把線圈作為一個靜止的整體，不能考慮因繞組變形而導(dǎo)致安匝分布不平衡對繞組受力的影響。伴隨科研工作者多年的不斷探索，以及電磁領(lǐng)域數(shù)值分析技術(shù)的迅速發(fā)展，有限元已成為分析變壓器漏磁場和繞組受力最有效的方法，并取得了大量的研究成果。但由于變壓器短路故障暫態(tài)過程復(fù)雜，目前仍然難以分析短路過程中繞組形變產(chǎn)生的動態(tài)影響。

實際上，變壓器突發(fā)短路故障，繞組承受巨大電磁力沖擊，線圈位移，從而改變了漏磁場分布，影響繞組受力分布，進而又反饋到結(jié)構(gòu)場，整個過程是一種動態(tài)且相互影響過程。由于動態(tài)和靜態(tài)存在很大不同，變壓器靜態(tài)校驗雖然滿足條件，但是突發(fā)短路故障仍時常遭受破壞。

因此，找到一種能夠準(zhǔn)確解析變壓器短路過程中內(nèi)部漏磁場和繞組受力的動態(tài)計算方法，對于設(shè)計新型變壓器，降低變壓器的損壞率，確保電網(wǎng)的安全運行，都具重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種短路故障下變壓器繞組的動態(tài)受力分析方法，解決了由于變壓器短路故障暫態(tài)過程復(fù)雜，難以分析短路過程中繞組結(jié)構(gòu)變形對電磁場和繞組受力產(chǎn)生的動態(tài)影響的問題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是按照以下步驟進行：

1)在ANSYS Mechanical APDL軟件環(huán)境下，選擇PLANE13二維磁-結(jié)構(gòu)耦合單元，設(shè)置具有UX、UY、AZ自由度，直接耦合磁場和結(jié)構(gòu)場，采用二維軸對稱建模方式；根據(jù)變壓器實際尺寸，建立二維軸對稱模型；

2)根據(jù)實測數(shù)據(jù)，分配各部分結(jié)構(gòu)的材料屬性；

3)根據(jù)模型不同部位精細(xì)化程度不同分區(qū)域剖分，并控制網(wǎng)格形狀，避免出現(xiàn)畸變；

4)設(shè)置磁通的邊界條件，對鐵心對稱軸施加磁通平行約束；

5)根據(jù)繞組受力形變特點，設(shè)置位移約束條件，分別固定壓板的上邊界和托板的下邊界；

6)根據(jù)模擬變壓器外部突發(fā)短路的故障電流，或者實際故障錄波數(shù)據(jù)，將短路電流折算成各線餅的等效電流密度，數(shù)值的正負(fù)代表電流方向；

7)以各線餅的等效電流密度作為激勵，以時間歷程定義各載荷步，分別對高、低壓繞組的相應(yīng)線餅加載；

8)采用瞬態(tài)分析方法，多載荷步緩慢加載并求解；

9)利用ANSYS后處理計算器和顯示器，輸出變壓器內(nèi)部漏磁場、短路力和應(yīng)力的計算結(jié)果。

進一步，步驟3中模型整體網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.02，繞組及周圍增大剖分網(wǎng)格數(shù)量設(shè)置為0.015，整體采用四邊形剖分。

進一步，步驟7中設(shè)置故障發(fā)生后持續(xù)0.2s，按照1ms為載荷步長，分別對高、低壓繞組的相應(yīng)線餅加載。