CN110955990B - 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 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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；
步骤S5：利用ANSYS Maxwell计算出变压器绕组和铁芯所受的短路电动力的大小分布；
步骤S6：利用ANSYS Workbench，传入ANSYS Maxwell的计算数据，进行耦合场的分析计算。
步骤S7：在ANSYS Workbench中导入暂态结构分析模块，求解变压器绕组的形变量的变化情况。
进一步地，所述步骤S2的具体内容为：利用MATLAB中的Simulink模块搭建双电源供电的电力系统模型，所述双电源采用的是三相电源，幅值为110kV,频率为50Hz；短路故障类型选择Simulink中三相接地故障模块，接地电阻为0.01Ω；双电源供电系统线路模型选择设PI型等值电路，等值电路的电容和电阻参数，根据线路距离参数设置在simulink中进行相关设置；
每相导线的电抗x1，每相导线的电阻r1，线路总阻抗Z＝(r1+jx1)l，线路总导纳Y＝(g1+jb1)l，根据上式计算出PI型等效电路的阻抗和导纳，并在Simulink中进行相关设置。
进一步地，所述步骤S3的具体内容为：根据变压器的实际尺寸利用Solidworks建立变压器三维几何模型，变压器的铁芯根据实际硅钢片叠加情况进行三维建模，绕组按照线饼的个数来分层搭建；SolidWorks建模完成，须保存.IGS格式，导入到ANSYS Maxwell中，进行有限元磁场的仿真。
进一步地，所述步骤S4的具体内容为：设置ANSYS Maxwell的计算类型为暂态计算，设置变压器的材料，根据实际所用的硅钢片设置B-H曲线，设置基本参数，赋予绕组属性为铜，铁芯材料属性为硅钢片，设置绕组的激励为外部激励，绕组分别为WindingA、WindingB，绕组匝数为高压496匝，低压174匝，分别分配给WindingA、WindingB，外部激励通ANSYS Maxwell耦合模块进行耦合,Simulink通过Maxwell function与Maxwell进行数据传输，实现联合仿真。
进一步地，所述步骤S5的具体内容为：对变压器的铁芯和绕组分别进行网格剖分和边界设置；设置绕组自适应的剖分，最小剖分单元为30mm,设置铁芯自适应剖分，铁芯的最小剖分边长为130mm；在步长的设置，保持Simulink与Maxwell一致，Simulink短路电流开始时间为0.1s,Simulink仿真结束时间为0.3，ANSYS Maxwell时间设置计算时间为0.3s,每步步长为0.001s，Simulink的计算时间与ANSYS Maxwell一致为0.3s；联合仿真结束后，ANSYS Maxwel计算出变压器绕组和铁芯所受的短路瞬态体电动力大小分布。
进一步地，所述步骤S7的具体内容为：打开ANSYS Workbench，导入步骤S5中计算完成的ANSYS Maxwell变压器的电动力计算结果，进行耦合场的分析；更新(update)ANSYSMaxwell的数据，在Transient structure模块，导入Solidwork中建立的几何模型；选中要加载负荷的变压器绕组和铁芯，在结果数据框查看tabular data数据框中的数据，并给予Maxwell模块计算而来的电动力体密度，施加相应的电动力载荷于绕组和铁芯；同时选择绕组轴向顶部与底部的面，并固定自由度，选择fixed约束条件，约束变压器绕顶端和底部，在铁芯和绕组上下轴向面固定的条件下，计算绕组瞬态的形变量变化情况。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用了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。
附图说明
图1为本发明实施例的变压器绕组变形多物理耦合场计算原理图。
图2为本发明实施例的变压器绕组实际计算模型图。
图3为本发明实施例的结合有限元模块的Simulink电力系统仿真图图。
图4为本发明实施例的变压器绕组变形多物理耦合场计算流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1至4所示，本实施例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，包括以下步骤：
步骤S1：根据变压器基本参数，计算出变压器相关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；在本实施例中为了简化计算，只采用单相绕组计算。
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；
步骤S5：利用ANSYS Maxwell计算出变压器绕组和铁芯所受的短路电动力的大小分布；
步骤S6：利用ANSYS Workbench，传入ANSYS Maxwell的计算数据，进行耦合场的分析计算。
步骤S7：在ANSYS Workbench中导入暂态结构分析模块，求解变压器绕组的形变量的变化情况；
步骤S8：查看短路电动力和变形量的计算结果，用以分析变压器绕组的电动力和形变量的云图。
较佳的，在本实施例中，采用一台型号为SSZ11-50000/110的电力变压器为仿真的基础模型，
根据变压器型号为SSZ11-50000/110的基本参数，计算出变压器绕组的等效漏阻抗Z1、Z2，并画出变压器的的等效电路图，分析出各个绕组的电感和电阻。
变压器参数采用标幺值计算，对于三相双绕组变压器，一次、二次绕组的漏感和电阻的标幺值以额定功率和一次、二次侧各自的额定线电压为基准值，励磁电阻和励磁电感以额定功率和一次额定线电压为基准值。
一次侧基准值：
二次侧基准值：
一次侧标幺值：
二次侧标幺值：
根据上述公式即可计算出电力变压器的基本参数，并在Simulink中设置相关参数。
在本实施例中，所述步骤S2的具体内容为：利用MATLAB中的Simulink模块搭建双电源供电的电力系统模型，所述双电源采用的是三相电源，幅值为110kV,频率为50Hz；短路故障类型选择Simulink中三相接地故障模块，接地电阻为0.01Ω；双电源供电系统线路模型选择设PI型等值电路，等值电路的电容和电阻参数，根据线路距离参数设置在simulink中进行相关设置；
每相导线的电抗x1，每相导线的电阻r1，线路总阻抗Z＝(r1+jx1)l，线路总导纳Y＝(g1+jb1)l，根据上式计算出PI型等效电路的阻抗和导纳，并在Simulink中进行相关设置。
线路的距离根据不同故障点设置，例如10km、20km...，设置不同的故障点，通过Simulink计算出，双电源系统中出现短路故障时，电力变压器的短路电流大小，并在Simulink中计算出结果。
变压器的基本参数根据理论计算的结果进行设置，使用标幺值形式进行设置，基本参数包块电感、电阻、连接组别等等，增加三相负载，具体根据实际电力系统的容量设置，模拟三相接地短路是利用Three Phase Fault模块模拟短路故障，并在Simulink系统添加powergui模块，进行Simulink仿真，查看相应结果是否符合预期，如果三相短路电流符合预期，把ANSYS Maxwell的激励设置为外部激励，并利用Setup Co-simulation withsimulink接口与Matlab中的Simulink模块进行耦合，从而是在有限元中作为变压器绕组的激励，同时有限元模块在Simulink中，则以MaxwellSfunction的形式展现出来，搭建simulink与Maxwell联合仿真的模型，即可实现Maxwell与Simulink的协同仿真，协同仿真一般在ANSYS Maxwell中进行。
在本实施例中，所述步骤S3的具体内容为：根据变压器的实际尺寸利用Solidworks建立变压器三维几何模型，变压器的铁芯根据实际硅钢片叠加情况进行三维建模，绕组按照线饼的个数来分层搭建；层与层之间留有间隙，忽略实际存在的垫块的作用，对整体绕组进行细化。SolidWorks建模完成，须保存.IGS格式，导入到ANSYS Maxwell中，进行有限元磁场的仿真。
在本实施例中，所述步骤S4的具体内容为：设置ANSYS Maxwell的计算类型为暂态计算，设置变压器的材料，根据实际所用的硅钢片设置B-H曲线，设置基本参数，赋予绕组属性为铜，铁芯材料属性为硅钢片，设置绕组的激励为外部激励，绕组分别为WindingA、WindingB，绕组匝数为高压496匝，低压174匝，分别分配给WindingA、WindingB，外部激励通ANSYS Maxwell耦合模块进行耦合,Simulink通过Maxwell function与Maxwell进行数据传输，实现联合仿真。
在本实施例中，高压绕组92饼，低压绕组74饼，单个coil terminal分别设置6匝、2匝，并添加到WindingA、WindingB中。三维圆柱形绕组，在每个线饼取两个二维的截面，施加Coil termianal,圆柱筒左右对称分别各一个截面，电流在圆柱筒中流过，电流方向相反，左侧电流流进，右侧电流流出。设置边界条件为阻抗边界条件，并设置绕组和铁芯的外层求解区域的介质为油。设置为磁场计算忽略垫块，结构场分析保留垫块。
在本实施例中，所述步骤S5的具体内容为：ANSYS Maxwell计算磁场和ANSYSWorkbench计算结构场，需要首先进行磁场的计算。开始对变压器的铁芯和绕组分别进行网格剖分和边界设置；设置绕组自适应的剖分，最小剖分单元为30mm,设置铁芯自适应剖分，铁芯的最小剖分边长为130mm；在步长的设置，保持Simulink与Maxwell一致，Simulink短路电流开始时间为0.1s,Simulink仿真结束时间为0.3，ANSYS Maxwell时间设置计算时间为0.3s,每步步长为0.001s，Simulink的计算时间与ANSYS Maxwell一致为0.3s；保证计算不会出错。联合仿真结束后，ANSYS Maxwel计算出变压器绕组和铁芯所受的短路瞬态体电动力大小分布。
在ANSYS Workbench中，设置材料的属性，添加铜材料的属性，弹性模量为1.1×1011Pa,泊松比为0.34，添加硅钢片的材料属性，弹性模量为2×1011Pa,泊松比为0.3，并分配给相应的绕组和铁芯。在ANSYS Workbench中对绕组和铁芯进行网格剖分，绕组网格划分质量是fine，最小划分单元是20mm,铁芯划分质量是medium，最小划分单元是120mm，剖分设置完成，生成相应网格。
在本实施例中，所述步骤S7的具体内容为：打开ANSYS Workbench，导入步骤S5中计算完成的ANSYS Maxwell变压器的电动力计算结果，进行耦合场的分析；更新(update)ANSYS Maxwell的数据，在Transient structure模块，导入Solidwork中建立的几何模型；选中要加载负荷的变压器绕组和铁芯，在结果数据框查看tabular data数据框中的数据，并给予Maxwell模块计算而来的电动力体密度，施加相应的电动力载荷于绕组和铁芯；同时选择绕组轴向顶部与底部的面，并固定(fixed)自由度，选择fixed约束条件，约束变压器绕顶端和底部，在铁芯和绕组上下轴向面固定的条件下，计算绕组瞬态的形变量变化情况。
在本实施例中，所述步骤S8的具体内容为：对短路电动力和变形量的计算结果进行后处理，选择单一节点，insert deformation查看某一节点在瞬态短路电动力作用下的动态位移曲线和应力响应曲线，设置某一时间点，即能够查询某一时刻的形变量云图，用以分析不同时刻形不同位置变情况，为抗短路设计提供参考。
较佳的，本实施例：在克服了传统变压器绕组短路条件下的稳定性研究多数是数值分析法、实验法、二维数值模拟法等方法的不足，提出了一种利用Simulink模拟电力系统中不同位置的短路故障，结合有限元软件ANSYS Maxwell对变压器三维磁场进行仿真计算，计算出绕组短路电动力的瞬时分布情况，并耦合到ANSYS Workbench中，对绕组进行瞬态形变量的分析计算和轴向振动、辐向屈曲特性研究，为变压器的稳定性和抗短路设计提供参考。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (4)
1.一种基于多物理耦合场的变压器绕组瞬态形变量计算方法，其特征在于：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，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；
步骤S5：利用ANSYS Maxwell计算出变压器绕组和铁芯所受的短路电动力的大小分布；
步骤S6：利用ANSYS Workbench，传入ANSYS Maxwell的计算数据，进行耦合场的分析计算；
步骤S7：在ANSYS Workbench中导入暂态结构分析模块，求解变压器绕组的形变量的变化情况；
所述步骤S4的具体内容为：设置ANSYS Maxwell的计算类型为暂态计算，设置变压器的材料，根据实际所用的硅钢片设置B-H曲线，设置基本参数，赋予绕组属性为铜，铁芯材料属性为硅钢片，设置绕组的激励为外部激励，绕组分别为WindingA、WindingB，绕组匝数为高压496匝，低压174匝，分别分配给WindingA、WindingB，外部激励通ANSYS Maxwell耦合模块进行耦合,Simulink通过Maxwell function与Maxwell进行数据传输，实现联合仿真；
所述步骤S7的具体内容为：打开ANSYS Workbench，导入步骤S5中计算完成的ANSYSMaxwell变压器的电动力计算结果，进行耦合场的分析；更新ANSYS Maxwell的数据，在Transient structure模块，导入Solidwork中建立的几何模型；选中要加载负荷的变压器绕组和铁芯，在结果数据框查看tabular data数据框中的数据，并给予Maxwell模块计算而来的电动力体密度，施加相应的电动力载荷于绕组和铁芯；同时选择绕组轴向顶部与底部的面，并固定自由度，选择fixed约束条件，约束变压器绕顶端和底部，在铁芯和绕组上下轴向面固定的条件下，计算绕组瞬态的形变量变化情况。
2.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述步骤S2的具体内容为：利用MATLAB中的Simulink模块搭建双电源供电的电力系统模型，所述双电源采用的是三相电源，幅值为110kV,频率为50Hz；短路故障类型选择Simulink中三相接地故障模块，接地电阻为0.01Ω；双电源供电系统线路模型选择设置PI型等值电路，等值电路的电容和电阻参数，根据线路距离参数设置在simulink中进行相关设置；
每相导线的电抗x1，每相导线的电阻r1，线路总阻抗Z＝(r1+jx1)l，线路总导纳Y＝(g1+jb1)l，根据上式计算出PI型等效电路的线路总阻抗和线路总导纳，并在Simulink中进行相关设置。
3.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述步骤S3的具体内容为：根据变压器的实际尺寸利用Solidworks建立变压器三维几何模型，变压器的铁芯根据实际硅钢片叠加情况进行三维建模，绕组按照线饼的个数来分层搭建；SolidWorks建模完成，须保存.IGS格式，导入到ANSYS Maxwell中，进行有限元磁场的仿真。
4.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述步骤S5的具体内容为：对变压器的铁芯和绕组分别进行网格剖分和边界设置；设置绕组自适应的剖分，最小剖分单元为30mm,设置铁芯自适应剖分，铁芯的最小剖分边长为130mm；在步长的设置，保持Simulink与Maxwell一致，Simulink短路电流开始时间为0.1s,Simulink仿真结束时间为0.3，ANSYS Maxwell时间设置计算时间为0.3s,每步步长为0.001s，Simulink的计算时间与ANSYS Maxwell一致为0.3s；联合仿真结束后，ANSYSMaxwel计算出变压器绕组和铁芯所受的短路瞬态体电动力大小分布。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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