CN110427687A - 一种干式变压器铁芯损耗分布规律分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种干式变压器铁芯损耗分布规律分析方法，根据变压器的实际外形和尺寸，分级、分离建立电气性能模型，模拟变压器的实际结构；在电气性能模型周围设置空气域空间，模拟变压器所处的空间环境；根据变压器各部件材料的各向异性和非线性特性，对电气性能模型设定电气特性；对电气性能模型进行有限元网格划分；建立多端子激励线圈，设置电路特性；编辑等效电路，设置高压激励电源，进行场‑路耦合，向激励线圈施加额定电压建立主磁场，模拟变压器实际所对应的电路；设置迭代次数、容差量和收敛方式，建立求解方法，求解单位铁损。通过建立模型，并对模型施加模拟电磁和电路，从而准确地获取铁芯内部的铁芯损耗分布。

Description

一种干式变压器铁芯损耗分布规律分析方法

技术领域

本发明涉及变压器设计技术领域，更进一步涉及一种干式变压器铁芯损耗分布规律分析方法。

背景技术

变压器铁芯损耗简称铁损，又称为磁芯损耗或激励损耗，是指磁性材料中由于存在交变或脉动磁场而引起的功率损耗，以热的形式表现，主要包括磁滞损耗和涡流损耗两部分。

铁芯损耗不但直接影响变压器的电磁性能和运行效率，而且与温升与运行可靠性密切相关。铁芯损耗转换成热能引起变压器不断发热，易导致局部过热和绝缘材料老化等问题，甚至引起变压器故障。

对于已制成的变压器，可通过空载试验获得变压器的空载损耗即铁损；对于变压器铁损的计算，常用的计算手段是运行解析公式和半经验公式的时域法、正交分解合成法，但目前所采用的方法均用于计算变压器整体的铁芯损耗，无法准确地分析出铁芯内部的损耗分布。

对于本领域的技术人员来说，如何准确地获取铁芯内部的铁芯损耗分布，是目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种干式变压器铁芯损耗分布规律分析方法，通过仿真模拟准确地获取铁芯内部的铁芯损耗分布，具体方案如下：

一种干式变压器铁芯损耗分布规律分析方法，包括：

根据变压器的实际外形和尺寸，分级、分离建立电气性能模型；

在所述电气性能模型周围设置空气域空间；

根据变压器各部件材料的各向异性和非线性特性，对所述电气性能模型设定电气特性；

对所述电气性能模型进行有限元网格划分；

建立多端子激励线圈，设置电路特性；

编辑等效电路，设置高压激励电源，进行场-路耦合，向所述激励线圈施加额定电压建立主磁场；

设置迭代次数、容差量和收敛方式，建立求解方法，求解单位铁损：

P＝K_hf^αB^β+K_e(sfB)²

其中：P-单位铁损，W/kg；f-频率，Hz；B-磁密，T；K_h-磁滞损耗系数，K_e-涡流损耗系数，α、β-磁滞损耗指数。

可选地，还包括：

判断电流、电压是否异常，进而判断所述单位铁损是否在设定阈值内；

若是，分别计算所述电气性能模型各层、各片、各部件的铁损，确定最大铁损位置。

可选地，还包括：

根据变压器的实际外形和尺寸，建立温升性能模型，所述温升性能模型简化变压器的细小特征；

在所述温升性能模型周围设置空气域空间；

根据变压器各部件材料的各向异性和非线性特性，对所述温升性能模型设定机械特性和导热特性；

对所述温升性能模型进行有限元网格划分；

根据铁损分布情况对网格单元分别施加体积热源；

将所述温升性能模型的最大温度、空气最大流速作为计算收敛目标，设置迭代次数，计算最终温升ΔT：

P＝α_s·S·ΔT

式中，P—铁芯损耗，W；S—散热面积，mm²；α_s—散热系数。

可选地，还包括：

所述温升性能模型周围设置空气域空间设置为层流；

对所述温升性能模型设定热对流散热方式；

对所述温升性能模型设定热辐射散热方式。

可选地，所述电气性能模型周围设置空气域空间的体积为所述电气性能模型体积的3～4倍；

所述温升性能模型周围设置空气域空间的体积为所述温升性能模型体积的3～4倍。

可选地，所述对所述电气性能模型进行有限元网格划分；

所述对所述温升性能模型进行有限元网格划分；

均包括：

设置网格最佳尺寸，并进行自适应网格划分。

本发明提供一种干式变压器铁芯损耗分布规律分析方法，根据变压器的实际外形和尺寸，分级、分离建立电气性能模型，模拟变压器的实际结构；在电气性能模型周围设置空气域空间，模拟变压器所处的空间环境；根据变压器各部件材料的各向异性和非线性特性，对电气性能模型设定电气特性；对电气性能模型进行有限元网格划分；建立多端子激励线圈，设置电路特性；编辑等效电路，设置高压激励电源，进行场-路耦合，向激励线圈施加额定电压建立主磁场，模拟变压器实际所对应的电路；设置迭代次数、容差量和收敛方式，建立求解方法，求解单位铁损。通过建立模型，并对模型施加模拟电磁和电路，从而准确地获取铁芯内部的铁芯损耗分布。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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发明的一些实施例，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。

图1为本发明提供的干式变压器铁芯损耗分布规律分析方法的流程图。

具体实施方式

本发明的核心在于提供一种干式变压器铁芯损耗分布规律分析方法，通过仿真模拟准确地获取铁芯内部的铁芯损耗分布。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图及具体的实施方式，对本发明的干式变压器铁芯损耗分布规律分析方法进行详细的介绍说明。

如图1所示，为本发明提供的干式变压器铁芯损耗分布规律分析方法的流程图，包括以下步骤：

S1、根据变压器的实际外形和尺寸，分级、分离建立电气性能模型；电气性能模型模拟实际的变压器结构，电气性能模型中的轭铁、立柱等结构均采用分层叠装的层压式结构，在厚度方向叠装，整个电气性能模型由多个分体式结构组装制成；电气性能模型的各部件尺寸与变压器实体结构尺寸相等。

S2、在电气性能模型周围设置空气域空间；空气域空间包围电气性能模型，用于模拟变压器实际所处的环境。

S3、根据变压器各部件材料的各向异性和非线性特性，对电气性能模型设定电气特性；组成变压器实体的各个部件具有不同的电气性能特性，对电气性能模型的各个部件设置相对应的电气性能特性，保证与变压器实体性能一致。

S4、对电气性能模型进行有限元网格划分；在保证求解精度的情况下，对电气性能模型进行网格划分，分别对各个有限元网格求解分析。

步骤S1至步骤S4为电磁建模过程，模拟变压器的电磁特性。

S5、建立多端子激励线圈，设置电路特性；电路特性包括线圈的匝数、线规的截面积以及线圈中电流的流入方向。

S6、编辑等效电路，设置高压激励电源，进行场-路耦合，向激励线圈施加额定电压建立主磁场；根据实际的空载试验电路连接方法编辑等效电路，设置高压激励电源，进行场-路耦合，也即电磁场与电路的耦合，在激励线圈中输入额定电压建立主磁场，对应关系：

换算成有效值：

U₁＝4.44f·N₁·Φ

Φ＝B·S

其中，e₁-匝电势，单位V；N₁-线圈匝数；Φ-磁通量，Wb；U₁-感应电压，V；f-频率，50Hz；B-磁通密度，T；S-磁通面积，m²。

S7、设置迭代次数、容差量和收敛方式，建立求解方法，求解单位铁损；建立时谐场求解方法，求解效率高，可快速求解；考虑了铁芯材料磁性能的非线性特性，对硅钢片的单位铁损进行损耗分离，分离模型为：

P＝K_hf^αB^β+K_e(sfB)²

其中：P-单位铁损，单位W/kg；f-频率，Hz；B-磁密，T；K_h-磁滞损耗系数，K_e-涡流损耗系数，α、β-磁滞损耗指数。

对每个有限元网格单独计算，可获取各个有限元网格的单位铁损情况，进而可分析整个电气性能模型的铁损情况。

更进一步，本发明还包括以下步骤：

S8、判断电流、电压是否异常，进而判断单位铁损是否在设定阈值内；电流、电压可反映出铁芯损耗情况，利用电流、电压间接地判定仿真得到的单位铁损计算结果是否正确。

若是，则进行步骤S9、分别计算电气性能模型各层、各片、各部件的铁损，确定最大铁损位置。根据各有限元网格的铁损进行积分，可得到各层、各片、各部件的铁损。

选择相应的磁密度等位线图、云图、矢量图等，观察分析铁芯内部的磁通密度分布情况和磁通的流动方向。

以上过程为铁芯损耗的分布规律获取方法，铁耗以热量损失的方式体现，本发明对温升情况进行分析，还包括以下步骤：

S01、根据变压器的实际外形和尺寸，建立温升性能模型，温升性能模型简化变压器的细小特征；为了便于分析，将变压器的轭铁、立柱等处的交叉尖角省略，不使用电气性能模型分级、分离模型。

S02、在温升性能模型周围设置空气域空间；空气域空间包围温升性能模型，用于模拟变压器实际所处的环境。

S03、根据变压器各部件材料的各向异性和非线性特性，对温升性能模型设定机械特性和导热特性；模拟变压器各部件的真实特性，导热特性包括导热率、热阻系数、辐射系数。比热容等参数。

S04、对温升性能模型进行有限元网格划分；在保证求解精度的情况下，对温升性能模型进行网格划分，分别对各个有限元网格求解分析。

S05、根据铁损分布情况对网格单元分别施加体积热源；在上述步骤S9完成后，获得铁损分布情况，而铁损以发热的形式体现，铁损越大的区域温升越高。

S06、将温升性能模型的最大温度、空气最大流速作为计算收敛目标，设置迭代次数，计算最终温升ΔT：

P＝α_s·S·ΔT

式中，P—铁芯损耗，W；S—散热面积，mm²；α_s—散热系数。

重复迭代计算多次，直到最大温度、空气最大流速趋于稳定，符合收敛要求时完成计算，此时达到热稳定、热平衡状态，依次计算可得到温升性能模型各部分的温度分布情况。

具体地，在进行温升计算的过程中，温升性能模型周围设置空气域空间设置为层流。对温升性能模型设定热对流散热方式，重点模拟冷却介质与热源之间的对流换热。对温升性能模型设定热辐射散热方式，体现热源之间以电磁波形式传送热量，继而相互影响散热特性。

本发明中的电气性能模型周围设置空气域空间的体积为电气性能模型体积的3～4倍；温升性能模型周围设置空气域空间的体积为温升性能模型体积的3～4倍；与变压器实际所处的空间环境一致，空气域空间采用长方体，设置相应的边际条件。

对电气性能模型进行有限元网格划分包括设置网格最佳尺寸，并进行自适应网格划分。对温升性能模型进行有限元网格划分包括设置网格最佳尺寸，并进行自适应网格划分；设置网格尺寸形状为四面体，边长大小为25mm。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种干式变压器铁芯损耗分布规律分析方法，其特征在于，包括：

根据变压器的实际外形和尺寸，分级、分离建立电气性能模型；

在所述电气性能模型周围设置空气域空间；

根据变压器各部件材料的各向异性和非线性特性，对所述电气性能模型设定电气特性；

对所述电气性能模型进行有限元网格划分；

建立多端子激励线圈，设置电路特性；

编辑等效电路，设置高压激励电源，进行场-路耦合，向所述激励线圈施加额定电压建立主磁场；

设置迭代次数、容差量和收敛方式，建立求解方法，求解单位铁损：

P＝K_hf^αB^β+K_e(sfB)²

其中：P-单位铁损，W/kg；f-频率，Hz；B-磁密，T；K_h-磁滞损耗系数，K_e-涡流损耗系数，α、β-磁滞损耗指数。

2.根据权利要求1所述的干式变压器铁芯损耗分布规律分析方法，其特征在于，还包括：

判断电流、电压是否异常，进而判断所述单位铁损是否在设定阈值内；

若是，分别计算所述电气性能模型各层、各片、各部件的铁损，确定最大铁损位置。

3.根据权利要求2所述的干式变压器铁芯损耗分布规律分析方法，其特征在于，还包括：

根据变压器的实际外形和尺寸，建立温升性能模型，所述温升性能模型简化变压器的细小特征；

在所述温升性能模型周围设置空气域空间；

根据变压器各部件材料的各向异性和非线性特性，对所述温升性能模型设定机械特性和导热特性；

对所述温升性能模型进行有限元网格划分；

根据铁损分布情况对网格单元分别施加体积热源；

将所述温升性能模型的最大温度、空气最大流速作为计算收敛目标，设置迭代次数，计算最终温升ΔT：

P＝α_s·S·ΔT

式中，P—铁芯损耗，W；S—散热面积，mm²；α_s—散热系数。

4.根据权利要求3所述的干式变压器铁芯损耗分布规律分析方法，其特征在于，还包括：

所述温升性能模型周围设置空气域空间设置为层流；

对所述温升性能模型设定热对流散热方式；

对所述温升性能模型设定热辐射散热方式。

5.根据权利要求4所述的干式变压器铁芯损耗分布规律分析方法，其特征在于，所述电气性能模型周围设置空气域空间的体积为所述电气性能模型体积的3～4倍；

所述温升性能模型周围设置空气域空间的体积为所述温升性能模型体积的3～4倍。

6.根据权利要求5所述的干式变压器铁芯损耗分布规律分析方法，其特征在于，

所述对所述电气性能模型进行有限元网格划分；

所述对所述温升性能模型进行有限元网格划分；

均包括：

设置网格最佳尺寸，并进行自适应网格划分。