CN107194064A - 一种变压器绕组固有频率计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变压器绕组固有频率计算方法，在ANSYS中建立变压器绕组的二维轴对称模型；计算变压器绕组结构的等效密度、等效弹性模量，在ANSYS中定义并分配材料属性参数。划分网格结构，控制网格形状，并避免出现畸变。设置绕组位移约束条件，分别对压板的上边界和托板的下边界施加全位移约束。对模型进行模态分析，输出计算结果。修改垫块层、端圈和端绝缘的等效弹性模量，等效不同预紧力的作用效果，计算绕组各阶固有频率。本发明的有益效果是可实现快速等效计算不同预紧力下的各阶固有频率。
Description
技术领域
本发明属于变压器技术领域，涉及一种变压器绕组固有频率计算方法。
背景技术
电力变压器是电力系统中的重要设备之一。电力变压器因外部短路而损坏原因众多，情况复杂。从近年来统计显示，变压器本身抗短路能力不足，是造成其损坏主要原因。其中，由于绕组轴向预紧力不足，绕组在轴向力作用下出现结构松动，绕组变形的事故也呈上升趋势。
电力变压器绕组固有频率是变压器设计的一个重要技术指标。如果变压器绕组固有频率和短路力频率相近，则易发生谐振。振动可能造成变压器绕组松动，甚至严重破坏。所以，变压器设计时绕组固有频率应避开短路力频率，避免发生短路谐振。变压器绕组固有频率目前采用三维有限元法计算，但是三维有限元法计算变压器绕组固有频率过程复杂，运算量大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变压器绕组固有频率计算方法，解决了目前三维有限元法计算变压器绕组固有频率过程复杂的问题。
本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：
步骤1：在ANSYS中建立变压器绕组的二维轴对称模型；
步骤2：计算变压器绕组结构的等效密度、等效弹性模量，在ANSYS中定义并分配材料属性参数。
步骤3：划分网格结构，控制网格形状，并避免出现畸变。
步骤4：设置绕组位移约束条件，分别对压板的上边界和托板的下边界施加全位移约束。
步骤5：对模型进行模态分析，输出计算结果。
步骤6：修改垫块层、端圈和端绝缘的等效弹性模量，等效不同预紧力的作用效果，计算绕组各阶固有频率。
进一步，步骤1中ANSYS中建立变压器二维有限元模型是指在ANSYS MechanicalAPDL软件环境下，选择PLANE13有限元单元，设置单元具有UX、UY自由度，选取二维轴对称建模方式，根据变压器绕组结构尺寸，建立二维轴对称模型。
进一步，步骤2中的变压器绕组各结构包括绕组线饼、垫块层、端圈、端绝缘。
进一步，步骤2中的垫块、端圈和端绝缘假设均采用绝缘纸板制成，应力-应变关系表示为：
σ＝aε+bε3 (1)
式中：σ为应力；ε为应变；a为线性常数；b为硬化系数；
其中a＝105MPa；b＝1750MPa；
弹性模量表示为：
考虑轴向预紧力作用影响，根据应力-应变关系，得不同预紧力下绝缘纸
板的弹性模量；
考虑两相在载荷作用下产生相同的应变，建立了Voigt模型：
Eφ＝φ1E1+φ2E2 (3)
考虑两相承受相同的应力，建立了Reuss模型：
式中：Eφ为材料的等效弹性模量；E1为绝缘纸板的弹性模量；E2为空隙的弹性模量；φ1和φ2分别为绝缘纸板和空隙的体积分数，且φ1+φ2＝1；垫块层采用Voigt模型等效；端圈采用多层层压式结构，具有两种结构属性，将其按结构特点纵向划分为几部分，采用Voigt模型和Reuss模型的组合计算。
进一步，步骤3中模型整体网格尺寸设置为0.02，采用四边形剖分。
进一步，步骤5中模态分析采用BlockLanczos法，计算前20阶固有频率。
本发明的有益效果是可实现快速等效计算不同预紧力下的各阶固有频率。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明变压器绕组固有频率计算方法的计算步骤如下：
步骤1：在ANSYS中建立变压器绕组的二维轴对称模型。在ANSYS Mechanical APDL软件环境下，选择PLANE13有限元单元，设置单元具有UX、UY自由度，选取二维轴对称建模方式，根据变压器绕组结构尺寸，建立二维轴对称模型。
步骤2：计算变压器绕组结构的等效材料属性。
(1)计算绕组线饼、垫块层、端圈和端绝缘的等效密度；
(2)计算在轴向预紧力作用下垫块层、端圈和端绝缘的等效弹性模量。
在ANSYS中定义并分配各结构的材料属性：等效密度、等效弹性模量、泊松比。
由于垫块、端圈和端绝缘等结构，均采用绝缘纸板制成，在一定范围内，其应力-应变关系可表示为：
σ＝aε+bε3 (1)
式中：σ为应力；ε为应变；a为线性常数；b为硬化系数。
通过实验可测得：a＝105MPa；b＝1750MPa。
其弹性模量可表示为：
考虑轴向预紧力作用影响，根据应力-应变关系，可得不同预紧力下绝缘纸板的弹性模量。
考虑各相同性的两种材料的结合方式不同，分别建立了Voigt模型和Reuss模型。
考虑两相在载荷作用下产生相同的应变，建立了Voigt模型：
Eφ＝φ1E1+φ2E2 (3)
考虑两相承受相同的应力，建立了Reuss模型：
式中：Eφ为材料的等效弹性模量；E1为绝缘纸板的弹性模量；E2为空隙的弹性模量；φ1和φ2分别为绝缘纸板和空隙的体积分数，且φ1+φ2＝1。垫块层可以采用Voigt模型等效。端圈采用多层层压式结构，具有两种结构属性，将其按结构特点纵向划分为几部分，采用Voigt模型和Reuss模型的组合计算。
步骤3：划分网格结构，控制网格形状，并避免出现畸变。本发明模型整体网格尺寸设置为0.02，采用四边形剖分。
步骤4：设置绕组位移约束条件，分别对压板的上边界和托板的下边界施加全位移约束。
步骤5：对模型进行模态分析，输出计算结果。模态分析采用BlockLanczos法，计算前20阶固有频率。
步骤6：修改垫块层、端圈和端绝缘的等效弹性模量，等效不同预紧力的作用效果，计算绕组各阶固有频率。
本发明公开了一种变压器绕组固有频率计算方法，主要包括以下步骤：用ANSYS建立变压器绕组二维有限元模型；根据绕组结构和轴向预紧力大小，赋予其等效参数；采用模态分析法，计算其各阶固有频率；通过修改绕组等效弹性模量参数，考虑其不同预紧力作用下的各阶固有频率。本方法实现了变压器绕组的二维动力学等效，及快速计算不同预紧力下的各阶固有频率。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种变压器绕组固有频率计算方法，其特征在于按照以下步骤进行：
步骤1：在ANSYS中建立变压器绕组的二维轴对称模型；
步骤2：计算变压器绕组结构的等效密度、等效弹性模量，在ANSYS中定义并分配材料属性参数。
步骤3：划分网格结构，控制网格形状，并避免出现畸变。
步骤4：设置绕组位移约束条件，分别对压板的上边界和托板的下边界施加全位移约束。
步骤5：对模型进行模态分析，输出计算结果。
步骤6：修改垫块层、端圈和端绝缘的等效弹性模量，等效不同预紧力的作用效果，计算绕组各阶固有频率。
2.按照权利要求1所述一种变压器绕组固有频率计算方法，其特征在于：所述步骤1中ANSYS中建立变压器二维有限元模型是指在ANSYS Mechanical APDL软件环境下，选择PLANE13有限元单元，设置单元具有UX、UY自由度，选取二维轴对称建模方式，根据变压器绕组结构尺寸，建立二维轴对称模型。
3.按照权利要求1所述一种变压器绕组固有频率计算方法，其特征在于：所述步骤2中的变压器绕组各结构包括绕组线饼、垫块层、端圈、端绝缘。
4.按照权利要求1所述一种变压器绕组固有频率计算方法，其特征在于：所述步骤2中的垫块、端圈和端绝缘假设均采用绝缘纸板制成，应力-应变关系表示为：
σ＝aε+bε3 (1)
式中：σ为应力；ε为应变；a为线性常数；b为硬化系数；
其中a＝105MPa；b＝1750MPa；
弹性模量表示为：
考虑轴向预紧力作用影响，根据应力-应变关系，得不同预紧力下绝缘纸板的弹性模量；
考虑两相在载荷作用下产生相同的应变，建立了Voigt模型：
Eφ＝φ1E1+φ2E2 (3)
考虑两相承受相同的应力，建立了Reuss模型：
式中：Eφ为材料的等效弹性模量；E1为绝缘纸板的弹性模量；E2为空隙的弹性模量；φ1和φ2分别为绝缘纸板和空隙的体积分数，且φ1+φ2＝1；垫块层采用Voigt模型等效；端圈采用多层层压式结构，具有两种结构属性，将其按结构特点纵向划分为几部分，采用Voigt模型和Reuss模型的组合计算。
5.按照权利要求1所述一种变压器绕组固有频率计算方法，其特征在于：所述步骤3中模型整体网格尺寸设置为0.02，采用四边形剖分。
6.按照权利要求1所述一种变压器绕组固有频率计算方法，其特征在于：所述步骤5中模态分析采用Block Lanczos法，计算前20阶固有频率。
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2017
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