[發(fā)明專利]一種含有換位結構的變壓器有限元建模方法

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• 申請日: 2020-12-25
• 公開（公告）號: CN112632828A
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發(fā)明（設計）人: 文韜;趙毅;陳維江;張喬根;邊凱;靳銘凱;董冰冰;李佳訊;張廣金;傅中;吳正陽
• 申請（專利權）人: 西安交通大學;國家電網有限公司;合肥工業(yè)大學;國網安徽省電力有限公司電力科學研究院
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F17/11;G06T17/00;H01F27/28
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 覃婧嬋

1.一種含有換位結構的變壓器有限元建模方法，包括如下步驟：

S100：測量變壓器繞組在換位過程中導線的高度變化值、半徑變化值和旋轉角度，并根據所述導線的高度變化值、半徑變化值和旋轉角度，構建變壓器繞組的參數化方程；

S200：對變壓器繞組進行差異化建模獲得變壓器繞組三維模型：將繞組各線餅等效為圓柱殼體，獲得不含換位結構的繞組部分的三維模型；基于所述參數化方程構建含有換位結構的繞組部分的三維模型；

S300：構建變壓器求解域三維模型和鐵心三維模型；

S400：對變壓器繞組施加激勵電流，并對由變壓器求解域三維模型、鐵心三維模型以及變壓器繞組三維模型構成的變壓器三維模型進行網格劃分；

S500：利用有限元求解器對網格劃分后的變壓器三維模型進行峰值電流下的靜態(tài)磁場計算，獲得含有換位結構的變壓器的漏磁場分布規(guī)律以及各線餅的電磁力分布規(guī)律，以用于變壓器抗短路能力評估。

2.根據權利要求1所述的方法，其中，優(yōu)選的，步驟S100中，所述變壓器繞組的參數化方程表示為：

k₁＝h/Δθ₁

k₂＝(R₂-R₁)/Δθ₂

其中，ρ為導線半徑坐標值，z為導線軸向高度坐標值，R(θ)是導線的平均半徑和旋轉角度之間的函數；H(θ)是外部導體的高度和旋轉角度之間的函數；h是導線的高度與油道的高度之和，單位為(m)；k₁是導線高度的變化率；Δθ₁是導線高度變化階段對應的旋轉角度，單位為(rad)；R₁是導線半徑變化階段開始時對應的平均半徑，R₂是導線半徑變化階段結束時對應的平均半徑，單位為(m)；k₂是導線平均半徑的變化率；Δθ₂是導線半徑變化階段對應的旋轉角度；θ是整個換位過程對應的總旋轉角度，且θ＝Δθ₁+Δθ₂。

3.根據權利要求1所述的方法，其中，步驟S200中，構建含有換位結構的繞組部分的三維模型通過以下方式進行：基于所述參數化方程，繪制變壓器繞組空間位置的三維變化軌跡，在導線端部繪制導線截面，并對導線截面沿三維變化軌跡進行掃掠，則獲得含有換位結構的繞組部分的三維模型。

4.根據權利要求1所述的方法，其中，步驟S200中，構建含有換位結構的繞組部分的三維模型還可以通過以下方式進行：基于所述參數化方程，繪制導線輪廓，并通過放樣的方式構建含有換位結構的繞組部分的三維模型。

5.根據權利要求1所述的方法，其中，步驟S200中，所述不含換位結構的繞組部分的三維模型中，圓柱殼體的內外半徑等于繞組內外半徑，高度等于線餅高度。

6.根據權利要求1所述的方法，其中，步驟S300中，變壓器求解域三維模型通過如下方式構建：在COMSOL有限元分析軟件中輸入變壓器外殼的長、寬和高，則獲得與變壓器外殼相對應的求解域的三維模型。

7.根據權利要求1所述的方法，其中，步驟S300中，鐵心三維模型通過如下方式構建：在COMSOL有限元分析軟件中輸入鐵心的高度、鐵心窗高、鐵心柱間距、鐵心柱半徑，則獲得鐵心三維模型。

8.根據權利要求1所述的方法，其中，步驟S400中，所述激勵電流包括繞組額定相電流或外部短路故障對應的短路電流。

9.根據權利要求1所述的方法，其中，在完成變壓器繞組三維模型、求解域三維模型和鐵心三維模型的構建后，還需要設置鐵心、繞組和求解域的材料屬性，包括相對磁導率、相對介電常數和電導率。

10.根據權利要求9所述的方法，其中，所述繞組的相對磁導率和相對介電常數設置為1，電導率設置為2.998e7S/m；所述求解域的相對磁導率和相對介電常數設置為1，電導率設置為1S/m；所述鐵芯的相對介電常數設置為1，電導率設為1S/m，相對磁導率根據鐵芯所對應的型號進行設置。