一种基于流固耦合的油浸式变压器内部故障压力仿真方法

本发明属于电力系统电力设备内部故障，具体涉及一种基于流固耦合的油浸式变压器内部故障压力仿真方法。

背景技术：

1、在电力系统中，油浸式变压器的可靠性和安全性尤为重要。由于其在传输和分配电能过程中扮演着关键角色，任何故障都可能导致严重的后果，如设备损坏、供电中断，甚至触发更广泛的电网问题。特别是，内部短路故障是变压器最严重的故障之一，它不仅会损坏变压器本身，还可能危及周围的设备和人员安全。

2、变压器内部短路故障可能引起的另一个重要问题是压力波的产生。当内部发生故障时，变压器绝缘油在电弧的作用下会迅速分解，产生气体并导致内部压力急剧上升。这种压力增加，如果未能及时控制，可能导致变压器罐体的破裂，进而引发火灾或其他严重后果。因此，了解和预测变压器内部故障时的压力变化对于预防此类事件的发生至关重要。

3、当前，对油浸式变压器内部故障压力的研究主要集中在经验模型和实验上。然而，这些方法往往无法准确预测在实际故障条件下变压器内部的压力变化。

技术实现思路

1、为克服现有技术中无法准确预测在实际故障条件下变压器内部的压力变化的问题，本发明的目的是提供一种基于流固耦合的油浸式变压器内部故障压力仿真方法，该方法能够准确的计算油浸式电力变压器内部故障下油压的变化特征，不仅可以提高变压器故障诊断和预防的准确性，也为变压器的设计和运维提供更为科学的指导，帮助识别潜在的故障点，优化变压器设计，降低故障风险，从而提高电力系统的整体稳定性和可靠性。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于流固耦合的油浸式变压器内部故障压力仿真方法，包括以下步骤：

4、(1)根据变压器结构，分别建立变压器三维固体场模型与变压器三维流场模型；

5、(2)对变压器三维固体场模型与变压器三维流场模型进行有限元网格划分；

6、(3)将网格划分后的变压器三维固体场模型导入到transient structural软件中，设置变压器结构的材料属性以及边界条件；

7、将变压器三维流场模型导入到fluent软件中，将求解器设置为暂态求解器，设置材料属性、计算步数、计算步长以及边界条件；

8、(4)通过扩散光顺方法实时更新网格；

9、(5)在第一个计算步长中，根据电弧的能量，通过气泡动力学方程计算气泡表面的法向速度，根据气泡表面的法向速度，通过雷诺平均方程进行计算流场的压力；将流场的压力通过流固耦合面传递到固体场，得到固体场的压力；

10、(6)重复步骤(5)，直至所有步数计算完成，实现基于流固耦合的油浸式变压器内部故障压力的仿真。

11、进一步的，transient structural软件中的边界条件包括：

12、固体场中与流体接触的面、固定约束、计算时间、计算步数和计算步长。

13、进一步的，fluent软件中的边界条件包括：

14、出口边界采用压强出口边界条件，外界压强设置为大气压，流场与固体场的接触面设置为流固耦合面，流体域其余的面都设置为壁面。

15、进一步的，气泡动力学方程的公式为：

16、

17、式中，r为气泡的半径，是气泡表面的法向速度，是气泡表面的法向加速度；pd是流场边界的压强，通过fluent进行实时计算；γ为比热比，u0是初始时刻气泡内部的能量，rd是气泡的积分距离，wl是气泡膨胀的过程中气泡边界表面所做的功，warc是电弧的能量。

18、进一步的，电弧的能量通过下式计算：

19、

20、式中，δt为电弧持续时间，uarc为电弧电压，iarc为电弧电流，t为时间。

21、进一步的，气泡膨胀的过程中气泡边界表面所做的功wl通过下式计算：

22、

23、式中，为气泡表面的法向速度，r为气泡的半径，rd为气泡的积分距离，pd为是流场边界的压强。

24、进一步的，雷诺平均方程为：

25、

26、式中，ρ是密度，x是空间坐标，μ是动力粘度，是略去平均符号的雷诺平均速度分量，rij是雷诺应力张量，是气泡表面的法向速度的分量，为流体压力。

27、进一步的，实时更新网格实时更新网格：

28、

29、式中，s是扩散系数，为网格的运动速度，为拉普拉斯算子；

30、扩散系数s通过下式计算：

31、

32、式中，d是正则化后的网格节点与边界之间的距离，a是扩散参数。

33、进一步的，固体场的压力通过下式得到：

34、

35、上式中，ρs是固体密度；ds是固体场当地加速度矢量；σs是柯西应力张量；fs是体积力矢量。

36、进一步的，流固耦合面上的守恒原则为：

37、τf·nf＝τs·ns                       (8)

38、df＝ds                         (9)

39、qf＝qs                         (10)

40、tf＝ts                         (11)

41、式中，f表示流体；s表示固体；τf为流体应力，nf为流场界面的法向量；τs为固体应力，ns为固场界面的法向量，df为流体位移，ds为固体位移，qf为流体热流量，qs为固体热流量，tf为流体温度，ts为固体温度。

42、与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

43、本发明中首先建立变压器固体和流体的三维模型，然后对这些模型进行精确的网格划分，然后在ansys软件中分别利用fluent和transient structural进行流体动力学和结构力学的仿真分析，通过流固耦合面实现双向耦合，模拟在内部故障情况下变压器油的压力变化。此方法不仅提高了故障预测的准确性，也为变压器设计和维护提供了重要指导，具体优点如下：

44、(1)提高预测精度。通过使用流固耦合的仿真方法，可以更准确地预测油浸式变压器在实际故障条件下的内部压力变化。这种精确性对于识别潜在故障点和进行及时的预防措施至关重要。

45、(2)优化变压器设计。该方法能够帮助工程师更好地理解变压器内部在故障状态下的动态响应，从而优化变压器的设计，减少由于设计不当引起的故障风险。

46、(3)支持故障诊断和预防。这种仿真方法不仅可以用于变压器设计，还能用于现有变压器的故障诊断和预防。通过模拟故障情况，可以更好地制定预防措施和应急响应计划。

技术特征：

1.一种基于流固耦合的油浸式变压器内部故障压力仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于流固耦合的油浸式变压器内部故障压力仿真方法，其特征在于，transient structural软件中的边界条件包括：

3.根据权利要求1所述的基于流固耦合的油浸式变压器内部故障压力仿真方法，其特征在于，fluent软件中的边界条件包括：

4.根据权利要求1所述的基于流固耦合的油浸式变压器内部故障压力仿真方法，其特征在于，气泡动力学方程的公式为：

5.根据权利要求4所述的基于流固耦合的油浸式变压器内部故障压力仿真方法，其特征在于，电弧的能量通过下式计算：

6.根据权利要求4所述的基于流固耦合的油浸式变压器内部故障压力仿真方法，其特征在于，气泡膨胀的过程中气泡边界表面所做的功wl通过下式计算：

7.根据权利要求1所述的基于流固耦合的油浸式变压器内部故障压力仿真方法，其特征在于，雷诺平均方程为：

8.根据权利要求1所述的基于流固耦合的油浸式变压器内部故障压力仿真方法，其特征在于，通过下式实时更新网格：

9.根据权利要求1所述的基于流固耦合的油浸式变压器内部故障压力仿真方法，其特征在于，固体场的压力通过下式得到：

10.根据权利要求1所述的基于流固耦合的油浸式变压器内部故障压力仿真方法，其特征在于，流固耦合面上的守恒原则为：

技术总结
本发明公开了一种基于流固耦合的油浸式变压器内部故障压力仿真方法，包括以下步骤：根据变压器结构，建立变压器三维固体场模型与变压器三维流场模型，进行有限元网格划分；再导入到软件中，并设置参数，实时更新网格；在第一个计算步长中，根据电弧的能量，计算气泡表面的法向速度，再计算流场的压力；将流场的压力通过流固耦合面传递到固体场，得到固体场的压力；重复上述步骤，直至所有步数计算完成，实现油浸式变压器内部故障压力的仿真。该方法能够准确的计算油浸式电力变压器内部故障下油压的变化特征，不仅可以提高变压器故障诊断和预防的准确性，也为变压器的设计和运维提供更为科学的指导，提高电力系统的整体稳定性和可靠性。

技术研发人员：闫晨光,徐彻,杨宵,张芃
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24