本发明涉及变压器油箱内部油流运动技术领域，尤其涉及一种变压器油箱内部油流运动情况计算方法。
背景技术：
在电力系统中，变压器是工矿企业与民用建筑供配电系统中的重要设备之一，主要进行电压等级的变换，以便于长距离的输电。当油浸式变压器的内部发生故障时，由于电弧将使绝缘材料分解并产生大量的气体，从油箱向油枕流动，其强烈程度随故障的严重程度不同而不同，反应这种气流与油流而动作的保护称为瓦斯保护。当变压器内部发生故障致使气流与油流产生运动的时候，通过设定瓦斯保护的整定值，可以使得变压器瓦斯继电器进行保护动作，进而进行电源切除。
然而长期以来，人们对瓦斯保护动作机理的研究略显不足，当前的瓦斯保护的整定值大多根据上世纪五十年代前苏联提供的试验结果和运行经验选取，其正确性、合理性无从判断。在变压器的运行中也曾多次发生主变外部短路导致主变重瓦斯保护跳闸事件，严重影响系统供电可靠性。
在尚不明了非电量保护在变压器油箱内、外部故障时故障特征的发展变化过程的情况下，为降低重瓦斯保护因变压器外部故障误动几率，一味调高动作整定值具有一定的盲目性。过高的整定值将极大地牺牲保护动作的灵敏性，增大保护装置在变压器发生内部故障时拒动的几率，使其丧失保护功能；过低的整定值又起不到降低误动几率的作用。
然而，目前尚没有一种能够准确的反映在变压器发生故障情况下变压器油箱内部油流运动情况的方法。因此，为了确定合适的变压器中的瓦斯保护的整定值，使得瓦斯保护可以准确的判定变压器内部发生的故障，有必要设计一种用于计算变压器油箱内部油流的运动情况方法。
技术实现要素：
本发明提供了一种变压器油箱内部油流运动情况计算方法，解决了目前尚没有一种能够准确的反映在变压器发生故障情况下变压器油箱内部油流运动情况的方法的技术问题。
本发明提供的一种变压器油箱内部油流运动情况计算方法，包括：
根据变压器的结构参数，分别建立所述变压器的短路电流模型、瞬态漏磁场计算模型、绕组瞬态力学模型和流场模型；
根据所述短路电流模型求取在故障发生时刻流经所述变压器的绕组的短路电流；
通过所述短路电流和所述瞬态漏磁场计算模型求取所述变压器的油箱内部的漏磁场的磁感应强度；
根据所述短路电流和磁感应强度求取所述绕组所受的电磁力，并通过所述绕组瞬态力学模型求取所述绕组在所述电磁力的影响下的位移量和形变量；
以所述位移量和所述形变量作为所述流场模型的流场初始变量，通过湍流模型计算所述油箱内部的瞬态流场分布。
优选地，所述根据所述短路电流模型求取在故障发生时刻流经所述变压器的绕组的短路电流包括：
根据所述变压器发生的故障类型构建所述变压器的电路拓扑，并根据所述电路拓扑和所述短路电流模型求取在故障发生时刻流经所述变压器的绕组的短路电流。
优选地，所述通过所述短路电流和所述瞬态漏磁场计算模型求取所述变压器的油箱内部的漏磁场的磁感应强度之前包括：
以所述油箱的内壁为磁绝缘边界，设定所述瞬态漏磁场计算模型的边界条件。
优选地，所述通过所述短路电流和所述瞬态漏磁场计算模型求取所述变压器的油箱内部的漏磁场的磁感应强度包括：
对所述绕组进行网格剖分，将所述绕组划分为多个微元体，并采用有限元分析法通过所述短路电流和所述瞬态漏磁场计算模型求取所述多个微元体所处的漏磁场的磁感应强度。
优选地，所述根据所述短路电流和磁感应强度求取所述绕组所受的电磁力具体为：
根据所述短路电流和磁感应强度通过瞬态力学方程求取所述多个微元体所受的电磁力，所述瞬态力学方程为：
f＝b×je
其中，f为电磁力，b为磁感应强度，je＝id/s为电流密度矢量，id为短路电流，s为绕组导线截面积。
优选地，所述通过所述绕组瞬态力学模型求取所述绕组在所述电磁力的影响下的位移量和形变量包括：
求取所述多个微元体所受的重力，并通过所述绕组瞬态力学模型求取所述绕组在所述电磁力和所述重力的影响下的位移量和形变量。
优选地，所述形变量包括应力张量和应变张量。
优选地，通过所述绕组瞬态力学模型求取所述绕组在所述电磁力和所述重力的影响下的位移量和形变量具体包括：
根据所述绕组瞬态力学模型的公式组求取所述多个微元体在所述电磁力和所述重力的影响下的位移量和形变量，所述公式组包括：
fv＝f+g
σ-σ0＝c:(ε-ε0-εp-εth)
其中，fv为微元体总载荷，g为微元体的重力载荷；ρ为油箱箱壁密度，u表示微元体的位移，σ表示应力张量；σ0和ε0分别表示初始应力和初始应变，c表示4阶弹性张量，εp表示材料塑形形变张量；λ为塑性乘数；q表示塑性势；u、v、w分别表示微元体在三维直角坐标x、y、z方向的位移。
优选地，所述以所述位移量和所述形变量作为所述流场模型的流场初始变量，通过湍流模型计算所述油箱内部的瞬态流场分布包括：
以所述位移量和所述形变量作为所述流场模型的流场初始变量，通过k-ε湍流模型的流场计算公式组计算所述油箱内部的瞬态流场分布，所述流场计算公式组包括：
其中，ρ表示流体密度，u表示流速，p表示压强，i为湍流强度，μ表示动力粘度，f表示体积力；k为湍流动能，σk为湍流滑动系数，ε为湍流耗散率；ce1、ce2为模型常数，在计算变压器油箱内部流速变化时，分别赋值为1.44和1.92。
优选地，所述以所述位移量和所述形变量作为所述流场模型的流场初始变量，通过湍流模型计算所述油箱内部的瞬态流场分布之后还包括：
根据所述位移量求取所述绕组的运动速度，并根据所述漏磁场的磁感应强度和所述绕组的运动速度求取所述绕组的感应电流；
将所述绕组的感应电流与所述绕组的短路电流叠加，作为绕组下一时刻的新的短路电流，以使得根据所述新的短路电流求取下一时刻的所述油箱内部的瞬态流场分布。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明中对变压器内部流过的穿越故障电流致使变压器内部油箱的绕组遭受巨大电动力的冲击，致使绕组发生收缩、扩张进而作用于内部油流，引起油流涌动的过程进行了分析，并根据短路电流流过绕组所致使的油流发生运动的过程对应的建立了短路电流模型、瞬态漏磁场计算模型、绕组瞬态力学模型和流场模型，通过对上述四个模型进行耦合关联，将短路电流流过绕组引起的瞬态漏磁变化，由瞬态漏磁变化所产生的瞬态电磁力，进而由瞬态电磁力引起的绕组形变振动，最后由绕组的形变振动引起的油流流场变化的过程通过模型转化为具体的数值变换过程，获得变压器油箱内部由于绕组流过故障电流所引起的油流运动情况，解决了目前尚没有一种能够准确的反映在变压器发生故障情况下变压器油箱内部油流运动情况的方法的技术问题。
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变压器油箱内部油流运动情况计算方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的外部短路时油流涌动物理过程示意图；
图3为本发明实施例提供的多个物理场耦合形成的电磁-力-流场多场耦合模型结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种单相双绕组变压器二次侧出口短路等值电路结构示意图；
图5为本发明实施例提供的电磁-力-流场多场耦合算法流程简要示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种变压器油箱内部油流运动情况计算方法，用于解决目前尚没有一种能够准确的反映在变压器发生故障情况下变压器油箱内部油流运动情况的方法的技术问题。
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，图1为本发明实施例提供的一种变压器油箱内部油流运动情况计算方法的流程示意图。
本发明提供的一种变压器油箱内部油流运动情况计算方法，包括：
s101、根据变压器的结构参数，分别建立变压器的短路电流模型、瞬态漏磁场计算模型、绕组瞬态力学模型和流场模型；
经本申请发明人研究发现，变压器在经历外部短路冲击时，冲击电流影响变压器内部油流的物理过程可简要表述为：变压器流过的穿越故障电流致使其绕组遭受巨大电动力的冲击，致使绕组发生收缩、扩张进而作用于内部油流，引起油流涌动。如图2所示，图2为本发明实施例提供的外部短路时油流涌动物理过程示意图。为了模拟变压器油箱内部由短路电流所引起的油流涌动情况，可以对由变压器外部短路冲击引起的内部油流涌动的过程进行建模仿真，具体的，可以根据变压器内部的各物理场分别先建立变压器的短路电流模型、瞬态漏磁场计算模型、瞬态力学模型和流场模型。
然而，由于在变压器的绕组因外部短路而振动的过程中，电磁场、力场和流场之间并非是相互独立的，而是相互影响、紧密耦合在一起的。因而需要结合各物理场的基本模型，综合考虑各个物理场之间相互影响及耦合作用，建立电磁-力-流场多场耦合模型各物理场间的耦合模型，并进一步求取出在耦合模型下由短路电流所带来的油流运动。
如图3所示，图3为本发明实施例提供的多个物理场耦合形成的电磁-力-流场多场耦合模型结构示意图。需要说明的是，在外部故障电流流过变压器内部的绕组时，会在空间中产生漏磁场，漏磁分布与磁场强弱将随油箱内部空间结构及绕组电流的变化而变化。此外，变压器的绕组在所产生的漏磁场中瞬态力学方程由重力、电磁力和应力等项组成，除了所受重力恒定不变以外，电磁力及内应力都将随绕组电流、漏磁分布、材料形变程度的变化而变化。在绕组受到重力、电磁力和应力的作用时，绕组将会发生振动，而绕组受力振动将导致绕组的金属导线和绝缘介质发生形变与位移，反作用于空间中的漏磁分布的变化。需要注意的是，在绕组振动过程中绕组可以看做为在做切割磁感线运动，并产生感应电流，将感应电流与故障穿越电流叠加可以作为绕组内部实时的电流。最后，在短路冲击过程中，伴随绕组的复杂振动，将扰动油箱内部原有流场分布特征，从而导致油流涌动。
因此，在对变压器油箱发生内部故障而导致的油流涌动情况进行分析的过程中，可以结合耦合的电磁-力-流场多场耦合模型，根据短路电流模型、瞬态漏磁场计算模型、绕组瞬态力学模型和流场模型之间的耦合关系，由最初的绕组短路电流求取出变压器油箱内部的实时油流运动情况。
s102、根据短路电流模型求取在故障发生时刻流经变压器的绕组的短路电流；
在求取变压器的绕组的短路电流时，可以根据变压器发生的故障类型构建变压器的电路拓扑，并根据电路拓扑和短路电流模型求取在故障发生时刻流经变压器的绕组的短路电流。
具体的，可以参阅图4，图4为本发明实施例提供的一种单相双绕组变压器二次侧出口短路等值电路结构示意图。以单相双绕组变压器二次侧出口突发短路为例，变压器一次侧电路的等值方程为：
式中，u1表示一次侧电压；u1表示一次侧电压有效值；ω表示角频率；t为时间；а表示初相角；lk、rk表示绕组等值漏电感、等值电阻。
其中，可以认为lk>>rk且假定计算过程中lk不变，求解此一阶非线性微分方程可得短路电流id的通解为：
其中，id为稳态短路电流有效值。当初相角а＝0时，即认为端电压u1在过零时发生突然短路，则可得流过绕组的最大短路电流idmax为：
s103、通过短路电流和瞬态漏磁场计算模型求取变压器的油箱内部的漏磁场的磁感应强度；
可以理解的是，在变压器绕组流过短路电流的时候，会在绕组中产生瞬态漏磁场。而准确求取绕组所受的电磁力的关键在于能否对短路暂态过程中贯穿绕组的瞬态漏磁场进行精确计算。为了对瞬态漏磁场进行精确的计算，可以通过建立变压器瞬态漏磁场计算模型，并对绕组进行网格剖分，将绕组划分为多个微元体，并采用有限元分析法通过短路电流和瞬态漏磁场计算模型求取多个微元体所处的漏磁场的磁感应强度。具体的，漏磁场的磁感应强度的求取过程如下：
式中，σ表示导体的电导率；a表示磁矢势；ν表示导体运动速度；μ0与μr分别表示自由空间导磁率和材料的相对导磁率；je为绕组中电流密度矢量，可以表示为短路电流id与绕组导线截面积s的比值：
je＝id/s(5)
需要说明的是，在通过短路电流和瞬态漏磁场计算模型求取变压器的油箱内部的漏磁场的磁感应强度之前还可以包括：以油箱的内壁为磁绝缘边界，设定瞬态漏磁场计算模型的边界条件。假设油箱内壁为磁绝缘边界，即边界条件为：
n×a＝0(6)
其中，n为单位法向量。
s104、根据短路电流和磁感应强度求取绕组所受的电磁力，并通过绕组瞬态力学模型求取绕组在电磁力的影响下的位移量和形变量；
为了准确计算绕组所受合力、振动、位移等特征量，考虑绕组各部分材料弹塑性特性，将绕组线饼剖分程微元体dv，列写其瞬态力学方程，其所受电磁力载荷f为：
f＝b×je(7)
式中，b表示为磁感应强度矢量。考虑微元体dv所受重力影响，其重力载荷g可表示为：
g＝ρg(8)
式中，ρ表示材料密度；g表示重力加速度。因此，绕组微元体dv总载荷fv为：
fv＝f+g(9)
引入结构惯性项的瞬态平衡方程用以描述载荷-应力关系：
式中，ρ为油箱箱壁密度，u表示微元体dv位移，σ表示其应力张量。根据hooke-duhamel定律，针对微元体dv，用以描述变压器绕组应力应变关系的本构方程为：
σ-σ0＝c:(ε-ε0-εp-εth)(11)
其中，σ0和ε0分别表示初始应力、初始应变，c表示4阶弹性张量。εp表示材料塑形形变张量：
其中，λ为塑性乘数；q表示塑性势。
由于瞬态过程时间极短，故实际建模时忽略整个冲击过程热应变张量εth的影响。
公式(11)中总应变张量ε与微元体dv位移之间关系由相容性方程表示：
对于所建立的变压器绕组三维模型，微元体位移梯度
其中，u、v、w分别表示微元体在三维直角坐标x、y、z方向的位移。
s105、以位移量和形变量作为流场模型的流场初始变量，通过湍流模型计算油箱内部的瞬态流场分布。
鉴于变压器油箱内部几何结构及流场特征，采用k-ε湍流模型求解绕组振动、形变过程中油箱内部流场分布及流速变化特征：
式中，ρ表示流体密度，u表示流速，p表示压强，i为湍流强度，μ表示动力粘度，f表示体积力。k-ε模型是最常用的湍流模型之一。k-ε模型包括引入了两个额外的传输方程及两个因变量：湍流动能k和湍流能量的耗散率ε。
湍流动能k的传输方程为：
其中，k为湍流动能，σk为湍流滑动系数，ε为湍流耗散率。湍流耗散率ε的传输方程为：
式中，ce1、ce2为模型常数，在计算变压器油箱内部流速变化时，分别赋值为1.44和1.92。
滑动边界条件结合无渗透条件，即u·n＝0。因此，可以忽略变压器油箱内壁即流场边界的粘滞效应。如果从建模的角度，这样的边界条件规定了流体不能穿过边界，即只在特定域中进行求解计算。因此，边界条件为：
需要说明的是，由于在外部故障电流流过变压器内部的绕组时，会在空间中产生漏磁场，漏磁分布与磁场强弱将随油箱内部空间结构及绕组电流的变化而变化。此外，变压器的绕组所受的电磁力及内应力都将随绕组电流、漏磁分布、材料形变程度的变化而变化。在绕组受到重力、电磁力和应力的作用时，绕组将会发生振动，而绕组受力振动将导致绕组的金属导线和绝缘介质发生形变与位移，反作用于空间中的漏磁分布的变化。同时，在绕组振动过程中绕组可以看做为在做切割磁感线运动，并产生感应电流，将感应电流与故障穿越电流叠加可以作为绕组内部实时的电流。因此，为了求取在故障持续时间内，变压器油箱内部的整体油流运动变化情况，以位移量和形变量作为流场模型的流场初始变量，通过湍流模型计算油箱内部的瞬态流场分布之后还可以包括：根据位移量求取绕组的运动速度，并根据漏磁场的磁感应强度和绕组的运动速度求取绕组的感应电流；将绕组的感应电流与绕组的短路电流叠加，作为绕组下一时刻的新的短路电流，以使得根据新的短路电流求取下一时刻的油箱内部的瞬态流场分布。
为了便于理解，以下将对在电磁-力-流场多场耦合模型中进行变压器短路故障后绕组振动及油流涌动特征研究的算法过程进行描述。可参阅图5，图5为本发明实施例提供的电磁-力-流场多场耦合算法流程简要示意图。具体步骤如下：
1)根据变压器几何尺寸及铭牌参数，建立模拟变压器三维模型与短路故障电路拓扑。
2)结合步骤1中故障电路拓扑及瞬变短路电流模型，计算从短路故障时刻开始，流经变压器绕组的故障电流id。
3)针对步骤1中所建立的模拟变压器三维模型进行网格剖分，在comsolmultiphysics仿真环境下有限元计算油箱内部漏磁场磁感应强度矢量b。
4)结合步骤2、3所得微元体磁感应强度及电流密度，根据式(9)计算当前时刻下其所受电磁力f。
5)根据电磁力f和重力g计算每个微元体的总载荷，利用瞬态力学模型中式(7)～(14)计算其位移u、应力σ、应变ε等各力学变量。
6)根据绕组各微元体所受磁感应强度及运动速度，计算感应电流并与故障穿越电流id叠加作为下一时刻的绕组电流。
7)根据绕组形变、位移特征作为流场初始变量，利用k-ε湍流模型计算油箱内部瞬态流场分布。
8)判断计算过程是否完成。若未完成，存储当前计算结果，并进行条件修改和参数更新，返回步骤3进行下一时刻计算；若已完成，存储所有结果并结束计算。
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。