CN112083356B - 一种变压器短路承受能力的校核方法 - Google Patents

一种变压器短路承受能力的校核方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种变压器短路承受能力的校核方法，包括：获取变压器的模型参数，建立以所述变压器为核心的短路电路，得到变压器三维场路耦合模型；对所述变压器内部的电磁场进行仿真计算，得到所述变压器绕组受到的磁场力信息；根据变压器不同的绕组方式，结合所述磁场力信息得到所述变压器绕组受到的应力信息，所述应力信息包含多个应力值；对比所述应力值与应力许用值标准，若所述应力值满足应力许用值标准，则所述变压器耐短路能力达标，若所述应力值不满足应力许用值标准，则所述变压器耐短路能力不达标。本申请所提供的一种变压器短路承受能力的校核方法，适用于校核所有变压器的耐短路能力。

Description

一种变压器短路承受能力的校核方法
技术领域
本申请涉及变压器技术领域，尤其涉及一种变压器短路承受能力的校核方法。
背景技术
变压器是电网系统中重要的电气设备。在输电过程中，变压器通过改变传输电压的数值实现对电压的分配传输工作。但是，变压器在遭遇短路等突发事故情况下，极易发生绕组失稳，从而引起电网系统的瘫痪，甚至出现大面积范围的停电事故。因此，对变压器耐短路能力的有效校核成为变压器技术领域的研究热点。
对变压器耐短路能力的校核主要是针对变压器进行短路实验，通过记录和分析数据完成对变压器耐短路能力的校核。
但是对变压器进行短路实验的过程中，由于运输尺寸、时间和资金的限制，无法对所有型号的变压器都进行短路实验。
发明内容
本申请提供了一种变压器短路承受能力的校核方法，适用于校核所有变压器的耐短路能力。
本申请提供一种变压器短路承受能力的校核方法，包括以下步骤，
获取变压器的模型参数，所述模型参数包括所述变压器的容量、高压绕组线电压、低压绕组线电压、负载损耗、短路阻抗以及连接组别；
建立以所述变压器为核心的短路电路，得到变压器三维场路耦合模型；
对所述变压器内部的电磁场进行仿真计算，得到所述变压器绕组受到的磁场力信息；
根据变压器不同的绕组方式，结合所述磁场力信息得到所述变压器绕组受到的应力信息，所述应力信息包含多个应力值；
对比所述应力值与应力许用值标准，得到所述变压器耐短路能力信息。
可选的，所述磁场力信息包括绕组压缩受力值、绕组拉伸受力值、中部垫块弯曲受力值、撑条间弯曲受力值以及倾斜极限受力值。
可选的，所述应力值分别为内绕组压缩应力值、外绕组拉伸应力值、辐向弯曲应力值、轴向弯曲应力值、垫块轴向压缩应力值以及倾斜极限应力值。
可选的，所述变压器绕组为矩形绕组，所述方法按照内绕组压缩应力计算公式和外绕组拉伸应力计算公式得到所述变压器绕组受到的应力信息；
所述内绕组压缩应力计算公式为：
Figure BDA0002674819430000021
所述外绕组拉伸应力计算公式为：
Figure BDA0002674819430000022
其中，F(L)SR、F(L)CR、F(L)LR分别为低压绕组短直边压缩力值、圆角边压缩力值、长直边压缩力值；F(H)SR、F(H)CR、F(H)LR分别为高压绕组短直边拉伸力值、圆角边拉伸力值、长直边拉伸力值；NL、AL分别为所述低压绕组匝数和每匝导线的截面面积；NH、AH分别为所述高压绕组匝数和每匝导线的截面面积；
所述低压绕组辐向弯曲应力计算公式为：
Figure BDA0002674819430000023
其中，F(L)R为低压绕组长直边区域辐向合力值，l为低压绕组长直边区域长度，ld为低压绕组上的撑条间的最大间距，b为导线宽度，a为导线的厚度；
所述高压绕组轴向弯曲应力计算公式为：
Figure BDA0002674819430000024
其中，fz为单位长导线受到的轴向力值，lp为所述高压绕组导线在相邻垫块间的长度，n为导线并联匝数；
倾斜极限应力计算公式为：
Figure BDA0002674819430000025
其中，E为导线弹性模量，μ为导线材料的泊松比，R为矩形绕组的折合半径，L为绕组的长直边长，W为绕组短直边长，r为矩形绕组圆角半径。
可选的，所述变压器绕组为环形绕组，所述方法按照内绕组平均环形压缩应力计算公式和外绕组平均环形拉伸应力计算公式得到所述变压器绕组受到的应力信息；
所述内绕组平均环形压缩应力计算公式为：
Figure BDA0002674819430000031
所述外绕组平均环形拉伸应力计算公式为：
Figure BDA0002674819430000032
其中，F(L)R、F(H)R分别为环形低压绕组压缩力值、环形高压绕组拉伸力值；A(L)Cu、A(H)Cu分别为环形低压绕组导线横截面积、环形高压绕组导线横截面积；
所述垫块轴向压缩应力计算公式为：
Figure BDA0002674819430000033
其中，ms为垫块数量，AS为单个垫块与绕组的有效接触面积，Fzm为绕组所受到的轴向合力值。
可选的，所述方法还包括：若所述应力值满足应力许用值标准，则所述变压器耐短路能力达标；若所述应力值不满足应力许用值标准，则所述变压器耐短路能力不达标。
由以上技术方案可知，本申请提供一种变压器短路承受能力的校核方法，包括：获取变压器的模型参数，建立以所述变压器为核心的短路电路，得到变压器三维场路耦合模型；对所述变压器内部的电磁场进行仿真计算，得到所述变压器绕组受到的磁场力信息；根据变压器不同的绕组方式，结合所述磁场力信息得到所述变压器绕组受到的应力信息，所述应力信息包含多个应力值；对比所述应力值与应力许用值标准，若所述应力值满足应力许用值标准，则所述变压器耐短路能力达标，若所述应力值不满足应力许用值标准，则所述变压器耐短路能力不达标。本申请所提供的一种变压器短路承受能力的校核方法，适用于校核所有变压器的耐短路能力。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一种变压器短路承受能力的校核方法流程图；
图2为本申请一种变压器矩形绕组结构示意图；
图3为本申请一种变压器环形绕组结构示意图。
具体实施方式
下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。
在电力系统中，变压器在运行过程中常会出现短路现象，常见的短路故障有单相接地短路、两相接地短路以及三相接地短路等。在短路冲击下，变压器短路电流将高于变压器所能承受的极限电流，在短路电流的作用下会产生短路漏磁场，短路电流与漏磁场共同作用，对绕组会产生力的作用，会使绕组产生形变甚至损坏。若绕组能承受该力的作用，则该变压器具有短路稳定性，能够承受住短路冲击；若绕组不能承受该力的作用导致变压器发生形变甚至损坏，则该变压器不具有短路稳定性，不能承受住短路冲击。国内外变压器厂均开展了抗短路能力方面的相关研究，形成各自的核算模型，但这些模型均不具备通用性，关于变压器抗短路能力也没有统一的校核方法。本申请提供了一种变压器短路承受能力的校核方法，有利于对变压器的抗短路能力开展统一的校核工作。
本申请提供一种变压器短路承受能力的校核方法，参见图1，包括以下步骤，获取变压器的模型参数，所述模型参数包括所述变压器的容量、高压绕组线电压、低压绕组线电压、负载损耗、短路阻抗以及连接组别。根据变压器的模型参数在仿真平台建立以所述变压器为核心的短路电路，得到变压器三维场路耦合模型。
需要说明的是，参见图2和图3，变压器不同的绕组方式决定了变压器结构的多样性。参见图2为本申请一种变压器矩形绕组结构示意图，所述变压器矩形绕组结构包括外绕组1、内绕组2、垫块3以及撑条4。此外，绕组围成结构的各边分别为长直边5、短直边6以及圆角边7。所述内绕组2和外绕组1间设有垫块3，起到支撑和隔离的作用，所述垫块3由绝缘材料制成。所述垫块3表面设有撑条4，所述撑条4连接所述内绕组2和外绕组1，所述撑条4起支撑作用，限制所述内绕组2和外绕组1发生形变。参见图3为本申请一种变压器环形绕组结构示意图,所述变压器环形绕组结构包括内绕组2、外绕组1、垫块3以及撑条4。与变压器矩形绕组结构不同的是，数个所述垫块3有间隔的排开围成一个环形结构，外绕组1缠绕在所述环形结构的外壁，内绕组2缠绕在所述环形结构的内壁，在环形结构的内侧设有撑条4，所述撑条4与所述内绕组2接触并固定在所述垫块3上，使得所述环形绕组结构稳定。
当所述变压器通过短路电流时，变压器周围仍会发生电磁感应现象，产生电磁场，处在电磁场中的绕组由于有电流的通过，会受到磁场力的作用，对变压器绕组受到的磁场力可以进行定量的分析，设定精确的磁场强度值，则作用在绕组各部位上的磁场力的值可应用有限元方法由公式F＝N∫vBJdv求得。所述磁场力的值包括绕组压缩受力值、绕组拉伸受力值、中部垫块弯曲受力值、撑条间弯曲受力值以及倾斜极限受力值。
由所述绕组压缩受力值、绕组拉伸受力值、中部垫块弯曲受力值、撑条间弯曲受力值以及倾斜极限受力值通过计算得到所述变压器绕组结构各部位受到的应力值，由于所述变压器矩形绕组和环形绕组结构不同，因此关于变压器绕组受到的应力值的计算不同。
对于一个具有矩形绕组结构的变压器：
所述内绕组压缩应力计算公式为：
Figure BDA0002674819430000051
所述外绕组拉伸应力计算公式为：
Figure BDA0002674819430000052
其中，F(L)SR、F(L)CR、F(L)LR分别为低压绕组短直边压缩力值、圆角边压缩力值、长直边压缩力值；F(H)SR、F(H)CR、F(H)LR分别为高压绕组短直边拉伸力值、圆角边拉伸力值、长直边拉伸力值；NL、AL分别为低压绕组匝数和每匝导线的截面面积；NH、AH分别为高压绕组匝数和每匝导线的截面面积。
设定沿所述撑条4长边方向为轴向，与所述撑条4长边方向垂直的方向为辐向。由于所述外绕组1和内绕组2上存在不同的电压，因此所述变压器绕组也可分为高压绕组和低压绕组。对于高压绕组，由于高压绕组受到磁场力的作用将会产生向外扩张的效果，因此所述高压绕组受到的应力应为拉伸应力。此外，在轴向电动力的作用下，线圈具有弯曲变形的趋势，使得高压绕组还受到弯曲应力的作用。对于低压绕组，由于低压绕组受到磁场力的作用将会产生向内收缩的效果，因此所述低压绕组受到的应力应为压缩应力和弯曲应力。
所述低压绕组辐向弯曲应力计算公式为：
Figure BDA0002674819430000061
其中，F(L)R为低压绕组长直边5区域辐向合力值，l为低压绕组长直边5区域长度，ld为低压绕组上的撑条4间的最大间距，b为导线宽度，a为导线的厚度。
所述高压绕组轴向弯曲应力计算公式为：
Figure BDA0002674819430000062
其中，fz为单位长导线受到的轴向力值，lp为绕组导线在相邻垫块3间的长度，n为导线并联匝数。
当轴向力对所述变压器环形绕组过大压缩时，会导致撑条4断裂，使得所述变压器环形绕组结构丧失稳定性，发生倾斜，即在绕组辐向宽度内同一排相邻导线会出现整体向同一方向倾斜，沿轴向相邻的下面一排导线则整体向相反的方向倾斜，由压曲失稳理论可得，倾斜极限应力计算公式为：
Figure BDA0002674819430000063
Figure BDA0002674819430000064
其中，E为导线弹性模量，μ为导线材料的泊松比，R为矩形绕组的折合半径，L为绕组的长直边5长，W为绕组短直边6长，r为矩形绕组圆角半径。
对于一个具有环形绕组结构的变压器,
所述内绕组平均环形压缩应力计算公式为：
Figure BDA0002674819430000065
所述外绕组平均环形拉伸应力计算公式为：
Figure BDA0002674819430000066
其中，F(L)R、F(H)R分别为环形低压绕组压缩力值、环形高压绕组拉伸力值；A(L)Cu、A(H)Cu分别为环形低压绕组导线横截面积、环形高压绕组导线横截面积。
所述垫块轴向压缩应力计算公式为：
Figure BDA0002674819430000067
其中，ms为垫块3数量，AS为单个垫块3与绕组的有效接触面积，Fzm为绕组所受到的轴向合力值。
基于材料学的原理，由标准GB1094.5可知，变压器许用值标准为：
Figure BDA0002674819430000071
将计算所得的所述变压器内绕组压缩应力值、外绕组拉伸应力值、辐向弯曲应力值、轴向弯曲应力值、垫块轴向压缩应力值以及倾斜极限应力值与变压器许用值标准对比，若所述变压器内绕组压缩应力值、外绕组拉伸应力值、辐向弯曲应力值、轴向弯曲应力值、垫块轴向压缩应力值以及倾斜极限应力值满足应力许用值标准，则所述变压器耐短路能力达标；若所述变压器内绕组压缩应力值、外绕组拉伸应力值、辐向弯曲应力值、轴向弯曲应力值、垫块轴向压缩应力值以及倾斜极限应力值不满足应力许用值标准，则所述变压器耐短路能力不达标。
由以上技术方案可知，本申请提供一种变压器短路承受能力的校核方法，包括：获取变压器的模型参数，建立以所述变压器为核心的短路电路，得到变压器三维场路耦合模型；对所述变压器内部的电磁场进行仿真计算，得到所述变压器绕组受到的磁场力信息；根据变压器不同的绕组方式，结合所述磁场力信息得到所述变压器绕组受到的应力信息，所述应力信息包含多个应力值；对比所述应力值与应力许用值标准，若所述应力值满足应力许用值标准，则所述变压器耐短路能力达标，若所述应力值不满足应力许用值标准，则所述变压器耐短路能力不达标。本申请所提供的一种变压器短路承受能力的校核方法，适用于校核所有变压器的耐短路能力。
本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (3)

1.一种变压器短路承受能力的校核方法，其特征在于，包括以下步骤，
获取变压器的模型参数，所述模型参数包括所述变压器的容量、高压绕组线电压、低压绕组线电压、负载损耗、短路阻抗以及连接组别；
建立以所述变压器为核心的短路电路，得到变压器三维场路耦合模型；
对所述变压器内部的电磁场进行仿真计算，得到所述变压器绕组受到的磁场力信息；
根据变压器不同的绕组方式，结合所述磁场力信息得到所述变压器绕组受到的应力信息，所述应力信息包含多个应力值；所述应力值分别为内绕组压缩应力值、外绕组拉伸应力值、辐向弯曲应力值、轴向弯曲应力值、垫块轴向压缩应力值以及倾斜极限应力值；
所述变压器绕组为矩形绕组，所述方法按照内绕组压缩应力计算公式和外绕组拉伸应力计算公式得到所述变压器绕组受到的应力信息；
所述内绕组压缩应力计算公式为：
Figure FDA0003813695410000011
所述外绕组拉伸应力计算公式为：
Figure FDA0003813695410000012
其中，F(L)SR、F(L)CR、F(L)LR分别为低压绕组短直边压缩力值、圆角边压缩力值、长直边压缩力值；F(H)SR、F(H)CR、F(H)LR分别为高压绕组短直边拉伸力值、圆角边拉伸力值、长直边拉伸力值；NL、AL分别为所述低压绕组匝数和每匝导线的截面面积；NH、AH分别为所述高压绕组匝数和每匝导线的截面面积；
所述低压绕组辐向弯曲应力计算公式为：
Figure FDA0003813695410000013
其中，F(L)R为低压绕组长直边(5)区域辐向合力值，l为低压绕组长直边(5)区域长度，ld为低压绕组上的撑条(4)间的最大间距，b为导线宽度，a为导线的厚度；
所述高压绕组轴向弯曲应力计算公式为：
Figure FDA0003813695410000021
其中，fz为单位长导线受到的轴向力值，lp为所述高压绕组导线在相邻垫块(3)间的长度，n为导线并联匝数；
倾斜极限应力计算公式为：
Figure FDA0003813695410000022
其中，E为导线弹性模量，μ为导线材料的泊松比，R为矩形绕组的折合半径，L为绕组的长直边(5)长，W为绕组短直边(6)长，r为矩形绕组圆角半径；
所述变压器绕组为环形绕组，所述方法按照内绕组平均环形压缩应力计算公式和外绕组平均环形拉伸应力计算公式得到所述变压器绕组受到的应力信息；
所述内绕组平均环形压缩应力计算公式为：
Figure FDA0003813695410000023
所述外绕组平均环形拉伸应力计算公式为：
Figure FDA0003813695410000024
其中，F(L)R、F(H)R分别为环形低压绕组压缩力值、环形高压绕组拉伸力值；A(L)Cu、A(H)Cu分别为环形低压绕组导线横截面积、环形高压绕组导线横截面积；
所述垫块轴向压缩应力计算公式为：
Figure FDA0003813695410000025
其中，ms为垫块(3)数量，AS为单个垫块(3)与绕组的有效接触面积，Fzm为绕组所受到的轴向合力值；
对比所述应力值与应力许用值标准，得到所述变压器耐短路能力信息。
2.根据权利要求1所述的一种变压器短路承受能力的校核方法，其特征在于，所述磁场力信息包括绕组压缩受力值、绕组拉伸受力值、中部垫块弯曲受力值、撑条(4)间弯曲受力值以及倾斜极限受力值。
3.根据权利要求1所述的一种变压器短路承受能力的校核方法，其特征在于，所述方法还包括：若所述应力值满足应力许用值标准，则所述变压器耐短路能力达标；若所述应力值不满足应力许用值标准，则所述变压器耐短路能力不达标。
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