[发明专利]一种变压器绕组短路振动特性的计算方法

权利要求书

1.一种变压器绕组短路振动特性的计算方法，其特征在于按照以下步骤进行：

步骤1：根据变压器尺寸和部件，在ANSYS中建立变压器二维有限元模型，在ANSYSMechanical APDL软件环境下，选择PLANE13磁-结构耦合有限元单元，设置单元具有UX、UY、AZ自由度，直接耦合磁场和结构场，选取二维轴对称建模方式，根据变压器实际尺寸，建立二维轴对称模型；

步骤2：由于二维模型的等效性，分别计算变压器各部分结构的等效属性；

(1)计算绕组线饼、垫块层和端圈等结构的等效密度，分别均匀等效处理；

(2)计算不同位置绝缘纸板在轴向预紧力作用下的弹性模量；

(3)计算各绝缘层的等效弹性模量；

由于垫块、端圈、压板和压木等结构均采用绝缘纸板制成，在一定范围内，其应力-应变关系表示为：

σ＝aε+bε³ (1)

式中：σ为应力；ε为应变；a为线性常数；b为硬化系数；

通过实验可测得：a＝105MPa；b＝1750MPa；

在轴向预紧力作用下，其弹性模量可表示为：

压板和托板的弹性模量采用此参数直接定义；

考虑各相同性的两种材料，在载荷作用下产生相同应变，建立了Voigt模型：

E_φ＝φ₁E₁+φ₂E₂ (3)

垫块层和端部压木层采用Voigt模型等效；

考虑两相承受相同的应力，建立了Reuss模型：

端圈为多层层压式结构，具有两种结构属性，将其按结构特点纵向划分为几部分，采用Voigt模型和Reuss模型组合计算；

式中：E_φ为材料的等效弹性模量；E₁为绝缘纸板的弹性模量；E₂为空隙的弹性模量；φ₁和φ₂分别为绝缘纸板和空隙的体积分数，且φ₁+φ₂＝1；

步骤3：在ANSYS中定义并分配各结构的材料属性：电磁特性和结构特性；等效结构要赋予步骤2中计算的等效参数：等效密度、等效弹性模量；

步骤4：根据模型不同部位精细化程度的不同，分区域合理划分网格结构，并控制网格形状，避免出现畸变；模型整体网格尺寸设置为0.02，绕组及周围增大剖分网格数量，尺寸设置为0.015，整体采用四边形剖分；

步骤5：定义轴向坐标系下的重力加速度g＝9.8m/s²；考虑系统阻尼的影响，根据具体变压器阻尼大小，定义系统瑞利阻尼常数α和β；

步骤6：设置模型边界条件，轴对称边界施加磁通平行条件，固定件施加位移约束条件，分别对压板上边界和托板下边界施加轴向位移约束；

步骤7：分别以各线饼的等效电流密度作为激励，以时间历程定义载荷步；设置故障持续0.2s的一段动态载荷，按照1ms为步长，分别对高、低压绕组各线饼加载；

步骤8：采用瞬态分析方法，打开大形变效应和瞬态效应，划分载荷子步，设置写入结果文件的频率，以0.1ms划分载荷子步，每隔5个子步保存一次计算结果；

步骤9：利用ANSYS后处理器，输出故障过程中绕组振动的位移、速度和加速度随时间变化曲线。