本发明涉及一种变压器稳态时漏磁场及绕组振动位移计算方法。
背景技术：
电力变压器是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。
随着输电系统和变压器单台容量的增大,大型变压器的振动和噪声问题也显著增强。过大的振动和噪声除了引起变压器结构件(如夹件、油箱等)振动外还对变电站内及周边的环境噪声产生了较大的影响。而变压器的振动和噪声主要来自于绕组和铁芯的振动，因此,国内外的许多学者对大型变压器振动和噪声的计算等问题都十分重视,为此做了大量的工作,并取得了一定的成果。为计算变压器绕组振动,首先应对变压器的漏磁场进行计算。在磁场数值计算方法应用以前,变压器漏磁场的计算主要采用两种方法：解析法和实验的方法实验法的特点是简单可靠,但是为了能够比较准确地反映出变压器的实际状况,就需要实验模型能够与实际变压器匹配,既包括结构上的要求也包括尺寸上的要求。解析法的特点是计算简单、结果直观,目前仍是研究变压器漏磁场的常用方法,但是只能适用于比较特殊的情况,因为它是在忽略很多因素以及建立诸多假设的基础上得到的,这就会带来与实际较大的误差,对于实际变压器漏磁场的分布情况也无法十分精确的求解。
变压器的绕组在稳态状态下受到周期交变的电磁力的作用,绕组在此力作用下会产生周期的振动，并通过变压器油和箱体向外传递振动。而根据变压器的振动机理，这种振动不仅仅与变压器的机械状况相关，还与温度以及变压器绝缘材料的老化程度有关，因此对变压器稳态条件下的漏磁场及绕组振动位移进行计算对于分析绕组振动、机械状况、老化及温度状况，以及进行基于振动信号的变压器绝缘状况老化检测都是十分重要而有意义的。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种变压器稳态时漏磁场及绕组振动位移计算方法，能够对正常运行时变压器内部的漏磁场分布以及电动力大小进行更为精确的计算，并采用谐响应分析的手段对变压器绕组的振动进行计算，从而为变压器振动信号的开展和相关的检测技术研究提供重要的参考。
一种变压器稳态时漏磁场及绕组振动位移计算方法，其特别之处在于，包括如下步骤：
(1)在三维软件中，根据变压器部件的三维尺寸建立变压器的仿真模型，该仿真模型至少包括饼数为N1的高压绕组、饼数为N2的低压绕组和多级铁芯，并将该高压绕组和低压绕组套装在多级铁芯的铁芯柱上，绕组圆心与铁芯柱的中心重合；
(2)利用分割对象的命令，选择一个平面对整个仿真模型进行分割，获得高低压绕组、铁芯结构的1/2模型；
(3)设置高压绕组的线饼为多匝线圈，并设置电流向为顺时针方向；设置低压绕组的线饼为多匝线圈，并设置电流向为逆时针方向；根据实际变压器内部材料的参数对仿真模型进行材料设置，需要设置的参数有：相对磁导率，相对电导率，弹性模量及泊松比；
(4)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；对求解区域采用自由四面体进行网格剖分；
(5)选择稳态求解器，对高低压绕组内部的磁场分布进行计算，并根据磁通密度的结果计算获得绕组各部分的洛伦兹力密度的分布；
(6)选择结构力学模块分析，并选择频域分析方式，在因变量值中选择不求解的变量值，将步骤(5)得到的稳态中洛伦兹力密度以体载荷的方式加载到高低压绕组结构中进行单相耦合，选择谐响应分析方法，获得频率为100Hz时高低压绕组的振动和位移响应。
本发明的有益效果是：本发明方法针对传统的漏磁场解析法、试验法以及二维有限元分析法的缺点和不足，利用COSMSOL Multiphysics有限元软件采用三维有限元分析技术对正常运行时变压器内部的漏磁场分布以及电动力大小进行了更为精确的计算，并采用谐响应分析的手段对变压器绕组的振动进行计算，为变压器振动信号的开展和相关的检测技术研究提供参考。有利于更准确、可靠的分析绕组振动、机械状况、老化及温度状况，以及进行基于振动信号的变压器绝缘状况老化检测。
具体实施方式
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。
本发明提供一种变压器稳态时的漏磁场及绕组振动位移的计算方法，包括以下步骤：
在Autodesk inventor,Solidworks或CATIA等三维建模软件中，根据变压器部件的三维尺寸建立变压器的仿真模型，模型的主要部分包括饼数为N1的高压绕组，饼数为N2的低压绕组，多级铁芯；
所述的高压低绕组由相同尺寸的饼式结构组成，其中饼的内外径与绕组的内外径相同，各线饼之间的油道尺寸与设计图相同，线饼间通过垫块形成油道，垫块的数量与设计图保持一致，高压绕组的端部建立端部压板；
所述的低压绕组由相同尺寸的饼式结构组成，其中饼的内外径与绕组的内外径相同，各线饼之间的油道尺寸与设计图相同，线饼间通过垫块形成油道，垫块的数量与设计图保持一致，低压绕组的端部建立端部压板；
所述的多级铁芯需要根据设计图纸建立多级的变压器铁芯，并将所述饼数为N1的高压绕组和饼数为N2的低压绕组的绕组套装在铁芯柱上，绕组圆心与铁芯柱的中心重合；
利用分割对象的命令，选择一个平面对整个模型进行分割，获得绕组，铁芯结构的1/2模型；
设置高压绕组的线饼为多匝线圈，并设置电流向为顺时针方向，所述的具体步骤为：选择多匝线圈选项，然后一一选择模型中的高压绕组，设置绕组形状和方向，根据每个线饼的匝数分布对绕组进行设定，并根据工况的电流对绕组施加激励；
设置低压绕组的线饼为多匝线圈，并设置电流向为逆时针方向，所述的具体步骤为：选择多匝线圈选项，然后一一选择模型中的低压绕组，设置绕组形状和方向，根据每个线饼的匝数分布对绕组进行设定，并根据工况的电流对绕组施加激励，；
根据实际变压器内部的各种材料的参数对模型进行材料设置，需要设置的参数主要有：相对磁导率，相对电导率，弹性模量及泊松比；
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；
对求解区域采用自由四面体进行网格剖分，根据铁芯和绕组的尺寸可以针对模型内部各部分的网格尺寸进行调整，适当的减少网格的数量，保证计算的速度；
选择稳态求解器，对绕组内部的磁场分布进行计算，并根据磁通密度的结果计算获得绕组各部分的洛伦兹力密度的分布；
选择结构力学模块分析，并选择频域分析方式，在因变量值中选择不求解的变量值，将稳态中洛伦兹力密度以体载荷的方式加载到绕组结构中进行单相耦合，选择谐响应分析方法，获得频率为100Hz时绕组的振动和位移响应。
实施例1：
下面以单相双绕组变压器为例，简单说明仿真的具体过程：
根据单相变压器绕组和结构的设计图纸，提取参数，参数如表1所示：
表1单相变压器结构参数
利用Autodesk Inventor建立的绕组和铁心的三维模型。
根据油箱尺寸建立变压器油箱模型，采用分割命令对变压器进行分割获得1/2模型，并进行自由四面体网格剖分。
设置高压绕组的线饼为多匝线圈，并设置电流向为顺时针方向，所述的具体步骤为：选择多匝线圈选项，然后一一选择模型中的高压绕组，设置绕组形状和方向，根据每个线饼的匝数分布对绕组进行设定，并根据工况的电流对绕组施加激励；
设置低压绕组的线饼为多匝线圈，并设置电流向为逆时针方向，所述的具体步骤为：选择多匝线圈选项，然后一一选择模型中的低压绕组，设置绕组形状和方向，根据每个线饼的匝数分布对绕组进行设定，并根据工况的电流对绕组施加激励；
根据实际变压器内部的各种材料的参数对模型进行材料设置，需要设置的参数主要有：相对磁导率，相对电导率，弹性模量及泊松比，参数值如表2所示；
表2材料参数
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；
选择稳态求解器，对绕组内部的磁场分布进行计算，并根据磁通密度的结果计算获得绕组各部分的洛伦兹力密度的分布，获得磁感应分布。选择结构力学模块分析，并选择频域分析方式，在因变量值中选择不求解的变量值，将稳态中洛伦兹力密度以体载荷的方式加载到绕组结构中进行单相耦合，选择谐响应分析方法，获得频率为100Hz时绕组的振动和位移响应，获得的高低压绕组的轴向和径向振动的加速度云图。