CN112906254A - 一种变压器绕组漏磁场仿真建模方法 - Google Patents

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赵建利
车传强
徐大鹏
寇正
赵建坤
王磊
王振中
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Abstract

本发明公开了一种变压器绕组漏磁场仿真建模方法，涉及电力技术领域，针对现有技术无法精确模拟变压器漏磁场的问题，提出如下方案，包括：获取待建模变压器绕组的建模信息，并根据建模信息按照油道近似压缩法，建立变压器绕组漏磁区域初步线饼模型；根据导线绕制形式和导线匝规格数据，建立变压器绕组漏磁场绕组导体环模型；使用轴对称平面单元进行网格自由划分；根据各线圈电路连接关系和安匝平衡原则，按导线绕制顺序施加各线匝区域边界条件，建立变压器绕组二维漏磁仿真的有限元模型，并计算。本发明创建了变压器绕组漏磁场绕组导体环模型，采用油道近似压缩法，按匝建立了绕组模型，可模拟绕组实物下的状态，能准确模拟变压器漏磁场。

Description

一种变压器绕组漏磁场仿真建模方法
技术领域
本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种变压器绕组漏磁场仿真建模方法。
背景技术
在电力系统中变压器是电能转换与传输的核心器件，其工作原理是根据电磁感应原理，使一次绕组和二次绕组发生电磁联系，从而实现电压、电流或阻抗的变化。变压器绕组是其核心部件，其工作运行的稳定性关系着整个电力系统的正常运行，随着电网规模的不断扩大，对变压器性能稳定性的要求越高，同时随着变压器容量的持续提高，其损耗和短路稳定性越来越引起制造厂家与电力运行商的关注，而对以上问题分析精准的前提是准确分析变压器绕组漏磁场。
因此如何准确计算变压器绕组漏磁场是非常必要的。目前变压器绕组漏磁场分析的方法主要包括工程经验公式法和数值模拟法。工程经验公式法上是在将计算场域给予很大简化的情况下对变压器的磁场进行计算的，在得到线圈中轴向磁感应强度的最大值后，再估算其它部位的磁场分布，所以要想精确的得到所有部位磁场分布的准确数值，通过工程经验公式法是十分困难的；随着数值计算的发展，有限元软件有足够的工程精度满足电磁场仿真计算，但通用的变压器绕组漏磁场有限元计算中，其按饼或层建立的磁场仿真数学模型只能用于分析特定的物理问题，不能应用其数学模型分析其他问题，导致在后续的损耗和短路稳定性上需要重新建模。因此深入研究变压器绕组需要建立一个精确描述各种变压器绕组的模型的方法，进而可以利用此模型及漏磁仿真数据进行其损耗和短路稳定性的计算，保证绕组的安全、稳定运行。
发明内容
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种变压器绕组漏磁场仿真建模方法，包括以下步骤：
S1、获取待建模变压器绕组的建模信息，并根据建模信息按照油道近似压缩法，建立变压器绕组漏磁区域初步线饼模型；
S2、根据导线绕制形式和导线匝规格数据建立变压器绕组漏磁场导体环计算模型；
S3、使用轴对称平面单元进行网格自由划分；
S4、根据各线圈电路连接关系和安匝平衡原则，按导线绕制顺序施加各线匝区域边界条件；
S5、建立变压器绕组二维漏磁仿真的有限元模型，并计算。
优选的，步骤S1中，所述建模信息包括：铁心直径、铁心窗高、油箱宽度、绕组与下铁轭距离、线圈高度、线圈饼数。
优选的，步骤S2中，所述数据包括：线圈形式、导线线规、进线方式、线圈电流、线圈匝数。
优选的，步骤S4中，施加各线匝区域边界条件满足以下条件：当变压器工作在负载状态时，一、二次侧线圈满足磁势平衡原理，由于励磁电流在数值上很小(可以忽略)，则磁势平衡原理公式如下：
I1W1+I2W2＝0 (1)
式中：I1、I2-一、二次线圈电流；
W1、W2-一、二次侧线圈匝数；
一次侧线圈磁势和二次侧线圈磁势在数值上相等，在相位上相差180°。
本发明的有益效果为：
本发明创建了变压器绕组漏磁场导体环计算模型，采用油道近似压缩法，按匝建立了绕组模型，可模拟绕组实物下的状态，能准确模拟变压器漏磁场；在保证计算精度的前提下，根据模型特性按照其周向对称的特征，将模型简化为窗内二维模型分析，大大降低计算要求；此外，利用该模型，根据绕组导线漏磁数据、导线线规和绕值形式还可以进行相关损耗与短路力的延伸计算。
附图说明
图1为本发明的建模方法的路线图；
图2为本发明的变压器绕组漏磁区域初步线饼模型的局部图；
图3为本发明的变压器绕组漏磁场导体环计算模型图；
图4为本发明的绕圈网格划分图；
图5为本发明的变压器仿真模型相关电路图。
图中标号：1、线圈线饼；2、铁心柱外直径面；3、低压线圈；4、高压线圈；5、调压线圈；6、线圈导线；7、中压线圈；8、油箱外壁面；9、铁心上窗面；10、铁心下窗面；11、换位导线；12、组合导线；13、线饼号。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-5，本发明的目的是为变压器设计、维护人员提供一种变压器绕组漏磁场仿真建模方法，包括以下步骤：
S1、获取待建模变压器绕组的建模信息，并根据建模信息按照油道近似压缩法，建立变压器绕组漏磁区域初步线饼模型；
S2、根据导线绕制形式和导线匝规格数据，建立变压器绕组漏磁场导体环计算模型；
S3、使用轴对称平面单元进行网格自由划分；
S4、根据各线圈电路连接关系和安匝平衡原则，按导线绕制顺序施加各线匝区域边界条件；
这里，当变压器工作在负载状态时，一、二次侧线圈满足磁势平衡原理，由于励磁电流在数值上很小(可以忽略)，则磁势平衡原理公式如下：
I1W1+I2W2＝0 (1)
式中：I1、I2-一、二次线圈电流；
W1、W2-一、二次侧线圈匝数；
一次侧线圈磁势和二次侧线圈磁势在数值上相等，在相位上相差180°。对与漏磁场计算模型中施加激励应是在一、二次线圈上分别施加安匝平衡面电流密度。
S5、建立变压器绕组二维漏磁仿真的有限元模型，并计算。
本发明的实施例中，一种变压器绕组漏磁场仿真建模方法，具体过程如下：
(I)获取待建模变压器绕组的建模信息的所有相关数据如下：
变压器型号：SSZ13-180000/220；
运行容量：180/180/90MVA；
铁芯直径(mm)：910；
铁芯窗高(mm)：2170；
油箱宽度(mm)：2560；
Figure BSA0000195184240000051
根据上述数据，建立变压器绕组漏磁区域初步线饼模型(见图2)以及变压器绕组漏磁场导体环计算模型图(见图3)；
(II)使用轴对称平面单元进行模型自适应网格划分，得到绕圈网格划分图(见图4)；
(III)分析最小档，高压线圈与中压线圈漏磁场，以及电路连接图(图5)：高压与调压线圈串联作为一次线圈，中压线圈作为二次线圈，根据磁势平衡原理式(1)，进行安匝平衡判断；
I1W1+I2W2＝0 (1)
式中：I1、I2-一、二次线圈电流；
W1、W2-一、二次侧线圈匝数；
(IV)根据各线圈电路连接关系和安匝平衡原则，按导线绕制顺序施加电流密度J：
J＝I/S (2)
式中：I——导线流过的电流(A)；
S——导线的截面积(m2)；
(V)计算变压器绕组漏磁场，根据计算结果、导线形式、导线屈服强度、线圈直径、档位可利用该模型计算相关损耗与短路力。
本发明创建了变压器绕组漏磁场导体环计算模型图的建模方法，采用油道近似压缩法，按匝建立了绕组模型，可模拟绕组实物下的状态，能准确模拟变压器漏磁场，在保证计算精度的前提下，根据模型特性按照其周向对称的特征，将模型简化为窗内二维模型分析，大大降低计算要求，能较为准确模拟变压器漏磁场；此外，利用该模型，根据绕组导线漏磁数据、导线线规和绕值形式还可以进行相关损耗与短路力的延伸计算。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种变压器绕组漏磁场仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取待建模变压器绕组的建模信息，并根据建模信息按照油道近似压缩法，建立变压器绕组漏磁区域初步线饼模型；
S2、根据导线绕制形式和导线匝规格数据建立变压器绕组漏磁场导体环计算模型；
S3、使用轴对称平面单元进行网格自由划分；
S4、根据各线圈电路连接关系和安匝平衡原则，按导线绕制顺序施加各线匝区域边界条件；
S5、建立变压器绕组二维漏磁仿真的有限元模型，并计算。
2.根据权利要求1所述的变压器绕组漏磁场仿真建模方法，其特征在于，步骤S1中，所述建模信息包括：铁心直径、铁心窗高、油箱宽度、绕组与下铁轭距离、线圈高度、线圈饼数。
3.根据权利要求1所述的一种变压器绕组漏磁场仿真建模方法，其特征在于，步骤S2中，所述数据包括；线圈形式、导线线规、进线方式、线圈电流、线圈匝数。
4.根据权利要求1所述的一种变压器绕组漏磁场仿真建模方法，其特征在于，步骤S4中，施加各线匝区域边界条件满足以下条件：当变压器工作在负载状态时，一、二次侧线圈满足磁势平衡原理，由于励磁电流在数值上很小(可以忽略)，则磁势平衡原理公式如下：
I1W1+I2W2＝0 (1)
式中：I1、I2-一、二次线圈电流；
W1、W2-一、二次侧线圈匝数；
一次侧线圈磁势和二次侧线圈磁势在数值上相等，在相位上相差180°。
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