一种变压器短路冲击电流的有限元计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于变压器软件仿真的技术领域，特别涉及一种电力变压器突发外部短路 冲击电流的仿真方法。
【背景技术】
[0002] 电力变压器时电力系统中十分重要和昂贵的设备之一。它的运行状况不仅影响其 本身的安全，而且影响着整个电力系统运行的稳定性和可靠性。长期以来，电力变压器的安 全、可靠运行一直受到电力运行和管理部门的普遍重视，这也是系统安全、稳定和经济运行 的重要指标。随着国民经济的快速发展，人们对电的需求越来越大，电力变压器所发挥的作 用也日益重要，并且朝着电压等级和容量更大的方向发展。
[0003] 在现场变压器的故障统计中，由短路所引起的故障占了很高的比重，表1-1是对 一段时间内电力变压器的故障统计，从表中可以看到在五年的时间里110kV及以上电压等 级的变压器共发生事故235台次，其中由于短路损坏而造成的事故共有87台次，占变压器 总事故台次的37. 02%
[0004] 表1 1994-1999年全国110kV及以上变压器短路损坏事故台数统计
[0005]
[0006] _从以上数据不难看出，由于短路时变压器抗短路能力不够所导致的事故是影响 电力变压器安全运行的主要因素。这主要是由于变压器发生短路故障时，绕组导线中将流 过远大于正常电流值的短路电流，因而在变压器内将产生数值很大的磁场。在短路电流和 短路磁场的作用下，导线将受到十分巨大的电动力作用，短路电动力约为正常值得上百 倍。如果变压器的短路抵抗能力设计的不够合理，则绕组的结构在短路电动力的作用下可 能发生形变，甚至导致绕组的跨塌。因此，通过有限元方法对变压器突发外部短路故障下， 流经变压器绕组的短路电流进行计算和校核是非常重要的。
【发明内容】
[0007] 本发明的主要目的在于：针对传统的简化电路解析法以及试验法计算短路电流的 缺点和不足，采用有限元法能够较好的计算不同绕组结构的短路阻抗以及不同故障下的短 路电流，能够大大的简化工作量。该方法主要包括以下步骤：
[0008] 1.利用三维建模软件（如Inventor)根据变压器绕组和铁芯的实际尺寸建立三维 模型；
[0009] 2.设置线圈截面、电流方向以及匝数，高低压绕组的电流方向相反；
[0010] 3.设置高低压绕组的激励源为外电路，并将绕组名称对应下的线圈截面添加到绕 组中；
[0011] 4.利用Editcircuit编辑外电路，在外电路中需要根据系统电压和容量以及线 圈电阻设置电压源以及电阻，各线圈均需要单独接地；
[0012] 5.利用ANSYSMaxwell自带的计算器功能对短路冲击电流Is。进行计算，获得仿 真结果。
【附图说明】
[0013] 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做简单地介绍，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的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0014] 附图1为本发明提供的变压器仿真模型剖视图；
[0015] 附图2为本发明提供的变压器仿真模型俯视图；
[0016] 附图3为本发明提供的变压器铁芯磁化曲线图；
[0017] 附图4为本发明提供的变压器短路冲击电流的计算流程图；
[0018] 其中，1为变压器高压绕组，2为变压器低压绕组，3为变压器铁芯，4为变压器油 箱，5为高压绕组单饼绕组，6为低压绕组单饼绕组，7为变压器油，8为低压绕组的单匝线 圈，9为高压绕组的单匝线圈。
【具体实施方式】
[0019] 为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合 附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用 以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0020] 参考图1、图2及图4,本发明提供一种变压器绕组短路冲击电流的有限元计算方 法，包括以下步骤：
[0021] 在三维软件中，根据变压器尺寸建立正常变压器仿真模型，包括有匝数为N1的高 压侧绕组1，匝数为N2的低压侧绕组2,铁芯3;
[0022] 所述的高压侧绕组1由相同尺寸的饼式结构5组成，各线饼之间没有物理接触，线 饼间存在垫块；
[0023] 所述的高压侧绕组1由相同尺寸的饼式结构6组成，各线饼之间没有物理接触，线 饼间存在垫块；
[0024] 高低压绕组分别套装在铁芯柱上，绕组圆心与铁芯柱的中心重合；
[0025] 设置高压绕组的1的单匝线圈9为一个coilterminal，并设置电流流向为顺时针 方向，所述的具体步骤为：采用surfacesection命令对高压绕组1按照xz平面切割，获得 高压绕组1各饼线圈的截面，选中所有截面上设置为coilterminal并按照实际尺寸设置 匝数，并将电流的方向设置为顺时针；
[0026] 设置高压绕组的2的单匝线圈8为一个coilterminal，并设置电流流向为顺时针 方向，所述的具体步骤为：采用surfacesection命令对高压绕组2按照xz平面切割，获得 高压绕组2各饼线圈的截面，选中所有截面上设置为coilterminal并按照实际尺寸设置 匝数，并将电流的方向设置为逆时针；
[0027] 利用winding命名，设置winding的激励方式为外电路，分别建立高低压绕组具有 "电路-有限元"耦合器件，并将各绕组下的coil添加到winding下；
[0028] 利用editcircuit将winding器件加入到外电路模型中，并且根据系统电压等级 与短路电流估算系统短路阻抗Z，估算方法如下：
[0029]
[0030]其中U为系统电压，I为系统发生母线短路故障时，母线上的电流；
[0031] 根据需要将高低压绕组winding中的一个与系统电压源，短路阻抗，线圈电阻连 接成为闭合回路，其中winding同名端接地，设置电压源频率为50Hz;
[0032] 将高低压绕组winding中的令一个与线圈电阻，线路电阻连接成为闭合回路，其 中winding同名端接地；
[0033] 对有限元模型中的铁芯、绕组材料的电导率、磁导率进行设置，其中铁芯的B-H曲 线如附图3所示；
[0034] 设置求解区域，并对求解区域的边界按照变压器箱体材料的电导率和磁导率，设 置为阻抗边界条件；
[0035] 根据实际变压器绕组的尺寸对绕组网格按照onselection进行设置，铁芯网格安 照inselection进行设置；
[0036] 在计算结果中，通过创建新的报告按照高低压绕组电流的变量获得短路电流随时 间的曲线，并将数据导出到excel表格中。
【主权项】
1. 一种变压器短路冲击电流的有限元计算方法其特征是，包括以下步骤： 1) 利用三维建模软件如Inventor根据变压器绕组和铁芯的实际尺寸建立三维模型； 2) 设置线圈截面、电流方向以及匝数，高低压绕组的电流方向相反； 3) 设置高低压绕组的激励源为外电路，并将绕组名称对应下的线圈截面添加到绕组 中； 4) 利用Editcircuit编辑外电路，在外电路中需要根据系统电压和容量以及线圈电 阻设置电压源以及电阻，各线圈均需要单独接地； 5) 利用ANSYSMaxwell自带的计算器功能对短路冲击电流Is。进行计算，获得仿真结 果。
【专利摘要】一种变压器短路冲击电流的有限元计算方法，包括以下步骤：根据变压器尺寸建立变压器绕组和铁芯的三维模型；设置变压器绕组的激励条件和边界条件；建立具有耦合计算功能的外电路；对不同故障下的短路电流进行计算，获得短路电流随时间的变化关系。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105205236
【申请号】CN201510573313
【发明人】钱国超, 于虹, 刘光琪, 颜冰, 邹德旭, 汲胜昌, 张凡
【申请人】云南电网有限责任公司电力科学研究院, 西安交通大学
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2015年9月10日