[发明专利]一种基于多物理耦合场的变压器绕组瞬态形变量计算方法

说明书

本发明涉及一种电力变压器在电力系统发生接地故障的情况下，处于电力系统枢纽作用的电力变压器的绕组在巨大的短路电动力作用下，利用有限元软件ANSYS和Matlab计算变压器绕组瞬态形变量的方法。主要解决了多物理耦合场下，电力变压器绕组动稳定性分析计算问题，同时可以模拟在复杂电力系统中发生短路故障时，变压器绕组的形变量、应力响应等其他结构性问题。发明采用了Simulink在电力系统和控制方面的优势，可以模拟不同条件下短路电流的产生，并结合ANSYS Maxwell在磁场分析优点，把ANSYS Maxwell的短路电动力的计算结果耦合到ANSYS Workbench中，利用ANSYS Workbench在结构场分析的优势，分析变压器在短路电动力作用下的结构特性的变化情况，为提高变压器的抗短路能力，提供参考。

技术领域

本发明涉及电力变压器绕组的抗短路研究领域，特别是一种基于多物理耦合场的变压器绕组瞬态形变量计算方法。

背景技术

随着经济社会的不断发展，电力系统的容量不断加大，作为电力系统重要组成部分的电力变压器的容量也不断加大，对于大容量的电力变压器，往往处于电力系统的枢纽位置，一旦发生故障对整个系统的影响极大，所以加强对电力变压器在短路情况下的运行状况的研究，进而提高变压器的抗短路能力，就显得十分的重要。

电力系统的短路分为三种情况，三相短路接地故障、两相接地短路故障以及单相接地短路，其中三相接地故障短路电流最大。在三相短路电流的作用下，变压器绕组会产生漏磁场，短路电动力增大，变压器绕组垮塌、凹陷、凸起等不同的形变情况。由于变压器设备价格昂贵，结构复杂，不宜进行大电流的短路试验，因此对于研究变压器的抗短路特性，加强绕组强度变得十分困难。随着计算机技术的飞速发展，国内外大多数专家学者，开始着手运用有限元等手段研究变压器短路条件下的形变特性。目前研究绕组变形特性的研究主要集中分析绕组轴向和辐向变形特性，在短路条件下，绕组的轴向主要是根据质量弹簧模型研究轴向振动特性，例如频率响应和振动幅度，绕组的辐向主要是根据线饼多跨模型，研究绕组单个线饼辐向屈曲特性，例如单个线饼在撑条作用下，绕组在电动力作用下的屈曲形变情况。对于变压器的结构强度的研究主要集中在磁场计算短路电动的大小，在其他有限元中分析绕组在短路电动力作用下的结构强度变化。大多数单一磁场和结构场的分析计算，对短路电流计算也多数集中于理论推导，求解短路电流，然后在有限元中赋予激励，求解单一磁场和结构场，较少利用耦合分析计算瞬态绕组形变情况；单一的计算，无法准确计算相应的形变情况。其他一些研究也主要集中在变压器短路条件下短路故障的设置，仅仅局限于变压器的高压或者低压绕组的出口处，线路阻抗一般是忽略不计。出口处短路的处理方式，与实际情况存在出入，实际大多数故障出现在线路之中，短路电流的计算需要考虑线路阻抗和电力系统不同负荷的运行情况，运用Simulink可以模拟复杂电力系统中某一节点发生接地故障，准确计算出该故障下瞬态短路电流，并作为有限元的激励，用Simulink模电力系统故障，配合ANSYS有限元对磁场和结构的仿真，使仿真更加接近于真实情况。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于多物理耦合场的变压器绕组瞬态形变量计算方法，解决了多物理耦合场下，电力变压器绕组动稳定性分析计算问题，同时能够模拟在复杂电力系统中发生短路故障时，变压器绕组的形变量、应力响应等其他结构性问题。

本发明采用以下方案实现：一种基于多物理耦合场的变压器绕组瞬态形变量计算方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据变压器基本参数，计算出变压器的电气参数包括电阻和电感；

步骤S2：利用Simulink模块搭建双电源供电的电力系统模型，进行变压器三相短路故障模拟；

步骤S3：根据变压器实际尺寸，建立有限元仿真的几何模型；

步骤S4：设置ANSYS Maxwell的计算类型,设置变压器的材料，绕组为铜，铁芯为硅钢片，设置绕组的激励为外部激励；