CN109086514A - 一种基于多物理场耦合的电抗器温度场计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多物理场耦合的电抗器温度场计算方法，首先，建立电抗器三维仿真模型；然后，基于场‑路耦合的电磁学理论，采用有限元法求取电抗器各层电流，计算各层绕组损耗，进而计算出电抗器单位体积热密度；最后，基于流体‑温度耦合的传热理论，以电抗器单位体积热密度作为热源施加参数，采用有限体积法求解电抗器温度分布。本发明计算的电抗器温度场分布为电抗器的结构性能优化、温度的在线监测提供了理论依据。

Description

一种基于多物理场耦合的电抗器温度场计算方法

技术领域

本发明属于电抗器多物理场耦合计算技术领域，具体涉及一种基于多物理场耦合的电抗器温度场计算方法，尤其涉及一种基于电磁-流体-温度的多物理场耦合的电抗器温度场计算方法。

背景技术

电抗器作为电力系统中的主要的感性电气设备，起着稳压、滤波、限流和无功补偿等重要作用。当电抗器出现局部温度过高，则会造成绝缘开裂、性能下降，严重时引起火灾事故，不仅使电抗器无法正常运行以致报废，而且对电网的安全稳定性构成极大威胁。因此，研究电抗器温度场分布是十分必要的，温升已是评估电抗器性能的重要指标。

现阶段对电抗器温度的研究主要有平均温升法、试验法、有限元稳态热学分析法等。平均温升法需电阻值的测量，误差大，准确度不高；试验的方法耗费人力与物力，过程繁琐，适用度不高；有限元稳态热学分析法需确定对流换热系数，而对流换热系数往往依靠经验的试探，结果需要多次修改。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于多物理场耦合的电抗器温度场计算方法，旨在计算电抗器温度场分布，进而确定局部过热点，优化电抗器结构性能，同时为温度的在线监测提供理论依据，具有较强的实用性。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于多物理场耦合的电抗器温度场计算方法，包括以下步骤：

(1)建立1：1等效电抗器三维仿真模型；

(2)将电抗器三维仿真模型导入Ansoft Maxwell 3D软件中，将求解器设置为静态磁场求解器，并在静态磁场求解器中增加Matrix，设置各层绕组匝数，求解电抗器电感矩阵M，进而计算出各层绕组电流；

(3)在瞬态磁场求解器中，设置相关参数，添加步骤(2)中计算得到的各层绕组电流为激励，求解计算电抗器损耗，进而计算出电抗器单位体积热密度；

(4)在Fluent软件中，实现流体-温度耦合，将计算得到的单位体积热密度作为热源加入流体温度场，后处理得到电抗器的温度分布，完成基于多物理场耦合的电抗器温度场计算。

进一步地，所述步骤(1)具体为：

选用SolidWorks软件建立真实1:1的等效电抗器三维仿真模型。

进一步地，所述电抗器整体结构为筒状，模型以层绕组为单位，各层绕组构成包封。

进一步地，所述步骤(2)包括以下步骤：

在Ansoft Maxwell 3D中导入电抗器三维仿真模型；

设置求解器为静态磁场求解器；

设定边界条件；

选择材料属性；

添加电流激励，所述的电流激励可以为任意值；

在Matrix中输入各层绕组匝数；

设置求解步骤；

完成网格的划分，后处理得到电感矩阵M。

进一步地，所述步骤(2)中计算各层绕组电流的计算公式为：

式(1)中：

其中，U₁＝U₂＝…U_W-1＝U_W＝U_N，U_N为额定相电压，M为电感矩阵，I₁…I_W为各层绕组电流，R₁…R_W为各层绕组电阻，L₁…L_W为各层绕组自感，M_1,2…M_W,W-1为各层绕组之间互感，ω为交流电的电角度，j为虚数，W为电抗器的绕组层数。

进一步地，所述步骤(3)中的电抗器损耗包括涡流损耗和电阻损耗；所述的涡流损耗采用有限元的计算方法得到，所述的电阻损耗采用解析法得到。

进一步地，所述涡流损耗的计算过程具体为：

将电抗器三维仿真模型载入Ansoft Maxwell 3D中；

确定求解器为瞬态磁场求解器、设定边界条件、选择材料属性、添加步骤(2)中计算得到的各层电流为激励、设置求解步骤，完成网格的划分，后处理得到各层绕组的涡流损耗P_E(i)。

进一步地，所述电阻损耗的计算过程具体为：

计算出各层绕组电阻损耗，计算公式为：

P_R(i)＝I_i ²R_i (2)

式中：P_R(i)为各层绕组电阻损耗，I_i为各层绕组电流，R_i为各层绕组电阻。

进一步地，所述电抗器单位体积热密度的计算公式为：

式中：Q_i为各层电抗器单位体积热密度；P_i为各层绕组损耗，包括涡流损耗P_E(i)和电阻损耗P_R(i)，V_i为各层绕组体积。

进一步地，所述步骤(4)具体包括以下步骤：

(4.1)在电抗器三维仿真模型中建立流体域，完成网格划分后载入Fluent软件中；

(4.2)在Fluent软件中，确定模型为湍流流动模型，进行材料选择，设定几何属性，添加各层绕组单位体积热密度为热源参数，设置流体边界条件，包括环境温度、流体速度和相对压力；

(4.3)通过求解器的设定，迭代完成求解计算，后处理得到电抗器的温度场分布。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明公开了一种基于多物理场耦合的电抗器温度场计算方法，首先，建立电抗器三维仿真模型；然后，基于场-路耦合的电磁学理论，采用有限元法求取电抗器各层电流，计算各层绕组损耗，进而计算出电抗器单位体积热密度；最后，基于流体-温度耦合的传热理论，以电抗器单位体积热密度作为热源施加参数，采用有限体积法求解电抗器温度分布。本发明计算的电抗器温度场分布为电抗器的结构性能优化、温度的在线监测提供了理论依据。

附图说明

图1为本发明一种实施例的计算流程图；

图2为本发明一种实施例的电抗器整体结构图；

图3为本发明一种实施例的电抗器等效电路图；

图4为本发明一种实施例的电抗器轴向与径向温度分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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。

本发明中的技术方案基于电磁-流体-温度耦合计算法综合考虑多物理场和多方面因素，能仿真实际运行状态与实际环境情况，计算结果精确，可以反映电抗器温度场的分布，如图1所示，总体思路如下：

(1)建立1：1等效电抗器三维仿真模型；

(2)将电抗器三维仿真模型导入Ansoft Maxwell 3D软件中，将求解器设置为静态磁场求解器，并在静态磁场求解器中增加Matrix，设置各层绕组匝数，求解电抗器电感矩阵M，进而计算出各层绕组电流；

(3)在瞬态磁场求解器中，设置相关参数，添加步骤(2)中计算得到的各层绕组电流为激励，求解计算电抗器损耗，进而计算出电抗器单位体积热密度；

(4)在Fluent软件中，实现流体-温度耦合，将计算得到的单位体积热密度作为热源加入流体温度场，后处理得到电抗器的温度分布，完成基于多物理场耦合的电抗器温度场计算。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

下面以BKGKL-2000/35型号的干式空心并联电抗器为研究对象，其具体参数表1所示：

表1电抗器主要参数

本实施例中的基于多物理场耦合的电抗器温度场计算方法，具体包括以下步骤：

步骤(1)：如图2所示，在SolidWorks中建立1：1真实大小的电抗器三维仿真模型，其中，电抗器整体结构为筒状，模型以各层绕组1为单位，各层绕组1构成包封2。

步骤(2)：将建立的电抗器三维仿真模型导入Ansoft Maxwell 3D中，确定求解器为静态磁场求解器、设定边界条件、选择材料属性为铝、添加任意值的电流为激励、在Matrix中输入20层的绕组匝数、设置求解步骤等，完成网格的划分，后处理得到电感矩阵M，本发明中不对后处理的具体形式做限定，只要能够采用现有技术计算得到电感矩阵M即可；

图3为电抗器等效电路图，将计算得到的电感矩阵M，代入下述公式：

式(1)中：

其中，U₁＝U₂＝…U_W-1＝U_W＝U_N，U_N为额定相电压，M为电感矩阵，I₁…I_W为各层绕组电流，R₁…R_W为各层绕组电阻，L₁…L_W为各层绕组自感，M_1,2…M_W,W-1为各层绕组之间互感，ω为交流电的电角度，j为虚数，W为电抗器的绕组层数。由此得到电抗器各层绕组电流如表2。

表2电抗器各层绕组电流

步骤(3)：本发明实施例中的电抗器损耗包括涡流损耗和电阻损耗；其中，涡流损耗采用有限元的计算方法，电阻损耗采用解析法。

因此，再次将电抗器三维仿真模型导入Ansoft Maxwell 3D中，确定求解器为瞬态磁场求解器、设定边界条件、选择材料属性为铝、添加表2中各层电流为激励、设置求解步骤等，完成网格的划分，后处理得到各层绕组的涡流损耗P_E(i)。

计算电阻损耗，用解析法求解，将表2各层绕组电流代入公式(2)：

P_R(i)＝I_i ²R_i (2)

式中：P_R(i)为各层绕组电阻损耗，I_i为各层绕组电流，R_i为各层绕组电阻。

基于计算到的涡流损耗P_E(i)与各层绕组电阻损耗P_R(i)，电抗器单位体积热密度的计算公式为：

式中：Q_i为各层电抗器单位体积热密度；P_i为各层绕组损耗，包括涡流损耗P_E(i)和电阻损耗P_R(i)，V_i为各层绕组体积，电抗器单位体积热密度如表3。

表3电抗器单位体积热密度

(4)建立电抗器流体域，完成网格划分后载入Fluent软件中。在Fluent软件中，确定模型为湍流流动模型，进行材料选择，设定几何属性，此时，添加各层绕组单位体积热密度为热源参数，设置流体边界条件，环境温度温度为298.15K，轴向空气流速V＝0.87m/s，顶部流体域为压力出口边界，相对压力为零，其他边界相对压力也为零，通过求解器的设定，迭代完成求解计算，后处理得到电抗器的温度场分布。

将电抗器温度场分布进行轴向与径向分析，如图4所示。由图4可知，轴向上，不同包封之间各层绕组温度不同，但变化规律一致，都是从底部到顶部逐渐增大，在电抗器轴向高度约85％到90％位置处，温度达到最大值；径向上，电抗器温度呈现类似正弦分布，存在波峰和波谷现象，波峰为各个包封不同层的温度值，波谷为各个包封之间气道的温度值，不同包封间的温度稍有差别，两侧包封温度低于中间包封温度，同一包封内各层绕组温度相近，且同一包封的中间层绕组温度较两边层绕组温度略高。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于多物理场耦合的电抗器温度场计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立1：1等效电抗器三维仿真模型；

(2)将电抗器三维仿真模型导入Ansoft Maxwell 3D软件中，将求解器设置为静态磁场求解器，并在静态磁场求解器中增加Matrix，设置各层绕组匝数，求解电抗器电感矩阵M，进而计算出各层绕组电流；

(3)在瞬态磁场求解器中，设置相关参数，添加步骤(2)中计算得到的各层绕组电流为激励，求解计算电抗器损耗，进而计算出电抗器单位体积热密度；

(4)在Fluent软件中，实现流体-温度耦合，将计算得到的单位体积热密度作为热源加入流体温度场，后处理得到电抗器的温度分布，完成基于多物理场耦合的电抗器温度场计算。

2.根据权利要求1所述的一种基于多物理场耦合的电抗器温度场计算方法，其特征在于：所述步骤(1)具体为：

选用SolidWorks软件建立真实1:1的等效电抗器三维仿真模型。

3.根据权利要求2所述的一种基于多物理场耦合的电抗器温度场计算方法，其特征在于：所述电抗器整体结构为筒状，模型以层绕组为单位，各层绕组构成包封。

4.根据权利要求1所述的一种基于多物理场耦合的电抗器温度场计算方法，其特征在于：所述步骤(2)包括以下步骤：

在Ansoft Maxwell 3D中导入电抗器三维仿真模型；

设置求解器为静态磁场求解器；

设定边界条件；

选择材料属性；

添加电流激励，所述的电流激励可以为任意值；

在Matrix中输入各层绕组匝数；

设置求解步骤；

完成网格的划分，后处理得到电感矩阵M。

5.根据权利要求1或4所述的一种基于多物理场耦合的电抗器温度场计算方法，其特征在于：所述步骤(2)中计算各层绕组电流的计算公式为：

式(1)中：

其中，U₁＝U₂＝…U_W-1＝U_W＝U_N，U_N为额定相电压，M为电感矩阵，I₁…I_W为各层绕组电流，R₁…R_W为各层绕组电阻，L₁…L_W为各层绕组自感，M_1,2…M_W,W-1为各层绕组之间互感，ω为交流电的电角度，j为虚数，W为电抗器的绕组层数。

6.根据权利要求1所述的一种基于多物理场耦合的电抗器温度场计算方法，其特征在于：所述步骤(3)中的电抗器损耗包括涡流损耗和电阻损耗；所述的涡流损耗采用有限元的计算方法得到，所述的电阻损耗采用解析法得到。

7.根据权利要求6所述的一种基于多物理场耦合的电抗器温度场计算方法，其特征在于：所述涡流损耗的计算过程具体为：

将电抗器三维仿真模型载入Ansoft Maxwell 3D中；

确定求解器为瞬态磁场求解器、设定边界条件、选择材料属性、添加步骤(2)中计算得到的各层电流为激励、设置求解步骤，完成网格的划分，后处理得到各层绕组的涡流损耗P_E(i)。

8.根据权利要求6或7所述的一种基于多物理场耦合的电抗器温度场计算方法，其特征在于：所述电阻损耗的计算过程具体为：

计算出各层绕组电阻损耗，计算公式为：

式中：P_R(i)为各层绕组电阻损耗，I_i为各层绕组电流，R_i为各层绕组电阻。

9.根据权利要求8所述的一种基于多物理场耦合的电抗器温度场计算方法，其特征在于：所述电抗器单位体积热密度的计算公式为：

式中：Q_i为各层电抗器单位体积热密度；P_i为各层绕组损耗，包括涡流损耗P_E(i)和电阻损耗P_R(i)，V_i为各层绕组体积。

10.根据权利要求1所述的一种基于多物理场耦合的电抗器温度场计算方法，其特征在于：所述步骤(4)具体包括以下步骤：

(4.1)在电抗器三维仿真模型中建立流体域，完成网格划分后载入Fluent软件中；

(4.2)在Fluent软件中，确定模型为湍流流动模型，进行材料选择，设定几何属性，添加各层绕组单位体积热密度为热源参数，设置流体边界条件，包括环境温度、流体速度和相对压力；

(4.3)通过求解器的设定，迭代完成求解计算，后处理得到电抗器的温度场分布。