變壓器穩態時漏磁場及繞組振動位移計算方法與流程
2023-05-31 01:39:06
本發明涉及一種變壓器穩態時漏磁場及繞組振動位移計算方法。
背景技術：
電力變壓器是電力系統中十分重要和昂貴的設備之一。它的運行狀況不僅影響其本身的安全，而且影響著整個電力系統運行的穩定性和可靠性。長期以來，電力變壓器的安全、可靠運行一直受到電力運行和管理部門的普遍重視，這也是系統安全、穩定和經濟運行的重要指標。隨著國民經濟的快速發展，人們對電的需求越來越大，電力變壓器所發揮的作用也日益重要，並且朝著電壓等級和容量更大的方向發展。
隨著輸電系統和變壓器單臺容量的增大,大型變壓器的振動和噪聲問題也顯著增強。過大的振動和噪聲除了引起變壓器結構件(如夾件、油箱等)振動外還對變電站內及周邊的環境噪聲產生了較大的影響。而變壓器的振動和噪聲主要來自於繞組和鐵芯的振動，因此,國內外的許多學者對大型變壓器振動和噪聲的計算等問題都十分重視,為此做了大量的工作,並取得了一定的成果。為計算變壓器繞組振動,首先應對變壓器的漏磁場進行計算。在磁場數值計算方法應用以前,變壓器漏磁場的計算主要採用兩種方法：解析法和實驗的方法實驗法的特點是簡單可靠,但是為了能夠比較準確地反映出變壓器的實際狀況,就需要實驗模型能夠與實際變壓器匹配,既包括結構上的要求也包括尺寸上的要求。解析法的特點是計算簡單、結果直觀,目前仍是研究變壓器漏磁場的常用方法,但是只能適用於比較特殊的情況,因為它是在忽略很多因素以及建立諸多假設的基礎上得到的,這就會帶來與實際較大的誤差,對於實際變壓器漏磁場的分布情況也無法十分精確的求解。
變壓器的繞組在穩態狀態下受到周期交變的電磁力的作用,繞組在此力作用下會產生周期的振動，並通過變壓器油和箱體向外傳遞振動。而根據變壓器的振動機理，這種振動不僅僅與變壓器的機械狀況相關，還與溫度以及變壓器絕緣材料的老化程度有關，因此對變壓器穩態條件下的漏磁場及繞組振動位移進行計算對於分析繞組振動、機械狀況、老化及溫度狀況，以及進行基于振動信號的變壓器絕緣狀況老化檢測都是十分重要而有意義的。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種變壓器穩態時漏磁場及繞組振動位移計算方法，能夠對正常運行時變壓器內部的漏磁場分布以及電動力大小進行更為精確的計算，並採用諧響應分析的手段對變壓器繞組的振動進行計算，從而為變壓器振動信號的開展和相關的檢測技術研究提供重要的參考。
一種變壓器穩態時漏磁場及繞組振動位移計算方法，其特別之處在於，包括如下步驟：
(1)在三維軟體中，根據變壓器部件的三維尺寸建立變壓器的仿真模型，該仿真模型至少包括餅數為N1的高壓繞組、餅數為N2的低壓繞組和多級鐵芯，並將該高壓繞組和低壓繞組套裝在多級鐵芯的鐵芯柱上，繞組圓心與鐵芯柱的中心重合；
(2)利用分割對象的命令，選擇一個平面對整個仿真模型進行分割，獲得高低壓繞組、鐵芯結構的1/2模型；
(3)設置高壓繞組的線餅為多匝線圈，並設置電流向為順時針方向；設置低壓繞組的線餅為多匝線圈，並設置電流向為逆時針方向；根據實際變壓器內部材料的參數對仿真模型進行材料設置，需要設置的參數有：相對磁導率，相對電導率，彈性模量及泊松比；
(4)設置求解區域，並對求解區域的邊界按照變壓器箱體材料的電導率和磁導率，設置為阻抗邊界條件；對求解區域採用自由四面體進行網格剖分；
(5)選擇穩態求解器，對高低壓繞組內部的磁場分布進行計算，並根據磁通密度的結果計算獲得繞組各部分的洛倫茲力密度的分布；
(6)選擇結構力學模塊分析，並選擇頻域分析方式，在因變量值中選擇不求解的變量值，將步驟(5)得到的穩態中洛倫茲力密度以體載荷的方式加載到高低壓繞組結構中進行單相耦合，選擇諧響應分析方法，獲得頻率為100Hz時高低壓繞組的振動和位移響應。
本發明的有益效果是：本發明方法針對傳統的漏磁場解析法、試驗法以及二維有限元分析法的缺點和不足，利用COSMSOL Multiphysics有限元軟體採用三維有限元分析技術對正常運行時變壓器內部的漏磁場分布以及電動力大小進行了更為精確的計算，並採用諧響應分析的手段對變壓器繞組的振動進行計算，為變壓器振動信號的開展和相關的檢測技術研究提供參考。有利於更準確、可靠的分析繞組振動、機械狀況、老化及溫度狀況，以及進行基于振動信號的變壓器絕緣狀況老化檢測。
具體實施方式
為了使本發明所解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
本發明提供一種變壓器穩態時的漏磁場及繞組振動位移的計算方法，包括以下步驟：
在Autodesk inventor,Solidworks或CATIA等三維建模軟體中，根據變壓器部件的三維尺寸建立變壓器的仿真模型，模型的主要部分包括餅數為N1的高壓繞組，餅數為N2的低壓繞組，多級鐵芯；
所述的高壓低繞組由相同尺寸的餅式結構組成，其中餅的內外徑與繞組的內外徑相同，各線餅之間的油道尺寸與設計圖相同，線餅間通過墊塊形成油道，墊塊的數量與設計圖保持一致，高壓繞組的端部建立端部壓板；
所述的低壓繞組由相同尺寸的餅式結構組成，其中餅的內外徑與繞組的內外徑相同，各線餅之間的油道尺寸與設計圖相同，線餅間通過墊塊形成油道，墊塊的數量與設計圖保持一致，低壓繞組的端部建立端部壓板；
所述的多級鐵芯需要根據設計圖紙建立多級的變壓器鐵芯，並將所述餅數為N1的高壓繞組和餅數為N2的低壓繞組的繞組套裝在鐵芯柱上，繞組圓心與鐵芯柱的中心重合；
利用分割對象的命令，選擇一個平面對整個模型進行分割，獲得繞組，鐵芯結構的1/2模型；
設置高壓繞組的線餅為多匝線圈，並設置電流向為順時針方向，所述的具體步驟為：選擇多匝線圈選項，然後一一選擇模型中的高壓繞組，設置繞組形狀和方向，根據每個線餅的匝數分布對繞組進行設定，並根據工況的電流對繞組施加激勵；
設置低壓繞組的線餅為多匝線圈，並設置電流向為逆時針方向，所述的具體步驟為：選擇多匝線圈選項，然後一一選擇模型中的低壓繞組，設置繞組形狀和方向，根據每個線餅的匝數分布對繞組進行設定，並根據工況的電流對繞組施加激勵，；
根據實際變壓器內部的各種材料的參數對模型進行材料設置，需要設置的參數主要有：相對磁導率，相對電導率，彈性模量及泊松比；
設置求解區域，並對求解區域的邊界按照變壓器箱體材料的電導率和磁導率，設置為阻抗邊界條件；
對求解區域採用自由四面體進行網格剖分，根據鐵芯和繞組的尺寸可以針對模型內部各部分的網格尺寸進行調整，適當的減少網格的數量，保證計算的速度；
選擇穩態求解器，對繞組內部的磁場分布進行計算，並根據磁通密度的結果計算獲得繞組各部分的洛倫茲力密度的分布；
選擇結構力學模塊分析，並選擇頻域分析方式，在因變量值中選擇不求解的變量值，將穩態中洛倫茲力密度以體載荷的方式加載到繞組結構中進行單相耦合，選擇諧響應分析方法，獲得頻率為100Hz時繞組的振動和位移響應。
實施例1：
下面以單相雙繞組變壓器為例，簡單說明仿真的具體過程：
根據單相變壓器繞組和結構的設計圖紙，提取參數，參數如表1所示：
表1單相變壓器結構參數
利用Autodesk Inventor建立的繞組和鐵心的三維模型。
根據油箱尺寸建立變壓器油箱模型，採用分割命令對變壓器進行分割獲得1/2模型，並進行自由四面體網格剖分。
設置高壓繞組的線餅為多匝線圈，並設置電流向為順時針方向，所述的具體步驟為：選擇多匝線圈選項，然後一一選擇模型中的高壓繞組，設置繞組形狀和方向，根據每個線餅的匝數分布對繞組進行設定，並根據工況的電流對繞組施加激勵；
設置低壓繞組的線餅為多匝線圈，並設置電流向為逆時針方向，所述的具體步驟為：選擇多匝線圈選項，然後一一選擇模型中的低壓繞組，設置繞組形狀和方向，根據每個線餅的匝數分布對繞組進行設定，並根據工況的電流對繞組施加激勵；
根據實際變壓器內部的各種材料的參數對模型進行材料設置，需要設置的參數主要有：相對磁導率，相對電導率，彈性模量及泊松比，參數值如表2所示；
表2材料參數
設置求解區域，並對求解區域的邊界按照變壓器箱體材料的電導率和磁導率，設置為阻抗邊界條件；
選擇穩態求解器，對繞組內部的磁場分布進行計算，並根據磁通密度的結果計算獲得繞組各部分的洛倫茲力密度的分布，獲得磁感應分布。選擇結構力學模塊分析，並選擇頻域分析方式，在因變量值中選擇不求解的變量值，將穩態中洛倫茲力密度以體載荷的方式加載到繞組結構中進行單相耦合，選擇諧響應分析方法，獲得頻率為100Hz時繞組的振動和位移響應，獲得的高低壓繞組的軸向和徑向振動的加速度雲圖。