220kV变压器绕组受到短路电力时受力计算方法与流程

本发明涉及220kv变压器绕组领域，尤其涉及一种220kv变压器绕组受到短路电力时受力计算方法。

背景技术：

变压器绕组上的电动力由短路电流与漏磁场的相互作用产生，由于短路时绕组中的短路电流很大，绕组上电动力与短路电流的平方成正比，故短路时绕组上的电动力相比于正常情况是很大的。短路的暂态过程持续时间虽然很短，但是如果变压器的短路强度不够，也会遭到严重损坏。

目前，通过ansysworkbench15.0有限元分析软件中的maxwell模块对变压器进行电磁场的模拟，在完成建立变压器多物理场耦合模型的基础上和拟合的短路电流作为变压器绕组激励的情况下，模拟出变压器内部漏磁场分布，再将maxwell计算的电磁力密度耦合到workbench的结构模块中，得出变压器在不同的短路情况下的瞬态受力分析。

由于在对变压器绕组进行瞬态受力分析时，无法做出对绕组每个部位随时间变化的受力曲线，因此，提供一种能够得出绕组每个部位随时间变化的受力曲线的220kv变压器绕组受到短路电力时受力计算方法及装置为本领域技术人员需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种220kv变压器绕组受到短路电力时受力计算方法及装置，为变压器开展多物理场耦合数值模拟奠定基础。

本发明实施例提供了一种220kv变压器绕组受到短路电力时受力计算方法，包括：

s1：建立变压器模型，将所述变压器模型的高压绕组、中压绕组、低压绕组均等分为十个分区；

s2：对所述高压绕组、所述中压绕组、所述低压绕组的顶端建立一匝线圈，并对所述高压绕组、所述中压绕组、所述低压绕组的第七分区建立一匝线圈，得到建立线圈后的变压器模型；

s3：在预置第一条件下对所述建立线圈后的变压器模型进行第一短路实验仿真操作，得到所述高压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、所述高压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况、所述中压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、所述中压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况；

s4：在预置第二条件下对所述建立线圈后的变压器模型进行第二短路实验仿真操作，得到所述高压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、所述高压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况、所述低压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、所述低压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况。

优选地，所述步骤s3具体包括：

在将所述中压绕组短路和将所述低压绕组开路后，对所述高压绕组施加预置第一短路电流，并对短路后的所述中压绕组施加预置第二短路电流，得到所述高压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、所述高压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况、所述中压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、所述中压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况。

优选地，所述步骤s4具体包括：

在将所述中压绕组开路和将所述低压绕组短路后，对所述高压绕组施加预置第三短路电流，并对短路后的所述低压绕组施加预置第四短路电流，得到所述高压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、所述高压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况、所述低压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、所述低压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况。

优选地，所述步骤s1之后还包括：

在将所述中压绕组开路，对所述高压绕组施加2927a的短路电流并对所述低压绕组施加33803.9a的短路电流后，计算所述变压器模型的每个分区绕组受到的合力，得到高压绕组受到的合力曲线、中压绕组受到的合力曲线、低压绕组受到的合力曲线。

优选地，本发明实施例还提供了一种220kv变压器绕组受到短路电力时受力计算装置，包括：

第一建立单元，用于建立变压器模型，将所述变压器模型的高压绕组、中压绕组、低压绕组均等分为十个分区；

第二建立单元，用于对所述高压绕组、所述中压绕组、所述低压绕组的顶端建立一匝线圈，并对所述高压绕组、所述中压绕组、所述低压绕组的第七分区建立一匝线圈，得到建立线圈后的变压器模型；

第一短路单元，用于在预置第一条件下对所述建立线圈后的变压器模型进行第一短路实验仿真操作，得到所述高压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、所述高压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况、所述中压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、所述中压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况；

第二短路单元，用于在预置第二条件下对所述建立线圈后的变压器模型进行第二短路实验仿真操作，得到所述高压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、所述高压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况、所述低压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、所述低压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况。

优选地，所述第一短路单元还用于在将所述中压绕组短路和将所述低压绕组开路后，对所述高压绕组施加预置第一短路电流，并对短路后的所述中压绕组施加预置第二短路电流，得到所述高压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、所述高压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况、所述中压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、所述中压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况。

优选地，所述第二短路单元还用于在将所述中压绕组开路和将所述低压绕组短路后，对所述高压绕组施加预置第三短路电流，并对短路后的所述低压绕组施加预置第四短路电流，得到所述高压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、所述高压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况、所述低压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、所述低压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况。

优选地，本发明实施例提供的一种220kv变压器绕组受到短路电力时受力计算装置还包括：

第三短路单元，用于在将所述中压绕组开路，对所述高压绕组施加2927a的短路电流并对所述低压绕组施加33803.9a的短路电流后，计算所述变压器模型的每个分区绕组受到的合力，得到高压绕组受到的合力曲线、中压绕组受到的合力曲线、低压绕组受到的合力曲线。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供了一种220kv变压器绕组受到短路电力时受力计算方法及装置，其中，该220kv变压器绕组受到短路电力时受力计算方法包括：s1：建立变压器模型，将所述变压器模型的高压绕组、中压绕组、低压绕组均等分为十个分区；s2：对所述高压绕组、所述中压绕组、所述低压绕组的顶端建立一匝线圈，并对所述高压绕组、所述中压绕组、所述低压绕组的第七分区建立一匝线圈，得到建立线圈后的变压器模型；s3：在预置第一条件下对所述建立线圈后的变压器模型进行第一短路实验仿真操作，得到所述高压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、所述高压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况、所述中压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、所述中压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况；s4：在预置第二条件下对所述建立线圈后的变压器模型进行第二短路实验仿真操作，得到所述高压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、所述高压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况、所述低压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、所述低压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况。本发明实施例提供了一种220kv变压器绕组受到短路电力时受力计算方法及装置，为变压器开展多物理场耦合数值模拟奠定基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种220kv变压器绕组受到短路电力时受力计算方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种220kv变压器绕组受到短路电力时受力计算方法的另一流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种220kv变压器绕组受到短路电力时受力计算装置的结构示意图；

图4为变压器模型示意图；

图5为高压绕组受到的辐向合力示意图；

图6为低压绕组受到的辐向合力示意图；

图7为高压绕组受到的轴向合力示意图；

图8为低压绕组受到的轴向合力示意图；

图9为局部细化的三维变压器模型示意图；

图10为高—中短路实验的高压绕组的短路电流示意图；

图11为高—中短路实验的中压绕组的短路电流示意图；

图12为高—中短路实验的高压绕组上端部线圈辐向瞬态受力波形图；

图13为高—中短路实验的高压绕组上端部线圈轴向瞬态受力波形图；

图14为高—中短路实验的中压绕组上端部线圈辐向瞬态受力波形图；

图15为高—中短路实验的中压绕组上端部线圈轴向瞬态受力波形图；

图16为高—中短路实验的高压绕组第七分区线圈辐向瞬态受力波形图；

图17为高—中短路实验的高压绕组第七分区线圈轴向瞬态受力波形图；

图18为高—中短路实验的中压绕组第七分区线圈辐向瞬态受力波形图；

图19为高—中短路实验的中压绕组第七分区线圈轴向瞬态受力波形图；

图20为高—低短路实验的高压绕组的短路电流示意图；

图21为高—低短路实验的低压绕组的短路电流示意图；

图22为高—低短路实验的高压绕组上端部线圈辐向瞬态受力波形图

图23为高—低短路实验的高压绕组上端部线圈轴向瞬态受力波形图；

图24为高—低短路实验的低压绕组上端部线圈辐向瞬态受力波形图；

图25为高—低短路实验的低压绕组上端部线圈轴向瞬态受力波形图；

图26为高—低短路实验的高压绕组第七分区线圈辐向瞬态受力波形图；

图27为高—低短路实验的高压绕组第七分区线圈轴向瞬态受力波形图；

图28为高—低短路实验的低压绕组第七分区线圈辐向瞬态受力波形图；

图29为高—低短路实验的低压绕组第七分区线圈轴向瞬态受力波形图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种220kv变压器绕组受到短路电力时受力计算方法及装置，为变压器开展多物理场耦合数值模拟奠定基础。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供的一种220kv变压器绕组受到短路电力时受力计算方法的一个实施例，包括：

101、建立变压器模型，将变压器模型的高压绕组、中压绕组、低压绕组均等分为十个分区；

102、对高压绕组、中压绕组、低压绕组的顶端建立一匝线圈，并对高压绕组、中压绕组、低压绕组的第七分区建立一匝线圈，得到建立线圈后的变压器模型；

103、在预置第一条件下对建立线圈后的变压器模型进行第一短路实验仿真操作，得到高压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、高压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况、中压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、中压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况；

104、在预置第二条件下对建立线圈后的变压器模型进行第二短路实验仿真操作，得到高压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、高压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况、低压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、低压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况。

本发明实施例提供了一种220kv变压器绕组受到短路电力时受力计算方法，为变压器开展多物理场耦合数值模拟奠定基础。

请参阅图2，本发明实施例提供的一种220kv变压器绕组受到短路电力时受力计算方法的另一个实施例，包括：

201、建立变压器模型，将变压器模型的高压绕组、中压绕组、低压绕组均等分为十个分区；

202、在将中压绕组开路，对高压绕组施加2927a的短路电流并对低压绕组施加33803.9a的短路电流后，计算变压器模型的每个分区绕组受到的合力，得到高压绕组受到的合力曲线、中压绕组受到的合力曲线、低压绕组受到的合力曲线；

203、对高压绕组、中压绕组、低压绕组的顶端建立一匝线圈，并对高压绕组、中压绕组、低压绕组的第七分区建立一匝线圈，得到建立线圈后的变压器模型；

204、在将中压绕组短路和将低压绕组开路后，对高压绕组施加预置第一短路电流，并对短路后的中压绕组施加预置第二短路电流，得到高压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、高压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况、中压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、中压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况；

205、在将中压绕组开路和将低压绕组短路后，对高压绕组施加预置第三短路电流，并对短路后的低压绕组施加预置第四短路电流，得到高压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、高压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况、低压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、低压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况。

本发明实施例在对变压器绕组瞬态受力分析之前，先分析绕组在短路电流达到峰值时，绕组整体的受力情况，总结出绕组受力较大的一些部位。然后在施加瞬态电流的情况下，针对这些比较薄弱的部分，对薄弱部分的模型进行细化分区，得出这些部位随时间变化的受力曲线。

上面是对一种220kv变压器绕组受到短路电力时受力计算方法进行的详细说明，为便于理解，下面将以一具体应用场景对一种220kv变压器绕组受到短路电力时受力计算方法的应用进行说明，应用例包括：

如图4所示，首先将变压器的绕组在高度上由下往上等分成10分区，然后建立好适合的模型后，施加短路电流的峰值作为激励，对高压绕组施加的短路电流为2927a，对低压绕组施加的短路电流为33803.9a，中压绕组开路，进行静态仿真分析。

然后计算每个分区绕组受到的合力，即为辐向合力和轴向合力，此软件中辐向合力分成在变压器模型坐标系中沿x方向和y方向中受到的合力，轴向力即为沿z轴方向的合力。将软件计算的数据导出后，可以作出如图5至图8的曲线。

根据图5至图8可以得出以下规律：

(1)高压绕组受到的辐向力是向外的，及相当于往外拉伸力，低压绕组受到的辐向力是向内的，及相当于往里的压缩力；高压绕组和低压绕组端部的轴向力都是往绕组中部方向压缩。

(2)低压绕组受到的辐向合力和轴向合力大于高压绕组受到对应的合力；

(3)十分区模型的高压绕组和低压绕组都是在第七分区受到的辐向合力最大；

(4)十分区模型的高压绕组和低压绕组都是在两端部受到的轴向合力最大。

由于在对变压器绕组进行瞬态受力分析时，无法做出对绕组每个部位随时间变化的受力曲线，所以针对这些受力比较大的部分进行细化分区，得出这些部位随时间变化的受力曲线。因此，对于高压绕组，在绕组上端部单独建立一匝线圈模型，再在第七分区单独建立一匝线圈模型；同样对于中压和低压绕组，在绕组上端部单独建立一个一匝线圈模型，再在第七分区单独建立一匝线圈模型。建立好的模型如图9所示。

首先建立高—中(中压绕组短路，低压绕组开路)短路实验仿真分析：高压绕组施加如图10的短路电流作为激励，对应地，在中压绕组施加如图11对应的短路电流作为激励。

由于变压器短路时，继电保护的作用时间一般在100ms内，再加上考虑到计算机计算能力，将仿真时长设置为0.08s，即为相当于工频下四个周期时长，仿真步长为0.0002s。

仿真完成后，可以得出分别在绕组端部和绕组的第七分区单独建的线圈模型，即一匝线圈的瞬态受力情况，一匝线圈的瞬态受力情况如图12至图19所示。需要说明的是，force_x和force_y分为x轴方向和y轴方向。

其中，在图12中，force_x纵坐标单位为kn，force_y纵坐标为n。

在图14中，force_x纵坐标单位为kn，force_y纵坐标为n。

在图16中，force_x纵坐标单位为kn，force_y纵坐标为kn。

在图18中，force_x纵坐标单位为kn，force_y纵坐标为kn。

同理，然后建立建立高—低(低压绕组短路，中压绕组开路)短路实验仿真分析：高压绕组施加如图20的短路电流作为激励，对应地，在低压绕组施加如图21对应的短路电流作为激励。

将仿真时长设置为0.08s，仿真步长为0.0002s；仿真完成后，可以得出分别在绕组端部和绕组的第七分区单独建的线圈模型，即一匝线圈的瞬态受力情况，一匝线圈的瞬态受力情况如图22至图29所示。

其中，在图22中，force_x纵坐标单位为n，force_y纵坐标为n。

在图24中，force_x纵坐标单位为kn，force_y纵坐标为n。

在图26中，force_x纵坐标单位为n，force_y纵坐标为kn。

在图28中，force_x纵坐标单位为n，force_y纵坐标为n。

由以上绕组瞬态受力波形可以总结如下结论：

(1)无论是高压绕组对低压绕组短路实验，还是高压绕组对中压绕组短路实验，高压绕组受到的电磁力都远远小于中压绕组和低压绕组所受的电磁力。

(2)在短路电流的冲击下，绕组的瞬态受力波形的幅值变化趋势大致跟短路电流保持一致，但是当瞬态受力波形第一次过零点时，波形开始与x轴重合，持续时间为0.04s，第二次过零点是，与x轴重合时间变短；越往后面发展，重合时间越短，并且逐渐远离x轴。

(3)瞬态受力波形的最大值发生在0.01s时刻，此时也是短路电流达到最大值，最大值达到兆牛级别，对绕组的垫块、撑条、压板考验巨大。

(4)由于中压绕组发生三相短路比低压绕组发生三相短路时的短路电流要大，所以短路时，绕组所承受的电磁力大小排序依次是，中压绕组、低压绕组、高压绕组。

请参阅图3，本发明实施例提供的一种220kv变压器绕组受到短路电力时受力计算装置的一个实施例，包括：

第一建立单元301，用于建立变压器模型，将变压器模型的高压绕组、中压绕组、低压绕组均等分为十个分区；

第二建立单元302，用于对高压绕组、中压绕组、低压绕组的顶端建立一匝线圈，并对高压绕组、中压绕组、低压绕组的第七分区建立一匝线圈，得到建立线圈后的变压器模型；

第一短路单元303，用于在预置第一条件下对建立线圈后的变压器模型进行第一短路实验仿真操作，得到高压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、高压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况、中压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、中压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况；

第二短路单元304，用于在预置第二条件下对建立线圈后的变压器模型进行第二短路实验仿真操作，得到高压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、高压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况、低压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、低压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况。

第一短路单元303还用于在将中压绕组短路和将低压绕组开路后，对高压绕组施加预置第一短路电流，并对短路后的中压绕组施加预置第二短路电流，得到高压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、高压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况、中压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、中压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况。

第二短路单元304还用于在将中压绕组开路和将低压绕组短路后，对高压绕组施加预置第三短路电流，并对短路后的低压绕组施加预置第四短路电流，得到高压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、高压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况、低压绕组的顶端线圈的瞬态受力情况、低压绕组的第七分区线圈的瞬态受力情况。

本发明实施例提供的一种220kv变压器绕组受到短路电力时受力计算装置还包括：第三短路单元305，用于在将中压绕组开路，对高压绕组施加2927a的短路电流并对低压绕组施加33803.9a的短路电流后，计算变压器模型的每个分区绕组受到的合力，得到高压绕组受到的合力曲线、中压绕组受到的合力曲线、低压绕组受到的合力曲线。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。