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(dòng)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(yùn)行狀況直接影響著電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。變壓器事故統(tǒng)計(jì)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(yùn)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(shí)甚至導(dǎo)致整個(gè)繞組垮塌。

由于電力變壓器造價(jià)昂貴，難以采用實(shí)驗(yàn)方法研究變壓器抗短路能力。早期對(duì)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(gè)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(duì)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(chǎng)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(guò)程復(fù)雜，目前仍然難以分析短路過(guò)程中繞組形變產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)影響。

實(shí)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(chǎng)分布，影響繞組受力分布，進(jìn)而又反饋到結(jié)構(gòu)場(chǎng)，整個(gè)過(guò)程是一種動(dòng)態(tài)且相互影響過(guò)程。由于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)存在很大不同，變壓器靜態(tài)校驗(yàn)雖然滿足條件，但是突發(fā)短路故障仍時(shí)常遭受破壞。

因此，找到一種能夠準(zhǔn)確解析變壓器短路過(guò)程中內(nèi)部漏磁場(chǎng)和繞組受力的動(dòng)態(tài)計(jì)算方法，對(duì)于設(shè)計(jì)新型變壓器，降低變壓器的損壞率，確保電網(wǎng)的安全運(yùn)行，都具重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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(dòng)態(tài)受力分析方法，解決了由于變壓器短路故障暫態(tài)過(guò)程復(fù)雜，難以分析短路過(guò)程中繞組結(jié)構(gòu)變形對(duì)電磁場(chǎng)和繞組受力產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)影響的問(wèn)題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是按照以下步驟進(jìn)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(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)，采用二維軸對(duì)稱建模方式；根據(jù)變壓器實(shí)際尺寸，建立二維軸對(duì)稱模型；

2)根據(jù)實(shí)測(cè)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(duì)鐵心對(duì)稱軸施加磁通平行約束；

5)根據(jù)繞組受力形變特點(diǎn)，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(shí)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(lì)，以時(shí)間歷程定義各載荷步，分別對(duì)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(jì)算器和顯示器，輸出變壓器內(nèi)部漏磁場(chǎng)、短路力和應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果。

進(jìn)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(jìn)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(zhǎng)，分別對(duì)高、低壓繞組的相應(yīng)線餅加載。

進(jìn)一步，步驟8中，以0.1ms劃分載荷子步，選擇每隔5個(gè)子步保存一次計(jì)算結(jié)果。

本發(fā)明的有益效果是能夠快速準(zhǔn)確地對(duì)變壓器短路故障過(guò)程中繞組在電磁場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)相互影響下的動(dòng)態(tài)受力特性進(jìn)行分析。

附圖說(shuō)明

圖1為一種變壓器模型結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明技術(shù)方案包括以下步驟：

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(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)，采用二維軸對(duì)稱建模方式；根據(jù)變壓器實(shí)際尺寸，建立二維軸對(duì)稱模型，包括鐵心、高/低壓繞組(線餅及墊塊)、端圈、壓板等，忽略角環(huán)、支架等固件的影響。如圖1所示為一種變壓器的結(jié)構(gòu)。

2.根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分配各部分結(jié)構(gòu)的材料屬性——電磁特性和結(jié)構(gòu)特性，包括相對(duì)磁導(dǎo)率、密度、彈性模量、泊松比等。變壓器部分結(jié)構(gòu)的材料屬性參數(shù)，如表1所示。

表1變壓器材料屬性表

3.模型單元剖分將直接影響到計(jì)算精度，根據(jù)模型不同部位精細(xì)化程度不同分區(qū)域剖分。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，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(duì)鐵心對(duì)稱軸施加磁通平行約束；

5.根據(jù)繞組受力形變特點(diǎn)，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(shí)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，高、低壓繞組電流方向相反，數(shù)值的正負(fù)代表電流方向，不妨定義流入為正，流出為負(fù)；

7.以各線餅的等效電流密度作為激勵(lì)，以時(shí)間歷程定義各載荷步，設(shè)置故障發(fā)生后持續(xù)0.2s，按照1ms為載荷步長(zhǎng)，分別對(duì)高、低壓繞組的相應(yīng)線餅加載；

8.采用瞬態(tài)分析方法，打開(kāi)大形變效應(yīng)，以0.1ms劃分載荷子步，選擇每隔5個(gè)子步保存一次計(jì)算結(jié)果；

9.使用ANSYS后處理器，輸出任意時(shí)刻的變壓器內(nèi)部的漏磁場(chǎng)、短路力、應(yīng)力分布圖，以及節(jié)點(diǎn)的漏磁場(chǎng)和短路力隨時(shí)間變化曲線。

以上所述僅是對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施方式而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施方式所做的任何簡(jiǎn)單修改，等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。