一种变压器绕组短路振动特性的计算方法

摘要

本发明公开了一种变压器绕组短路振动特性的计算方法，首先建立等效模型：用ANSYS建立变压器二维有限元模型，由于二维模型结构表示的不完整性，参数要做一定等效处理。根据材料特性的等效性原理，计算并赋予变压器各部分结构的等效参数。进行振动特性分析：采用ANSYS磁‑结构直接耦合技术，使用变压器二维等效模型，设置系统重力加速度和阻尼参数，并对模型施加边界条件；分别以各线饼的等效电流密度为激励，采用瞬态分析方法，多载荷步加载并求解；利用ANSYS后处理器，输出绕组振动过程中的位移、速度和加速度。本方法实现了对变压器绕组振动问题的降围，以及短路振动特性的准确动态求解。

说明书

技术领域

本发明属于电力变压器短路特性计算技术领域，涉及一种变压器绕组短路振动特性的计算方法。

背景技术

电力变压器是电力系统中的重要设备之一，其运行状况直接影响着电网的稳定运行。近年来变压器事故统计显示，其抗短路能力不足，是威胁变压器安全运行的主要因素。其中，变压器突发短路故障时，绕组在短路力作用下，而产生剧烈振动，出现结构松动或变形，是造成电力变压器损坏和事故的重要原因。

绕组轴向振动特性的研究始于70年代初期，而后一直为各国学者所关注。但是由于变压器绕组结构复杂，以及当时研究工具的限制，对于绕组轴向振动特性的解析大多都作了很大程度的简化。

目前，对于变压器短路故障的轴向振动模型，大多分为以下两种：一种是采用经典的“质量-弹簧-阻尼”系统模型，该方法能够快速计算振动特性；另一种则是采用有限元模型。对于现有数值解法，有限元法已成为分析这类问题最有效的方法。其中，较多人采用变压器有限元模型，加载绕组短路力求解动态响应；也有少数人开始使用三维磁-结构耦合分析方法。

由于变压器短路引起的绕组振动是一个复杂的机电过程，对于经典的弹簧系统模型和实际仍存在一定差距；采用有限元模型加载短路力计算方法，仍忽略了电磁场和结构场间的动态相互影响；而三维磁-结构耦合分析方法，虽然较准确地解析了绕组短路振动过程，但由于计算占用资源巨大，工程应用过于复杂。

因此，寻找一种准确快速地计算变压器绕组短路振动特性的方法，为变压器设计和快速故障分析，提供了技术支持。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变压器绕组短路振动特性的计算方法，解决了目前变压器绕组短路振动特性计算方法过于复杂，计算结果不准确的问题。

本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：

步骤1：根据变压器尺寸和部件，在ANSYS中建立变压器二维有限元模型；

步骤2：由于二维模型的等效性，分别计算变压器各部分结构的等效属性；

(1)计算绕组线饼、垫块层和端圈等结构的等效密度，分别均匀等效处理；

(2)计算不同位置绝缘纸板在轴向预紧力作用下的弹性模量；

(3)计算各绝缘层的等效弹性模量；

步骤3：在ANSYS中定义并分配各结构的材料属性：电磁特性和结构特性；等效结构要赋予步骤2中计算的等效参数：等效密度、等效弹性模量；

步骤4：根据模型不同部位精细化程度的不同，分区域合理划分网格结构，并控制网格形状，避免出现畸变；

步骤5：定义轴向坐标系下的重力加速度g＝9.8m/s²；考虑系统阻尼的影响，根据具体变压器阻尼大小，定义系统瑞利阻尼常数α和β；

步骤6：设置模型边界条件，轴对称边界施加磁通平行条件，固定件施加位移约束条件，分别对压板上边界和托板下边界施加轴向位移约束；

步骤7：分别以各线饼的等效电流密度作为激励，以时间历程定义载荷步；设置故障持续0.2s的一段动态载荷，按照1ms为步长，分别对高、低压绕组各线饼加载；

步骤8：采用瞬态分析方法，打开大形变效应和瞬态效应，划分载荷子步，设置写入结果文件的频率；

步骤9：利用ANSYS后处理器，输出故障过程中绕组振动的位移、速度和加速度随时间变化曲线。

进一步，步骤1中ANSYS中建立变压器二维有限元模型是指在ANSYS MechanicalAPDL软件环境下，选择PLANE13磁-结构耦合有限元单元，设置单元具有UX、UY、AZ自由度，直接耦合磁场和结构场，选取二维轴对称建模方式，根据变压器实际尺寸，建立二维轴对称模型。

进一步，步骤2中由于垫块、端圈、压板和压木等结构均采用绝缘纸板制成，在一定范围内，其应力-应变关系可表示为：

σ＝aε+bε³(1)

式中：σ为应力；ε为应变；a为线性常数；b为硬化系数。

通过实验可测得：a＝105MPa；b＝1750MPa。

在轴向预紧力作用下，其弹性模量可表示为：

压板和托板的弹性模量采用此参数直接定义。

考虑各相同性的两种材料，在载荷作用下产生相同应变，建立了Voigt

模型：

E_φ＝φ₁E₁+φ₂E₂(3)

垫块层和端部压木层采用Voigt模型等效。

考虑两相承受相同的应力，建立了Reuss模型：

端圈为多层层压式结构，具有两种结构属性，将其按结构特点纵向划分为几部分，采用Voigt模型和Reuss模型组合计算。

式中：E_φ为材料的等效弹性模量；E₁为绝缘纸板的弹性模量；E₂为空隙的弹性模量；φ₁和φ₂分别为绝缘纸板和空隙的体积分数，且φ₁+φ₂＝1。

进一步，步骤4中模型整体网格尺寸设置为0.02，绕组及周围增大剖分网格数量，尺寸设置为0.015，整体采用四边形剖分。

进一步，步骤8中以0.1ms划分载荷子步，每隔5个子步保存一次计算结果。

进一步，利用ANSYS后处理器，输出故障过程中绕组振动的位移、速度和加速度随时间变化曲线。

本发明的有益效果是采用ANSYS二维有限元等效模型，实现了变压器绕组振动问题的降围；采用ANSYS磁-结构直接耦合分析技术，实现了短路振动特性的准确动态求解。

附图说明

图1为一种变压器模型结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的计算方法，包括以下步骤：

1.根据变压器尺寸，建立变压器二维模型；

在ANSYS Mechanical APDL软件环境下，选择PLANE13磁-结构耦合有限元单元，设置单元具有UX、UY、AZ自由度，直接耦合磁场和结构场，选取二维轴对称建模方式。根据变压器结构尺寸，建立二维轴对称模型，包括铁心、高/低压绕组(线饼、垫块层)、端圈、压板等。如图1所示为一种变压器模型结构图。

2.由于二维模型的等效性，分别计算变压器各部分结构的等效属性。

1)计算变压器各部分结构的等效密度，包括线饼、垫块层和端圈等结构，对其分别均匀等效处理。

2)由于垫块、端圈、压板和压木等结构均采用绝缘纸板制成，属于非线性材料，计算不同位置绝缘纸板在轴向预紧力作用下的弹性模量。绝缘纸板在一定范围内，其应力-应变关系可表示为：

σ＝aε+bε³(1)

式中：σ为应力；ε为应变；a为线性常数；b为硬化系数。

通过实验可测得：a＝105MPa；b＝1750MPa。

在轴向预紧力作用下，其弹性模量可表示为：

压板和托板的弹性模量采用此参数直接定义。

3)计算二维等效模型其余绝缘层的等效弹性模量。

根据垫块层和端部绝缘的结构特点，可将其分别视作一种复合材料，即绝缘纸板和空隙两种材料的复合，对其采用Voigt模型和Reuss模型等效计算。

考虑各相同性的两种材料，在载荷作用下产生相同应变，建立了Voigt模型，可表示为：

E_φ＝φ₁E₁+φ₂E₂(3)

垫块层和端部压木层采用Voigt模型等效。

考虑两相承受相同的应力，建立了Reuss模型，可表示为：

端圈为多层层压式结构，具有两种结构属性，将其按结构特点纵向划分为几部分，采用Voigt模型和Reuss模型组合计算；类垫块层采用Voigt模型等效，而各层之间采用Reuss模型等效。

式中：E_φ为材料的等效弹性模量；E₁为两相材料中相1即绝缘纸板的弹性模量；E₂为两相材料中相2即空隙的弹性模量；φ₁和φ₂分别为复合材料中相1和相2的体积分数，且φ₁+φ₂＝1。

3.在ANSYS中定义并分配各结构的材料属性：电磁特性和结构特性，包括如相对磁导率、密度、弹性模量、泊松比；等效结构部分要赋予之前计算的等效参数：等效密度、各绝缘层的等效弹性模量。

4.根据模型不同部位精细化程度的不同，分区域合理划分网格结构。模型整体网格尺寸设置为0.02，绕组及周围增大剖分网格数量，尺寸设置为0.015，整体采用四边形剖分，并控制网格形状，避免出现畸变。

5.考虑重力的影响，定义轴向坐标系下的重力加速度g＝9.8m/s²；考虑系统阻尼的影响，根据具体变压器阻尼大小，定义系统瑞利阻尼常数α和β。

6.设置模型边界条件。轴对称边界施加磁通平行条件；固定件施加位移约束条件，分别对压板上边界和托板下边界施加轴向位移约束。

7.分别以各线饼的等效电流密度作为激励，以时间历程定义载荷步。设置故障持续0.2s的一段动态载荷，按照1ms为步长，分别对高、低压绕组各线饼加载。

8.采用瞬态分析方法，打开大形变效应和瞬态效应，以0.1ms划分载荷子步，每隔5个子步保存一次计算结果。

9.利用ANSYS后处理器，输出故障过程中绕组振动的位移、速度和加速度随时间变化曲线。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。