本發(fā)明涉及一種變壓器穩(wěn)態(tài)時漏磁場及繞組振動位移計算方法。

背景技術(shù)：

電力變壓器是電力系統(tǒng)中十分重要和昂貴的設(shè)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(tǒng)運行的穩(wěn)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(tǒng)安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行的重要指標。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對電的需求越來越大，電力變壓器所發(fā)揮的作用也日益重要，并且朝著電壓等級和容量更大的方向發(fā)展。

隨著輸電系統(tǒng)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(jié)構(gòu)件(如夾件、油箱等)振動外還對變電站內(nèi)及周邊的環(huán)境噪聲產(chǎn)生了較大的影響。而變壓器的振動和噪聲主要來自于繞組和鐵芯的振動，因此,國內(nèi)外的許多學(xué)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,并取得了一定的成果。為計算變壓器繞組振動,首先應(yīng)對變壓器的漏磁場進行計算。在磁場數(shù)值計算方法應(yīng)用以前,變壓器漏磁場的計算主要采用兩種方法：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?zāi)Ｐ湍軌蚺c實際變壓器匹配,既包括結(jié)構(gòu)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(jié)果直觀,目前仍是研究變壓器漏磁場的常用方法,但是只能適用于比較特殊的情況,因為它是在忽略很多因素以及建立諸多假設(shè)的基礎(chǔ)上得到的,這就會帶來與實際較大的誤差,對于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(wěn)態(tài)狀態(tài)下受到周期交變的電磁力的作用,繞組在此力作用下會產(chǎn)生周期的振動，并通過變壓器油和箱體向外傳遞振動。而根據(jù)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(guān)，還與溫度以及變壓器絕緣材料的老化程度有關(guān)，因此對變壓器穩(wěn)態(tài)條件下的漏磁場及繞組振動位移進行計算對于分析繞組振動、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(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種變壓器穩(wěn)態(tài)時漏磁場及繞組振動位移計算方法，能夠?qū)φ＿\行時變壓器內(nèi)部的漏磁場分布以及電動力大小進行更為精確的計算，并采用諧響應(yīng)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(guān)的檢測技術(shù)研究提供重要的參考。

一種變壓器穩(wěn)態(tài)時漏磁場及繞組振動位移計算方法，其特別之處在于，包括如下步驟：

(1)在三維軟件中，根據(jù)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(shù)為N1的高壓繞組、餅數(shù)為N2的低壓繞組和多級鐵芯，并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(jié)構(gòu)的1/2模型；

(3)設(shè)置高壓繞組的線餅為多匝線圈，并設(shè)置電流向為順時針方向；設(shè)置低壓繞組的線餅為多匝線圈，并設(shè)置電流向為逆時針方向；根據(jù)實際變壓器內(nèi)部材料的參數(shù)對仿真模型進行材料設(shè)置，需要設(shè)置的參數(shù)有：相對磁導(dǎo)率，相對電導(dǎo)率，彈性模量及泊松比；

(4)設(shè)置求解區(qū)域，并對求解區(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；對求解區(qū)域采用自由四面體進行網(wǎng)格剖分；

(5)選擇穩(wěn)態(tài)求解器，對高低壓繞組內(nèi)部的磁場分布進行計算，并根據(jù)磁通密度的結(jié)果計算獲得繞組各部分的洛倫茲力密度的分布；

(6)選擇結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊分析，并選擇頻域分析方式，在因變量值中選擇不求解的變量值，將步驟(5)得到的穩(wěn)態(tài)中洛倫茲力密度以體載荷的方式加載到高低壓繞組結(jié)構(gòu)中進行單相耦合，選擇諧響應(yīng)分析方法，獲得頻率為100Hz時高低壓繞組的振動和位移響應(yīng)。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明方法針對傳統(tǒng)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有限元軟件采用三維有限元分析技術(shù)對正常運行時變壓器內(nèi)部的漏磁場分布以及電動力大小進行了更為精確的計算，并采用諧響應(yīng)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(guān)的檢測技術(shù)研究提供參考。有利于更準確、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(fā)明所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提供一種變壓器穩(wěn)態(tài)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等三維建模軟件中，根據(jù)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(shù)為N1的高壓繞組，餅數(shù)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(jié)構(gòu)組成，其中餅的內(nèi)外徑與繞組的內(nèi)外徑相同，各線餅之間的油道尺寸與設(shè)計圖相同，線餅間通過墊塊形成油道，墊塊的數(shù)量與設(shè)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(jié)構(gòu)組成，其中餅的內(nèi)外徑與繞組的內(nèi)外徑相同，各線餅之間的油道尺寸與設(shè)計圖相同，線餅間通過墊塊形成油道，墊塊的數(shù)量與設(shè)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(jù)設(shè)計圖紙建立多級的變壓器鐵芯，并將所述餅數(shù)為N1的高壓繞組和餅數(shù)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(jié)構(gòu)的1/2模型；

設(shè)置高壓繞組的線餅為多匝線圈，并設(shè)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，然后一一選擇模型中的高壓繞組，設(shè)置繞組形狀和方向，根據(jù)每個線餅的匝數(shù)分布對繞組進行設(shè)定，并根據(jù)工況的電流對繞組施加激勵；

設(shè)置低壓繞組的線餅為多匝線圈，并設(shè)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，然后一一選擇模型中的低壓繞組，設(shè)置繞組形狀和方向，根據(jù)每個線餅的匝數(shù)分布對繞組進行設(shè)定，并根據(jù)工況的電流對繞組施加激勵，；

根據(jù)實際變壓器內(nèi)部的各種材料的參數(shù)對模型進行材料設(shè)置，需要設(shè)置的參數(shù)主要有：相對磁導(dǎo)率，相對電導(dǎo)率，彈性模量及泊松比；

設(shè)置求解區(qū)域，并對求解區(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；

對求解區(qū)域采用自由四面體進行網(wǎng)格剖分，根據(jù)鐵芯和繞組的尺寸可以針對模型內(nèi)部各部分的網(wǎng)格尺寸進行調(diào)整，適當(dāng)?shù)臏p少網(wǎng)格的數(shù)量，保證計算的速度；

選擇穩(wěn)態(tài)求解器，對繞組內(nèi)部的磁場分布進行計算，并根據(jù)磁通密度的結(jié)果計算獲得繞組各部分的洛倫茲力密度的分布；

選擇結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊分析，并選擇頻域分析方式，在因變量值中選擇不求解的變量值，將穩(wěn)態(tài)中洛倫茲力密度以體載荷的方式加載到繞組結(jié)構(gòu)中進行單相耦合，選擇諧響應(yīng)分析方法，獲得頻率為100Hz時繞組的振動和位移響應(yīng)。

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(jù)單相變壓器繞組和結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖紙，提取參數(shù)，參數(shù)如表1所示：

表1單相變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)

利用Autodesk Inventor建立的繞組和鐵心的三維模型。

根據(jù)油箱尺寸建立變壓器油箱模型，采用分割命令對變壓器進行分割獲得1/2模型，并進行自由四面體網(wǎng)格剖分。

設(shè)置高壓繞組的線餅為多匝線圈，并設(shè)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，然后一一選擇模型中的高壓繞組，設(shè)置繞組形狀和方向，根據(jù)每個線餅的匝數(shù)分布對繞組進行設(shè)定，并根據(jù)工況的電流對繞組施加激勵；

設(shè)置低壓繞組的線餅為多匝線圈，并設(shè)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，然后一一選擇模型中的低壓繞組，設(shè)置繞組形狀和方向，根據(jù)每個線餅的匝數(shù)分布對繞組進行設(shè)定，并根據(jù)工況的電流對繞組施加激勵；

根據(jù)實際變壓器內(nèi)部的各種材料的參數(shù)對模型進行材料設(shè)置，需要設(shè)置的參數(shù)主要有：相對磁導(dǎo)率，相對電導(dǎo)率，彈性模量及泊松比，參數(shù)值如表2所示；

表2材料參數(shù)

設(shè)置求解區(qū)域，并對求解區(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；

選擇穩(wěn)態(tài)求解器，對繞組內(nèi)部的磁場分布進行計算，并根據(jù)磁通密度的結(jié)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(yīng)分布。選擇結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊分析，并選擇頻域分析方式，在因變量值中選擇不求解的變量值，將穩(wěn)態(tài)中洛倫茲力密度以體載荷的方式加載到繞組結(jié)構(gòu)中進行單相耦合，選擇諧響應(yīng)分析方法，獲得頻率為100Hz時繞組的振動和位移響應(yīng)，獲得的高低壓繞組的軸向和徑向振動的加速度云圖。