CN114547910B - 一种基于仿真试验的变压器线圈设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于仿真试验的变压器线圈设计方法，涉及风电干式变压器技术领域，本发明对变压器线圈进行建模得到变压器线圈仿真试验模型；建立温度和热学边界条件，对变压器线圈在所述边界条件下进行仿真试验并得到试验过程中所受的最大应力；将所述最大应力与许用应力进行比较，得到差值参数，根据所述差值参数对变压器线圈的模型参数进行优化，重复试验，最终得到最优变压器线圈模型参数，基于所述最优变压器线圈模型参数优化所述变压器线圈设计，解决了现有技术中存在的针对在恶劣环境的变压器气候等级试验时，试验难度大、成本高、绕组线圈发生失效等技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及风电干式变压器技术领域，尤其是涉及一种基于仿真试验的变压器线圈设计方法。
背景技术
风电用干式变压器是连接风力发电系统和电网的重要设备，用于将风力发电机发出的电能经过升压变压器变为10kV或35kV等电压，通过埋地电缆或者架空线路输送到风电场升压站，风电用干式变压器一般运行在野外或海上，运行环境恶劣，有些地区还要考虑低温严寒的影响，因此要考虑设备的耐受性，在产品设计上，需要满足相应的气候等级试验。
现有的气候等级试验是将变压器样机置于试验箱内，将试验箱内的空气温度在规定的时间内逐渐降到贮存环境温度并保持规定时间，然后逐渐上升到通电环境温度并保持规定时间，对被测试绕组施加两倍额定电流以进行热冲击试验，试验完成后经外观检查绕组有无可见的异常现象，如裂缝或开裂。但是对于极端恶劣环境下的变压器气候等级试验，由于测试环境恶劣，例如C4气候等级试验最低温度达-50℃，需要设计专用的试验箱来进行测试，测试费用较高；并且测试周期较长，在测试失败后，还需要重新修改变压器的绕组线圈设计，制造新设计的样机后再进行测试，多次重复的修改及测试导致测试成本高昂和测试效率低下。另外，在对变压器的绕组线圈进行热冲击试验后，常规的检测方法是通过外观检查绕组有无可见的异常现象，如裂缝或开裂，由于检测精度和误差等影响，有些内部异常不容易被发现，从而造成漏检，并且无法知晓变压器的绕组线圈的安全系数，而风电用干式变压器一般运行在野外或海上，运行环境极端恶劣，一旦变压器的绕组线圈发生失效将对正常生产带来极大影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于仿真试验的变压器线圈设计方法，以解决现有技术中存在的变压器线圈设计时气候等级试验测试质量低、测试成本高昂、测试效率低下的技术问题。
本发明提供的一种基于仿真试验的变压器线圈设计方法，其特征在于：
对所述变压器线圈进行建模得到所述变压器线圈的仿真试验模型；
建立热学边界条件，模拟试验过程温度变化，并对所述变压器线圈的仿真试验模型施加热负荷，并计算环境等级试验时的冷热冲击过程中所述变压器线圈的仿真试验模型所受的最大应力；
将所述最大应力与许用应力进行比较，得到差值参数，根据所述差值参数对所述变压器线圈的模型参数进行优化；
重复所述试验过程，得到优化的变压器线圈模型参数，基于所述优化的变压器线圈模型参数优化所述变压器线圈设计。
进一步的，所述变压器线圈仿真试验模型由内包封、外包封和位于所述内包封和外包封之间的气道组成。
进一步的，所述内包封和外包封均由绝缘材料包裹的金属圆环柱体组成。
进一步的，所述气道的材料为由玻璃纤维和环氧树脂组成的复合材料。
进一步的，所述变压器线圈仿真试验模型为中心对称模型，在对称面设置对称边界，所述两个圆环柱体上表面设置固定边界，其余表面为自由边界。
进一步的，所述的热学边界条件为将所述变压器线圈仿真试验模型和空气接触面均设置为热通量边界。
进一步的，所述模拟试验过程温度变化包括：
阶段一：在固体传热模块中设置初始温度为第一环境温度，设置第一参考温度，添加稳态分析，模拟所述变压器线圈的仿真试验模型从所述第一环境温度冷却至所述第一参考温度；
阶段二：在固体传热模块中设置第二环境温度，设置第二参考温度，添加稳态分析，模拟所述变压器线圈的仿真试验模型从所述第二环境温度冷却至所述第二参考温度；
阶段三：在固体传热模块中设置第三环境温度，设置第三参考温度，对所述变压器线圈的仿真试验模型施加热负荷，添加稳态分析，模拟所述变压器线圈的仿真试验模型从所述第三环境温度加热至所述第三参考温度。
进一步的，所述第一环境温度的范围为80℃～100℃，所述第一参考温度的范围为0℃～40℃。
进一步的，所述第二环境温度的范围为0℃～40℃，所述第二参考温度的范围为-53℃～-22℃，所述第三环境温度的范围为-53℃～-22℃，所述第三参考温度的范围为137℃～168℃。
进一步的，对所述变压器线圈的仿真试验模型施加热负荷包括：
所述内包封上施加的热负荷Q1与所述外包封上设置的热负荷Q2的比值范围为0.8～1.2。
本发明提供的一种基于仿真试验的变压器线圈设计方法，在模拟环境中对变压器的线圈进行仿真试验，模拟现实环境的不同气候条件，对变压器线圈在不同的温度和热负荷条件下进行试验，试验过程中得到的变压器线圈承受的最大应力值，将该最大应力值与许用应力进行比较，找出偏差值，再根据偏差值对变压器线圈的设计参数进行修正优化，进而得到最优的变压器线圈设计参数，最终制造得到最优设计的变压器线圈；本发明所使用的变压器线圈仿真实验设计方法，只需要建立变压器线圈模型进行试验，不用专用的试验箱，节省了高昂的试验费用，成本低；试验周期短，可根据试验结果随时调整变压器线圈的设计参数以适应实际的气候环境，随时对变压器线圈的绕组设计进行修正优化，验证效率高；热冲击试验可以通过试验结果对变压器线圈是否异常进行跟踪观察，与模拟件测试方法相比，提高了验证效率，降低了验证成本，并能保证变压器线圈的安全系数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的设计方法逻辑流程框图；
图2为本发明实施例1仿真试验结果图；
图3为本发明实施例2仿真试验结果图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明的具体实施方式提供的一种基于仿真试验的变压器线圈设计方法，如图1所示，为本发明的逻辑流程图，首先，对变压器线圈按照一比一的比例进行仿真模型构建，所述仿真模型用于模拟变压器线圈在外界气候环境变化过程中，其能承受的最大应力的能力，建立温度场的边界条件，模拟试验过程温度变化，并对所述变压器线圈的仿真试验模型施加热负荷，对变压器线圈仿真模型在设定好的边界条件下进行仿真试验，试验结束后得到相应的变压器线圈能承受的最大应力，随后，将该最大应力与许用应力进行比较，得到相应的差值参数，根据该差值参数对变压器线圈的模型进行修正优化，对修正优化后的变压器线圈模型再次进行仿真试验，再次得到的最大应力与许用应力进行比较，再次得到差值参数，进而再次对变压器线圈的设计参数进行改进，重复以上步骤，本发明的目的是使变压器线圈在恶劣环境中，受到温度冲击的情况下保证良好的耐受能力，防止破裂，因此，在应对外界温度冲击的情况下，变压器线圈产生的最大应力越小越好，因此，在该过程中，当最大应力大于等于许用应力时，就对变压器线圈模型继续仿真试验，持续修正优化，直到得到最优化的变压器线圈的设计参数为止；本发明的实施方式仅通过模型的仿真，反复的试验可以快速实现优化变压器线圈设计的目的，有效解决了现有技术中变压器在恶劣环境中进行试验，线圈绕组难以适应恶劣的气候条件而发生损坏，而进一步需要拆解变压器，对变压器的线圈绕组重新设计，制造新设计的线圈绕组后再次装入变压器中进行试验，多次重复的修改及测试会导致测试的效率低下，测试成本高的技术问题；所述的许用应力是判定零件或构件受载后的工作应力过高或过低的一个衡量标准，允许零件或构件承受的最大应力值。
具体的，所述变压器线圈仿真试验模型由内包封、外包封和位于所述内包封和外包封之间的气道组成，所述内包封和外包封均由绝缘材料包裹的金属圆环柱体组成，所述金属圆环柱体的具体材质为铝材或铜材，在仿真试验过程中能够快速响应；进一步的，所述气道的材料为由玻璃纤维和环氧树脂组成的复合材料，该材质过负荷能力强，耐受冲击过电压性能好，防潮及耐腐蚀性能好，尤其适合极端恶劣的环境条件下工作。
具体的，所述的变压器线圈仿真试验模型为中心对称模型，对于位移边界条件，在对称面设置对称边界，具体的，将圆环柱体的上表面设置为固定边界，圆环柱体其余表面设置为自由边界，试验中，仅取1/4的变压器线圈模型进行仿真计算，采用物理控制网格对结构体进行离散，其中网格主要为四面体单元，单位尺寸为常规，单元总数为65700；在此基础上，对变压器线圈进行仿真试验，在仿真试验过程在特定的分析软件上进行。
具体的，本发明的实施方式中的仿真试验的边界条件具体为温度场边界条件和热学边界条件，温度场边界条件是模拟试验过程温度的变化，在设定好的温度边界条件下进行试验，对变压器线圈模型施加热负荷，进而计算得到变压器线圈模型在试验过程中所受到的最大应力，所述的最大应力具体包括径向、环向和轴向三个应力；热学边界条件，是热通量边界，指变压器线圈的模型和空气的接触面均设置为热通量边界。
仿真试验过程具体分为三个阶段，三个阶段具体如下：
阶段一：在固体传热模块中设置初始温度为第一环境温度，设置第一参考温度，添加稳态分析，模拟所述变压器线圈的仿真试验模型从所述第一环境温度冷却至所述第一参考温度；
阶段二：在固体传热模块中设置第二环境温度，设置第二参考温度，添加稳态分析，模拟所述变压器线圈的仿真试验模型从所述第二环境温度冷却至所述第二参考温度；
阶段三：在固体传热模块中设置第三环境温度，设置第三参考温度，对所述变压器线圈的仿真试验模型施加热负荷，添加稳态分析，模拟所述变压器线圈的仿真试验模型从所述第三环境温度加热至所述第三参考温度。
具体的，在阶段一中，所述第一环境温度的范围为80℃～100℃，所述第一参考温度的范围为0℃～40℃，用于模拟变压器线圈浇注固化出炉后自然冷却过程中的应力情况，由于变压器线圈浇注固化出炉温度较高，通过该阶段一的模拟，可以更全面和真实的模拟变压器线圈的应力变化过程。
具体的，在阶段二中，所述第二环境温度的范围为0℃～40℃，所述第二参考温度的范围为-53℃～-22℃；在阶段三中，所述第三环境温度的范围为-53℃～-22℃，所述第三参考温度的范围为137℃～168℃。上述温度范围的设置，可覆盖C2-C4气候等级试验对贮存环境温度和通电环境温度的要求。
具体的，根据等效原理，对所述变压器线圈的仿真试验模型施加热负荷具体为，将所述变压器线圈仿真试验模型的内包封和外包封上分别设置热负荷值Q1和Q2，其中所述内包封上施加的热负荷Q1与所述外包封上设置的热负荷Q2的比值范围为0.8～1.2，在此比值范围内，所述变压器线圈仿真试验模型的电密度较小，在上述试验条件下产生的应力更小，变压器线圈承受热冲击的能力更强。
其中所述等效原理的计算方式为，热负荷值来源于电磁计算，根据选择的线圈导体的截面积、导体总长度和铝线的电阻率计算出线圈电阻值，在施加一定数值的电流时，用公式I2R，其中I是电流，R是电阻，计算出导体损耗即施加给线圈的热负荷。
接下来分别以变压器A和变压器B的线圈为例模拟在C2试验中各温度变化过程中产生的应力，进而改善变压器线圈性能，确保通过C2试验，也进一步对本发明的仿真试验方法进行解释说明，其中，C2试验为国家级的气候试验标准。
实施例1
以变压器A的线圈为例，计算模型的输入和输出；
a)输入：设置模型I和模型II进行仿真对比，在变压器线圈的内包封和外包封上施加热负荷进行仿真试验；其中，模型I为原方案，模型II为新方案，变压器线圈包括内部线圈和外部线圈，分别对应模型的内包封和外包封，其具体参数如表1所示：
表1变压器A线圈热负荷
b)输出：
随着变压器线圈在阶段一、阶段二和阶段三3个过程的冷却和热冲击的温度变化，最大应力变化情况如图2所示，图2中的应力分别为径向(r)、环向(θ)和轴向(z)三个应力，其中，径向应力是沿着壁厚方向的力；环向应力即周向应力，是环绕着圆环方向，圆周切线方向的力；轴向应力即径向应力，是沿着圆环轴线方向的力；图2中，直线表示模型I，符号标记表示模型II。
从图2中可以得到，在阶段一，温度从环境温度冷却至25℃过程中，变压器线圈模型产生的径向、环向和轴向的应力逐渐增加；在阶段二，温度从25℃冷却至-25℃过程中，变压器线圈模型产生的径向、环向和轴向应力持续增加；在阶段三，温度从-25℃升温至140℃过程中，变压器线圈模型产生的径向、环向和轴向再次持续增加，此时应力远远超过冷却阶段产生的应力；在同一热冲击温度下，模型II产生的应力小于模型I产生的应力，由此可以说明，模型II的变压器线圈比模型I的变压器线圈承受热冲击的能力强，即变压器线圈的新方案比原方案承受热冲击的能力强。
实施例2
以的变压器B的线圈为例，计算模型的输入和输出；
a)输入：设置模型III和模型VI进行仿真对比，在变压器线圈的内包封和外包封上施加热负荷进行仿真试验；其中，模型III为原方案，模型VI为新方案，变压器线圈包括内部线圈和外部线圈，分别对应模型的内包封和外包封，其具体参数如表2所示：
表2变压器B线圈热负荷
b)输出：
随着变压器线圈在阶段一、阶段二和阶段三3个过程的冷却和热冲击的温度变化，最大应力变化情况如图3所示，同样，图3中的应力分别为径向(r)、环向(θ)和轴向(z)三个应力，其中，径向应力是沿着壁厚方向的力；环向应力即周向应力，是环绕着圆环方向，圆周切线方向的力；轴向应力即经向应力，是沿着圆环轴线方向的力；图3中，直线表示模型III，符号标记表示模型VI。
从图3中可以得到，在阶段一，温度从环境温度冷却至25℃过程中，变压器线圈模型产生的径向、环向和轴向的应力逐渐增加；在阶段二，温度从25℃冷却至-25℃过程中，变压器线圈模型产生的径向、环向和轴向应力持续增加；在阶段三，温度从-25℃升温至140℃过程中，变压器线圈模型产生的径向、环向和轴向再次持续增加，此时应力远远超过冷却阶段产生的应力；还可得到，在同一热冲击温度下，模型VI产生的应力小于模型III产生的应力，由此可以说明，模型VI的变压器线圈比模型III的变压器线圈承受热冲击的能力强，即变压器线圈的新方案比原方案承受热冲击的能力强。
从实施例1和实施例2中可以得到，变压器线圈应对外界热冲击的能力，新设计方案均优于原设计方案，新设计方案能更好的承受外界的温度冲击，对抗气候环境的能力更强，由此可以说明，仿真试验过程中，在初次得到最大应力与许用应力比较后，对变压器线圈的设计参数进行改进，改进后的新设计均能较好的应对外界温度的变化，改进后的新方案能更好的应对C2试验，由此可以说明本发明提供的基于仿真试验的变压器线圈设计方法的可靠性。
需要进一步说明的是，本发明提供的基于仿真试验的变压器线圈设计方法不限于应用于C2试验，还可以应用于其他类似环境的试验，例如C3、C4试验等。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种基于仿真试验的变压器线圈设计方法，其特征在于：
对所述变压器线圈进行建模得到所述变压器线圈的仿真试验模型；
建立热学边界条件，模拟试验过程温度变化，并对所述变压器线圈的仿真试验模型施加热负荷，并计算环境等级试验时的冷热冲击过程中所述变压器线圈的仿真试验模型所受的最大应力；
将所述最大应力与许用应力进行比较，得到差值参数，根据所述差值参数对所述变压器线圈的模型参数进行优化；
重复所述试验过程，得到优化的变压器线圈模型参数，基于所述优化的变压器线圈模型参数优化所述变压器线圈设计；
所述变压器线圈仿真试验模型由内包封、外包封和位于所述内包封和外包封之间的气道组成，所述内包封和外包封均由绝缘材料包裹的金属圆环柱体组成；
所述的热学边界条件为将所述变压器线圈仿真试验模型和空气接触面均设置为热通量边界；
所述变压器线圈仿真试验模型为中心对称模型，在对称面设置对称边界，所述两个圆环柱体上表面设置固定边界，其余表面为自由边界；
所述模拟试验过程温度变化包括：
阶段一：在固体传热模块中设置初始温度为第一环境温度，设置第一参考温度，添加稳态分析，模拟所述变压器线圈的仿真试验模型从所述第一环境温度冷却至所述第一参考温度；
阶段二：在固体传热模块中设置第二环境温度，设置第二参考温度，添加稳态分析，模拟所述变压器线圈的仿真试验模型从所述第二环境温度冷却至所述第二参考温度；
阶段三：在固体传热模块中设置第三环境温度，设置第三参考温度，对所述变压器线圈的仿真试验模型施加热负荷，添加稳态分析，模拟所述变压器线圈的仿真试验模型从所述第三环境温度加热至所述第三参考温度。
2.根据权利要求1所述的一种基于仿真试验的变压器线圈设计方法，其特征在于：
所述气道的材料为由玻璃纤维和环氧树脂组成的复合材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于仿真试验的变压器线圈设计方法，其特征在于：
所述第一环境温度的范围为80℃～100℃，所述第一参考温度的范围为0℃～40℃。
4.根据权利要求1所述的一种基于仿真试验的变压器线圈设计方法，其特征在于：
所述第二环境温度的范围为0℃～40℃，所述第二参考温度的范围为-53℃～-22℃，所述第三环境温度的范围为-53℃～-22℃，所述第三参考温度的范围为137℃～168℃。
5.根据权利要求1所述的一种基于仿真试验的变压器线圈设计方法，其特征在于：
对所述变压器线圈的仿真试验模型施加热负荷包括：
所述内包封上施加的热负荷Q1与所述外包封上设置的热负荷Q2的比值范围为0.8～1.2。
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