一種用于極寒條件下變壓器短路動穩定性評估方法與流程

本發明屬于電力變壓器技術領域，涉及的是一種用于極寒條件下變壓器短路動穩定性評估方法。

背景技術：

隨著國家“一帶一路”戰略的不斷推進，電力變壓器在高緯度、極寒地區應用范圍必將越來越大。然而極寒溫度會對變壓器絕緣材料和繞組的機械性能和電氣性能產生影響，破壞變壓器的動熱穩定性，影響變壓器的安全運行。

經統計分析，電力變壓器故障的原因中，70％由其動穩定及熱穩定受到不同程度破壞所導致。目前行業內對變壓器的抗短路能力及過載能力已有成熟的研究，但對于極寒條件下的變壓器抗短路及過負荷能力研究較少。為了能夠比較準確地掌握變壓器內部繞組的健康狀態，盡早發現變壓器故障隱患和實現變壓器狀態檢修，有必要對變壓器短路時繞組動穩定性評估方法進行深入研究。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種極寒條件下變壓器短路動穩定性評估方法，可直接應用于實際系統中，具有較強的實用性。

為實現上述目的，本發明是通過以下技術方案來實現：

一種極寒條件下變壓器短路動穩定性評估方法，對220kV～750kV電力變壓器建立場路耦合模型；在短路沖擊作用下，分析場路耦合模型中變壓器瞬態漏磁場分布，然后結合極寒條件下變壓器繞組及墊塊機械特性隨溫度的變化規律以及墊塊受力后的累積效應，計算繞組軸向位移以及應力分布；在繞組軸向位移和應力分布基礎上，得到繞組最大應力、最大軸向位移隨溫度的變化曲線，通過與國標GB1094.5-2008、銅導線的屈服強度值隨溫度的變化關系進行對比，完成極寒條件下變壓器抗短路能力的評估。

本發明進一步的改進在于，極寒條件下變壓器繞組及墊塊機械特性隨溫度的變化規律通過以下過程得到：利用拉壓試驗機和動態熱機械分析儀對不同溫度下的繞組及墊塊材料進行力學特性的試驗，得到墊塊的彈性模量隨溫度變化曲線和繞組彈性模量隨溫度變化曲線。

本發明進一步的改進在于，墊塊受力后的累積效應，具體是利用拉壓試驗機對墊塊進行多次循環加壓，獲得加載次數與墊塊形變的關系。

本發明進一步的改進在于，通過采用有限元軟件建立場路耦合模型。

本發明進一步的改進在于，在短路沖擊作用下，分析場路耦合模型中變壓器瞬態漏磁場分布的具體過程為：首先，計算短路時變壓器短路電流值，然后通過有限元軟件計算變壓器瞬態漏磁場分布。

本發明進一步的改進在于，通過ANSYS有限元軟件的APDL開發功能計算繞組軸向應力分布。

與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：本發明根據實驗測得極寒條件下變壓器材料繞組及墊塊機械特性隨溫度的變化規律及墊塊受力后的累積效應，對220kV-750kV電力變壓器建立場路耦合模型，計算短路時變壓器內部的瞬態漏磁場分布。利用漏磁場分布的結果，研究了不同分接開關下變壓器繞組不同位置的軸向位移和應力分布規律，然后結合不同溫度下繞組材料和墊塊材料的力學特性，對不同溫度下的繞組的軸向位移和應力分布進行研究，得到繞組最大應力、最大軸向位移隨溫度的變化曲線，通過與國標GB1094.5-2008、銅導線的屈服強度值隨溫度的變化關系進行對比，從而進行極寒條件下變壓器抗短路能力的評估。在極寒條件下，變壓器的繞組、絕緣墊塊參數與常溫情況不同，長時間的低溫以及力的累積效應也會對繞組和墊塊的機械特性造成變化。具體的，長時間的低溫會使得墊塊和導線的彈性模量變小，繞組銅導線的屈服強度增大。這些變化對于分析繞組及墊塊所受應力和位移都會造成很大的影響，這可能會造成對變壓器動穩定性評估時的誤差。所以分析繞組及墊塊在極寒條件下材料屬性的變化，對于分析極寒條件下變壓器繞組動穩定性具有重要意義。在長時間低溫環境下，繞組銅導線的屈服強度將發生變化。在一定溫度下，根據該溫度對應的材料力學性能參數，對繞組進行有限元分析計算后，可得到該溫度下應力分布，運用不同溫度下銅導線的屈服強度，可對繞組動穩定性進行準確評估。本發明由于考慮了長時間低溫對變壓器繞組材料性能的影響，所以能夠更準確的對極寒條件下變壓器的動穩定性進行評估。本發明可直接應用于實際系統中，具有較強的實用性。

進一步的，本發明中的墊塊受力后的累積效應主要是指力的累積效應，具體是利用拉壓試驗機對墊塊進行多次循環加壓，獲得加載次數與墊塊形變的關系，通過該曲線，可以為墊塊在多次短路電動力多用后的變形量進行準確計算，進而對繞組動穩定性進行評估。由于長時間的低溫會使墊塊和銅導線的彈性模量變小，當變壓器突發短路時，繞組的位移及應力分布將受到較大影響。在多次力的作用下，墊塊的厚度減小，繞組松動，軸向預緊力降低，位移將增大，所以需要考慮墊塊受力后的累積效應。

附圖說明

圖1為墊塊彈性模量與溫度之間的關系。

圖2為銅導線彈性模量隨溫度變化圖。

圖3為加載次數與墊塊形變的關系。

圖4為變壓器瞬態漏磁場分布。

圖5為繞組在-70℃時的軸向位移和應力分布，其中，(a)為位移，(b)為應力。

圖6為繞組在90℃時的軸向位移和應力分布，其中，(a)為位移，(b)為應力。

圖7為繞組最大軸向位移隨溫度的變化曲線。

圖8為繞組最大應力隨溫度的變化曲線。

圖9為本發明方法的流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明進行詳細說明。

參見圖9，本發明的一種極寒條件下變壓器繞組動穩定性評估方法，包括下述步驟：

對220kV-750kV電力變壓器采用有限元軟件建立場路耦合模型；在短路沖擊作用下，首先，計算短路時變壓器短路電流值，然后通過有限元軟件計算變壓器瞬態漏磁場分布，然后利用拉壓試驗機和動態熱機械分析儀對不同溫度下的繞組及墊塊材料進行力學特性的試驗，得到墊塊的彈性模量隨溫度變化曲線和繞組彈性模量隨溫度變化曲線；利用拉壓試驗機對墊塊進行多次循環加壓，獲得加載次數與墊塊形變的關系，即墊塊受力后的累積效應；結合極寒條件下變壓器繞組及墊塊機械特性隨溫度的變化規律以及墊塊受力后的累積效應，通過ANSYS軟件的APDL開發功能計算繞組軸向應力分布；在繞組軸向位移和應力分布基礎上，得到繞組最大應力、最大軸向位移隨溫度的變化曲線，通過與國標GB1094.5-2008、銅導線的屈服強度值隨溫度的變化關系進行對比，完成極寒條件下變壓器抗短路能力的評估。

下面通過一個實施例對本發明的步驟進行詳細說明。

S01、通過試驗得到變壓器材料的機械特性隨溫度變化的規律。利用MTS拉壓試驗機和動態熱機械分析儀DMA對不同溫度的繞組及墊塊材料進行力學特性的試驗，得到墊塊的彈性模量隨溫度變化(如圖1所示)和銅導線彈性模量隨溫度變化曲線，如圖2所示。

S02、墊塊受力后的累積效應，具體是利用MTS 858拉壓試驗機對墊塊進行0-5MPa循環加壓11次，獲得加載次數與墊塊形變的關系，即得到墊塊受力后的累積效應，如圖3所示。

S03、以某型330kV變壓器為例，通過ANSYS有限元軟件建立場路耦合模型。

S04、在短路沖擊作用下，分析場路耦合模型中變壓器瞬態漏磁場分布的具體過程包括：首先，計算短路時變壓器短路電流值，然后通過ANSYS有限元軟件計算變壓器瞬態漏磁場分布，如圖4所示。

短路電流值如表1：

表1 短路電流值

S05、根據變壓器瞬態漏磁場分布，利用ANSYS有限元軟件的APDL開發功能，結合極寒條件下變壓器材料機械特性隨溫度的變化規律以及墊塊受力后的累積效應，計算變壓器繞組不同位置的軸向位移、應力分布。

在繞組軸向瞬態位移和應力分布基礎上，對不同溫度下的繞組的軸向位移以及應力分布進行研究，得到繞組軸向位移以及應力分布，如圖5和圖6所示，得到變壓器繞組在短路電流最大的情況下，低壓繞組最大應力、最大軸向位移隨溫度的變化曲線，如圖7和圖8所示。

S06、根據繞組最大應力、最大軸向位移隨溫度的變化曲線，通過與國標GB1094.5-2008、銅導線的屈服強度值隨溫度的變化關系進行對比，完成極寒條件下變壓器短路動穩定性的評估。

本發明根據極寒條件(-45℃～0℃)下變壓器繞組，墊塊的材料特性的改變，對220kV-750kV電力變壓器相關參數進行計算，分析短路沖擊作用下，變壓器瞬態漏磁場分布；計算繞組軸向瞬態電磁力分布，建立短路電流作用下，變壓器繞組動態力分布、繞組位移及形變的電磁、力學、熱學分析模型。本發明通過研究繞組軸向和徑向力學行為及失穩判據，確定變壓器動穩定性能校核方法。本發明可直接應用于實際系統中，具有較強的實用性。