电力变压器绕组短路强度计算软件.pdf

电力变压器绕组短路强度计算软件 李岩 1 , 刘爽 2 , 李文海 2 , 董振华 2 (1 .沈阳工业大学,辽宁 沈阳1 1 0 0 2 3;2 .沈阳变压器研究所, 辽宁 沈阳1 1 0 1 7 9) 摘要:以有限元法、 变压器理论和试验得出的计算方法为基础, 以V B和F o r t r a n语言为工具, 开发了大型电力变压 器绕组短路强度计算软件, 并给出了计算实例。 关键词: 电力变压器; 短路强度; 绕组; 计算软件 中图分类号:T M 4 0 1 + . 1文献标识码:B文章编号:1 0 0 1 - 8 4 2 5(2 0 0 8)0 3 - 0 0 0 1 - 0 5 1引言 电力变压器作为电力系统的主要设备之一, 其 运行的可靠性对整个系统的安全至关重要。大型电 力变压器如发生短路损坏,将会导致大面积电网停 电, 其检修期要在半年以上, 其损失是巨大的 1 ,2 。为 此,国家标准G B 1 0 9 4和国际标准I E C 7 6均对电力 变压器的承受短路能力作出了相应规定,要求电力 变压器在运行中应能承受住各种短路事故 3 。然而, 据国家电网公司的统计分析,在1 9 9 5 1 9 9 9年间, 全国1 1 0 k V及以上电压等级电力变压器发生短路 损坏事故1 2 5台次, 容量7 9 9 6 M V A, 占事故总容量 的3 7 . 5 %, 占变压器总事故台次的4 4 . 0 %。由此可以 看出,电力变压器短路强度不够已成为导致电力变 压器损坏事故的主要原因之一,是电力变压器运行 中的一个突出问题,其关键是变压器短路时绕组电 动力、 机械强度和稳定性问题。 目前解决问题的方法 主要有两种: (1) 直接对变压器进行短路电流冲击试 验; (2) 以试验所证实的理论对变压器进行计算。在 真实变压器上试验, 是所有分析计算的基础, 也是技 术发展的需要。然而, 变压器短路试验研究周期长、 费用大,特别是超大型电力变压器的短路试验在现 有的条件下还很难完成。 因此, 应用以试验为基础的 电磁场、电动力和绕组强度等计算方法以及现代计 算机技术, 开发大型电力变压器短路强度计算软件, 并将其应用于设计、 分析、 验证实际的变压器是非常 必要的。为此, 本文以有限元方法、 变压器理论和试 验得出的计算方法为基础, 以V B和F o r t r a n语言为 工具,开发了大型电力变压器绕组短路强度计算软 件。 该软件可以计算和分析变压器各绕组电磁场、 所 有线段( 饼) 电磁力和应力分布、 各种分接时的绕组 强度以及在轴向冲击力作用下的线段( 饼) 位移和动 态力,并给出了强度判据。最后运用该软件对3 1 5 0 0 k V A电力变压器进行了绕组短路机械力计算。 2软件的功能与框图 本文中所述的电力变压器绕组短路强度计算软 件的设计思想是:应用V i s u a l B a s i c语言设计开发 中文软件界面, 在用户输入必要的设计参数后, 首先 通过预处理程序将工程设计中的结构和材料参数转 换为有限元电磁场计算和电动力计算所需参数; 应 用现代数值计算方法, 采用F o r t r a n语言编制核心程 序计算变压器的电磁场、 线段( 饼) 电磁力、 线段应力 和短路强度, 并给出机械强度判据。 通过软件界面进 C a l c u l a t i o nS o f t w a r ef o rWi n d i n gS h o r tC i r c u i tS t r e n g t ho fP o w e rT r a n s f o r me r L I Y a n 1 , L I U S h u a n g 2 , L I We n !h a i 2 , D O N G Z h e n !h u a 2 (1 . S h e n y a n gU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y , S h e n y a n g1 1 0 0 2 3 , C h i n a; 2 . S h e n y a n gT r a n s f o r me rR e s e a r c hI n s t i t u t e , S h e n y a n g1 1 0 1 7 9 , C h i n a) A b s t r a c t:B a s e do nf i n i t ee l e me n t me t h o d , t r a n s f o r me r p r i n c i p l ea n dt e s t c a l c u l a t i o nme t h o d , t h ec a l c u l a t i o ns o f t w a r ef o rw i n d i n g s h o r tc i r c u i ts t r e n g t ho fl a r g ep o w e rt r a n s f o r me ri s d e v e l o p e dw i t hV Ba n dF o r t r a nL a n g u a g e . T h ec a l c u l a t i o ne x a mp l e sa r ep r e s e n t e d . K e yw o r d s:P o w e rt r a n s f o r me r;S h o r t c i r c u i t s t r e n g t h;Wi n d i n g;C a l c u l a t i o ns o f t w a r e 第4 5卷 第3期 2 0 0 8年3月 T R A N S F O R ME R V o l . 4 5 Ma r c h N o . 3 2 0 0 8 第4 5卷 图3计算结果图表 F i g . 3 F i g u r ea n dt a b l eo fc a l c u l a t i o nr e s u l t s 图4计算报告界面 F i g . 4 I n t e r f a c eo fc a l c u l a t i o nr e p o r t 行短路强度计算结果后处理,自动生成计算报告, 并提供在线帮助。 该软件工作于Wi n d o w s操作系统平台, 适用于 各电压等级单相、 三相电力变压器绕组电磁场和短 路强度计算与分析。单相绕组数不大于5个, 绕组 安匝分区小于1 2个,最多一次可计算6种短路工 况( 不同分接, 不同绕组短路组合) 。软件采用了下 拉菜单式中文界面,也可使用鼠标快捷下拉式菜 单。用户输入的参数均为产品设计计算单中相关数 据, 设计人员可方便使用。 软件在功能上可以仅仅根据用户给出的一些 主要技术参数,自动地进行变压器绕组电磁场、 各 绕组中每个线段( 饼) 的辐向和轴向电磁力分布、 各 线段的应力、 动态力和线段位移、 绕组对上下紧固 结构件的作用力、 各绕组在不变形情况下的最大载 荷计算, 并给出机械强度判据。还可进行短路强度 计算结果的数据表和曲线图的显示、 变压器电磁场 分布的磁力线图、 计算场域的结构示意图和有限元 网格的显示等。软件可按工程要求以文本格式输出 计算报告、 提供在线使用帮助功能, 并具有完整的 软件设计和使用文档。用V B语言编写的软件主要 界面如图1 图4所示。 软件在结构上采用了模块化结构。各功能模块 在窗口界面下采用动态连接、 自动加载的方法实现 其功能, 并可实现数据共享和处理。主要分为以下 模块。 (1) 技术参数输入模块 首先输入产品型号、 图号、 用户单位、 计算日期 等, 然后根据菜单要求, 输入变压器相关设计参数, 如绕组内径、 外径、 高度、 导线规格、 油道高度、 线段 数据、 电流、 短路阻抗等, 其用于软件的预处理。 (2) 预处理模块 将通过菜单输入的设计数据转换为核心程序所 用参数, 如磁场计算的有限元网格数据、 绕组安匝分 布等。 (3) 电磁场数值计算模块 取一个心柱上的单相绕组进行绕组电动力的计 算分析, 其磁场近似为轴对称非线性瞬态涡流场, 笔 者采用有限元数值计算方法对其求解 ( 详见后面计 算方法) 。 (4) 线段辐向、 轴向电磁力和线段应力计算模块 变压器磁场分布确定后,由洛伦兹力公式求得 变压器绕组中各线段( 饼) 的单位长度辐向力、 单位 长度轴向力分布,进而计算辐向力在各线饼中产生 的应力。绕组所受轴向压力是对其每个安匝分区中 所有线饼所受轴向电磁力求和得出的。 机械强度的计算包括:轴向机械强度计算和辐 向机械强度计算( 圆筒式绕组、 螺旋式绕组或饼式绕 组等) 。 机械强度是指各种绕组在不变形情况下所能 承受的最大载荷。 (5) 轴向动态力与线段位移计算模块 根据变压器绕组轴向振动的模型,建立动力学 图1软件主菜单 F i g . 1 Ma i nme n uo fs o f t w a r e 图2设计参数输入界面之一 F i g . 2 O n eo fi n p u ti n t e r f a c e so fd e s i g np a r a me t e r s 2 李 岩、 刘 爽、 李文海等: 电力变压器绕组短路强度计算软件第3期 方程, 应用微分方程数值解法中的G I L L方法, 考虑 垫块及端环作用力的非线性问题, 通过多次迭代求 出线饼所受到的轴向动态力、 位移及结构件上受到 的来自绕组的力。每隔0 . 0 5 m s迭代一个时间点, 迭 代2 0次, 即每隔1 m s给出一组解, 对绕组短路后的 2 5 0 m s求解动态过程。 (6) 结果输出和显示模块。 该模块可以完成各绕组中所有线段的磁场、 辐 向力、 轴向力、 应力分布的数据和曲线的显示; 磁场 用磁力线图显示; 动态力和线段位移、 机械强度判 据也可通过图表给出。以上结果显示均可由后处理 程序菜单控制, 并可以自动生成一份计算报告给用 户, 为设计提供参考。 (7) 帮助文档模块 本模块包括使用说明文件和设计文件两部分, 使用说明文件为软件的安装、 使用过程中所碰到的 问题提供帮助; 设计文件是整个设计计算的理论设 计公式和文字说明。 3主要计算方法 为计算变压器短路情况下绕组机械强度, 首先 需要进行短路过程的瞬态电磁场和线段( 饼) 电磁 力计算。考虑到变压器结构、 磁场和短路力分布的 特点,笔者取一个心柱上的单相绕组进行计算分 析, 其磁场近似为轴对称非线性瞬态涡流场, 采用 有限元数值计算方法求解。 在圆柱坐标下,选用矢量磁位A 为待求变量, 变压器短路过程中的轴对称瞬态场定解问题可表 示为: # $Z $(r A) $Z !+$ $r $(r A) $r ! = - J s + $(r A) $t S 1 r A= r A 0 S 2 $r A $n = - Ht At = t 0= f 0(z ,r # % % % % $ % % % % 变压器求解区域 和电磁场分布如图7所示。 (2) 径向机械力和强度如表2所示。 (3) 轴向机械力和强度如表3所示。 (4) 对夹件的作用力如表4所示。 5结论 本文中所述的大型电力变压器绕组短路强度计 算软件, 可以计算和分析变压器各绕组电磁场、 所有 线段( 饼) 电磁力和应力分布、 各种分接时的绕组强 度以及在轴向冲击力作用下的线段( 饼) 位移和动态 力, 并可给出强度判据。该软件具有工程实用、 使用 方便的特点, 并通过实例计算证明了软件的有效性, 表1绕组参数 T a b l e1 Wi n d i n gp a r a me t e r s 绕组名称 宽度 / m m 高度 / m m 匝数 不同分接的相电流/ A 最大额定最小 低压绕组7 11 2 1 41 2 4- 1 0 0 0- 1 0 0 0- 1 0 0 0 高压绕组8 21 2 1 04 5 02 5 0 . 52 7 5 . 63 0 6 . 2 调压绕组1 68 3 03 33 3 40- 4 0 8 . 3 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 1 . 4 4 03 02 01 006 05 0 绕组高度/ m 应力/ Nm m - 2 (b) 应力 图6高压绕组辐向平均磁通密度和应力沿绕组高度的分布 F i g . 6 Me a nr a d i a lma g n e t i cf l u xd e n s i t ya n ds t r e s s d i s t r i b u t i o na l o n gh e i g h t d i r e c t i o ni nH Vw i n d i n g 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 1 . 4 4 03 02 01 00- 1 0- 2 0- 3 0- 4 0 绕组高度/ m 磁通密度/ m T (a) 辐向平均磁通密度 低压绕组 调压绕组 高压绕组 铁轭 压 板 心 柱 铁轭 (a) 求解区域示意图(b) 电磁场分布 图7变压器求解区域和电磁场分布 F i g . 7 S o l u t i o na r e aa n de l e c t r o ma g n e t i cf i e l d d i s t r i b u t i o ni nt r a n s f o r me r 4 李 岩、 刘 爽、 李文海等: 电力变压器绕组短路强度计算软件第3期 “第四届全国变压器技术自主创新研讨会” 征文启事 为了适应我国变压器行业快速发展的需要,展示我 国变压器行业近年来最新的技术成果, 进一步促进变压器 行业的技术进步, 变压器 杂志编辑部在成功举办了三届 全国变压器技术自主创新研讨会的基础上, 为满足广大读 者的要求, 拟于2 0 0 8年8月份召开“ 第四届全国变压器 技术自主创新研讨会” 。 为此,特征集反映我国变压器行业近年来在变压器 ( 含互感器、 电抗器、 调压器及组件) 技术领域自主创新的 论文。具体内容如下: 1 .获得国家、 省级科技进步奖的变压器科技成果介绍; 2 .获得国家级鉴定的变压器科技成果介绍; 3 .获得发明专利的变压器科技成果介绍; 4 .具有自主知识产权的变压器类新产品的开发设 计; 5 .独创的变压器工艺方法和变压器用工装设备; 6 .国内外领先的变压器试验技术和变压器故障检测 技术; 7 .变压器运行维护方面的新经验、 新技术; 8 .变压器基础理论研究的最新成果; 9 .变压器企业现代化创新管理; 1 0 .有关变压器新技术的论述文章; 1 1 . 7 5 0 k V、 8 0 0 k V、10 0 0 k V及节能等变压器技术 领域的最新科研成果。 征文截止日期为2 0 0 8年7月1 5日。所有征文请自 留底稿, 并请在论文上加注“ 征文” 字样。 征文格式参照“ 变压器 杂志征稿启事” 。 所有征文作 者将获赠纪念品一份。 被评选的优秀论文作者将被邀请出 席第四届全国变压器技术自主创新研讨会, 并将荣获优秀 论文证书。 本次所征集的论文将汇编成册, 以论文集的形式内部 出版, 并将陆续在 变压器 杂志上发表。 变压器 杂志编辑部 ! ! ! ! 表2径向机械力和强度 T a b l e2 R a d i a l me c h a n i c a l f o r c e sa n ds t r e n g t h 绕组线饼 径向压力 / Nm m - 1 压曲强度 / Nm m - 1 径向拉应力 / Nm m - 2 许用应力 / Nm m - 2 低压绕组L- 4 8 . 88 0 . 1 高压绕组 A6 3 . 64 7 . 51 0 0 E7 6 . 84 7 . 81 0 0 D7 6 . 34 7 . 61 0 0 表3轴向机械力和强度 T a b l e3 A x i a l me c h a n i c a l f o r c e sa n ds t r e n g t h 绕组线饼轴向力/ N轴向强度/ N位移/ m m 低压 绕组 L7 . 2 4 1 0 5 4 . 6 0 1 1 0 6 向上3 . 2 向下- 4 . 4 高压 绕组 A1 . 1 6 1 0 5 1 . 8 3 6 1 0 6 向上0 . 7 向下- 0 . 4 E2 . 1 6 1 0 5 2 . 2 0 3 1 0 6 向上0 . 6 向下- 0 . 4 D1 . 8 5 1 0 5 2 . 2 0 3 1 0 6 向上0 . 4 向下- 0 . 2 表4对夹件作用力 T a b l e4 F o r c e st oc l a mp s 绕组 上部压缩力 / N 下部压缩力 / N 上部位移 / m m 许用位移 / m m 低压绕组8 . 6 1 0 4 1 . 5 7 1 0 5 - 4 . 4 11 0 . 0 0 高压绕组2 . 5 1 0 4 2 . 7 1 0 4 - 0 . 3 91 0 . 0 0 总作用力8 . 6 1 0 4 1 . 5 7 1 0 5 可用于变压器生产企业进行设计计算和强度校验。 参考文献: 1 尹克宁.变压器设计原理M.北京: 中国电力出版社, 2 0 0 3 . 2 贺以燕.关于电力变压器承受短路能力问题的探讨J. 变压器,1 9 9 6,3 3(9) :2 - 7 . 3 杨俊海.大型变压器绕组短路强度计算J.电力情 报,1 9 9 6, (4) :1 9 - 2 2 . 4 陈阆琪.变压器线圈短路强度计算综述J.变压器, 1 9 7 4,2 1(5) :1 - 1 9 . 5 王洪方, 王乃庆, 李同生.变压器绕组轴向预紧力对绕 组轴向振动特性的影响J.电网技术,1 9 9 9,2 3(9) :8 - 1 1 . 6 王璋奇, 王孟.电力变压器绕组轴向振动稳定性分析 J.中国电机工程学报,2 0 0 2,2 2(7) :2 4 - 2 8 . 收稿日期:2 0 0 6 - 1 0 - 2 5 作者简介: 李岩(1 9 6 2 -) , 男, 吉林吉林人, 沈阳工业大学特种电机研究所教授, 博士生导师, 长期从事变压器、 永磁电机以 及工程电磁场问题的研究工作; 刘爽(1 9 8 0 -) , 女, 辽宁锦州人, 沈阳变压器研究所工程师, 从事变压器电磁场及短路力问题的研究工作; 李文海(1 9 3 8 -) , 男, 天津市人, 沈阳变压器研究所总工程师, 长期从事科研及大型变压器的设计工作; 董振华(1 9 6 2 -) , 女, 辽宁沈阳人, 沈阳变压器研究所技术中心首席指导工程师, 长期从事变压器设计开发工作。 5