变压器抗短路能力分析方法、装置、终端设备及介质与流程

1.本技术涉及变压器性能分析技术领域，尤其涉及一种变压器抗短路能力分析方法、装置、终端设备及介质。


背景技术：

2.电力变压器在短路工况下，其短路电流峰值可达额定电流的二三十倍，变压器发热源主要为绕组、铁芯等部件损耗，其中绕组损耗占整个变压器损耗来源的大部分，绕组的欧姆损耗与电流的平方成正比，此时变压器的短路损耗可达额定运行时的上百倍，从而使得绕组温度骤然增加，在该温度下变压器支撑件力学性能较额定工作条件下急剧下降，进而严重影响变压器的抗短路能力。
3.针对变压器的抗短路能力计算，最常见的方法之一是从数据库中选择影响短路能力的参考关系元素，然后再获取与参考关系元素对应的待检变压器的检验元素；最后根据二者的相似度计算待检变压器的安全系数，以表征变压器抗短路能力。然而这种方式更偏向理论分析，并没有考虑变压器真实运行状态，例如运行过程的热效应对于变压器抗短路能力的影响。该方法不仅需要从数据库中花费较多时间筛选影响短路能力的参考关系元素，且由于无法模拟变压器实际运行状况，导致计算结果与真实情况存在较大的误差，可靠性不强。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种变压器抗短路能力分析方法、装置、终端设备及介质，以解决现有的变压器抗短路能力分析方法存在的准确度低、可靠性差且耗时长的问题。
5.为实现上述目的，本技术提供一种变压器抗短路能力分析方法，包括：
6.构建变压器三维模型，模拟变压器三相短路运行工况；
7.对所述变压器三相短路运行工况进行电磁场瞬态仿真，计算变压器三相短路运行工况下的绕组损耗和电磁力分布；
8.基于所述绕组损耗和电磁力分布，对变压器三相短路运行工况下的温度场进行仿真，确定变压器实时温度流体分布；
9.将变压器实时温度流体分布耦合至结构场，计算变压器三相短路运行工况下的绕组应力和应变，将计算结果与国际标准对比，以判断变压器抗短路能力是否达标。
10.进一步，作为优选地，所述对变压器三相短路运行工况下的温度场进行仿真，确定变压器实时温度流体分布，包括：
11.基于仿真软件fluent对变压器三相短路运行工况下的温度场进行仿真；
12.基于仿真的温度场，进行参数设置，包括设置求解类型为稳态求解、设置材料参数、添加边界条件、输入激励以及进行参数初始化；
13.对稳态温度分布进行求解，生成稳态求解结果后将求解类型设置为瞬态求解，在所述稳态求解结果的基础上进行瞬态求解，得到变压器实时温度流体分布。
14.进一步，作为优选地，所述对所述变压器三相短路运行工况进行电磁场瞬态仿真，包括：
15.将所述变压器三维模型导入有限元仿真软件中，对电磁场进行求解，以得到电磁场瞬态仿真结果。
16.进一步，作为优选地，所述构建变压器三维模型，包括：
17.基于三维建模软件ug建立变压器三维模型，所述变压器三维模型包含铁芯、绕组、撑条、垫块及油箱。
18.本技术还提供了一种变压器抗短路能力分析装置，包括：
19.短路运行工况模拟单元，用于构建变压器三维模型，模拟变压器三相短路运行工况；
20.电磁场瞬态仿真单元，用于对所述变压器三相短路运行工况进行电磁场瞬态仿真，计算变压器三相短路运行工况下的绕组损耗和电磁力分布；
21.实时温度流体分布确定单元，用于基于所述绕组损耗和电磁力分布，对变压器三相短路运行工况下的温度场进行仿真，确定变压器实时温度流体分布；
22.抗短路能力分析单元，用于将变压器实时温度流体分布耦合至结构场，计算变压器三相短路运行工况下的绕组应力和应变，将计算结果与国际标准对比，以判断变压器抗短路能力是否达标。
23.进一步，作为优选地，所述实时温度流体分布确定单元，还用于：
24.基于仿真软件fluent对变压器三相短路运行工况下的温度场进行仿真；
25.基于仿真的温度场，进行参数设置，包括设置求解类型为稳态求解、设置材料参数、添加边界条件、输入激励以及进行参数初始化；
26.对稳态温度分布进行求解，生成稳态求解结果后将求解类型设置为瞬态求解，在所述稳态求解结果的基础上进行瞬态求解，得到变压器实时温度流体分布。
27.进一步，作为优选地，所述电磁场瞬态仿真单元，还用于：
28.将所述变压器三维模型导入有限元仿真软件中，对电磁场进行求解，以得到电磁场瞬态仿真结果。
29.进一步，作为优选地，所述短路运行工况模拟单元，还用于：
30.基于三维建模软件ug建立变压器三维模型，所述变压器三维模型包含铁芯、绕组、撑条、垫块及油箱。
31.本技术还提供一种终端设备，包括：
32.一个或多个处理器；
33.存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；
34.当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上任一项所述的变压器抗短路能力分析方法。
35.本技术还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述的变压器抗短路能力分析方法。
36.相对于现有技术，本技术的有益效果在于：
37.本技术公开了一种变压器抗短路能力分析方法、装置、终端设备及介质，包括构建变压器三维模型，模拟变压器三相短路运行工况；对变压器三相短路运行工况进行电磁场
瞬态仿真，计算变压器三相短路运行工况下的绕组损耗和电磁力分布；基于绕组损耗和电磁力分布，对变压器三相短路运行工况下的温度场进行仿真，确定变压器实时温度流体分布；然后将其耦合至结构场，计算变压器三相短路运行工况下的绕组应力和应变，将计算结果与国际标准对比，以判断变压器抗短路能力是否达标。
38.本技术充分考虑热效应对变压器抗短路能力的影响，即在运行中变压器支撑件(撑条、垫块等)的力学性能(抗拉强度、杨氏模量等)受运行温度影响，进而导致其机械强度下降，从而对变压器抗短路能力产生影响。将变压器实时温度分布情况传递至结构场仿真，使仿真更加符合变压器实际运行情况，提高了变压器抗短路能力分析结果的准确性。
附图说明
39.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1是本技术某一实施例提供的垫块杨氏模量随温度变化曲线示意图；
41.图2是本技术某一实施例提供的变压器抗短路能力分析方法的流程示意图；
42.图3是本技术某一实施例提供的变压器三维模型的结构示意图；
43.图4是本技术某一实施例提供的外电路模块的原理示意图；
44.图5是本技术某一实施例提供的二次侧短路电流随时间变化的曲线图；
45.图6是本技术某一实施例提供的变压器短路的绕组磁密分布图
46.图7是本技术某一实施例提供的中压绕组电磁力分布的结果示意图；
47.图8是本技术某一实施例提供的步骤s30的子步骤的流程示意图；
48.图9是本技术某一实施例提供的变压器短路的温度分布的结果示意图；
49.图10是本技术某一实施例提供的变压器抗短路能力分析装置的结构示意图；
50.图11是本技术某一实施例提供的终端设备的结构示意图。
具体实施方式
51.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
52.应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。
53.应当理解，在本技术说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本技术。如在本技术说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
54.术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
55.术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
56.需要说明的是，现有方法在对变压器抗短路能力进行分析时，为了简化分析过程，往往会忽略热效应对变压器抗短路能力的影响。然而，在实际应用中，热效应对变压器抗短路能力具有显著影响，主要体现在其对绕组及支撑件弹性模量等参数的影响。参见图1，垫块的杨氏模量随温度变化曲线如图1所示，在20℃～120℃范围内，温度每升高10℃，垫块的杨氏模量就会减少约8mpa。由此可见，若忽略热效应影响，而通过采集参数直接对变压器抗短路能力进行计算，那么其和真实情况显然不符，对应的计算结果的准确性也无法保证。因此，本技术实施例旨在提供一种变压器抗短路能力分析方法。针对在变压器短路时撑条、垫块等结构部件因温度升高而导致的机械强度下降，进而导致变压器抗短路能力减弱的问题。通过多物理场耦合仿真，将电磁场仿真结果耦合至温度及结构场，将温度场仿真结果耦合至结构场，进而将变压器热效应在短路过程中充分表示出来，有利于对变压器抗短路能力进行更好的研究，更加贴合变压器实际运行状况，进而保障变压器安全可靠运行，保障变压器运行动热稳定性。
57.请参阅图2，本技术某一实施例提供一种变压器抗短路能力分析方法。如图2所示，该变压器抗短路能力分析方法包括步骤s10至步骤s40。各步骤具体如下：
58.s10、构建变压器三维模型，模拟变压器三相短路运行工况。
59.本步骤中，首先根据现有电力变压器图纸通过三维建模软件建立变压器三维物理模型，其中，建模后的变压器三维物理模型如图3所示。
60.在一个实施例中，所述构建变压器三维模型包括：基于三维建模软件ug建立变压器三维模型，所述变压器三维模型包含铁芯、绕组、撑条、垫块及油箱。
61.本实施例中，为了能够充分考虑各部件的热效应对于变压器抗短路能力的影响，因此在构建变压器三维模型时，除了要建立铁芯、绕组等基本部件之外，还建立了撑条、垫块、油箱等部件，进而可以分析在变压器短路时撑条、垫块等结构件因温度升高而导致的机械强度下降，进而导致变压器抗短路能力减弱的过程。
62.可以理解，三维建模软件ug是一种常用的建模软件，本实施例中采用软件ug建模也只是一种优选方式，在实际应用中可根据建模需求选择其他软件建模，例如cad等，此处不作任何限定。
63.进一步地，构建变压器三维模型后，还需要模拟变压器三相短路运行工况，具体为通过外电路模块来模拟变压器三相短路运行工况。其中，外电路模块的原理示意如图4所示。由图4可知，当外电路模块右侧三相接地短路时，即认为变压器出现三相短路。
64.s20、对所述变压器三相短路运行工况进行电磁场瞬态仿真，计算变压器三相短路运行工况下的绕组损耗和电磁力分布。
65.本步骤中，主要是将步骤s10建好的三维模型导入至ansys electronics desktop有限元仿真软件中进行电磁场瞬态仿真，以对其电磁场进行求解。
66.作为一个优选的实施方式，采用场路耦合仿真方法，从而能够使得仿真结果符合预期计算结果。其中，二次侧短路电流随时间变化的曲线图如图5所示，变压器短路的绕组磁密分布图如图6所示，中压绕组电磁力分布如图7所示。
67.s30、基于所述绕组损耗和电磁力分布，对变压器三相短路运行工况下的温度场进行仿真，确定变压器实时温度流体分布。
68.在步骤s20中，得到了变压器三相短路运行工况下的绕组损耗和电磁力分布，本步
骤中，主要目的是对变压器三相短路运行工况下的温度场进行仿真，确定变压器实时温度流体分布。
69.在一个示例性的实施例中，步骤s30又包括子步骤s301-s303，如图8所示。
70.具体地，各个子步骤的内容如下：
71.s301、基于仿真软件fluent对变压器三相短路运行工况下的温度场进行仿真；
72.s302、基于仿真的温度场，进行参数设置，包括设置求解类型为稳态求解、设置材料参数、添加边界条件、输入激励以及进行参数初始化；
73.s303、对稳态温度分布进行求解，生成稳态求解结果后将求解类型设置为瞬态求解，在所述稳态求解结果的基础上进行瞬态求解，得到变压器实时温度流体分布。
74.本实施例中，通过将电磁场仿真结果传递至温度场与结构场仿真计算模块中进行求解，由于变压器三相结构的对称性，且三相短路下油流也呈三相对称分布，对变压器二维模型进行流体-温度场耦合仿真，变压器短路后温度分布情况如图9所示。
75.s40、将变压器实时温度流体分布耦合至结构场，计算变压器三相短路运行工况下的绕组应力和应变，将计算结果与国际标准对比，以判断变压器抗短路能力是否达标。
76.需要说明的是，在热效应的作用下，材料机械性能会发生改变，具体为杨氏模量和抗拉强度会降低，而随着温度升高，应力会减小，应变会增大，绕组形变量也会增大。其中，本步骤中的国际标准主要为gb1094.5。
77.例如，按照国家标准gb1094.5对于心式变压器性能进行评估，包括：
78.1)连续、螺旋及多层式绕组中每层上平均环形拉伸应力：σt1≤0.9rp0.2。
79.2)连续、螺旋及单层、多层绕组上平均环形压缩应力：对于常规导线和组合导线：σt1≤0.35rp0.2；对于自粘组合导线和自粘换位导线：σt1≤0.6rp0.2；其中，σt1为绕组受到的平均环形应力；rp0.2为复合持续增加到按非比例拉伸达到计量长度0.2％时的拉伸应力。
80.因此，步骤s40中，通过将温度场仿真结果耦合至结构场，对考虑热效应情况下变压器抗短路能力进行研究，计算变压器三相短路运行工况下的绕组应力和应变，将计算结果与国际标准对比，以判断变压器抗短路能力是否达标。其中，结构场仿真数据分别来自电磁场传至的绕组电磁力分布与温度场传至的绕组、垫块温度分布，结构场。
81.综上所述，本实施提供的变压器抗短路能力分析方法至少可以实现以下效果：
82.1)充分考虑了热效应对变压器抗短路能力的影响，即在运行中变压器支撑件(撑条、垫块等)的力学性能(抗拉强度、杨氏模量等)受运行温度影响，进而导致其机械强度下降，从而对变压器抗短路能力产生影响。提高计算结果的准确性。
83.2)将变压器温度瞬态分布情况传递至结构场仿真中。因为在时变温度的作用下，变压器不同位置支撑件机械性能不同，其在短路力作用下抗短路能力产生变化，因此本实施例更加符合变压器实际运行情况。
84.3)考虑热效应时采用变压器实时温度分布情况，有别于使用热点温度或平均温度的情况，能够客观、准确地分析出热效应对变压器抗短路能力影响情况，有利于更好地评估热效应对变压器抗短路能力的影响情况，从而保障变压器安全稳定运行。
85.请参阅图10，在某一个实施例中，本技术还提供了一种变压器抗短路能力分析装置，包括：
86.短路运行工况模拟单元01，用于构建变压器三维模型，模拟变压器三相短路运行工况；
87.电磁场瞬态仿真单元02，用于对所述变压器三相短路运行工况进行电磁场瞬态仿真，计算变压器三相短路运行工况下的绕组损耗和电磁力分布；
88.实时温度流体分布确定单元03，用于基于所述绕组损耗和电磁力分布，对变压器三相短路运行工况下的温度场进行仿真，确定变压器实时温度流体分布；
89.抗短路能力分析单元04，用于将变压器实时温度流体分布耦合至结构场，计算变压器三相短路运行工况下的绕组应力和应变，将计算结果与国际标准对比，以判断变压器抗短路能力是否达标。
90.在一个优选地实施例中，实时温度流体分布确定单元01，还用于：
91.基于仿真软件fluent对变压器三相短路运行工况下的温度场进行仿真；
92.基于仿真的温度场，进行参数设置，包括设置求解类型为稳态求解、设置材料参数、添加边界条件、输入激励以及进行参数初始化；
93.对稳态温度分布进行求解，生成稳态求解结果后将求解类型设置为瞬态求解，在所述稳态求解结果的基础上进行瞬态求解，得到变压器实时温度流体分布。
94.在一个优选地实施例中，电磁场瞬态仿真单元02，还用于：
95.将所述变压器三维模型导入有限元仿真软件中，对电磁场进行求解，以得到电磁场瞬态仿真结果。
96.在一个优选地实施例中，短路运行工况模拟单元01，还用于：
97.基于三维建模软件ug建立变压器三维模型，所述变压器三维模型包含铁芯、绕组、撑条、垫块及油箱。
98.可以理解，上述的变压器抗短路能力分析装置可实施上述方法实施例的变压器抗短路能力分析方法。上述方法实施例中的可选项也适用于本实施例，这里不再详述。而本技术实施例的其余内容同样可参照上述方法实施例的内容，在本实施例中，不再进一步赘述。
99.请参阅图11，本技术某一实施例提供一种终端设备，包括：
100.一个或多个处理器；
101.存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；
102.当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上所述的变压器抗短路能力分析方法。
103.处理器用于控制该终端设备的整体操作，以完成上述的变压器抗短路能力分析方法的全部或部分步骤。存储器用于存储各种类型的数据以支持在该终端设备的操作，这些数据例如可以包括用于在该终端设备上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据。该存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(static random access memory，简称sram)，电可擦除可编程只读存储器(electrically erasable programmable read-only memory，简称eeprom)，可擦除可编程只读存储器(erasable programmable read-only memory，简称eprom)，可编程只读存储器(programmable read-only memory，简称prom)，只读存储器(read-only memory，简称rom)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
104.在一示例性实施例中，终端设备可以被一个或多个应用专用集成电路
(application specific 1ntegrated circuit，简称as1c)、数字信号处理器(digital signal processor，简称dsp)、数字信号处理设备(digital signal processing device,简称dspd)、可编程逻辑器件(programmable logic device，简称pld)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，简称fpga)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行如上述任一项实施例所述的变压器抗短路能力分析方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
105.在另一示例性实施例中，还提供一种包括计算机程序的计算机可读存储介质，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项实施例所述的变压器抗短路能力分析方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括计算机程序的存储器，上述计算机程序可由终端设备的处理器执行以完成如上述任一项实施例所述的变压器抗短路能力分析方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
106.以上所述是本技术的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本技术的保护范围。