华中科技大学本科生毕业设计（论文）开题报告
对于绕组形变的检测，国内外目前的方法已经比较成熟。例如有基于有限元理论的变压器绕组形变检测[36][37]，频率响应法检测绕组形变[38][39]，通过检测电气量特征判断形变[40][41]等等。而本次课题的研究方向，研究短路冲击过程的绕组形变特性，国内外目前的研究都较少，特别是在三个物理场直接耦合下的绕组形变过程，目前国内并没有相关文献。虽然对于结果来说可能其过程没有那么重要，但是研究其形变过程能够加深对短路冲击过程的绕组形变的理解，甚至对于设计制造一些新型的变压器也有一定的意义。
三、预计达到的目标和主要研究内容
1预计达到的目标
掌握一种有限元仿真软件，如COMSOL软件，能够独立进行仿真。设计变压器二维简化模型，仿真绕组漏磁场、分析电磁力，从电路-磁场-结构的多物理场耦合角度，分析短路电流下变压器绕组形变的动态特点，算出动态变化的过程。 2 主要研究内容
本课题主要了解不同短路类型的短路电流特性，分析短路电流下变压器绕组受力及形变的物理过程，利用有限元软件仿真分析绕组受到短路冲击时的物理过程，在多物理场耦合的角度分析其绕组形变的动态特点、影响因素与发展趋势。
1）变压器漏磁场的计算。应用有限元软件COMSOL对变压器磁场进行计算分析，设计变压器模型，进行模拟仿真。
2）对电路、磁场和结构场进行多物理场耦合。建立微分形式的场方程，考虑边界问题，利用软件功能进行耦合。
3）研究短路下绕组的动态特性。根据前面建立的耦合场，模拟短路冲击的物理过程，计算出各个变量的解，将变量解做成动画，使变量值随时间而变化，分析动态特性。
4）得到绕组的动态变化特性后，可以预测局部受力情况，对制造变压器绕组具有指导意义。同时，在绕组形变严重处安装高压绕组与低压绕组、低压绕组与铁芯的连接支架，可以有效保护绕组。
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四、完成课题的方案、措施和关键理论和技术
1主要措施及方案
1）将电力变压器的漏磁场简化为二维非线性磁场计算，考虑到三相情况类同,故只分析一相。假定高、低压线圈高度相等,其各子区域内的安匝认为均匀分布。按上述简化,如图1所示的计算模型。其中, A1是铁心柱, A2 是低压线圈, A3是高压线圈, A4 是调压线圈, A5是磁屏蔽, A6 是油箱, A7是油。实验时设计各部分的参数以及边界条件，利用有限元法计算分析漏磁场分布情况。设计模型时需要对绕组进行精细建模，同时注意网格的局部细化，尽量避免尖锐的边角和过于激烈的过渡单元，否则容易导致较大的分析误差。
2）由于COMSOL软件预先写好了对应各个领域的偏微分方程和方程组，并提供自定义偏微分方程输入接口，只需选择或者自定义对应的偏微分方程进行任意组合便可轻松实现多物理场的直接耦合分析。所以关键在于列写电路、磁路、结构场的偏微分方程，对于具体的方程列写目前还未进行计算。建立多物理场时应由浅入深地建立模型，一步步增大系统复杂度，考虑先单独分析建立结构场、电场以及磁场，待单一场没有问题后，再考虑多物理场耦合。
3）研究绕组的动态特性在于发生短路后，冲击电流会持续一段时间。由于短路允许持续时间很短，要小于2s，绕组的热时间常数远小于变压器油的热时间常数，故可将绕组暂态过热过程视为绝热过程，暂时不考虑绕组的热效应。计算在这段时间内耦合物理场的解，进一步分析电磁力的变化，寻找结构方程机械应力与应变，最终得出绕组形变的动态特点。 2关键理论和技术
有限元法是利用计算机进行的一种数值近似计算分析方法，它是通过对连续问题进行有限数目的单元离散来近似的，是分析复杂结构和复杂问题的一种强有力的分析工具。其基本步骤为：离散，划分若干相互联结的单元?引入插值函数?求解位移?得到场函数。
多物理场是在建模分类方面提出的一个概念，实际中的场通常为多物理场，
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建模时若只考虑单独场的影响，结果误差往往较大。它适用于给定实例中同时存在不同物理化学机理的情况，要实现多物理场过程，场方程必须耦合。COMSOL软件的一大特色便是多物理场建模功能，它可以在其多物理场选项中通过耦合两个或两个以上的应用模式生成一个多物理场模型。本课题将电路-磁路-结构进行多物理场耦合，由于它们都可以用微分形式的场方程来建模，所以满足场耦合的前提。变压器短路发生在最严重的情况下，绕组导线中所通过的短路电流甚至可以达到额定电流的15-20倍。暂态短路电流激发漏磁通密度急剧变化，甚至是正常值的好几百倍。短路电流与漏磁通二者相互作用，产生洛仑兹力，洛仑兹力再作用在变压器绕组上形成安培力，产生机械应力以及应变使绕组发生形变，最终损坏线圈的绝缘及结构，严重时甚至令导线发生折断。
图1 变压器绕组模型
五、课题研究进度安排
表1 课题研究进度安排表
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学期 周次 2015-2016第一周——第三周 第二学期 第四周——第五周
第五周——第七周 第七周——第十周 第十一周——第十三周
第十四周——第十五周
工作任务
调研，阅读相关文献
学习COMSOL软件，熟悉运用 建立系统模型，初步仿真 改善仿真结果，进一步优化模型
得出各项结论，撰写论文
审查论文，准备答辩
六、主要参考文献
[1]林旭毅.变压器近区短路故障后的试验分析[J].西部探矿工程,2004(11):1-2. [2]富强.突发短路故障造成变压器损坏的原因分析及预防措施[J].高压电器，
2008,44(6):569-573.
[3] 李洪奎.电力变压器的耦合计算及仿真[M].北京:国防工业出版社,2015:3-5. [4]刘胜军,王 慷,刘 山.一起220kV主变低压短路事故的分析与处理[J].高
压电器,2009,45(5):149-151.
[5] 雷洪才,汤美云,申积良.电力变压器短路事故分析[J].高电压技术,
2006,32(2):114-116.
[6]符杨,周中明,潘博等.基于短路冲击累积效应的电力变压器状态检测系统[J].
上海电力学院学报,2001,17(4):125-130.
[7] 杨静,盛慧慧,魏晓伟.500kV变压器内部短路损坏事故分析[J].高压电器,
2010,46(6):74-78.
[8]王梦云.110kV及以上变压器事故与缺陷统计分析[J].供用电,2007,
24(1):1-2
[9]邹建明,胡丹晖,蔡汉生.关于500kV变压器出厂试验中若干问题的探[J].
中电力,2004, 17(2):32-34.
[10]许巧琴.现场变压器空载试验的精确测试[J].商品与质量-学术观察,2013,
1(11):224-224.
[11]王金铭,谢德馨. 电磁离心铸造中耦合物理场方程的直接耦合解法[J]. 电工
技术学报, 2005, 20(4):33-37.
[12] Hyun-Mo Ahn, Yeon-Ho Oh, Joong-Kyoung Kim and so on. Experimental
Verification and Finite Element Analysis of Short-Circuit Electromagnetic
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