CN112131763A - 一种三维有限元多物场高压并联电抗器振动计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维有限元多物场高压并联电抗器振动计算方法，涉及电力设备状态监测技术领域；其包括如下步骤：S1获取高压并联电抗器结构尺寸，S2获取高压并联电抗器尺寸参数，S3设置物理场，S4根据磁场分布计算磁化强度分布，S5计算各方向的应力，S6计算麦克斯韦应力张量，S7计算绕组的洛伦兹力，S8将应力作为载荷施加于铁芯和绕组，S9计算网络输出的基本概率值，S10计算高压并联电抗器箱体振动，S11设置求解器，S12计算仿真结果和测量结果的皮尔逊相关系数；其通过S1～S12的步骤等，实现高压并联电抗器振动计算方法效率高、准确度高。

Description

一种三维有限元多物场高压并联电抗器振动计算方法

技术领域

本发明涉及电力设备状态监测技术领域，尤其涉及一种三维有限元多物场高压并联电抗器振动计算方法。

背景技术

CN 201810823284 20180725 Y一种特高压并联电抗器振动噪声计算方法，高压并联电抗器是高压输电工程中重要的无功补偿设备,对线路和系统的安全运行有重要意义。处于运行状态的高压油浸式并联电抗器在电磁力作用下发生振动，铁心和绕组的紧固件在振动过程中可能会松动，相应的绝缘部件在长期循环应力作用下会加速老化，这些因素可能对设备的健康运行带来隐患；此外高压油浸式并联电抗器外壳的振动向空气辐射，产生可听噪声，对周围环境造成污染，降低居民生活质量，因此高压油浸式并联电抗器的振动与噪声问题得到了广泛关注。

现有技术问题及思考：

如何解决高压并联电抗器振动计算方法效率差、准确度差的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种三维有限元多物场高压并联电抗器振动计算方法，其通过S1～S12的步骤等，实现高压并联电抗器振动计算方法效率高、准确度高。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种三维有限元多物场高压并联电抗器振动计算方法包括如下步骤：S1获取高压并联电抗器结构尺寸，S2获取高压并联电抗器尺寸参数，S3设置物理场，S4根据磁场分布计算磁化强度分布，S5计算各方向的应力，S6计算麦克斯韦应力张量，S7计算绕组的洛伦兹力，S8将应力作为载荷施加于铁芯和绕组，S9计算网络输出的基本概率值，S10计算高压并联电抗器箱体振动，S11设置求解器，S12计算仿真结果和测量结果的皮尔逊相关系数。

进一步的技术方案在于：在S1的步骤中，获取高压并联电抗器实体模型尺寸，在comsol中建立三维几何模型；具体划分包括如下步骤：

S101获取铁芯尺寸，获取铁芯尺寸；

S102获取绕组尺寸，获取绕组尺寸；

S103获取油箱尺寸，获取油箱尺寸。

进一步的技术方案在于：在S2的步骤中，获取部件的电磁学、结构力学和流体力学的参数，在comsol中对每一结构部件赋予相应的材料参数，对于磁场中铁心的磁化效应采用BH曲线非线性模型，对于铁心的磁致伸缩效应采用焦耳模型，预应变-磁化强度模型采用非线性模型，获取硅钢片的饱和磁致伸缩系数和饱和磁化强度；具体划分包括如下步骤：

S201获取铁芯的电磁学参数和机械参数，获取铁芯的电磁学参数和机械参数，铁心的电磁学参数包括铁心的B-H曲线、磁致伸缩系数和饱和磁化强度、相对磁导率和填充系数，铁心的机械参数包括铁心的杨氏模量和泊松比；

S202获取绕组的电磁学参数和机械参数，获取铁芯的电磁学参数和机械参数，绕组的电磁学参数包括绕组的相对磁导率和电阻率，绕组的机械参数包括绕组的杨氏模量和泊松比；

S203获取油箱的电磁学参数和机械参数，获取铁芯的电磁学参数和机械参数，油箱的电磁学参数包括油箱的相对磁导率和电阻率，油箱的机械参数包括油箱的杨氏模量和泊松比；

S204获取连接件的电磁学参数和机械参数，获取连接件的电磁学参数和机械参数，连接件的电磁学参数包括连接件的相对磁导率和电阻率，连接件的机械参数包括连接件的杨氏模量和泊松比。

进一步的技术方案在于：在S3的步骤中，对每一部件设置相应的物理场，添加的模块有磁场模块、固体力学模块、磁致伸缩模块和声压模块；利用直接场路耦合方法，忽略载流导线中的集肤效应，求解模型瞬态电磁场分布；在S4的步骤中，根据磁场分布计算磁化强度分布。

进一步的技术方案在于：在S5的步骤中，对铁心、绕组、油箱和气隙填充物设置固体力学模块，在分析时作为线弹性材料进行分析，对铁心设置磁场和固体力学耦合模块，磁致伸缩模型中将磁致伸缩效应等效为各向同性的磁致伸缩力；假设磁致伸缩特性为非线性各向同性，计算每一方向的预应变。

进一步的技术方案在于：在S6的步骤中，计算麦克斯韦应力张量T，只考虑铁心和气隙填充物所在交界面所在区域的麦克斯韦应力，

式8中，T为铁心与气隙分界面所受麦克斯韦力，单位为牛顿；Bx为磁感应强度B的x方向的分量，单位为特斯拉；By为磁感应强度B的y方向的分量，单位为特斯拉；Bz为磁感应强度B的z方向的分量，单位为特斯拉；Hx为磁场强度H的x方向的分量，单位为安培每米；Hy为磁场强度H的y方向的分量，单位为安培每米；Hz为磁场强度H的z方向的分量，单位为安培每米。

进一步的技术方案在于：在S7的步骤中，计算绕组所受的洛伦兹力，

f_L＝J×B (9)

式9中，fL为绕组所受洛伦兹力，单位为牛顿；J为电流密度，单位为安培每平方米；B为磁感应强度，单位为特斯拉。

进一步的技术方案在于：在S8的步骤中，将S5步骤得到的磁致伸缩应力和S7步骤得到的洛伦兹力作为体载荷分别施加在铁心和绕组上，将S6步骤得到的麦克斯韦力作为面载荷施加在铁心和气隙的交界面上，计算电抗器箱体振动。

进一步的技术方案在于：在S9的步骤中，计算网络输出的基本概率值；在S10的步骤中，结合油中的声-结构耦合效应以及作用在电抗器油箱上油压的作用，计算高压并联电抗器箱体振动。

进一步的技术方案在于：在S11的步骤中，求解器设置为瞬态求解器，设置求解时间，求解时间和求解步长为[0:1e-5:0.02]s，得到模型在磁场效应作用下的形变量计算结果，分析确认结果合理性；在S12的步骤中，对仿真结果和测量结果进行对比，计算两者间的皮尔逊相关系数。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

一种三维有限元多物场高压并联电抗器振动计算方法包括如下步骤：S1获取高压并联电抗器结构尺寸，S2获取高压并联电抗器尺寸参数，S3设置物理场，S4根据磁场分布计算磁化强度分布，S5计算各方向的应力，S6计算麦克斯韦应力张量，S7计算绕组的洛伦兹力，S8将应力作为载荷施加于铁芯和绕组，S9计算网络输出的基本概率值，S10计算高压并联电抗器箱体振动，S11设置求解器，S12计算仿真结果和测量结果的皮尔逊相关系数。该技术方案，其通过S1～S12的步骤等，实现高压并联电抗器振动计算方法效率高、准确度高。

详见具体实施方式部分描述。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明中高压并联电抗器的几何模型图；

图3是本发明中BH磁化曲线图；

图4是本发明中油箱表面振动加速度分布图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明公开了一种三维有限元多物场高压并联电抗器振动计算方法包括如下步骤：

S1获取高压并联电抗器结构尺寸

获取高压并联电抗器实体模型尺寸，在comsol中建立三维几何模型。

S101获取铁芯尺寸

获取铁芯尺寸。

S102获取绕组尺寸

获取绕组尺寸。

S103获取油箱尺寸

获取油箱尺寸。

S2获取高压并联电抗器尺寸参数

获取部件的电磁学、结构力学和流体力学的参数，在comsol中对每一结构部件赋予相应的材料参数，对于磁场中铁心的磁化效应采用BH曲线非线性模型，对于铁心的磁致伸缩效应采用焦耳模型，预应变-磁化强度模型采用非线性模型，获取硅钢片的饱和磁致伸缩系数和饱和磁化强度。

S201获取铁芯的电磁学参数和机械参数

获取铁芯的电磁学参数和机械参数，铁心的电磁学参数包括铁心的B-H曲线、磁致伸缩系数和饱和磁化强度、相对磁导率和填充系数，铁心的机械参数包括铁心的杨氏模量和泊松比。

S202获取绕组的电磁学参数和机械参数

获取铁芯的电磁学参数和机械参数，绕组的电磁学参数包括绕组的相对磁导率和电阻率，绕组的机械参数包括绕组的杨氏模量和泊松比。

S203获取油箱的电磁学参数和机械参数

获取铁芯的电磁学参数和机械参数，油箱的电磁学参数包括油箱的相对磁导率和电阻率，油箱的机械参数包括油箱的杨氏模量和泊松比。

S204获取连接件的电磁学参数和机械参数

获取连接件的电磁学参数和机械参数，连接件的电磁学参数包括连接件的相对磁导率和电阻率，连接件的机械参数包括连接件的杨氏模量和泊松比。

S3设置物理场

对每一部件设置相应的物理场，添加的模块有磁场模块、固体力学模块、磁致伸缩模块和声压模块；利用直接场路耦合方法，忽略载流导线中的集肤效应，求解模型瞬态电磁场分布。

S4根据磁场分布计算磁化强度分布

根据磁场分布计算磁化强度分布。

S5计算各方向的应力

对铁心、绕组、油箱和气隙填充物设置固体力学模块，在分析时作为线弹性材料进行分析，对铁心设置磁场和固体力学耦合模块，磁致伸缩模型中将磁致伸缩效应等效为各向同性的磁致伸缩力；假设磁致伸缩特性为非线性各向同性，计算每一方向的预应变。

S6计算麦克斯韦应力张量

计算麦克斯韦应力张量T，只考虑铁心和气隙填充物所在交界面所在区域的麦克斯韦应力，

式8中，T为铁心与气隙分界面所受麦克斯韦力，单位为牛顿；Bx为磁感应强度B的x方向的分量，单位为特斯拉；By为磁感应强度B的y方向的分量，单位为特斯拉；Bz为磁感应强度B的z方向的分量，单位为特斯拉；Hx为磁场强度H的x方向的分量，单位为安培每米；Hy为磁场强度H的y方向的分量，单位为安培每米；Hz为磁场强度H的z方向的分量，单位为安培每米。

S7计算绕组的洛伦兹力

计算绕组所受的洛伦兹力，

f_L＝J×B (9)

式9中，fL为绕组所受洛伦兹力，单位为牛顿；J为电流密度，单位为安培每平方米；B为磁感应强度，单位为特斯拉。

S8将应力作为载荷施加于铁芯和绕组

将S5步骤得到的磁致伸缩应力和S7步骤得到的洛伦兹力作为体载荷分别施加在铁心和绕组上，将S6步骤得到的麦克斯韦力作为面载荷施加在铁心和气隙的交界面上，计算电抗器箱体振动。

S9计算网络输出的基本概率值

计算网络输出的基本概率值。

S10计算高压并联电抗器箱体振动

结合油中的声-结构耦合效应以及作用在电抗器油箱上油压的作用，计算高压并联电抗器箱体振动。

S11设置求解器

求解器设置为瞬态求解器，设置求解时间，求解时间和求解步长为[0:1e-5:0.02]s，得到模型在磁场效应作用下的形变量计算结果，分析确认结果合理性。

S12计算仿真结果和测量结果的皮尔逊相关系数

对仿真结果和测量结果进行对比，计算两者间的皮尔逊相关系数。

本申请的发明构思：

探究高压并联电抗器油箱振动机理是解决上述问题的一个重要出发点，通过有限元仿真计算高压并联电抗器油箱振动是一种快速、经济、有效的手段。华北电力大学的张鹏宁计算了考虑麦克斯韦力和磁致伸缩效应的并联电抗器铁心二维模型振动，由于所建立的物理模型是二维模型，使得计算结果存在一定误差和纰漏；Yanhui Gao计算了电抗器铁心1/4仿真模型，未得到并联电抗器油箱振动；江苏省电力有限公司检修分公司的魏旭提出了一种特高压并联电抗器振动噪声计算方法，但该方法在计算过程中未考虑磁致伸缩效应(众所周知，采用虚位移法无法计算等效的磁致伸缩应力)和铁心磁化的非线性,使计算结果出现一定偏差。同时以上三种方法均未考虑高压并联电抗器振动过程中由于电抗器油的存在使得振动过程中存在流-固耦合效应，这种效应对高压并联电抗器振动有一定的影响。

目前各种探究高压并联电抗器振动机理的模型均未考虑振动过程中由于电抗器油的存在使得振动过程中存在流-固耦合效应，这种效应对高压并联电抗器振动有一定的影响。因此有必要提出一种同时考虑磁致伸缩效应、铁心磁化非线性和流-固耦合效应的三维有限元多物场高压并联电抗器振动计算方法计算高压并联电抗器振动。

本申请的技术贡献：

本发明一种同时考虑磁致伸缩效应、铁心磁化非线性和流-固耦合效应的三维有限元多物场高压并联电抗器振动计算方法特点，如下：

1.如图1所示，同时考虑磁致伸缩效应、铁心磁化非线性和流-固耦合效应的三维有限元多物场高压并联电抗器振动计算方法的流程图。该计算流程同时考虑磁致伸缩效应、铁心磁化非线性和流-固耦合效应，计算方法采用三维有限元多物场高压并联电抗器振动计算。

计算过程中，获取结构尺寸、获取材料参数和设置物理场有需要特别说明的问题如下：

1)获取高压并联电抗器结构尺寸

为建立合理的高压并联电抗器几何尺寸，需要但不仅限于如下尺寸：首先铁心窗口尺寸和铁心长宽高；次绕组内径和外径以及绕组高度；最后油箱长宽高及厚度。根据以上尺寸，可以建立高压并联电抗器简化三维几何模型。

2)获取高压并联电抗器材料参数

需要但不仅限于如下材料参数：首先是电磁学参数，为了考虑铁心磁化的非线性，需要通过测量或咨询厂商获取铁心磁化的非线性BH曲线；其次是结构力学参数，假设高压并联电抗器由弹性体构成，需要获取不同部件等效的杨氏模量和泊松比；最后是电磁学和结构力学相耦合的参数，为了考虑磁致伸缩效应，认为铁心在磁化过程中各向同性且以焦耳效应为主，假定焦耳效应呈线性规律，因此需获得硅钢片的饱和磁化强度和磁致伸缩系数。

3)设置物理场

为准确计算高压并联电抗器振动，需要考虑的物理场有磁场，结构力学和磁致伸缩，由于电源频率为50Hz且电抗器尺寸较大，因此计算磁场时磁场按准静态场设置；计算振动时，所有部件满足弹性体假设，计算磁致伸缩时，只考虑焦耳效应；考虑振动时电抗器油和电抗器部件间的流固耦合效应。

2.计算流程

通过以上分析，本文进行同时考虑磁致伸缩效应、铁心磁化非线性和流-固耦合效应的三维有限元多物场高压并联电抗器振动具体计算流程如下：

S1：获取实体模型尺寸，如图2所示，在comsol中建立三维几何模型。

S2：获取不同部件的电磁学、结构力学、流体力学参数，并在comsol中对不同结构部件赋予相应的材料参数，值得注意的是对于磁场中铁心的磁化效应，采用BH曲线非线性模型，对于铁心的磁致伸缩效应，采用只考虑弱耦合效应的焦耳模型，在计算磁致伸缩等效预应变时认为硅钢片各向同性，预应变-磁化强度模型采用非线性模型，因此要获取硅钢片的饱和磁致伸缩系数和饱和磁化强度。

S201:如图3所示，铁心的电磁学参数包括B-H曲线，磁致伸缩系数和饱和磁化强度，相对磁导率和填充系数，机械参数包括杨氏模量和泊松比；铁心饱和磁化强度为1700000安培每米(A/m)，形式为数值；最大磁致伸缩系数为0.000002，无单位，形式为数值；铁心杨式模量为50兆帕(Mpa)，形式为数值；铁心泊松比为0.2，无单位，形式为数值；铁心电阻率为1欧姆(Ω)，形式为数值；铁心填充系数为0.8，无单位，形式为数值。

S202:绕组的电磁学参数包括相对磁导率和电阻率，机械参数包括杨氏模量和泊松比；绕组相对磁导率为1，无单位，形式为数值；电阻率为0.01欧姆(Ω)，形式为数值；杨氏模量为30兆帕(Mpa)，形式为数值；泊松比为0.3，无单位，形式为数值。

S203:油箱的电磁学参数包括相对磁导率和电阻率，机械参数包括杨氏模量和泊松比；油箱相对磁导率为200，无单位，形式为数值；电阻率为1欧姆(Ω)，形式为数值；杨氏模量为60兆帕(Mpa)，形式为数值；泊松比为0.1，无单位，形式为数值。

S204：连接件的电磁学参数包括相对磁导率和电阻率，机械参数包括杨氏模量和泊松比；连接件相对磁导率为200，无单位，形式为数值；电阻率为1欧姆(Ω)，形式为数值；杨氏模量为70兆帕(Mpa)，形式为数值；泊松比为0.5，无单位，形式为数值。

S3：对不同部件设置相应的物理场，需要添加的模块有磁场模块，固体力学模块，磁致伸缩模块和声压模块。利用直接场路耦合方法，忽略载流导线中的集肤效应，求解模型瞬态电磁场分布，求解步长为0.00001(无单位，形式为数值)，求解时域区间为[0,0.04]，由于被求解电磁场频率为50Hz，因此电磁场可近似等效为准静态场求解，数学模型如下：

上式中，H为磁场强度，单位为安培每米(A/m)，形式为数值；J为绕组电流密度，单位为安培每平方米(A/m2)，形式为数值。

上式中，B为磁感应强度，单位特斯拉(T)，形式为数值；A为磁矢量，单位韦伯每米(Wb/m)，形式为数值。

J＝σE+J_e (3)

上式中，J为绕组电流密度，单位为安培每平方米(A/m2)，形式为数值；σ为电导率，单位西门子每米(S/m)，形式为数值；E为电场强度，单位V/m，形式为数值；Je为外部电流密度，单位为安培每平方米(A/m2)，形式为数值。

S4：根据磁场分布计算磁化强度分布。

S5：对铁心，绕组，油箱和气隙填充物设置固体力学模块，在分析时作为线弹性材料进行分析，对铁心设置磁场和固体力学耦合模块——磁致伸缩模块，磁致伸缩模型中将磁致伸缩效应等效为各向同性的磁致伸缩力。假设磁致伸缩特性为非线性各向同性，由下式计算各个方向的预应变。

式中，λx为x方向的应变，单位为米(m)，形式为数值；λy为y方向的应变，单位为米(m)，形式为数值；λz为z方向的应变，单位为米(m)，形式为数值；Mmax为最大磁化强度，单位为安培每米(A/m)，形式为数值；Mx，My，Mz为x,y,z方向的磁化强度，单位为安培每米(A/m)，形式为数值；λmax为最大应变，单位为米(m)，形式为数值。

其次根据弹性材料应力应变关系即胡克定律，求解应力，假设该应力为铁心所受的磁致伸缩力，计算方法如下：

f＝k*x (7)

式中：f为所求应力，单位牛顿(N)，形式为数值；x为应变，单位为米(m)，形式为数值；k为弹性系数，单位为牛顿每米(N/m),形式为数值。

S6:麦克斯韦应力张量T采用如下公式计算：

只考虑铁心和气隙填充物所在交界面所在区域的麦克斯韦应力，T为铁心与气隙分界面所受麦克斯韦力，单位牛顿(N),形式为数值；Bx，By，Bz为磁感应强度B的x，y，z方向的分量，单位特斯拉(T)，形式为数值；Hx，Hy，Hz为磁场强度H的x，y，z分量，单位为安培每米(A/m)，形式为数值。

S7:绕组所受的洛伦兹力，计算方法如下：

f_L＝J×B (9)

式中：fL为绕组所受洛伦兹力，单位牛顿(N)，形式为数值；J为电流密度，单位安培每平方米(A/m2)，形式为数值；B为磁感应强度，单位特斯拉(T)，形式为数值。

S8：将S5得到的磁致伸缩应力和S7得到的洛伦兹力作为体载荷分别施加在铁心和绕组上，将S6得到的麦克斯韦力作为面载荷施加在铁心和气隙的交界面上，计算电抗器箱体振动。

S9：根据公式计算网络输出的基本概率值，同时根据专家经验等规则获取其他证据的基本概率值。

S10：考虑油中的声-结构耦合效应，考虑作用在电抗器油箱上油压的作用，计算高压并联电抗器箱体振动，油压计算公式如下：

p为声压，单位帕斯卡(pa)，形式为数值；c0为声速，单位为米每秒(m/s)，形式为数值。

S11：设置求解器，求解器设置为瞬态求解器，设置求解时间，求解时间和求解步长为[0:1e-5:0.02]s，得到模型在磁场效应作用下的形变量计算结果，分析确认结果合理性。

S12：对仿真结果和测量结果进行对比，计算两者间的皮尔逊相关系数，得皮尔逊相关系数大于0.98，说明测量结果和仿真结果较为相近，仿真具有较高精度。

技术方案说明：

1、获取实体模型尺寸：

如图2所示，在comsol中建立三维几何模型。

为建立合理的高压并联电抗器几何尺寸，需要但不仅限于如下尺寸：首先铁心窗口尺寸和铁心长宽高；次绕组内径和外径以及绕组高度；最后油箱长宽高及厚度。根据以上尺寸，可以建立高压并联电抗器简化三维几何模型。

2.获取相关材料参数，其中铁心饱和磁化强度为1700000A/m,最大磁致伸缩系数为0.000002。

如图3所示，铁心饱和磁化强度为1700000安培每米(A/m)，形式为数值；最大磁致伸缩系数为0.000002，无单位，形式为数值。

铁心杨式模量为50Mpa，铁心泊松比为0.2，铁心电阻率为1欧姆，铁心填充系数为0.8；绕组相对磁导率为1，电阻率为0.01欧姆，绕组杨氏模量为30Mpa，泊松比为0.3；油箱相对磁导率为200，电阻率为1欧姆，杨氏模量为60Mpa，泊松比为0.1；连接件相对磁导率为200，电阻率为1欧姆，杨氏模量为70Mpa，泊松比为0.5；添加物理场。

3.计算铁心与气隙交界面所受的麦克斯韦力、铁心所受的等效磁致伸缩应力、绕组所受的洛伦兹力，将其作为载荷分别施加在绕组、铁心、铁心和气隙交界面处；

4.考虑流-固耦合效应，设置瞬态求解器，设置求解时间和步长[0:1e-5:0.002],计算油箱表面振动形变。

如图4所示，为计算结果。该图为油箱正面振动加速度分布图，通过油箱表面振动加速度分布图可以直观得到振动强弱的分布规律。

5.对仿真结果和测量结果进行对比，计算两者间的皮尔逊相关系数，得皮尔逊相关系数大于0.98，说明测量结果和仿真结果较为相近，仿真具有较高精度。

本申请保密运行一段时间后，现场技术人员反馈的有益之处在于：

本发明适用于在具备高压并联电抗器必要结构参数，材料参数和电气参数的前提下，对其振动进行有限元仿真计算，具有考虑物理场全面，几何建模合理，计算精度高的优点。

针对目前高压并联电抗器振动计算存在建模不合理，计算精度存在较大误差的问题，本发明提出了一种同时考虑磁致伸缩效应、铁心磁化非线性和流-固耦合效应的三维有限元多物场高压并联电抗器振动计算方法，该方法具有几何建模合理，考虑物理场较全面，计算精度高的优点。

Claims (10)

1.一种三维有限元多物场高压并联电抗器振动计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1获取高压并联电抗器结构尺寸，S2获取高压并联电抗器尺寸参数，S3设置物理场，S4根据磁场分布计算磁化强度分布，S5计算各方向的应力，S6计算麦克斯韦应力张量，S7计算绕组的洛伦兹力，S8将应力作为载荷施加于铁芯和绕组，S9计算网络输出的基本概率值，S10计算高压并联电抗器箱体振动，S11设置求解器，S12计算仿真结果和测量结果的皮尔逊相关系数。

2.根据权利要求1所述的一种三维有限元多物场高压并联电抗器振动计算方法，其特征在于：在S1的步骤中，获取高压并联电抗器实体模型尺寸，在comsol中建立三维几何模型；具体划分包括如下步骤：

S101获取铁芯尺寸，获取铁芯尺寸；

S102获取绕组尺寸，获取绕组尺寸；

S103获取油箱尺寸，获取油箱尺寸。

3.根据权利要求1所述的一种三维有限元多物场高压并联电抗器振动计算方法，其特征在于：在S2的步骤中，获取部件的电磁学、结构力学和流体力学的参数，在comsol中对每一结构部件赋予相应的材料参数，对于磁场中铁心的磁化效应采用BH曲线非线性模型，对于铁心的磁致伸缩效应采用焦耳模型，预应变-磁化强度模型采用非线性模型，获取硅钢片的饱和磁致伸缩系数和饱和磁化强度；具体划分包括如下步骤：

S201获取铁芯的电磁学参数和机械参数，获取铁芯的电磁学参数和机械参数，铁心的电磁学参数包括铁心的B-H曲线、磁致伸缩系数和饱和磁化强度、相对磁导率和填充系数，铁心的机械参数包括铁心的杨氏模量和泊松比；

S202获取绕组的电磁学参数和机械参数，获取铁芯的电磁学参数和机械参数，绕组的电磁学参数包括绕组的相对磁导率和电阻率，绕组的机械参数包括绕组的杨氏模量和泊松比；

S203获取油箱的电磁学参数和机械参数，获取铁芯的电磁学参数和机械参数，油箱的电磁学参数包括油箱的相对磁导率和电阻率，油箱的机械参数包括油箱的杨氏模量和泊松比；

S204获取连接件的电磁学参数和机械参数，获取连接件的电磁学参数和机械参数，连接件的电磁学参数包括连接件的相对磁导率和电阻率，连接件的机械参数包括连接件的杨氏模量和泊松比。

4.根据权利要求1所述的一种三维有限元多物场高压并联电抗器振动计算方法，其特征在于：在S3的步骤中，对每一部件设置相应的物理场，添加的模块有磁场模块、固体力学模块、磁致伸缩模块和声压模块；利用直接场路耦合方法，忽略载流导线中的集肤效应，求解模型瞬态电磁场分布；在S4的步骤中，根据磁场分布计算磁化强度分布。

5.根据权利要求1所述的一种三维有限元多物场高压并联电抗器振动计算方法，其特征在于：在S5的步骤中，对铁心、绕组、油箱和气隙填充物设置固体力学模块，在分析时作为线弹性材料进行分析，对铁心设置磁场和固体力学耦合模块，磁致伸缩模型中将磁致伸缩效应等效为各向同性的磁致伸缩力；假设磁致伸缩特性为非线性各向同性，计算每一方向的预应变。

6.根据权利要求1所述的一种三维有限元多物场高压并联电抗器振动计算方法，其特征在于：在S6的步骤中，计算麦克斯韦应力张量T，只考虑铁心和气隙填充物所在交界面所在区域的麦克斯韦应力，

式8中，T为铁心与气隙分界面所受麦克斯韦力，单位为牛顿；Bx为磁感应强度B的x方向的分量，单位为特斯拉；By为磁感应强度B的y方向的分量，单位为特斯拉；Bz为磁感应强度B的z方向的分量，单位为特斯拉；Hx为磁场强度H的x方向的分量，单位为安培每米；Hy为磁场强度H的y方向的分量，单位为安培每米；Hz为磁场强度H的z方向的分量，单位为安培每米。

7.根据权利要求1所述的一种三维有限元多物场高压并联电抗器振动计算方法，其特征在于：在S7的步骤中，计算绕组所受的洛伦兹力，

f_L＝J×B (9)

式9中，fL为绕组所受洛伦兹力，单位为牛顿；J为电流密度，单位为安培每平方米；B为磁感应强度，单位为特斯拉。

8.根据权利要求1所述的一种三维有限元多物场高压并联电抗器振动计算方法，其特征在于：在S8的步骤中，将S5步骤得到的磁致伸缩应力和S7步骤得到的洛伦兹力作为体载荷分别施加在铁心和绕组上，将S6步骤得到的麦克斯韦力作为面载荷施加在铁心和气隙的交界面上，计算电抗器箱体振动。

9.根据权利要求1所述的一种三维有限元多物场高压并联电抗器振动计算方法，其特征在于：在S9的步骤中，计算网络输出的基本概率值；在S10的步骤中，结合油中的声-结构耦合效应以及作用在电抗器油箱上油压的作用，计算高压并联电抗器箱体振动。

10.根据权利要求1～9中任意一项所述的一种三维有限元多物场高压并联电抗器振动计算方法，其特征在于：在S11的步骤中，求解器设置为瞬态求解器，设置求解时间，求解时间和求解步长为[0:1e-5:0.02]s，得到模型在磁场效应作用下的形变量计算结果，分析确认结果合理性；在S12的步骤中，对仿真结果和测量结果进行对比，计算两者间的皮尔逊相关系数。

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