一種變壓器短路沖擊電流的有限元計算方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于變壓器軟件仿真的技術領域，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】
[0002] 電力變壓器時電力系統(tǒng)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(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。
[0003] 在現(xiàn)場變壓器的故障統(tǒng)計中，由短路所引起的故障占了很高的比重，表1-1是對 一段時間內電力變壓器的故障統(tǒng)計，從表中可以看到在五年的時間里110kV及以上電壓等 級的變壓器共發(fā)生事故235臺次，其中由于短路損壞而造成的事故共有87臺次，占變壓器 總事故臺次的37. 02%
[0004] 表1 1994-1999年全國110kV及以上變壓器短路損壞事故臺數(shù)統(tǒng)計
[0005]
[0006] _從以上數(shù)據(jù)不難看出，由于短路時變壓器抗短路能力不夠所導致的事故是影響 電力變壓器安全運行的主要因素。這主要是由于變壓器發(fā)生短路故障時，繞組導線中將流 過遠大于正常電流值的短路電流，因而在變壓器內將產(chǎn)生數(shù)值很大的磁場。在短路電流和 短路磁場的作用下，導線將受到十分巨大的電動力作用，短路電動力約為正常值得上百 倍。如果變壓器的短路抵抗能力設計的不夠合理，則繞組的結構在短路電動力的作用下可 能發(fā)生形變，甚至導致繞組的跨塌。因此，通過有限元方法對變壓器突發(fā)外部短路故障下， 流經(jīng)變壓器繞組的短路電流進行計算和校核是非常重要的。

【發(fā)明內容】

[0007] 本發(fā)明的主要目的在于：針對傳統(tǒng)的簡化電路解析法以及試驗法計算短路電流的 缺點和不足，采用有限元法能夠較好的計算不同繞組結構的短路阻抗以及不同故障下的短 路電流，能夠大大的簡化工作量。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際尺寸建立三維 模型；
[0009] 2.設置線圈截面、電流方向以及匝數(shù)，高低壓繞組的電流方向相反；
[0010] 3.設置高低壓繞組的激勵源為外電路，并將繞組名稱對應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 圈電阻設置電壓源以及電阻，各線圈均需要單獨接地；
[0012] 5.利用ANSYSMaxwell自帶的計算器功能對短路沖擊電流Is。進行計算，獲得仿 真結果。
【附圖說明】
[0013] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術描述中所需要使用的附圖做簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，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。
【具體實施方式】
[0019] 為了使本發(fā)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 附圖及實施例，對本發(fā)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(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 壓側繞組1，匝數(shù)為N2的低壓側繞組2,鐵芯3;
[0022] 所述的高壓側繞組1由相同尺寸的餅式結構5組成，各線餅之間沒有物理接觸，線 餅間存在墊塊；
[0023] 所述的高壓側繞組1由相同尺寸的餅式結構6組成，各線餅之間沒有物理接觸，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] 設置高壓繞組的1的單匝線圈9為一個coilterminal，并設置電流流向為順時針 方向，所述的具體步驟為：采用surfacesection命令對高壓繞組1按照xz平面切割，獲得 高壓繞組1各餅線圈的截面，選中所有截面上設置為coilterminal并按照實際尺寸設置 匝數(shù)，并將電流的方向設置為順時針；
[0026] 設置高壓繞組的2的單匝線圈8為一個coilterminal，并設置電流流向為順時針 方向，所述的具體步驟為：采用surfacesection命令對高壓繞組2按照xz平面切割，獲得 高壓繞組2各餅線圈的截面，選中所有截面上設置為coilterminal并按照實際尺寸設置 匝數(shù)，并將電流的方向設置為逆時針；
[0027] 利用winding命名，設置winding的激勵方式為外電路，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 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，母線上的電流；
[0031] 根據(jù)需要將高低壓繞組winding中的一個與系統(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，設置電壓源頻率為50Hz;
[0032] 將高低壓繞組winding中的令一個與線圈電阻，線路電阻連接成為閉合回路，其 中winding同名端接地；
[0033] 對有限元模型中的鐵芯、繞組材料的電導率、磁導率進行設置，其中鐵芯的B-H曲 線如附圖3所示；
[0034] 設置求解區(qū)域，并對求解區(qū)域的邊界按照變壓器箱體材料的電導率和磁導率，設 置為阻抗邊界條件；
[0035] 根據(jù)實際變壓器繞組的尺寸對繞組網(wǎng)格按照onselection進行設置，鐵芯網(wǎng)格安 照inselection進行設置；
[0036] 在計算結果中，通過創(chuàng)建新的報告按照高低壓繞組電流的變量獲得短路電流隨時 間的曲線，并將數(shù)據(jù)導出到excel表格中。
【主權項】
1. 一種變壓器短路沖擊電流的有限元計算方法其特征是，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際尺寸建立三維模型； 2) 設置線圈截面、電流方向以及匝數(shù)，高低壓繞組的電流方向相反； 3) 設置高低壓繞組的激勵源為外電路，并將繞組名稱對應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 阻設置電壓源以及電阻，各線圈均需要單獨接地； 5) 利用ANSYSMaxwell自帶的計算器功能對短路沖擊電流Is。進行計算，獲得仿真結 果。
【專利摘要】一種變壓器短路沖擊電流的有限元計算方法，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；設置變壓器繞組的激勵條件和邊界條件；建立具有耦合計算功能的外電路；對不同故障下的短路電流進行計算，獲得短路電流隨時間的變化關系。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號】CN105205236
【申請?zhí)枴緾N201510573313
【發(fā)明人】錢國超, 于虹, 劉光琪, 顏冰, 鄒德旭, 汲勝昌, 張凡
【申請人】云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院, 西安交通大學
【公開日】2015年12月30日
【申請日】2015年9月10日