CN106650055A - 一种用于极寒条件下变压器短路动稳定性评估方法 - Google Patents

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王曙鸿
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Abstract

一种极寒条件下变压器短路动稳定性评估方法，对220kV～750kV电力变压器建立场路耦合模型；在短路冲击作用下，分析场路耦合模型中变压器瞬态漏磁场分布，然后结合极寒条件下变压器绕组及垫块机械特性随温度的变化规律以及垫块受力后的累积效应，计算绕组轴向位移以及应力分布，从而得到绕组最大应力、最大轴向位移随温度的变化曲线，通过与国标GB1094.5‑2008、铜导线的屈服强度值随温度的变化关系进行对比，完成极寒条件下变压器抗短路能力的评估。本发明由于考虑了长时间低温对变压器绕组材料性能的影响，所以能够更准确的对极寒条件下变压器的动稳定性进行评估。本发明可直接应用于实际系统中，具有较强的实用性。

Description

一种用于极寒条件下变压器短路动稳定性评估方法
技术领域
本发明属于电力变压器技术领域，涉及的是一种用于极寒条件下变压器短路动稳定性评估方法。
背景技术
随着国家“一带一路”战略的不断推进，电力变压器在高纬度、极寒地区应用范围必将越来越大。然而极寒温度会对变压器绝缘材料和绕组的机械性能和电气性能产生影响，破坏变压器的动热稳定性，影响变压器的安全运行。
经统计分析，电力变压器故障的原因中，70％由其动稳定及热稳定受到不同程度破坏所导致。目前行业内对变压器的抗短路能力及过载能力已有成熟的研究，但对于极寒条件下的变压器抗短路及过负荷能力研究较少。为了能够比较准确地掌握变压器内部绕组的健康状态，尽早发现变压器故障隐患和实现变压器状态检修，有必要对变压器短路时绕组动稳定性评估方法进行深入研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种极寒条件下变压器短路动稳定性评估方法，可直接应用于实际系统中，具有较强的实用性。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：
一种极寒条件下变压器短路动稳定性评估方法，对220kV～750kV电力变压器建立场路耦合模型；在短路冲击作用下，分析场路耦合模型中变压器瞬态漏磁场分布，然后结合极寒条件下变压器绕组及垫块机械特性随温度的变化规律以及垫块受力后的累积效应，计算绕组轴向位移以及应力分布；在绕组轴向位移和应力分布基础上，得到绕组最大应力、最大轴向位移随温度的变化曲线，通过与国标GB1094.5-2008、铜导线的屈服强度值随温度的变化关系进行对比，完成极寒条件下变压器抗短路能力的评估。
本发明进一步的改进在于，极寒条件下变压器绕组及垫块机械特性随温度的变化规律通过以下过程得到：利用拉压试验机和动态热机械分析仪对不同温度下的绕组及垫块材料进行力学特性的试验，得到垫块的弹性模量随温度变化曲线和绕组弹性模量随温度变化曲线。
本发明进一步的改进在于，垫块受力后的累积效应，具体是利用拉压试验机对垫块进行多次循环加压，获得加载次数与垫块形变的关系。
本发明进一步的改进在于，通过采用有限元软件建立场路耦合模型。
本发明进一步的改进在于，在短路冲击作用下，分析场路耦合模型中变压器瞬态漏磁场分布的具体过程为：首先，计算短路时变压器短路电流值，然后通过有限元软件计算变压器瞬态漏磁场分布。
本发明进一步的改进在于，通过ANSYS有限元软件的APDL开发功能计算绕组轴向应力分布。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明根据实验测得极寒条件下变压器材料绕组及垫块机械特性随温度的变化规律及垫块受力后的累积效应，对220kV-750kV电力变压器建立场路耦合模型，计算短路时变压器内部的瞬态漏磁场分布。利用漏磁场分布的结果，研究了不同分接开关下变压器绕组不同位置的轴向位移和应力分布规律，然后结合不同温度下绕组材料和垫块材料的力学特性，对不同温度下的绕组的轴向位移和应力分布进行研究，得到绕组最大应力、最大轴向位移随温度的变化曲线，通过与国标GB1094.5-2008、铜导线的屈服强度值随温度的变化关系进行对比，从而进行极寒条件下变压器抗短路能力的评估。在极寒条件下，变压器的绕组、绝缘垫块参数与常温情况不同，长时间的低温以及力的累积效应也会对绕组和垫块的机械特性造成变化。具体的，长时间的低温会使得垫块和导线的弹性模量变小，绕组铜导线的屈服强度增大。这些变化对于分析绕组及垫块所受应力和位移都会造成很大的影响，这可能会造成对变压器动稳定性评估时的误差。所以分析绕组及垫块在极寒条件下材料属性的变化，对于分析极寒条件下变压器绕组动稳定性具有重要意义。在长时间低温环境下，绕组铜导线的屈服强度将发生变化。在一定温度下，根据该温度对应的材料力学性能参数，对绕组进行有限元分析计算后，可得到该温度下应力分布，运用不同温度下铜导线的屈服强度，可对绕组动稳定性进行准确评估。本发明由于考虑了长时间低温对变压器绕组材料性能的影响，所以能够更准确的对极寒条件下变压器的动稳定性进行评估。本发明可直接应用于实际系统中，具有较强的实用性。
进一步的，本发明中的垫块受力后的累积效应主要是指力的累积效应，具体是利用拉压试验机对垫块进行多次循环加压，获得加载次数与垫块形变的关系，通过该曲线，可以为垫块在多次短路电动力多用后的变形量进行准确计算，进而对绕组动稳定性进行评估。由于长时间的低温会使垫块和铜导线的弹性模量变小，当变压器突发短路时，绕组的位移及应力分布将受到较大影响。在多次力的作用下，垫块的厚度减小，绕组松动，轴向预紧力降低，位移将增大，所以需要考虑垫块受力后的累积效应。
附图说明
图1为垫块弹性模量与温度之间的关系。
图2为铜导线弹性模量随温度变化图。
图3为加载次数与垫块形变的关系。
图4为变压器瞬态漏磁场分布。
图5为绕组在-70℃时的轴向位移和应力分布，其中，(a)为位移，(b)为应力。
图6为绕组在90℃时的轴向位移和应力分布，其中，(a)为位移，(b)为应力。
图7为绕组最大轴向位移随温度的变化曲线。
图8为绕组最大应力随温度的变化曲线。
图9为本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
参见图9，本发明的一种极寒条件下变压器绕组动稳定性评估方法，包括下述步骤：
对220kV-750kV电力变压器采用有限元软件建立场路耦合模型；在短路冲击作用下，首先，计算短路时变压器短路电流值，然后通过有限元软件计算变压器瞬态漏磁场分布，然后利用拉压试验机和动态热机械分析仪对不同温度下的绕组及垫块材料进行力学特性的试验，得到垫块的弹性模量随温度变化曲线和绕组弹性模量随温度变化曲线；利用拉压试验机对垫块进行多次循环加压，获得加载次数与垫块形变的关系，即垫块受力后的累积效应；结合极寒条件下变压器绕组及垫块机械特性随温度的变化规律以及垫块受力后的累积效应，通过ANSYS软件的APDL开发功能计算绕组轴向应力分布；在绕组轴向位移和应力分布基础上，得到绕组最大应力、最大轴向位移随温度的变化曲线，通过与国标GB1094.5-2008、铜导线的屈服强度值随温度的变化关系进行对比，完成极寒条件下变压器抗短路能力的评估。
下面通过一个实施例对本发明的步骤进行详细说明。
S01、通过试验得到变压器材料的机械特性随温度变化的规律。利用MTS拉压试验机和动态热机械分析仪DMA对不同温度的绕组及垫块材料进行力学特性的试验，得到垫块的弹性模量随温度变化(如图1所示)和铜导线弹性模量随温度变化曲线，如图2所示。
S02、垫块受力后的累积效应，具体是利用MTS 858拉压试验机对垫块进行0-5MPa循环加压11次，获得加载次数与垫块形变的关系，即得到垫块受力后的累积效应，如图3所示。
S03、以某型330kV变压器为例，通过ANSYS有限元软件建立场路耦合模型。
S04、在短路冲击作用下，分析场路耦合模型中变压器瞬态漏磁场分布的具体过程包括：首先，计算短路时变压器短路电流值，然后通过ANSYS有限元软件计算变压器瞬态漏磁场分布，如图4所示。
短路电流值如表1：
表1 短路电流值
S05、根据变压器瞬态漏磁场分布，利用ANSYS有限元软件的APDL开发功能，结合极寒条件下变压器材料机械特性随温度的变化规律以及垫块受力后的累积效应，计算变压器绕组不同位置的轴向位移、应力分布。
在绕组轴向瞬态位移和应力分布基础上，对不同温度下的绕组的轴向位移以及应力分布进行研究，得到绕组轴向位移以及应力分布，如图5和图6所示，得到变压器绕组在短路电流最大的情况下，低压绕组最大应力、最大轴向位移随温度的变化曲线，如图7和图8所示。
S06、根据绕组最大应力、最大轴向位移随温度的变化曲线，通过与国标GB1094.5-2008、铜导线的屈服强度值随温度的变化关系进行对比，完成极寒条件下变压器短路动稳定性的评估。
本发明根据极寒条件(-45℃～0℃)下变压器绕组，垫块的材料特性的改变，对220kV-750kV电力变压器相关参数进行计算，分析短路冲击作用下，变压器瞬态漏磁场分布；计算绕组轴向瞬态电磁力分布，建立短路电流作用下，变压器绕组动态力分布、绕组位移及形变的电磁、力学、热学分析模型。本发明通过研究绕组轴向和径向力学行为及失稳判据，确定变压器动稳定性能校核方法。本发明可直接应用于实际系统中，具有较强的实用性。

Claims (6)

1.一种极寒条件下变压器短路动稳定性评估方法，其特征在于，对220kV～750kV电力变压器建立场路耦合模型；在短路冲击作用下，分析场路耦合模型中变压器瞬态漏磁场分布，然后结合极寒条件下变压器绕组及垫块机械特性随温度的变化规律以及垫块受力后的累积效应，计算绕组轴向位移以及应力分布；在绕组轴向位移和应力分布基础上，得到绕组最大应力、最大轴向位移随温度的变化曲线，通过与国标GB1094.5-2008、铜导线的屈服强度值随温度的变化关系进行对比，完成极寒条件下变压器抗短路能力的评估。
2.根据权利要求1中所述的一种极寒条件下变压器短路动稳定性评估方法，其特征在于，极寒条件下变压器绕组及垫块机械特性随温度的变化规律通过以下过程得到：利用拉压试验机和动态热机械分析仪对不同温度下的绕组及垫块材料进行力学特性的试验，得到垫块的弹性模量随温度变化曲线和绕组弹性模量随温度变化曲线。
3.根据权利要求1中所述的一种极寒条件下变压器短路动稳定性评估方法，其特征在于，垫块受力后的累积效应，具体是利用拉压试验机对垫块进行多次循环加压，获得加载次数与垫块形变的关系。
4.根据权利要求1中所述的一种极寒条件下变压器短路动稳定性评估方法，其特征在于，通过采用有限元软件建立场路耦合模型。
5.根据权利要求1中所述的一种极寒条件下变压器短路动稳定性评估方法，其特征在于，在短路冲击作用下，分析场路耦合模型中变压器瞬态漏磁场分布的具体过程为：首先，计算短路时变压器短路电流值，然后通过有限元软件计算变压器瞬态漏磁场分布。
6.根据权利要求1中所述的一种极寒条件下变压器短路动稳定性评估方法，其特征在于，通过ANSYS有限元软件的APDL开发功能计算绕组轴向应力分布。
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