CN104779047A - 一种非晶合金变压器的电磁设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明使用循环遍历法设计非晶合金变压器的电磁参数，提出了考虑非晶合金材料特点的变压器铁芯参数、空载损耗、负载损耗的计算方法，有效抑制局部磁饱和、降低变压器损耗；并且能够减少搜索空间，提高搜索速度，提高设计方案的可靠性。同时，由于非晶合金铁心配电变压器的电磁设计涉及到的变量相对较少，使用现行计算机即可满足循环遍历法的运算要求，减小了优化计算机系统的成本。

Description

一种非晶合金变压器的电磁设计方法

技术领域

本发明涉及一种非晶合金变压器的电磁设计方法。

背景技术

在我国电能损耗中，配电网的损耗约占全网损耗的70％，成为整个电网损耗的主要部分。配电网的负荷多为季节性负荷或日负荷，长期轻载或空载的配电变压器大量存在，它们的空载损耗在配电网损耗中占据较大部分，降低变压器的空载损耗可以带来巨大的节能和环保效益。

非晶合金变压器是一种使用非晶合金材料代替硅钢片制造变压器铁心的变压器，它与现行S9系列变压器相比空载损耗下降74％、空载电流下降45％，在经济与节能方面具有较大的优势：(1)非晶合金铁心变压器拥有优异的空载特性，在季节性负荷和日负荷变化明显的农网、工业区、商业区中应用节能效果非常显著。(2)运行成本低。相较于S9型变压器，年运行成本平均降低30％；与S11型相比，年运行成本平均降低20％。

由此可见，非晶合金变压器节能效果突出，十分符合我国建设节能环保型社会的要求，因此在配电系统中得到了广泛应用。

然而，非晶合金变压器的性能受工艺水平的影响较大，生产厂家不同，工艺水平不同，适配的设计方案就不同，不恰当的方案带来的是成本的提高和产品质量的失控；另一方面变压器设计的自动化程度不高、设计工作量大、设计周期长，不利于最优方案的获得。对非晶合金铁心变压器的优化设计进行研究，进而开发出适用性强且功能全面的优化设计系统，有利于非晶合金铁心变压器的推广应用，对于节能降耗也具有重要的意义。在现有技术中，常用的变压器的参数优化设计方法有以下几种：

1.Powell法

鲍威尔(Powell)法是由鲍威尔于1964年提出，是一种共轭方向法。设定初始值和n个线性独立的方向向量，从初始值出发沿第一个方向向量的搜寻极小值，后从该极小值出发沿下一个方向向量继续搜寻，依次搜寻n次得到终值。由该终值与初始值构建新的方向向量。利用这个新的方向替换原n个方向向量中的一个，上次搜寻的终值作为下一轮搜寻的起点，依次进行。

2.模拟退火法

模拟退火法是一种随机搜寻算法。热力学中的退火是将材料加热后再经冷却以材料原子位置达到更合理分布的状态。温度高时，原子位置变动的可能性加剧；随着退火的进行温度的降低，原子位置移动的可能性越来越小。模拟退火法是将物理退火类比运用于统计学上，在解空间随机搜寻最优解的过程。引入“温度”参数T类比退火过程中的温度来反映替换的可能性。随机搜寻中发现更优解则将当前解进行更替；搜寻到劣解则以与T值相关的概率决定是否更替。模拟退火法仍是一种贪心算法，但是它的搜索过程引入了一个呈递减态势的随机因素，来表征搜寻到劣解后的替换概率，理论上可以跳出局部的最优解，保证了全局最优解的获取。但是这种方法在同一参数T下搜索的充分与否将极大地影响全局搜索性能，而较为充分的搜索又会影响运算速度。

3.蚁群算法

蚁群算法是在对蚂蚁觅食习性进行研究的基础上，提出的一种仿生类优化算法。其原理是“信息素”浓度大小反映路径的优劣，引入增强机制加强信息素的积累，促使最优路径的发现。但是初始信息素的匮乏致使蚁群算法存在寻优速度缓慢的缺点。

4、正多面体法

正多面体法是在单纯形法的基础上提出的一种优化算法。基本原理是通过初始点以及初始边长的设定，构造以初始点为形心的正多面体，通过不断对正多面体运用放缩、移动以及翻转来对可行域进行搜索，利用目标函数值的大小权衡解的优劣。变化的过程中始终保持形心在可行域内，且保证变化后形心处的目标函数值相对于变化前有所减小。通过不断变动使形心接近最优点。当正多面体的边长小于设定正值时，即可认为该形心位置是最优点。但是正多面体法应用于多变量优化时，通常会出现无法收敛于最优点的情况：若最优点的位置邻近多个约束面，则在搜索到最优点附近时，往往会受约束的限制而无法继续向最优点靠拢。

可见上述变压器的参数设计方法均存在一定缺陷。同时，非晶合金变压器的材料的特殊性使其电磁参数的优化设计有别于普通变压器，理想优化方案的获取需建立在对其材料特性、绝缘结构综合分析的基础上。因此上述参数设计方法无法满足非晶合金变压器的设计需求。

发明内容

本发明为解决现有技术中存在的问题，提出了一种非晶合金变压器的参数设计方法——循环遍历法，由于非晶合金铁心配电变压器的电磁设计涉及到的变量相对较少，现行的计算机性能足以满足循环遍历法的运算要求，同时循环遍历法保证了全局最优解的获取。循环遍历法是利用变量嵌套循环组合出所有的设计方案，后利用目标函数对方案分别进行评价，进而选取出最优方案。循环遍历法可以很好地解决离散变量和全局最优的问题，因此在变压器设计中得到较为广泛的应用。

具体方法是：一种非晶合金变压器的电磁设计方法，包括如下步骤：

步骤1，传入基本数据，进行数据初始化处理；

步骤2，根据变压器的基本原理计算出需要的各个数值，判断出符合要求的计算方案；

步骤3，导入性能指标数据库，然后与上述的计算结果比较判断，合格的进入下一步，否则返回步骤2进行变量的再取值；

步骤4，计算成本，并于先前的成本比较，若成本更低舍去前值，否则舍去本次成本值；

步骤5，存储最优方案。

其中，步骤1包括数据初始化过程中，计算变压器相电压和相电流，并将基本参数数据库、专家数据库、铁心数据库、线规数据库导入；

相电压和相电流的计算过程为：非晶合金铁心变压器的联接组别为Dyn11，当铁心为三相三柱式时，联接组别为Dyn0，高压绕组均为三角形联接，低压绕组均为星形联接。

高压侧：U₁＝U_1N，

低压侧： $U_2=\frac{U_{2N}}{\sqrt{3}},I_2=\frac{S_N}{\sqrt{3}{U}_{2N}}---\left(2\right)$

式中：U1、U2——分别为高、低压侧相电压，V；

I1、I2——分别为高、低压侧相电流，A；

U1N、U2N——分别为高低压侧额定电压，V；

Sn-额定容量，单位kVA。

步骤2包括匝数、铁心结构、绕组结构设计，给各变量取值并计算是否符合约束条件；并判断空载损耗、空载电流、负载损耗、短路阻抗是否符合要求。

所述匝数、铁心结构的计算过程为：

每匝电压为：

式中：e′_t-初算的每匝电压，V/匝；

B’m-磁通密度的初选值，T。

计算初算低压绕组匝数，即

对N’2取整即可得到低压绕组匝数N2，由于取整操作使得每匝电压发生变化，应根据N2对每匝电压进行重新计算：

每匝电压得到确定，后由此计算磁通密度：

铁心柱的截面积计算公式如下：

Ac＝10^-2×K₁ncd   (3)

式中：Ac-铁心柱净截面积(cm²)；

K₁-叠片系数，常取0.84～0.86；

n-排数，取1或2；

c-单个非晶合金矩形框的厚度(mm)；

d-单个非晶合金矩形框的侧面宽度(mm)。

由于非晶合金铁心变压器的铁心为矩形铁心，因此所述绕组结构的形式为圆角矩形，高压线圈采用矩形层式线绕；低压线圈按照额定容量的不同分为矩形层式线绕、矩形箔绕，当额定容量为30～250kVA时，采用矩形层式线绕；容量为315～1600kVA时，采用矩形箔绕。

所述空载损耗、空载电流的计算过程为：

空载损耗：

$P_0=K_2{G}_{\mathrm{Fe}}{\left(\frac{B}{C_1}\right)}^m---\left(5\right)$

式中：K2-系数，取0.29；B-铁心柱的磁通密度(T)；C1-常数，取1.3；m-指数，取2.4；

空载电流百分数计算公式如下：

$I_0\%=I_x\%=K_0\frac{g_c{G}_{\mathrm{Fe}}+g_x{A}_c}{10S_R}---\left(6\right)$

式中：I₀％-空载电流百分数；Ix％-空载电流无功分量百分数；KO-系数，取1.1；gc-铁心单位激磁容量(VA/kg)；gs-接缝磁化容量(VA/cm2)；SR-变压器容量(VA)。

所述短路阻抗的计算过程为：

变压器的短路阻抗由电抗分量与电阻分量组成，具有以下关系

$U_k(\%)=\sqrt{U_{\mathrm{kx}}^2(\%)+U_{\mathrm{kr}}^2(\%)}---\left(13\right)$

U_kx(％)是电抗分量，由漏磁通所决定的变压器的漏电抗，在Uk(％)中占据主要部分；

$U_{\mathrm{kx}}(\%)=\frac{49.6f{I}_N\mathrm{W\ΣD\ρK}}{E_t{H}_K\×{10}^6}---\left(14\right)$

其中，f-频率，Hz，I_N-额定电流，A，W-主分接时的总匝数，∑D-结构参数，Ft-每匝电势，V/匝，ρ-洛氏系数；

所述负载损耗是变压器运行过程中可变的损耗，它主要包括两个部分，一部分为绕组直流电阻损耗，另一部分为附加损耗。计算公式为：P_k＝K_pkP_dc

其中R1、R2分别为高压侧和低压侧的阻抗，Kpk为负载损耗系数，按照生产厂家的实际情况进行调整。

所述成本的计算公式为：Tmin＝铁芯总价+绕组总价+附件总价+绝缘总价非晶合金变压器电磁计算的数学模型为一约束函数：

min f(X)，X＝{x1，x2，......，xn}^T；g_i(X)≤0，i＝1，2，......m   (15)

其中，X-优化设计变量，f(X)-目标函数，gi(X)-约束函数，m-约束函数个数，n为变量数；

单台变压器的优化设计问题，通过选择合适的优化设计变量、目标函数及将实际的约束条件转化为所述约束函数。

本发明根据非晶合金材料的特点提出了使用循环遍历法设计非晶合金变压器电磁参数的方法，提出了考虑非晶合金材料特点的变压器铁芯参数、空载损耗、负载损耗的计算方法，通过本发明可以有效抑制局部磁饱和、降低变压器损耗；并且能够减少搜索空间，提高搜索速度，提高设计方案的可靠性。同时，由于非晶合金铁心配电变压器的电磁设计涉及到的变量相对较少，使用现行计算机即可满足循环遍历法的运算要求，减小了优化计算机系统的成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是作为本发明具体实施例的非晶合金铁心结构图；

图2是作为本发明具体实施例的系统流程图；

图3是作为本发明具体实施例的系统框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例及实施例附图对本发明作进一步详细的说明。

非晶合金变压器的手工设计主要包括：电压电流计算，铁芯计算，空载损耗计算，空载电流计算，匝数计算、线圈参数计算。

1.电压电流的计算

非晶合金铁心变压器的联接组别一般为Dyn11，当铁心为三相三柱式时，联接组别

可以为Dyn0。无论何种联接方式，高压绕组均为三角形联接，低压绕组均为星形联接。

高压侧：U₁＝U_1N，

低压侧： $U_2=\frac{U_{2N}}{\sqrt{3}},I_2=\frac{S_N}{\sqrt{3}{U}_{2N}}---\left(2\right)$

式中：U1、U2——分别为高、低压侧相电压，V；

I1、I2——分别为高、低压侧相电流，A；

U1N、U2N——分别为高低压侧额定电压，V；

Sn-额定容量，单位kVA

2、铁心截面的确定

普通变压器的铁心形式(铁心柱截面)大多为圆形或长圆形，而非晶合金变压器铁心形式是矩形且采用卷绕。非晶合金变压器的铁心是用几个独立的矩形框并排靠在一起组合而成，可以为一排或两排。它一般采用四框五柱式，其结构如图1所示。铁心中间三个柱套上高压绕组和低压绕组。铁心两旁的柱则不套绕组，因此变压器铁心两侧的框宽b2比中间的框宽b 1要小。为了制造方便，变压器的铁心采用对称结构。

铁心柱的截面积计算公式如下：

Ac＝10^-2×K₁ncd   (3)

式中：Ac-铁心柱净截面积(cm²)；

K₁-叠片系数，常取0.84～0.86；

n-排数，取1或2；

c-单个非晶合金矩形框的厚度(mm)；

d-单个非晶合金矩形框的侧面宽度(mm)。

在具体的铁心柱截面确定中，如果需要的面积较大则采用两排，反之采用一排。选取矩形框侧面宽时也是根据所需要的面积来选取。非晶合金矩形框的厚度是可以轻易调整的，因此把它作为一个优化的循环变量。在其他量确定的情况下它作为改变铁心柱的截面积的参量来进行铁心截面的优化。

3、空载损耗计算

传统的空载损耗计算公式为：P0＝K_p0P₀G_Fe   (4)

式中K_p0——空载损耗附加工艺系数，K_p0＝1.08～1.15；

P₀——单位重量的损耗(W/kg)，磁密在1.3T时，通常取0.22W/kg，G_Fe-铁心总重(kg)。

根据上式，非晶合金变压器的空载损耗是依据损耗曲线来求取的。但是，非晶合金材料经过各道工序制作成矩形铁心之后，非晶合金的单位损耗与原来厂家提供的曲线数据有一定的差别，难以较好地进行修正。因此，本发明采用了新的非晶合金材料损耗计算公式：

$P_0=K_2{G}_{\mathrm{Fe}}{\left(\frac{B}{C_1}\right)}^m---\left(5\right)$

式中：K2-系数，取0.29；B-铁心柱的磁通密度(T)；C1-常数，取1.3；m-指数，取2.4。

4、空载电流计算

空载电流是以占额定电流的百分数来表示的，它由两部分组成，即有功分量百分数和无功分量百分数。由于非晶合金变压器的有功分量所占的比例较小，故可忽略不计。这样，无功电流占额定电流的百分数即近似为空载电流占额定电流的百分数。

空载电流百分数计算公式如下：

$I_0\%=I_x\%=K_0\frac{g_c{G}_{\mathrm{Fe}}+g_x{A}_c}{10S_R}---\left(6\right)$

式中：I₀％-空载电流百分数；Ix％-空载电流无功分量百分数；KO-系数，取1.1；gc-铁心单位激磁容量(VA/kg)；gs-接缝磁化容量(VA/cm2)；SR-变压器容量(VA)。

由于经过多道工序制造之后，非晶合金材料的激磁容量与接缝磁化容量将会有一定的变化，因此，按照公式(7)来计算空载电流，误差较大。本发明采用下式来计算空载电流：

$I_0\%=2.0\×G_{\mathrm{Fe}}{\left(\frac{B}{C_2}\right)}^m---\left(7\right)$

式中：C 2-常数，取1.3；m-指数，取7.9

5、匝数计算

由变压器原理知：U＝4.44×f×N×Bm×Sc   (8)

可得每匝电压为：

式中：e’_t-初算的每匝电压，V/匝；

B’m-磁通密度的初选值，T。

故此可以算出初算低压绕组匝数，即

对N’2取整即可得到低压绕组匝数N2，由于取整操作使得每匝电压发生变化，应根据N2对每匝电压进行重新计算：

每匝电压得到确定，后由此计算磁通密度：

6、绕组形式

非晶合金铁心变压器的铁心为矩形铁心，相应的绕组形式一般为圆角矩形。高压线圈采用矩形层式线绕。低压线圈按照额定容量的不同分为矩形层式线绕、矩形箔绕，通常情况下额定容量为30～250kVA时，采用矩形层式线绕；容量为315～1600kVA时，采用矩形箔绕。

选定好高低压绕组的导线规格后，需对绕组轴向以及辐向尺寸进行计算，为后续短路阻抗、成本等计算做准备。

7、短路阻抗

短路阻抗是变压器很重要的性能指标，其出厂时实测值与规定值之间的偏差要求很严，变压器的短路阻抗的百分值，通常由电抗分量与电阻分量组成，具有以下关系：

$U_k(\%)=\sqrt{U_{\mathrm{kx}}^2(\%)+U_{\mathrm{kr}}^2(\%)}---\left(13\right)$

U_kx(％)是电抗分量，由漏磁通所决定的变压器的漏电抗，在Uk(％)中占据主要部分；

$U_{\mathrm{kx}}(\%)=\frac{49.6f{I}_N\mathrm{W\ΣD\ρK}}{E_t{H}_K\×{10}^6}---\left(14\right)$

其中，f-频率，Hz，I_N-额定电流，A，W-主分接时的总匝数，∑D-结构参数，Ft-每匝电势，V/匝，ρ-洛氏系数。

8、负载损耗

负载损耗是变压器运行过程中可变的损耗，它主要包括两个部分，一部分为绕组直流电阻损耗，另一部分为附加损耗。计算公式为：P_k＝K_pkP_dc

其中R1、R2分别为高压侧和低压侧的阻抗，Kpk为负载损耗系数，按照生产厂家的实际情况进行调整。

变压器优化设计的数学模型：

一般的有约束优化问题，均可以描述为如下的数学规划问题

min f(X)，X＝{x1，x2，......，xn}^T；g_i(X)≤0，i＝1，2，......m   (15)

其中，X-优化设计变量，f(X)-目标函数，gi(X)-约束函数，m-约束函数个数，n为变量数。

单台变压器的优化设计问题，通过选择合适的优化设计变量、目标函数及将实际的约束条件转化为约束函数，可以转化为式(15)。

变压器优化设计的任务就是使某一项设计要求指标达到最大值或最小值，而同时使其他指标满足标准要求、用户要求和工艺结构要求。

在变压器的设计中，节能与节材是两个最重要的方面。故目标函数可以同时考虑这些方面的因素：制造成本、变压器十年运行成本、变压器十年变电成本、变压器重量。变压器的性能必须遵循一定的标准和规范，例如：

空载损耗平Po(X)≤Pos

负载损耗P_D(X)≤P_Ds

空载电流I₀(X)≤I_0S

在变压器优化设计的过程中，对于设计方案的衡量通常从能耗大小与成本高低出发。故此目标函数的选取也是从这两方面考虑。从而非晶合金铁心变压器优化设计的目标函数可采用以下三种方式：

(1)制造成本作为目标函数：minf(x)＝min∑(Gi*Ji)；其中，Gi为各部分的重量，Ji为各部分的单价

(2)损耗作为目标函数：minf(x)＝min(Po+Pk)

(3)同时考虑成本与损耗：minf(x)＝k₁∑(Gi*Ji)+k₂(Po+Pk)；Po为空载损耗，Pk为负载损耗，k1和k2为加权系数。

本发明采用第三种方式的目标函数；设计方法如下：

步骤1，传入基本数据，进行数据初始化处理；

步骤2，根据变压器的基本原理计算出需要的各个数值，判断出符合要求的计算方案；

步骤3，导入性能指标数据库，然后与上述的计算结果比较判断，合格的进入下一步，否则返回步骤2进行变量的再取值；

步骤4，计算成本，并于先前的成本比较，若成本更低舍去前值，否则舍去本次成本值；

步骤5，存储最优方案。

其中，步骤1包括数据初始化过程中，计算变压器相电压和相电流，并将基本参数数据库、专家数据库、铁心数据库、线规数据库等导入；

步骤2包括匝数、铁心结构、绕组结构设计，给各变量取值并计算是否符合约束条件；并判断空载损耗、空载电流、短路阻抗是否符合要求，

步骤4中，成本的计算公式为：Tmin＝铁芯总价+绕组总价+附件总价+绝缘总价；并与先前的成本比较，若成本更低取代前值，否则舍去。

最后根据需要存入方案数据库。

为了使电磁设计的更加规范性，本系统的系统框图如图3，以数据库为结点，各模块系统协同工作。

用户管理系统用以管理不同级别的用户，并赋予不同的权限，用户的信息都是以数据库的方式存储的。高级用户可以删除、修改、添加用户的登录名、密码和级别等信息，可以直接进行数据库的管理和更新一般用户可以查看数据库，进行优化设计和校核客户可以查看已经设计好的计算单，了解变拭器的简单性能。

优化设计系统，设计人员根据用户的设计仟务书要求，设计出性能合理，价格优的变压器。包括电磁的计算、结构的设计以及计算出的方案，进行报价核算确定要存储的方案。设计开始需要确定各种参数，比如工艺系数、电抗系数等等，有些是需要改变的，有些是单位现状确定的，有些是工程中经验等，这些数据用数据库存储，设计开始时调入，设定可修改状态，保证了有经验者的设计，也确保新手的设计，这些数据可以称为专家数据库，还涉及到其他数据库数据的选择，如线规、铁心等还有各种规范数据的匕较、判断等。最后对设计好的方案进行比较后，选择最优的方案进行存储，也即方案数据库的存储

校核系统有两个功能一是对已有的方案进行验算，首先输入各种已有数据，运用设计的程序算法，计算出各个性能参数和报价等。二是对已有的方案，修改少量的参数，达到需要方案，这个性能适合有较好经验的人员才行，需修改相关性大的参数，才能达到所需的结果，计算好的方案也可以存储于数据库。

方案管理系统，由于设计好的方案都存储在数据库里面，查询已经设计好的方案，需要首先找寻数据库在数据库服务器上，然后可以进行预览与打印等操作。设计好的方案严格按照设计原理进行的，对于一个方案若修改一个或者少量参数都会带来相关参数的变化，故对于已存储的方案只能删除，而不能修改个别参数。

数据库管理系统，变压器设计中涉及到大量的数据库，这些数据随着标准的变化，技术的进步，设计经验的增长，会有变化和增减，对这些数据库的直接管理很有必要，主要包括数据的查看、修改、添加、删除、更新等等。但是这些权力的使用，需要受到限制，也即只有高级用户有此权限。

具体算例：

以容量为315kVA的非晶合金铁心配电变压器SBH15-315/10的优化设计为例说明本发明的电磁设计系统的技术效果。

铁心牌号为2605SA-1，宽度为142mm，单框厚84mm，铁芯重512kg，高压线规2.24mm，低压线规0.91X184mm，低压线重87kg，高压线重117kg，铁心叠片系数为0.86，空载损耗系数选定为1.4，磁通密度上下限选为1.334T，铁心框内角半径为6.4mm，绕组模半径为3mm。绝缘结构中油道选半油道。高压绕组拥有三个半油道，低压绕组同样拥有三个半油道。主要材料成本包括铁心价格、高压绕组线材成本、低压绕组线材成本。主要材料单价为：非晶合金铁心单价为26.3元/kg；高低压铜圆线、铜箔单价为62元/kg。可得主要材料成本为26113元。

在按照该生产方案安排绝缘距离的情况下，油道类型进行改变，带材宽度改选为213mm宽，主要材料的成本上有了明显的降低。高、低绕组油道的选择有两种：一种是半月形油道；另一种是全油道。高、低压绕组油道数目进行组合，按照0.5mm的步长，铁心叠积厚度在90-120mm之间进行循环。存在3种高、低压油道数组合，其主要材料成本优于已有方案。在设计方案的获取过程中，高压绕组均采用漆包铜圆线绕制成多层圆筒式，低压绕组均采用多层铜箔绕制。其中方案1是在其对应油道组合下，优化设计得到的792个方案中成本最经济的方案；方案2是在其对应油道组合下，1017个设计方案中成本最低的方案；相应的方案3是成本最经济的方案。对比以上方案可以发现不同油道数组合下，选用的非晶合金铁心重量增加，则该方案中高、低压导线的重量将会降低。

表1：不同油道组合下的方案

表2：性能参数值

方案号码	空载损耗	负载损耗	短路阻抗	空载电流
					标准值	170	3830	4	0.5
1	130.5	3668	3.93	0.44
					2	136.8	3690	3.88	0.47
3	131.7	3730	4	0.45

对比公司应用的生产方案，应用方案1进行生产，每台SBH15-315/10变压器的主要材料成本将节约409.6元，占原成本的1.569％。应用方案2进行生产，每台315kVA变压器将节约成本260.6元，占原成本的0.998％，而对于方案3每台节约134.6元，占原成本的0.515％。

以上说明了本发明的具体实施方式，本发明使用循环遍历法设计非晶合金变压器的电磁参数，提出了考虑非晶合金材料特点的变压器铁芯参数、空载损耗、负载损耗的计算方法，有效抑制局部磁饱和、降低变压器损耗；并且能够减少搜索空间，提高搜索速度，提高设计方案的可靠性。同时，由于非晶合金铁心配电变压器的电磁设计涉及到的变量相对较少，使用现行计算机即可满足循环遍历法的运算要求，减小了优化计算机系统的成本。

以上描述中的尺寸和数量均仅为参考性的，本领域技术人员可根据实际需要选择适当的应用尺寸，而不脱离本发明的范围。本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种非晶合金变压器的电磁设计方法，包括如下步骤：

步骤1，传入基本数据，进行数据初始化处理；

步骤2，根据变压器的基本原理计算出需要的各个数值，判断出符合要求的计算方案；

步骤3，导入性能指标数据库，然后与上述的计算结果比较判断，合格的进入下一步，否则返回步骤2进行变量的再取值；

步骤4，计算成本，并于先前的成本比较，若成本更低舍去前值，否则舍去本次成本值；

步骤5，存储最优方案。

2.根据权利要求1所述的非晶合金变压器的电磁设计方法，其中，步骤1包括数据初始化过程中，计算变压器相电压和相电流，并将基本参数数据库、专家数据库、铁心数据库、线规数据库导入；

相电压和相电流的计算过程为：非晶合金铁心变压器的联接组别为D_ynll，当铁心为三相三柱式时，联接组别为DynO，高压绕组均为三角形联接，低压绕组均为星形联接；

高压侧：U₁＝U_1N，

低压侧： $U_2=\frac{U_{2N}}{\sqrt{3}},I_2=\frac{S_N}{\sqrt{3}{U}_{2N}}$

式中：U1、U2——分别为高、低压侧相电压，V；

I1、I2——分别为高、低压侧相电流，A；

U1N、U2N——分别为高低压侧额定电压，V；

Sn-额定容量，单位kVA。

3.根据权利要求2所述的非晶合金变压器的电磁设计方法，其中，步骤2包括匝数、铁心结构、绕组结构设计，给各变量取值并计算是否符合约束条件；并判断空载损耗、空载电流、负载损耗、短路阻抗是否符合要求。

4.根据权利要求3所述的非晶合金变压器的电磁设计方法，所述匝数、铁心结构的计算过程为：

每匝电压为： $e_t^{\′}=4.44\×50\×B_m^{\′}\×\mathrm{Sc}\×{10}^{-4}=\frac{S_c{B}_m^{\′}}{45}$

式中：e′_t-初算的每匝电压，V/匝；

B’m-磁通密度的初选值，T；

计算初算低压绕组匝数，即

对N’2取整即可得到低压绕组匝数N2，由于取整操作使得每匝电压发生变化，应根据N2对每匝电压进行重新计算：

每匝电压得到确定，后由此计算磁通密度：

铁心柱的截面积计算公式如下：

Ac＝10^-2×K₁ncd

式中：Ac-铁心柱净截面积，cm²；

K₁-叠片系数，取0.84～0.86；

n-排数，取1或2；

c-单个非晶合金矩形框的厚度，mm；

d-单个非晶合金矩形框的侧面宽度，mm。

5.根据权利要求3所述的非晶合金变压器的电磁设计方法，由于非晶合金铁心变压器的铁心为矩形铁心，因此所述绕组结构的形式为圆角矩形，高压线圈采用矩形层式线绕；低压线圈按照额定容量的不同分为矩形层式线绕、矩形箔绕，当额定容量为30～250kVA时，采用矩形层式线绕；容量为315～1600kVA时，采用矩形箔绕。

6.根据权利要求3所述的非晶合金变压器的电磁设计方法，所述空载损耗、空载电流的计算过程为：

空载损耗：

$P_0=K_2{G}_{\mathrm{Fe}}{\left(\frac{B}{C_1}\right)}^m$

式中：K2-系数，取0.29；B-铁心柱的磁通密度；C1-常数，取1.3；m-指数，取2.4；

空载电流百分数计算公式如下：

$I_0\%=I_x\%=K_0\frac{g_c{G}_{\mathrm{Fe}}+g_x{A}_c}{10S_R}$

式中：I₀％-空载电流百分数；Ix％-空载电流无功分量百分数；K0-系数，取1.1；gc-铁心单位激磁容量；gs-接缝磁化容量；SR-变压器容量。

7.根据权利要求3所述的非晶合金变压器的电磁设计方法，所述短路阻抗的计算过程为：

变压器的短路阻抗由电抗分量与电阻分量组成，具有以下关系

$U_k(\%)=\sqrt{U_{\mathrm{kx}}^2(\%)+U_{\mathrm{kr}}^2(\%)}$

U_kx(％)是电抗分量，由漏磁通所决定的变压器的漏电抗，在Uk(％)中占据主要部分；

$U_{\mathrm{kx}}(\%)=\frac{49.6f{I}_N\mathrm{W\ΣD\ρK}}{E_t{H}_K\×{10}^6}$

其中，f-频率，Hz，I_N-额定电流，A；W-主分接时的总匝数，∑D-结构参数，Et一每匝电势，V/匝，ρ-洛氏系数。

8.根据权利要求3所述的非晶合金变压器的电磁设计方法，所述负载损耗是变压器运行过程中可变的损耗，它主要包括两个部分，一部分为绕组直流电阻损耗，另一部分为附加损耗；计算公式为：

$P_{\mathrm{dc}}={3I}_1{R}_1^2+{3I}_2{R}_2^2,P_k=K_{\mathrm{pk}}{P}_{\mathrm{dc}}$

其中R1、R2分别为高压侧和低压侧的阻抗，Kpk为负载损耗系数，按照生产厂家的实际情况进行调整。

9.根据权利要求1所述的非晶合金变压器的电磁设计方法，所述成本的计算公式为：

Tmin＝铁芯总价+绕组总价+附件总价+绝缘总价。

10.根据权利要求1所述的非晶合金变压器的电磁设计方法，其数学模型为一约束函数：

minf(X)，X＝{x1，x2，......，xn}^T；g_i(X)≤0，i＝1，2，......m

其中，X-优化设计变量，f(X)-目标函数，gi(X)-约束函数，m-约束函数个数，n为变量数；

单台变压器的优化设计问题，通过选择合适的优化设计变量、目标函数及将实际的约束条件转化为所述约束函数。