本發(fā)明屬于變壓器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種變壓器繞組固有頻率計算方法。
背景技術(shù)：
電力變壓器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一。電力變壓器因外部短路而損壞原因眾多，情況復(fù)雜。從近年來統(tǒng)計顯示，變壓器本身抗短路能力不足，是造成其損壞主要原因。其中，由于繞組軸向預(yù)緊力不足，繞組在軸向力作用下出現(xiàn)結(jié)構(gòu)松動，繞組變形的事故也呈上升趨勢。
電力變壓器繞組固有頻率是變壓器設(shè)計的一個重要技術(shù)指標(biāo)。如果變壓器繞組固有頻率和短路力頻率相近，則易發(fā)生諧振。振動可能造成變壓器繞組松動，甚至嚴(yán)重破壞。所以，變壓器設(shè)計時繞組固有頻率應(yīng)避開短路力頻率，避免發(fā)生短路諧振。變壓器繞組固有頻率目前采用三維有限元法計算，但是三維有限元法計算變壓器繞組固有頻率過程復(fù)雜，運算量大。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種變壓器繞組固有頻率計算方法，解決了目前三維有限元法計算變壓器繞組固有頻率過程復(fù)雜的問題。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是按照以下步驟進行：
步驟1：在ansys中建立變壓器繞組的二維軸對稱模型；
步驟2：計算變壓器繞組結(jié)構(gòu)的等效密度、等效彈性模量，在ansys中定義并分配材料屬性參數(shù)。
步驟3：劃分網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，控制網(wǎng)格形狀，并避免出現(xiàn)畸變。
步驟4：設(shè)置繞組位移約束條件，分別對壓板的上邊界和托板的下邊界施加全位移約束。
步驟5：對模型進行模態(tài)分析，輸出計算結(jié)果。
步驟6：修改墊塊層、端圈和端絕緣的等效彈性模量，等效不同預(yù)緊力的作用效果，計算繞組各階固有頻率。
進一步，步驟1中ansys中建立變壓器二維有限元模型是指在ansysmechanicalapdl軟件環(huán)境下，選擇plane13有限元單元，設(shè)置單元具有ux、uy自由度，選取二維軸對稱建模方式，根據(jù)變壓器繞組結(jié)構(gòu)尺寸，建立二維軸對稱模型。
進一步，步驟2中的變壓器繞組各結(jié)構(gòu)包括繞組線餅、墊塊層、端圈、端絕緣。
進一步，步驟2中的墊塊、端圈和端絕緣假設(shè)均采用絕緣紙板制成，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表示為：
σ＝aε+bε3(1)
式中：σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變；a為線性常數(shù)；b為硬化系數(shù)；
其中a＝105mpa；b＝1750mpa；
彈性模量表示為：
考慮軸向預(yù)緊力作用影響，根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，得不同預(yù)緊力下絕緣紙
板的彈性模量；
考慮兩相在載荷作用下產(chǎn)生相同的應(yīng)變，建立了voigt模型：
eφ＝φ1e1+φ2e2(3)
考慮兩相承受相同的應(yīng)力，建立了reuss模型：
式中：eφ為材料的等效彈性模量；e1為絕緣紙板的彈性模量；e2為空隙的彈性模量；φ1和φ2分別為絕緣紙板和空隙的體積分?jǐn)?shù)，且φ1+φ2＝1；墊塊層采用voigt模型等效；端圈采用多層層壓式結(jié)構(gòu)，具有兩種結(jié)構(gòu)屬性，將其按結(jié)構(gòu)特點縱向劃分為幾部分，采用voigt模型和reuss模型的組合計算。
進一步，步驟3中模型整體網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.02，采用四邊形剖分。
進一步，步驟5中模態(tài)分析采用blocklanczos法，計算前20階固有頻率。
本發(fā)明的有益效果是可實現(xiàn)快速等效計算不同預(yù)緊力下的各階固有頻率。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。
本發(fā)明變壓器繞組固有頻率計算方法的計算步驟如下：
步驟1：在ansys中建立變壓器繞組的二維軸對稱模型。在ansysmechanicalapdl軟件環(huán)境下，選擇plane13有限元單元，設(shè)置單元具有ux、uy自由度，選取二維軸對稱建模方式，根據(jù)變壓器繞組結(jié)構(gòu)尺寸，建立二維軸對稱模型。
步驟2：計算變壓器繞組結(jié)構(gòu)的等效材料屬性。
(1)計算繞組線餅、墊塊層、端圈和端絕緣的等效密度；
(2)計算在軸向預(yù)緊力作用下墊塊層、端圈和端絕緣的等效彈性模量。
在ansys中定義并分配各結(jié)構(gòu)的材料屬性：等效密度、等效彈性模量、泊松比。
由于墊塊、端圈和端絕緣等結(jié)構(gòu)，均采用絕緣紙板制成，在一定范圍內(nèi)，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可表示為：
σ＝aε+bε3(1)
式中：σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變；a為線性常數(shù)；b為硬化系數(shù)。
通過實驗可測得：a＝105mpa；b＝1750mpa。
其彈性模量可表示為：
考慮軸向預(yù)緊力作用影響，根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，可得不同預(yù)緊力下絕緣紙板的彈性模量。
考慮各相同性的兩種材料的結(jié)合方式不同，分別建立了voigt模型和reuss模型。
考慮兩相在載荷作用下產(chǎn)生相同的應(yīng)變，建立了voigt模型：
eφ＝φ1e1+φ2e2(3)
考慮兩相承受相同的應(yīng)力，建立了reuss模型：
式中：eφ為材料的等效彈性模量；e1為絕緣紙板的彈性模量；e2為空隙的彈性模量；φ1和φ2分別為絕緣紙板和空隙的體積分?jǐn)?shù)，且φ1+φ2＝1。墊塊層可以采用voigt模型等效。端圈采用多層層壓式結(jié)構(gòu)，具有兩種結(jié)構(gòu)屬性，將其按結(jié)構(gòu)特點縱向劃分為幾部分，采用voigt模型和reuss模型的組合計算。
步驟3：劃分網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，控制網(wǎng)格形狀，并避免出現(xiàn)畸變。本發(fā)明模型整體網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.02，采用四邊形剖分。
步驟4：設(shè)置繞組位移約束條件，分別對壓板的上邊界和托板的下邊界施加全位移約束。
步驟5：對模型進行模態(tài)分析，輸出計算結(jié)果。模態(tài)分析采用blocklanczos法，計算前20階固有頻率。
步驟6：修改墊塊層、端圈和端絕緣的等效彈性模量，等效不同預(yù)緊力的作用效果，計算繞組各階固有頻率。
本發(fā)明公開了一種變壓器繞組固有頻率計算方法，主要包括以下步驟：用ansys建立變壓器繞組二維有限元模型；根據(jù)繞組結(jié)構(gòu)和軸向預(yù)緊力大小，賦予其等效參數(shù)；采用模態(tài)分析法，計算其各階固有頻率；通過修改繞組等效彈性模量參數(shù)，考慮其不同預(yù)緊力作用下的各階固有頻率。本方法實現(xiàn)了變壓器繞組的二維動力學(xué)等效，及快速計算不同預(yù)緊力下的各階固有頻率。
以上所述僅是對本發(fā)明的較佳實施方式而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施方式所做的任何簡單修改，等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。