一種變壓器短路沖擊電流的有限元計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于變壓器軟件仿真的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種電力變壓器突發(fā)外部短路 沖擊電流的仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電力變壓器時(shí)電力系統(tǒng)中十分重要和昂貴的設(shè)備之一。它的運(yùn)行狀況不僅影響其 本身的安全，而且影響著整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。長(zhǎng)期以來(lái)，電力變壓器的安 全、可靠運(yùn)行一直受到電力運(yùn)行和管理部門(mén)的普遍重視，這也是系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行 的重要指標(biāo)。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)電的需求越來(lái)越大，電力變壓器所發(fā)揮的作 用也日益重要，并且朝著電壓等級(jí)和容量更大的方向發(fā)展。
[0003] 在現(xiàn)場(chǎng)變壓器的故障統(tǒng)計(jì)中，由短路所引起的故障占了很高的比重，表1-1是對(duì) 一段時(shí)間內(nèi)電力變壓器的故障統(tǒng)計(jì)，從表中可以看到在五年的時(shí)間里110kV及以上電壓等 級(jí)的變壓器共發(fā)生事故235臺(tái)次，其中由于短路損壞而造成的事故共有87臺(tái)次，占變壓器 總事故臺(tái)次的37. 02%
[0004] 表1 1994-1999年全國(guó)110kV及以上變壓器短路損壞事故臺(tái)數(shù)統(tǒng)計(jì)
[0005]
[0006] _從以上數(shù)據(jù)不難看出，由于短路時(shí)變壓器抗短路能力不夠所導(dǎo)致的事故是影響 電力變壓器安全運(yùn)行的主要因素。這主要是由于變壓器發(fā)生短路故障時(shí)，繞組導(dǎo)線中將流 過(guò)遠(yuǎn)大于正常電流值的短路電流，因而在變壓器內(nèi)將產(chǎn)生數(shù)值很大的磁場(chǎng)。在短路電流和 短路磁場(chǎng)的作用下，導(dǎo)線將受到十分巨大的電動(dòng)力作用，短路電動(dòng)力約為正常值得上百 倍。如果變壓器的短路抵抗能力設(shè)計(jì)的不夠合理，則繞組的結(jié)構(gòu)在短路電動(dòng)力的作用下可 能發(fā)生形變，甚至導(dǎo)致繞組的跨塌。因此，通過(guò)有限元方法對(duì)變壓器突發(fā)外部短路故障下， 流經(jīng)變壓器繞組的短路電流進(jìn)行計(jì)算和校核是非常重要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的主要目的在于：針對(duì)傳統(tǒng)的簡(jiǎn)化電路解析法以及試驗(yàn)法計(jì)算短路電流的 缺點(diǎn)和不足，采用有限元法能夠較好的計(jì)算不同繞組結(jié)構(gòu)的短路阻抗以及不同故障下的短 路電流，能夠大大的簡(jiǎn)化工作量。該方法主要包括以下步驟：
[0008] 1.利用三維建模軟件（如Inventor)根據(jù)變壓器繞組和鐵芯的實(shí)際尺寸建立三維 模型；
[0009] 2.設(shè)置線圈截面、電流方向以及匝數(shù)，高低壓繞組的電流方向相反；
[0010] 3.設(shè)置高低壓繞組的激勵(lì)源為外電路，并將繞組名稱對(duì)應(yīng)下的線圈截面添加到繞 組中；
[0011] 4.利用Editcircuit編輯外電路，在外電路中需要根據(jù)系統(tǒng)電壓和容量以及線 圈電阻設(shè)置電壓源以及電阻，各線圈均需要單獨(dú)接地；
[0012] 5.利用ANSYSMaxwell自帶的計(jì)算器功能對(duì)短路沖擊電流Is。進(jìn)行計(jì)算，獲得仿 真結(jié)果。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖做簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0014] 附圖1為本發(fā)明提供的變壓器仿真模型剖視圖；
[0015] 附圖2為本發(fā)明提供的變壓器仿真模型俯視圖；
[0016] 附圖3為本發(fā)明提供的變壓器鐵芯磁化曲線圖；
[0017] 附圖4為本發(fā)明提供的變壓器短路沖擊電流的計(jì)算流程圖；
[0018] 其中，1為變壓器高壓繞組，2為變壓器低壓繞組，3為變壓器鐵芯，4為變壓器油 箱，5為高壓繞組單餅繞組，6為低壓繞組單餅繞組，7為變壓器油，8為低壓繞組的單匝線 圈，9為高壓繞組的單匝線圈。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合 附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用 以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0020] 參考圖1、圖2及圖4,本發(fā)明提供一種變壓器繞組短路沖擊電流的有限元計(jì)算方 法，包括以下步驟：
[0021] 在三維軟件中，根據(jù)變壓器尺寸建立正常變壓器仿真模型，包括有匝數(shù)為N1的高 壓側(cè)繞組1，匝數(shù)為N2的低壓側(cè)繞組2,鐵芯3;
[0022] 所述的高壓側(cè)繞組1由相同尺寸的餅式結(jié)構(gòu)5組成，各線餅之間沒(méi)有物理接觸，線 餅間存在墊塊；
[0023] 所述的高壓側(cè)繞組1由相同尺寸的餅式結(jié)構(gòu)6組成，各線餅之間沒(méi)有物理接觸，線 餅間存在墊塊；
[0024] 高低壓繞組分別套裝在鐵芯柱上，繞組圓心與鐵芯柱的中心重合；
[0025] 設(shè)置高壓繞組的1的單匝線圈9為一個(gè)coilterminal，并設(shè)置電流流向?yàn)轫槙r(shí)針 方向，所述的具體步驟為：采用surfacesection命令對(duì)高壓繞組1按照xz平面切割，獲得 高壓繞組1各餅線圈的截面，選中所有截面上設(shè)置為coilterminal并按照實(shí)際尺寸設(shè)置 匝數(shù)，并將電流的方向設(shè)置為順時(shí)針；
[0026] 設(shè)置高壓繞組的2的單匝線圈8為一個(gè)coilterminal，并設(shè)置電流流向?yàn)轫槙r(shí)針 方向，所述的具體步驟為：采用surfacesection命令對(duì)高壓繞組2按照xz平面切割，獲得 高壓繞組2各餅線圈的截面，選中所有截面上設(shè)置為coilterminal并按照實(shí)際尺寸設(shè)置 匝數(shù)，并將電流的方向設(shè)置為逆時(shí)針；
[0027] 利用winding命名，設(shè)置winding的激勵(lì)方式為外電路，分別建立高低壓繞組具有 "電路-有限元"耦合器件，并將各繞組下的coil添加到winding下；
[0028] 利用editcircuit將winding器件加入到外電路模型中，并且根據(jù)系統(tǒng)電壓等級(jí) 與短路電流估算系統(tǒng)短路阻抗Z，估算方法如下：
[0029]
[0030]其中U為系統(tǒng)電壓，I為系統(tǒng)發(fā)生母線短路故障時(shí)，母線上的電流；
[0031] 根據(jù)需要將高低壓繞組winding中的一個(gè)與系統(tǒng)電壓源，短路阻抗，線圈電阻連 接成為閉合回路，其中winding同名端接地，設(shè)置電壓源頻率為50Hz;
[0032] 將高低壓繞組winding中的令一個(gè)與線圈電阻，線路電阻連接成為閉合回路，其 中winding同名端接地；
[0033] 對(duì)有限元模型中的鐵芯、繞組材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率進(jìn)行設(shè)置，其中鐵芯的B-H曲 線如附圖3所示；
[0034] 設(shè)置求解區(qū)域，并對(duì)求解區(qū)域的邊界按照變壓器箱體材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率，設(shè) 置為阻抗邊界條件；
[0035] 根據(jù)實(shí)際變壓器繞組的尺寸對(duì)繞組網(wǎng)格按照onselection進(jìn)行設(shè)置，鐵芯網(wǎng)格安 照inselection進(jìn)行設(shè)置；
[0036] 在計(jì)算結(jié)果中，通過(guò)創(chuàng)建新的報(bào)告按照高低壓繞組電流的變量獲得短路電流隨時(shí) 間的曲線，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到excel表格中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種變壓器短路沖擊電流的有限元計(jì)算方法其特征是，包括以下步驟： 1) 利用三維建模軟件如Inventor根據(jù)變壓器繞組和鐵芯的實(shí)際尺寸建立三維模型； 2) 設(shè)置線圈截面、電流方向以及匝數(shù)，高低壓繞組的電流方向相反； 3) 設(shè)置高低壓繞組的激勵(lì)源為外電路，并將繞組名稱對(duì)應(yīng)下的線圈截面添加到繞組 中； 4) 利用Editcircuit編輯外電路，在外電路中需要根據(jù)系統(tǒng)電壓和容量以及線圈電 阻設(shè)置電壓源以及電阻，各線圈均需要單獨(dú)接地； 5) 利用ANSYSMaxwell自帶的計(jì)算器功能對(duì)短路沖擊電流Is。進(jìn)行計(jì)算，獲得仿真結(jié) 果。
【專利摘要】一種變壓器短路沖擊電流的有限元計(jì)算方法，包括以下步驟：根據(jù)變壓器尺寸建立變壓器繞組和鐵芯的三維模型；設(shè)置變壓器繞組的激勵(lì)條件和邊界條件；建立具有耦合計(jì)算功能的外電路；對(duì)不同故障下的短路電流進(jìn)行計(jì)算，獲得短路電流隨時(shí)間的變化關(guān)系。
【IPC分類】G06F17/50
【公開(kāi)號(hào)】CN105205236
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510573313
【發(fā)明人】錢(qián)國(guó)超, 于虹, 劉光琪, 顏冰, 鄒德旭, 汲勝昌, 張凡
【申請(qǐng)人】云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院, 西安交通大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月30日
【申請(qǐng)日】2015年9月10日