一种变压器绕组短路冲击位移与振动加速度的计算方法.pdf

一种变压器绕组短路冲击下位移与加速度的计算方法，包括以下内容：根据变压器尺寸在ANSYS workbench中利用maxwell 2D分析模块建立铁心绕组的1/2对称模型，并根据激励信息对各绕组线饼上的电动力进行求解；在ANSYS workbench中创建瞬态结构分析模块，建立变压器绕组的三维模型，模型中包括绕组线饼、饼间垫块以及端部压板；根据电动力计算结果对绕组线饼的受力进行设置，并设置相应的约束条件和求解条件；利用场计算器获得各线饼在短路冲击中的位移、加速度的云图。

权利要求书
1.  一种变压器绕组短路冲击位移与振动加速度的计算方法，其特征是包括以下步骤：
1)根据变压器绕组和铁芯的实际尺寸建立只包含单相铁芯柱和绕组的二维的有限元模型和含线饼、垫块、压板的变压器绕组模型；
2)设置线圈截面、电流方向以及匝数，高低压绕组的电流方向相反；
3)根据电力变压器外部发生短路故障时的短路电流或者短路录波信息对设置的绕组进行激励；
4)计算变压器发生外部突发短路时绕组的受力大小和分布；
5)在ANYSYworkbench中创建动态结构分析模块Transientstructure并将三维绕组模型导入到模块中；
6)根据线饼的材料属性对模型中的各个部件进行设置；
7)对突发短路故障下的绕组的动态位移和加速度进行求解，并输出各时刻的位移和加速度的云图。

说明书一种变压器绕组短路冲击位移与振动加速度的计算方法
技术领域
本发明属于电力变压器仿真的技术领域，涉及一种变压器突发外部短路故障下绕组的位移与加速度的计算方法。
背景技术
电力变压器时电力系统中十分重要和昂贵的设备之一。它的运行状况不仅影响其本身的安全，而且影响着整个电力系统运行的稳定性和可靠性。长期以来，电力变压器的安全、可靠运行一直受到电力运行和管理部门的普遍重视，这也是系统安全、稳定和经济运行的重要指标。随着国民经济的快速发展，人们对电的需求越来越大，电力变压器所发挥的作用也日益重要，并且朝着电压等级和容量更大的方向发展。
变压器的绕组在其发生短路故障时将受到巨大的短路力作用,绕组在此力作用下会很容易发生变形、垮塌等损坏。由于大型变压器的成本过高,因此绝大部分都不进行短路试验。人们最早开始研究绕组短路强度是从静态考虑的,许多国家的学者对此作了大量的研究,其中日本学者构造出了一种新的强度理论模型,这种模型是以塑性理论为依据的,并在进行了多次试验的基础上,给出了公式的经验系数。绕组的静态研究是把线圈考虑成静止的、整体的,没有考虑到绕组受力发生运动后会影响绕组电动力的分布。变压器在实际运行中发生短路故障时,绕组在短路力的作用下将会发生形变和位移,这将会改变变压器中磁场的分布情况,进而导致短路电动力的变化,因此只有将短路过程考虑为动态过程,才能与实际情况相吻合。因此,人们开始将短路的动态研究当做重点来进行。动态问题包括轴向动态短路强度问题和幅向动态短路强度问题,且一般认为它们之间是相互独立的。在轴向动态短路强度分析时,通常用一个具有分布质量的弹賛来替代绕组,并求解轴向电动力作用到此模型系统上的结果。在幅向动态短路强度分析时,通常将其看成两端支撑的梁,然后对其稳定性进行分析。因此，通过有限元方法对变压器突发外部故障时绕组的动态响应，如位移、加速度进行分析，进而研究变压器绕组的短路强度问题是十分必要且有意义的。
发明内容
本发明的主要目的在于：针对传统的对于电力变压器绕组动稳定性研究的解析法、试验法以及二维数值解法的缺点和不足，采用三维有限元分析技术对短路冲击电流下的绕组的动态位移和加速度进行更为精确的计算，能够为变压器的短路动态稳定性研究和抗短路水平研究提供参考。该方法主要包括以下步骤：
1.根据变压器绕组和铁芯的实际尺寸建立只包含单相铁芯柱和绕组的二维的有限元模型和 含线饼、垫块、压板的变压器绕组模型；
2.设置线圈截面、电流方向以及匝数，高低压绕组的电流方向相反；
3.根据电力变压器外部发生短路故障时的短路电流或者短路录波信息对设置的绕组进行激励；
4.计算变压器发生外部突发短路时绕组的受力大小和分布；
5.在ANYSYworkbench中创建动态结构分析模块(Transientstructure)并将三维绕组模型导入到模块中；
6.根据线饼的材料属性对模型中的各个部件进行设置；
7.对突发短路故障下的绕组的动态位移和加速度进行求解，并输出各时刻的位移和加速度的云图。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图1为本发明提供的变压器仿真模型剖视图；
附图2为本发明提供的变压器仿真模型俯视图；
附图3为本发明提供的变压器铁芯磁化曲线图；
附图4为本发明提供的变压器突发短路冲击时的绕组的位移及加速度的计算流程图。
其中，1为变压器高压绕组，2为变压器低压绕组，3为变压器铁芯，4为变压器油箱，5为高压绕组单饼绕组，6为低压绕组单饼绕组，7为变压器油，8为低压绕组的单匝线圈，9为高压绕组的单匝线圈。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1、图2及图4，本发明提供一种变压器绕组短路冲击下的位移和加速度的计算方法，包括以下步骤：
在ANSYSWorkbench中创建Maxwell2D分析模块，采用二维磁场瞬态磁场分析技术，根据变压器铁心和绕组的尺寸建立1/2对称模型，包括有匝数为N1的高压侧绕组1，匝数为 N2的低压侧绕组2，铁芯3；
所述的高压侧绕组1由相同尺寸的饼式结构5组成，各线饼之间没有物理接触；
所述的高压侧绕组1由相同尺寸的饼式结构6组成，各线饼之间没有物理接触；
设置高压绕组的1的单匝线圈9为一个coilterminal，并设置电流流向为顺时针方向；
设置低压绕组的2的单匝线圈8为一个coilterminal，并设置电流流向为逆时针方向；
对有限元模型中的铁芯、绕组材料的电导率、磁导率进行设置，其中铁芯的B-H曲线如附图3所示；
按照故障电流信息和录波信息对高压绕组的各个coilterminal进行激励，并根据变压器的高低压绕组的变比对低压绕组中的各个coilterminal进行激励；
利用ANSYSMaxwell中的输出功能以0.5ms为步长输出各线饼所受的电动力曲线；
在ANSYSWorkbench中创建动态结构(Transientstructure)模块并跟别建立变压器高低压绕组的模型，模型中包含的部件主要包括线饼、垫块以及让绕组端部的压板；
在材料库中，根据绕组线饼和垫块的材料属性对相关的材料进行设置，设置的属性主要包括材料密度、材料杨氏模量以及泊松比；
将电动力的计算结果添加到绕组中的每一层线饼上，添加的步长需要和电动力的计算结果保持一致，同时并根据对称性设置电动力的方向，使得绕组轴向电动力指向绕组的对称面；
对绕组端部的压板采用固定约束(fixedsupport)，对其余部件均只保留轴向的自由度；
在analysissetting中根据以0.5ms为步长，并以0.25ms为子步长进行求解时间设置；
在阻尼系数(dampingcontrols)中设置阻尼系数为0.3；
在计算结果中，利用ANSYS软件的场计算器获得各时刻绕组不同线饼的位移以及加速度随时间的变化曲线，实现对绕组动态特性的评估。