CN107194061A - 110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟方法及系统，用于解决现有技术中无法从多物理场角度对大型变压器内部短路时的实际环境进行模拟还原，无法获取变压器内部的真实短路环境，从而缺乏有效的对变压器寿命及运行情况的掌握的技术问题。本发明实施例方法包括：对110kV油浸式变压器进行变压器几何模型处理；对变压器分析模型的绕组进行全六面体网格划分；对变压器分析模型的绕组外的部件进行壁面换热边界层网格划分；植入UDF编写程序，将短路过程中变压器分析模型的各绕组受到的电磁力转化为绕组的运动速度；通过压力耦合算法结合变压器分析模型的绕组的运动速度和受力情况计算分析变压器分析模型的瞬态油流涌动情况。

Description

110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟方法及系统

技术领域

本发明涉及油浸式变压器技术领域，尤其涉及一种110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟方法及系统。

背景技术

现代经济的迅速发展对电力的需求日趋上升，作为电力系统的最重要的部分之一，电力变压器的发展也面临诸多挑战。从全球电力行业的发展趋势来看，高容量、超高容量变压器是一个主要的发展方向，超高压/特高压输电在中国已有试运行线路。在新的发展阶段，传统设计手段已经无法应对电力变压器设计中的挑战，需求引入新的技术手段以改进设计流程。

目前，现有技术中对于高容量大型变压器中绕组的受力情况大多数为基于对变压器短路时的电磁场所产生的电磁力进行的分析，很少同时考虑到变压器内部的油流涌动等特性，无法从多物理场角度对大型变压器内部短路时的实际环境进行模拟还原，无法获取大型变压器内部的真实短路环境，从而缺乏有效的对变压器寿命及运行情况的掌握。

发明内容

本发明实施例提供了一种110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟方法及系统，解决了现有技术中对于高容量大型变压器中绕组的受力情况大多数为基于对变压器短路时的电磁场所产生的电磁力进行的分析，很少同时考虑到变压器内部的油流涌动等特性，无法从多物理场角度对大型变压器内部短路时的实际环境进行模拟还原，无法获取大型变压器内部的真实短路环境，从而缺乏有效的对变压器寿命及运行情况的掌握的技术问题。

本发明实施例提供的一种110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟方法包括：

对110kV油浸式变压器进行变压器几何模型处理，获得110kV油浸式变压器分析模型；

对110kV油浸式变压器分析模型的绕组进行全六面体网格划分，并对绕组的每一饼剖分出Block，并关联到相关面上和线上；

对110kV油浸式变压器分析模型的绕组外的部件进行壁面换热边界层网格划分；

植入UDF编写程序，将短路过程中110kV油浸式变压器分析模型的各绕组受到的电磁力转化为绕组的运动速度；

通过压力耦合算法结合110kV油浸式变压器分析模型的绕组的运动速度和受力情况计算分析110kV油浸式变压器分析模型的瞬态油流涌动情况。

可选地，对110kV油浸式变压器进行变压器几何模型处理，获得110kV油浸式变压器分析模型包括：

对110kV油浸式变压器进行变压器几何模型处理，保留变压器的绕组各饼层之间的窄小孔隙，并将变压器的翅片简化成连同的油流通道，获得110kV油浸式变压器分析模型。

可选地，对110kV油浸式变压器分析模型的绕组外的部件进行壁面换热边界层网格划分包括：

对110kV油浸式变压器分析模型的绕组外的部件通过采用从面网格，到边界层网格，再到体网格的网格划分策略进行壁面换热边界层网格划分。

可选地，体网格包括附面层网格和四面体网格。

可选地，UDF编写程序具体包括：

读入电磁力数据并验证；

线性插值求解瞬时作用力；

求解瞬时加速度；

求解瞬时速度；

加载到运动刚体。

可选地，植入UDF编写程序，将短路过程中110kV油浸式变压器分析模型的各绕组受到的电磁力转化为绕组的运动速度之后还包括：

对UDF编写程序进行调试，测试UDF编写程序的算法的正确度以及110kV油浸式变压器分析模型的绕组的运动区域网格变形合理度。

本发明实施例提供的一种110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟系统，包括：

模型处理模块，用于对110kV油浸式变压器进行变压器几何模型处理，获得110kV油浸式变压器分析模型；

第一网格划分模块，用于对110kV油浸式变压器分析模型的绕组进行全六面体网格划分，并对绕组的每一饼剖分出Block，并关联到相关面上和线上；

第二网格划分模块，用于对110kV油浸式变压器分析模型的绕组外的部件进行壁面换热边界层网格划分；

程序植入模块，用于植入UDF编写程序，将短路过程中110kV油浸式变压器分析模型的各绕组受到的电磁力转化为绕组的运动速度；

计算分析模块，用于通过压力耦合算法结合110kV油浸式变压器分析模型的绕组的运动速度和受力情况计算分析110kV油浸式变压器分析模型的瞬态油流涌动情况。

可选地，模型处理模块包括：

模型处理单元，用于对110kV油浸式变压器进行变压器几何模型处理，保留变压器的绕组各饼层之间的窄小孔隙，并将变压器的翅片简化成连同的油流通道，获得110kV油浸式变压器分析模型。

可选地，第二网格划分模块包括：

网格划分单元，用于对110kV油浸式变压器分析模型的绕组外的部件通过采用从面网格，到边界层网格，再到体网格的网格划分策略进行壁面换热边界层网格划分。

可选地，还包括：

程序调试模块，用于对UDF编写程序进行调试，测试UDF编写程序的算法的正确度以及110kV油浸式变压器分析模型的绕组的运动区域网格变形合理度。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供了一种110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟方法及系统，包括：对110kV油浸式变压器进行变压器几何模型处理，获得110kV油浸式变压器分析模型；对110kV油浸式变压器分析模型的绕组进行全六面体网格划分，并对绕组的每一饼剖分出Block，并关联到相关面上和线上；对110kV油浸式变压器分析模型的绕组外的部件进行壁面换热边界层网格划分；植入UDF编写程序，将短路过程中110kV油浸式变压器分析模型的各绕组受到的电磁力转化为绕组的运动速度；通过压力耦合算法结合110kV油浸式变压器分析模型的绕组的运动速度和受力情况计算分析110kV油浸式变压器分析模型的瞬态油流涌动情况，本发明实施例中通过建立110kV油浸式变压器的分析模型，并对模型内部在短路情况下的电磁场、结构、流体等多物理场进行数值模拟后，获取到在多物理场影响下通过电磁和流体耦合，再现大型变压器在短路情况下的内部的油流涌动特性，解决了现有技术中对于高容量大型变压器中绕组的受力情况大多数为基于对变压器短路时的电磁场所产生的电磁力进行的分析，很少同时考虑到变压器内部的油流涌动等特性，无法从多物理场角度对大型变压器内部短路时的实际环境进行模拟还原，无法获取大型变压器内部的真实短路环境，从而缺乏有效的对变压器寿命及运行情况的掌握的技术问题。

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作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟方法的一个实施例的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟方法的另一个实施例的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟方法及系统，用于解决了现有技术中对于高容量大型变压器中绕组的受力情况大多数为基于对变压器短路时的电磁场所产生的电磁力进行的分析，很少同时考虑到变压器内部的油流涌动等特性，无法从多物理场角度对大型变压器内部短路时的实际环境进行模拟还原，无法获取大型变压器内部的真实短路环境，从而缺乏有效的对变压器寿命及运行情况的掌握的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供的一种110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟方法的一个实施例包括：

101、对110kV油浸式变压器进行变压器几何模型处理，获得110kV油浸式变压器分析模型；

102、对110kV油浸式变压器分析模型的绕组进行全六面体网格划分，并对绕组的每一饼剖分出Block，并关联到相关面上和线上；

103、对110kV油浸式变压器分析模型的绕组外的部件进行壁面换热边界层网格划分；

104、植入UDF编写程序，将短路过程中110kV油浸式变压器分析模型的各绕组受到的电磁力转化为绕组的运动速度；

105、通过压力耦合算法结合110kV油浸式变压器分析模型的绕组的运动速度和受力情况计算分析110kV油浸式变压器分析模型的瞬态油流涌动情况。

本发明实施例提供了一种110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟方法，包括：对110kV油浸式变压器进行变压器几何模型处理，获得110kV油浸式变压器分析模型；对110kV油浸式变压器分析模型的绕组进行全六面体网格划分，并对绕组的每一饼剖分出Block，并关联到相关面上和线上；对110kV油浸式变压器分析模型的绕组外的部件进行壁面换热边界层网格划分；植入UDF编写程序，将短路过程中110kV油浸式变压器分析模型的各绕组受到的电磁力转化为绕组的运动速度；通过压力耦合算法结合110kV油浸式变压器分析模型的绕组的运动速度和受力情况计算分析110kV油浸式变压器分析模型的瞬态油流涌动情况，本发明实施例中通过建立110kV油浸式变压器的分析模型，并对模型内部在短路情况下的电磁场、结构、流体等多物理场进行数值模拟后，获取到在多物理场影响下通过电磁和流体耦合，再现大型变压器在短路情况下的内部的油流涌动特性，解决了现有技术中对于高容量大型变压器中绕组的受力情况大多数为基于对变压器短路时的电磁场所产生的电磁力进行的分析，很少同时考虑到变压器内部的油流涌动等特性，无法从多物理场角度对大型变压器内部短路时的实际环境进行模拟还原，无法获取大型变压器内部的真实短路环境，从而缺乏有效的对变压器寿命及运行情况的掌握的技术问题。

请参阅图2，本发明实施例提供的一种110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟方法的另一个实施例包括：

201、对110kV油浸式变压器进行变压器几何模型处理，保留变压器的绕组各饼层之间的窄小孔隙，并将变压器的翅片简化成连同的油流通道，获得110kV油浸式变压器分析模型；

首先，对110kV油浸式变压器进行变压器几何模型处理。变压器几何处理，将会除去变压器里面的线路，加强板筋，以及固定的设施部件，只保留分析中关注的主要部件，如铁芯、绕组、油枕等。其中重点考虑绕组，绕组几何全部保留，并且为了真实短路引起的绕组动态破坏，着重保留绕组各饼层之间的窄小孔隙。本次模拟考虑绕组饼之间的微小间隙，假如再考虑繁多的翅片，本次模拟将会有庞大的网格目，这样会直接导致本次模拟很难开展，因此将翅片简化成连同的油流通道，以简化分析模型，从而也大大减少网格的数目。

202、对110kV油浸式变压器分析模型的绕组进行全六面体网格划分，并对绕组的每一饼剖分出Block，并关联到相关面上和线上；

然后，对110kV油浸式变压器分析模型的绕组进行全六面体网格划分，并对绕组的每一饼剖分出Block，并关联到相关面上和线上。

203、对110kV油浸式变压器分析模型的绕组外的部件通过采用从面网格，到边界层网格，再到体网格的网格划分策略进行壁面换热边界层网格划分；

其次，在模拟中，壁面换热边界层非常重要，这是影响计算结果准确性的决定因素之一。尤其换热管(翅片处)，箱体壁面需要有相应的换热边界层网格。因此对变压器除去绕组的其他部件，因此确定采用从面网格，边界层网格，到体网格的网格划分策略。

针对壁面规则程度和壁面换热的主次性，面网格划分将采用两种方法：PatchDependent方法和Autoblock方法。对于一般不规则面，或者次要换热面，采用PatchDependent方法划分；对于规则面，或者主要换热面，采用Autoblock方法精确划分。Autoblock方法能很好控制网格从横比和精确扑捉几何曲率(几何倒角等)，同时又能保证沿主流动方向和主换热方向上的网格正交性，这正是沿换热管等内壁网格划分的关键技术点。保证沿重力方向(轴向方向)网格正交性，和沿内外筒面法向(径向方向)的网格正交性。

体网格分两种类型网格：附面层网格和四面体。首先，基于面网格生长附面层网格，因为在主换热区面网格具有正交性(Autoblock方法划分)，以此为基础将生成正交性的附面层网格，最后整体生成四面体网格。

此网格划分策略的优点是：1，划分简单，生成快速，并且生成的网格质量高；2，能精准地控制换热壁面附面层网格的首层高度，和附面层网格的增长趋势，增长厚度，既能满足温度边界层对边界层网格的要求，又能满足流动边界层对边界层网格的要求，这也是模拟结果准确性的又一决定因素；3，能精确捕捉大曲率等复发几何特征；4，易流程化，模块化，并且由于变压器主要结构部件基本一致，所以该网格划分策略易于移植到类似的物理模型上。

204、植入UDF编写程序，将短路过程中110kV油浸式变压器分析模型的各绕组受到的电磁力转化为绕组的运动速度；

然后，植入UDF编写程序，将短路过程中110kV油浸式变压器分析模型的各绕组受到的电磁力转化为绕组的运动速度。其中，UDF编写程序具体包括：

读入电磁力数据并验证；

线性插值求解瞬时作用力；

求解瞬时加速度；

求解瞬时速度；

加载到运动刚体。

另外，绕组在冷却油高速运动过程中受到冷却油阻力作用，阻力大小与绕组运动速度有关，采用Compute_Force_And_Moment求解该阻力。

205、对UDF编写程序进行调试，测试UDF编写程序的算法的正确度以及110kV油浸式变压器分析模型的绕组的运动区域网格变形合理度；

在植入UDF编写程序之后，需要对UDF编写程序进行调试，测试UDF编写程序的算法的正确度以及110kV油浸式变压器分析模型的绕组的运动区域网格变形合理度。测试的目的主要为：1、测试UDF算法是否正确，因为模型比较大，需要采用并行计算。在并行计算中，UDF编写需要慎用叠加语句。因为在并行计算中，每个运动区域都会分区计算，所以在每个分割的单区域在同一时间内速度需要保持一致。因此在每个分隔区域内叠加语句需要保持同一叠加次数，才能保证速度一致，否则各并行分割区域速度不一致，绕组运动将会出现混乱和错位，计算就会终止；2、测试运动区域网格变形合理，因为绕组受力在某一时间段内是连续的，那么速度要是随之变化的，所以在此过程中，不同速度下对网格的变形是有相应的要求的，测试的目的就是保证绕组整个运动时间内，网格生长和消亡都能顺利进行。网格生长和消亡能否顺利进行是决定整个瞬态油流涌动仿真是否顺利进行。

206、通过压力耦合算法结合110kV油浸式变压器分析模型的绕组的运动速度和受力情况计算分析110kV油浸式变压器分析模型的瞬态油流涌动情况。

最后，在ANSYS电力变压器分析仿真中通过压力耦合算法结合110kV油浸式变压器分析模型的绕组的运动速度和受力情况计算分析110kV油浸式变压器分析模型的瞬态油流涌动情况。

以上为对本发明实施例提供的一种110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟方法的另一个实施例的详细描述，以下将对本发明实施例提供的一种110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟系统进行详细描述。

请参阅图3，本发明实施例提供的一种110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟系统包括：

模型处理模块301，用于对110kV油浸式变压器进行变压器几何模型处理，获得110kV油浸式变压器分析模型；模型处理模块301包括：

模型处理单元3011，用于对110kV油浸式变压器进行变压器几何模型处理，保留变压器的绕组各饼层之间的窄小孔隙，并将变压器的翅片简化成连同的油流通道，获得110kV油浸式变压器分析模型。

第一网格划分模块302，用于对110kV油浸式变压器分析模型的绕组进行全六面体网格划分，并对绕组的每一饼剖分出Block，并关联到相关面上和线上；

第二网格划分模块303，用于对110kV油浸式变压器分析模型的绕组外的部件进行壁面换热边界层网格划分；第二网格划分模块303包括：

网格划分单元3031，用于对110kV油浸式变压器分析模型的绕组外的部件通过采用从面网格，到边界层网格，再到体网格的网格划分策略进行壁面换热边界层网格划分。

程序植入模块304，用于植入UDF编写程序，将短路过程中110kV油浸式变压器分析模型的各绕组受到的电磁力转化为绕组的运动速度；

程序调试模块305，用于对UDF编写程序进行调试，测试UDF编写程序的算法的正确度以及110kV油浸式变压器分析模型的绕组的运动区域网格变形合理度。

计算分析模块306，用于通过压力耦合算法结合110kV油浸式变压器分析模型的绕组的运动速度和受力情况计算分析110kV油浸式变压器分析模型的瞬态油流涌动情况。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟方法，其特征在于，包括：

对110kV油浸式变压器进行变压器几何模型处理，获得110kV油浸式变压器分析模型；

对所述110kV油浸式变压器分析模型的绕组进行全六面体网格划分，并对所述绕组的每一饼剖分出Block，并关联到相关面上和线上；

对所述110kV油浸式变压器分析模型的绕组外的部件进行壁面换热边界层网格划分；

植入UDF编写程序，将短路过程中所述110kV油浸式变压器分析模型的各绕组受到的电磁力转化为绕组的运动速度；

通过压力耦合算法结合所述110kV油浸式变压器分析模型的绕组的运动速度和受力情况计算分析所述110kV油浸式变压器分析模型的瞬态油流涌动情况。

2.根据权利要求1所述的110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟方法，其特征在于，所述对110kV油浸式变压器进行变压器几何模型处理，获得110kV油浸式变压器分析模型包括：

对110kV油浸式变压器进行变压器几何模型处理，保留变压器的绕组各饼层之间的窄小孔隙，并将变压器的翅片简化成连同的油流通道，获得110kV油浸式变压器分析模型。

3.根据权利要求1所述的110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟方法，其特征在于，所述对所述110kV油浸式变压器分析模型的绕组外的部件进行壁面换热边界层网格划分包括：

对所述110kV油浸式变压器分析模型的绕组外的部件通过采用从面网格，到边界层网格，再到体网格的网格划分策略进行壁面换热边界层网格划分。

4.根据权利要求3所述的110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟方法，其特征在于，所述体网格包括附面层网格和四面体网格。

5.根据权利要求1所述的110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟方法，其特征在于，所述UDF编写程序具体包括：

读入电磁力数据并验证；

线性插值求解瞬时作用力；

求解瞬时加速度；

求解瞬时速度；

加载到运动刚体。

6.根据权利要求1所述的110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟方法，其特征在于，所述植入UDF编写程序，将短路过程中所述110kV油浸式变压器分析模型的各绕组受到的电磁力转化为绕组的运动速度之后还包括：

对所述UDF编写程序进行调试，测试所述UDF编写程序的算法的正确度以及所述110kV油浸式变压器分析模型的绕组的运动区域网格变形合理度。

7.一种110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟系统，其特征在于，包括：

模型处理模块，用于对所述110kV油浸式变压器进行变压器几何模型处理，获得110kV油浸式变压器分析模型；

第一网格划分模块，用于对所述110kV油浸式变压器分析模型的绕组进行全六面体网格划分，并对所述绕组的每一饼剖分出Block，并关联到相关面上和线上；

第二网格划分模块，用于对所述110kV油浸式变压器分析模型的绕组外的部件进行壁面换热边界层网格划分；

程序植入模块，用于植入UDF编写程序，将短路过程中所述110kV油浸式变压器分析模型的各绕组受到的电磁力转化为绕组的运动速度；

计算分析模块，用于通过压力耦合算法结合所述110kV油浸式变压器分析模型的绕组的运动速度和受力情况计算分析所述110kV油浸式变压器分析模型的瞬态油流涌动情况。

8.根据权利要求7所述的110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟系统，其特征在于，所述模型处理模块包括：

模型处理单元，用于对所述110kV油浸式变压器进行变压器几何模型处理，保留变压器的绕组各饼层之间的窄小孔隙，并将变压器的翅片简化成连同的油流通道，获得110kV油浸式变压器分析模型。

9.根据权利要求7所述的110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟系统，其特征在于，所述第二网格划分模块包括：

网格划分单元，用于对所述110kV油浸式变压器分析模型的绕组外的部件通过采用从面网格，到边界层网格，再到体网格的网格划分策略进行壁面换热边界层网格划分。

10.根据权利要求7所述的110kV油浸式变压器结构、流体多物理场数值模拟方法，其特征在于，还包括：

程序调试模块，用于对所述UDF编写程序进行调试，测试所述UDF编写程序的算法的正确度以及所述110kV油浸式变压器分析模型的绕组的运动区域网格变形合理度。