CN116151068A - 一种多绕组高频变压器绝缘结构优化设计方法 - Google Patents

一种多绕组高频变压器绝缘结构优化设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116151068A
CN116151068A CN202310053416.9A CN202310053416A CN116151068A CN 116151068 A CN116151068 A CN 116151068A CN 202310053416 A CN202310053416 A CN 202310053416A CN 116151068 A CN116151068 A CN 116151068A
Authority
CN
China
Prior art keywords
electric field
response surface
analysis
winding
field intensity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310053416.9A
Other languages
English (en)
Inventor
李昱
王洪军
王瑾
肖思达
任永恒
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
PowerChina Guiyang Engineering Corp Ltd
Original Assignee
PowerChina Guiyang Engineering Corp Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by PowerChina Guiyang Engineering Corp Ltd filed Critical PowerChina Guiyang Engineering Corp Ltd
Priority to CN202310053416.9A priority Critical patent/CN116151068A/zh
Publication of CN116151068A publication Critical patent/CN116151068A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/06—Wind turbines or wind farms
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Testing Relating To Insulation (AREA)

Abstract

本发明公开了一种多绕组高频变压器绝缘结构优化设计方法，包括有以下步骤：步骤1：根据多绕组高频变压器模型确定绝缘材料和绝缘结构，确定在平面直角坐标系下的静电场边界条件；步骤2：为抑制最大电场强度，在绕组端部添加静电环和角环，通过灵敏度分析，筛选出电场强度的决定性影响因子；步骤3：以电场强度为优化目标，以筛选出的决定性影响因子为自变量，采用响应面法进行试验设计，通过响应面法的方差分析、诊断分析和摄动分析得到响应面模型和各变量对结果的影响程度，得到最终响应面函数；步骤4：根据响应面模型的分析，选择各变量的最优值。通过该方法可以降低多绕组高频变压器的最大电场强度，提高多绕组高频变压器的绝缘裕度达到工程要求。

Description

一种多绕组高频变压器绝缘结构优化设计方法
技术领域
本发明涉及一种多绕组高频变压器绝缘结构优化设计方法,属于变压器相关技术领域。
背景技术
百千伏/百兆瓦级直流变压器是全直流海上风电场亟待突破的技术瓶颈。高增益DC/DC拓扑类型复杂多样，具体而言，包含双有源桥(dual active bridge,DAB)、具有AC端口的级联H桥(cascaded H-bridge,CHB)型DAB，及由这些功率模块经多绕组变压器磁链耦合构成的多有源桥(multiple active bridge,MAB)DC/DC变换器。相比于DAB，MAB具有更大的优势，其可以大幅减少高频变压器、低压单元、通信系统和辅助电源等辅助元件的数量，降低系统成本，减少用于滤除直流电流纹波的电容值，降低回流功率，提高系统效率和功率密度。多绕组高频变压器是MAB变换器的内部核心器件，可以起到电压变换、能量传输和电气隔离的作用，其绝缘性能决定着DC/DC变换器性能的优劣，也成为限制其大容量化、高频化发展的重要因素。因此，合理的设计变压器主绝缘结构对变压器的绝缘和可靠运行十分重要。
变压器的绝缘分析主要是对变压器中电场的分析，绝缘介质不仅与绝缘材料的电气特性有关，还与绝缘结构密切相关，为实现高压侧绕组与低压部分间的电应力柔化，须对其绝缘结构进行优化，使其电场强度尽可能的降低。目前，很多文献对变压器绝缘进行了分析，例如：
(1)文献一：Pei Huang,Chengxiong Mao,Dan Wang.Electric fieldsimulations and analysis for high voltage high power medium frequencytransformer[J].Energies,2017，10(3)：371.讨论了导线类型对高频变压器电场分布的影响，对比了六种采用不同导线类型的非交错绕组对电场分布的影响，并且分析了两种不同的交错绕组的电场分布，但并未具体提出减小电场强度的方法；
(2)文献二：尹浩.高频变换变压器漏感与绝缘综合设计[D].合肥工业大学，2021.分析了现有绝缘设计的数值方法和简化解析方法，针对简化解析方法的不足采用添加静电环以及屏蔽层对电场强度进行改善；
(3)文献三：陈生洋.电力变压器主绝缘电场仿真及结构优化[D].沈阳工业大学，2020.针对变压器绕组端部的非均匀电场问题进行分析，采用有限元法计算得到最大电场强度值及其位置，并改善了电场分布；
(4)文献四：F.Lü,D.Li,Y.Guo,C.Fu and H.Wang.Optimal design of compactmain insulation structure of PETT[C].2015 18th International Conference onElectrical Machines and Systems(ICEMS),2015,pp.303-306.采用有限元分析软件ANSYS对110kV电力变压器主绝缘结构的电场分布进行了分析计算，总结了各变量对最大电场强度的影响规律，同时分别对静电环的形状、绝缘层的厚度和主空道距离进行设计，有效地降低绝缘结构表面的最大电场强度值。目前有很多优化绝缘结构的算法，例如：
(5)文献五：Y.Gao,S.Wang and D.Gao,“Influence of main insulationstructure in power transformer to electric filed distribution,”2011International Conference on Electrical Machines and Systems,2011,pp.1-5.提出了基于粒子群算法的电力变压器主绝缘设计，但粒子群算法在处理优化问题时需要大量反复调用建模、仿真和优化的程序，优化效率较低，且如果度函数选择不当，会导致局部搜索能力差，降低搜索效率。
而响应面法(response surface method,RSM)作为一种用于优化的数学和统计方法，以其建立近似模型的独立性和方便易行的优势得到了广泛的应用，它能在在保证精度和效率的前提下，快速、方便地处理多种优化问题。因此本文将响应面法应用到多绕组变压器的静电环和角环的结构优化问题上。
发明内容
本发明的目的在于，针对多绕组高频变压器，本发明提供一种多绕组高频变压器绝缘结构优化设计方法，根据灵敏度分析法和响应面法，得到关于多绕组高频变压器绝缘结构优化设计的结论。该方法不仅可以分析不同变量对电场强度的影响大小，还可以直接得到最优解，降低计算量和试验次数。本发明可以降低多绕组高频变压器的最大电场强度，提高多绕组高频变压器的绝缘裕度达到工程要求，为全直流海上风电系统中高增益直流变压器的设计提供支撑。
本发明的技术方案：一种多绕组高频变压器绝缘结构优化设计方法，包括有以下步骤：
步骤1：根据多绕组高频变压器模型确定绝缘材料和绝缘结构，确定在平面直角坐标系下的静电场边界条件；
步骤2：为抑制最大电场强度，在绕组端部添加静电环和角环，通过灵敏度分析，筛选出电场强度的决定性影响因子；
步骤3：以电场强度为优化目标，以筛选出的决定性影响因子为自变量，采用响应面法进行试验设计，通过响应面法的方差分析、诊断分析和摄动分析得到响应面模型和各变量对结果的影响程度，得到最终响应面函数；
步骤4：根据响应面模型的分析，选择各变量的最优值。
前述的多绕组高频变压器绝缘结构优化设计方法中，所述步骤1中，在有限元仿真软件Maxwell中建立多绕组变压器的二维有限元模型，得到初始电场分布，确定变压器匝间绝缘和层间绝缘，匝间材料采用聚酰亚胺薄膜和Nomex纸，绕组间浇注环氧树脂绝缘；
对于平面直角坐标系中的静电场边界条件可以用下式表示：
Figure SMS_1
式中：
Figure SMS_2
为电位；G为求解域；Γ1为初级绕组铜导体、静电环边界；Γ2为次级绕组铜导体、铁心边界；Γ3为电势法向导数为零的边界；ε为介电常数；Γin为不同媒质分界面衔接条件。
前述的多绕组高频变压器绝缘结构优化设计方法中，所述步骤2中根据初始模型的电场强度分析，确定影响多绕组变压器电场强度大小的参数，包括静电环绝缘层到铁轭的距离H、静电环曲率半径内侧r1、静电环曲率半径外侧r2、静电环绝缘层厚度S1、角环距绕组端部距离w1、角环厚度S2；需要判断静电环和角环中的待优化变量对最大电场强度是否有影响以及影响程度的大小，由此来确定影响电场强度的主要因素，在保持其他变量不变的情况下，选取合适的步长，分别对每个变量进行分析计算。
前述的多绕组高频变压器绝缘结构优化设计方法中，所述步骤3中，响应面法的试验因素为：静电环绝缘层到铁轭的距离H、静电环曲率半径内侧r1、静电环曲率半径外侧r2、静电环绝缘层厚度S1这四个参数，构建与电场强度相关的响应面函数；响应面函数的二次多项式表达式为：
Figure SMS_3
式中：y为目标函数；β0，βj，βjj，βij为多项式系数；xj为试验变量；n为试验变量个数；
假设待求响应面函数需要进行k次试验，则可变为：
Figure SMS_4
式中：μ为y的误差；
根据无偏估计的极值问题，利用上式使误差的平方和最小，因此得到多项式系数：
β＝(XTX)-1XTy
进而得到响应面模型；模型预测的总效率由决定系数R2解释；R2是回归平方和与总平方和的比值，其值越接近1，说明精度越高；其计算公式为：
Figure SMS_5
式中：y为样本值；
Figure SMS_6
为样本均值。
前述的多绕组高频变压器绝缘结构优化设计方法中，所述步骤4中，根据最优设计，得到短时工频耐压和额定运行两种工况下的电场强度，对于未添加静电环和角环的模型以及通过响应面法优化后的模型进行有限元分析，得到优化前、后电场分布以及不同路径上电场强度大小。
前述的多绕组高频变压器绝缘结构优化设计方法中，所述步骤3中，响应面法的计算流程为：
步骤(1)由变量确定采样空间，确定试验因素水平；
步骤(2)采用中心复合设计方法，根据试验因素水平对采样点进行有限元分析计算；
步骤(3)拟合响应面函数，进行方差分析；
步骤(4)基于残差的诊断图和摄动图分析，剔除不显著项，确定显著影响因素；
步骤(5)判断确定其是否满足精度；
满足，即可得到响应面模型；不满足则增加响应面模型的项数或阶数，重复步骤(1)。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明提出采用增加静电环和角环的方法对初级绕组端部区域的电场强度进行抑制，采用静电场有限元分析方法计算多绕组变压器电场强度分布；结合灵敏度分析方法研究静电环和角环各个尺寸参数对电场强度的影响程度，确定最大电场强度的决定性影响因素；利用响应面法构建与电场强度相关的响应面函数，对变压器绝缘结构进行优化。该设计方法能应用于双绕组以及多绕组结构的变压器绝缘结构的优化设计，可以根据响应面函数计算出电场强度的大小，减少了计算量，有利于工程应用。
附图说明
图1为本发明设计方法建立的流程图；
图2(a)为变压器模型；
图2(b)为铁心窗口区域绝缘类型；
图3为变压器端部绝缘示意图；
图4为不同因素对电场强度的影响；
图5为残差的正态概率分布；
图6为预测值与试验实际值的对应关系图；
图7为残差与方程预测值的对应关系图；
图8为残差与试验次数的对应关系图；
图9为摄动图；
图10(a)为优化前额定运行工况下的电场强度分布云图；
图10(b)为优化后额定运行工况下的电场强度分布云图；
图11为优化前后沿路径1的电场强度对比；
图12为优化前后沿路径2的电场强度对比。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
本发明的实施例：一种多绕组高频变压器绝缘结构优化设计方法，包括有以下步骤：
步骤1：根据多绕组高频变压器模型确定绝缘材料和绝缘结构，确定在平面直角坐标系下的静电场边界条件；
步骤2：为抑制最大电场强度，在绕组端部添加静电环和角环，通过灵敏度分析，筛选出电场强度的决定性影响因子；
步骤3：以电场强度为优化目标，以筛选出的决定性影响因子为自变量，采用响应面法进行试验设计，通过响应面法的方差分析、诊断分析和摄动分析得到响应面模型和各变量对结果的影响程度，得到最终响应面函数；
步骤4：根据响应面模型的分析，选择各变量的最优值。
所述步骤1中，在有限元仿真软件Maxwell中建立多绕组变压器的二维有限元模型，得到初始电场分布，确定变压器匝间绝缘和层间绝缘，匝间材料采用聚酰亚胺薄膜和Nomex纸，绕组间浇注环氧树脂绝缘。
对于平面直角坐标系中的静电场边界条件可以用下式表示：
Figure SMS_7
式中：
Figure SMS_8
为电位；G为求解域；Γ1为初级绕组铜导体、静电环边界；Γ2为次级绕组铜导体、铁心边界；Γ3为电势法向导数为零的边界；ε为介电常数；Γin为铜导体、环氧树脂、铁心和绝缘纸等不同媒质分界面衔接条件。
所述步骤2中根据初始模型的电场强度分析，确定影响多绕组变压器电场强度大小的参数，包括静电环绝缘层到铁轭的距离H、静电环曲率半径内侧r1、静电环曲率半径外侧r2、静电环绝缘层厚度S1、角环距绕组端部距离w1、角环厚度S2；需要判断静电环和角环中的待优化变量对最大电场强度是否有影响以及影响程度的大小，由此来确定影响电场强度的主要因素，在保持其他变量不变的情况下，选取合适的步长，分别对每个变量进行分析计算。
所述步骤3中，响应面法的试验因素为：静电环绝缘层到铁轭的距离H、静电环曲率半径内侧r1、静电环曲率半径外侧r2、静电环绝缘层厚度S1这四个参数，构建与电场强度相关的响应面函数；响应面函数的二次多项式表达式为：
Figure SMS_9
式中：y为目标函数；β0，βj，βjj，βij为多项式系数；xj为试验变量；n为试验变量个数。
假设待求响应面函数需要进行k次试验，则可变为：
Figure SMS_10
/>
式中：μ为y的误差；
根据无偏估计的极值问题，利用上式使误差的平方和最小，因此得到多项式系数：
β＝(XTX)-1XTy
进而得到响应面模型；模型预测的总效率由决定系数R2解释；R2是回归平方和与总平方和的比值，其值越接近1，说明精度越高；其计算公式为：
Figure SMS_11
式中：y为样本值；
Figure SMS_12
为样本均值。
所述步骤4中，根据最优设计，得到短时工频耐压和额定运行两种工况下的电场强度，对于未添加静电环和角环的模型以及通过响应面法优化后的模型进行有限元分析，得到优化前、后电场分布以及不同路径上电场强度大小。
所述步骤3中，响应面法的计算流程为：
步骤(1)由变量确定采样空间，确定试验因素水平；
步骤(2)采用中心复合设计(CCD)方法，根据试验因素水平对采样点进行有限元分析计算；
步骤(3)拟合响应面函数，进行方差分析；
步骤(4)基于残差的诊断图和摄动图分析，剔除不显著项，确定显著影响因素；
步骤(5)判断确定其是否满足精度；
满足，即可得到响应面模型；不满足则增加响应面模型的项数或阶数，重复步骤(1)。
具体实施例：针对一台额定传输功率为50kW，额定频率为10kHz，初次级绕组额定工作电压等级均为1kV的多绕组高频变压器，采用上述方法进行变压器的绝缘结构优化设计。
表1高频变压器模型设计参数
Figure SMS_13
按照变压器模型确定静电环和角环的结构和尺寸，保证在短时工频耐压下不发生击穿和局部放电。变压器端部绝缘示意图如图3所示。因此，需要明确静电环和角环各个几何参数对最大电场强度的影响程度，选择出电场强度的决定影响因素。本文将采用灵敏度分析方法得到各个因素对电场强度的影响大小如图4所示。由图4可知，静电环圆弧的内侧曲率半径r1、外侧曲率半径r2、绝缘层厚度S1和静电环绝缘层到铁轭的距离H均对最大电场强度有较大影响；角环距绕组端部距离w1和角环厚度S2对最大电场强度的影响并不显著，可将其视作与最大电场强度无关的变量。
按照响应面模型的设计流程，得到不同因素下的试验数据如表2所示。
表2响应面法的试验数据
试验次数 距离(mm) 内径(mm) 外径(mm) 厚度(mm) 最大电场强度(kV/mm)
1 9.5 2.5 4.5 1.2 12.987
2 10.5 3.5 5.5 1.2 12.752
3 10.5 2.5 4.5 1.2 12.807
4 9.5 3.5 5.5 1.2 12.98
5 9.5 2.5 4.5 0.8 13.708
6 10 4 5 1 12.510
7 10.5 2.5 5.5 1.2 12.925
8 10.5 3.5 4.5 0.8 13.217
9 10 3 5 1.4 13.230
10 9.5 3.5 5.5 0.8 13.214
11 10 2 5 1 12.858
12 9.5 2.5 5.5 1.2 13.200
13 10 3 6 1 12.810
14 10 3 5 1 12.634
15 10 3 5 1 12.634
16 10.5 3.5 4.5 1.2 12.509
17 10.5 2.5 5.5 0.8 13.310
18 9 3 5 1 13.404
19 10 3 5 1 12.634
20 9.5 2.5 5.5 0.8 13.545
21 10.5 3.5 5.5 0.8 12.984
22 10 3 4 1 12.400
23 10 3 5 0.6 14.410
24 10 3 5 1 12.634
25 10 3 5 1 12.634
26 11 3 5 1 12.590
27 10.5 2.5 4.5 0.8 13.504
28 9.5 3.5 4.5 0.8 13.393
29 10 3 5 1 12.634
30 9.5 3.5 4.5 1.2 12.710
根据试验数据得到响应面法的系数如表3所示，方差分析结果如图4所示。
表3响应面模型系数
参数 回归系数 自由度 标准误差 95％CI下界 95％CI上界
截距 12.63 1 0.043 12.54 12.73
A-H -0.14 1 0.021 -0.19 -0.094
B-r1 -0.12 1 0.021 -0.17 -0.076
C-r2 0.037 1 0.021 -8.392×10-3 0.083
D-S1 -0.27 1 0.021 -0.31 -0.22
AB -3.687×10-3 1 0.026 -0.052 0.060
AC -0.013 1 0.026 -0.069 0.043
AD -2.438×10-3 1 0.026 -0.058 0.054
BC -7.937×10-3 1 0.026 -0.048 0.064
BD 0.018 1 0.026 -0.038 0.074
CD 0.10 1 0.026 0.045 0.16
A2 0.10 1 0.020 0.062 0.15
B2 0.026 1 0.020 -0.016 0.069
C2 6.510×10-3 1 0.020 -0.036 0.049
D2 0.31 1 0.020 0.27 0.35
表4方差分析
变异来源 平方和 自由度 均方 F0 P值
模型 5.53 14 0.4 35.84 <0.0001
A-H 0.47 1 0.47 42.59 <0.0001
B-r1 0.36 1 0.36 32.29 <0.0001
C-r2 0.033 1 0.033 3.03 0.1023
D-S1 1.69 1 1.69 153.11 <0.0001
AB 2.176×10-4 1 2.176×10-4 0.020 0.8902
AC 2.678×10-3 1 2.678×10-3 0.24 0.6293
AD 9.506×10-3 1 9.506×10-3 8.62×10-3 0.9272
BC 1.008×10-3 1 1.008×10-3 0.091 0.7665
BD 5.293×10-3 1 5.293×10-3 0.48 0.4990
CD 0.16 1 0.16 14.75 0.0016
A2 0.30 1 0.30 27.17 0.0001
B2 0.019 1 0.019 1.72 0.2100
C2 1.163×10-3 1 1.163×10-3 0.11 0.7499
D2 2.64 1 2.64 239.48 <0.0001
残差 0.17 15 0.011
纯误差 0.000 5 0.000
总和 5.70 29
另外，模型的R2为94.39％，表明此模型可以解释94.39％的试验变化，模型的拟合度较好。由于显著性水平为0.05，即P值小于0.05表示模型项是显著的。因此可以得到H，r1，S1，r2S1，H2和S1 2是响应面的显著参数，最终得到响应面函数为：
y＝12.63-0.14×H-0.12×r1-0.27×S+0.10×r2×S+0.1H2+0.31S2
为了进一步验证模型的适用性，根据Design-Expert对模型进行诊断分析和摄动分析。图5为残差正态概率图，残差呈正态分布，残差点均匀分散于一条直线附近，虽然某个点有微小的偏移，但对结果影响不大，表明该模型拟合得很好。图6为预测值和实际值的对比图，表明预测值与实际值之间有良好的相关性。图7和图8分别为残差vs.预测值和残差vs.试验次数图。残差均分布在一个水平带内，表明二次多项式可以满足拟合精度，可以作为此设计的响应面函数。响应面模型的摄动分析图如图9所示。根据图9不仅可以看出各变量的变化趋势，也可以判断各个变量对电场强度的影响作用。
依据以上对响应面模型的分析，得到各变量的最优值，优化结果如表5所示。
表5短时工频耐压下的优化结果对比
Figure SMS_14
在额定运行工况下，对于未添加静电环和角环的模型以及通过响应面法优化后的模型进行了有限元分析，得到优化前后电场分布如图10所示。图11和12给出了不同路径上电场强度大小，添加静电环和角环对初级和次级绕组之间的电场强度均有大幅度减小。在此工况下，高频变压器的电场强度降低了17.5％。
本发明方法，尤其适合应用于全直流海上风电系统中多绕组高频变压器绝缘结构的优化设计。因为本发明了采用增加静电环和角环的方法对初级绕组端部区域的电场强度进行抑制，采用了静电场有限元分析方法计算多绕组变压器电场强度分布；结合了灵敏度分析方法研究静电环和角环各个尺寸参数对电场强度的影响程度，确定了最大电场强度的决定性影响因素；利用响应面法构建与电场强度相关的响应面函数，对变压器绝缘结构进行优化，使变压器的绝缘裕度达到工程要求。

Claims (6)

1.一种多绕组高频变压器绝缘结构优化设计方法，其特征在于：包括有以下步骤：
步骤1：根据多绕组高频变压器模型确定绝缘材料和绝缘结构，确定在平面直角坐标系下的静电场边界条件；
步骤2：为抑制最大电场强度，在绕组端部添加静电环和角环，通过灵敏度分析，筛选出电场强度的决定性影响因子；
步骤3：以电场强度为优化目标，以筛选出的决定性影响因子为自变量，采用响应面法进行试验设计，通过响应面法的方差分析、诊断分析和摄动分析得到响应面模型和各变量对结果的影响程度，得到最终响应面函数；
步骤4：根据响应面模型的分析，选择各变量的最优值。
2.根据权利要求1所述的多绕组高频变压器绝缘结构优化设计方法，其特征在于：所述步骤1中，在有限元仿真软件Maxwell中建立多绕组变压器的二维有限元模型，得到初始电场分布，确定变压器匝间绝缘和层间绝缘，匝间材料采用聚酰亚胺薄膜和Nomex纸，绕组间浇注环氧树脂绝缘；
对于平面直角坐标系中的静电场边界条件可以用下式表示：
Figure QLYQS_1
式中：
Figure QLYQS_2
为电位；G为求解域；Γ1为初级绕组铜导体、静电环边界；Γ2为次级绕组铜导体、铁心边界；Γ3为电势法向导数为零的边界；ε为介电常数；Γin为不同媒质分界面衔接条件。
3.根据权利要求1所述的多绕组高频变压器绝缘结构优化设计方法，其特征在于：所述步骤2中根据初始模型的电场强度分析，确定影响多绕组变压器电场强度大小的参数，包括静电环绝缘层到铁轭的距离H、静电环曲率半径内侧r1、静电环曲率半径外侧r2、静电环绝缘层厚度s1、角环距绕组端部距离w1、角环厚度s2；需要判断静电环和角环中的待优化变量对最大电场强度是否有影响以及影响程度的大小，由此来确定影响电场强度的主要因素，在保持其他变量不变的情况下，选取合适的步长，分别对每个变量进行分析计算。
4.根据权利要求1所述的多绕组高频变压器绝缘结构优化设计方法，其特征在于：所述步骤3中，响应面法的试验因素为：静电环绝缘层到铁轭的距离H、静电环曲率半径内侧r1、静电环曲率半径外侧r2、静电环绝缘层厚度s1这四个参数，构建与电场强度相关的响应面函数；响应面函数的二次多项式表达式为：
Figure QLYQS_3
式中：y为目标函数；β0，βj，βjj，βij为多项式系数；xj为试验变量；n为试验变量个数；
假设待求响应面函数需要进行k次试验，则可变为：
Figure QLYQS_4
式中：μ为y的误差；
根据无偏估计的极值问题，利用上式使误差的平方和最小，因此得到多项式系数：
β＝(XTX)-1XTy
进而得到响应面模型；模型预测的总效率由决定系数R2解释；R2是回归平方和与总平方和的比值，其值越接近1，说明精度越高；其计算公式为：
Figure QLYQS_5
式中：y为样本值；
Figure QLYQS_6
为样本均值。
5.根据权利要求1所述的多绕组高频变压器绝缘结构优化设计方法，其特征在于：所述步骤4中，根据最优设计，得到短时工频耐压和额定运行两种工况下的电场强度，对于未添加静电环和角环的模型以及通过响应面法优化后的模型进行有限元分析，得到优化前、后电场分布以及不同路径上电场强度大小。
6.根据权利要求1所述的多绕组高频变压器绝缘结构优化设计方法，其特征在于：所述步骤3中，响应面法的计算流程为：
步骤(1)由变量确定采样空间，确定试验因素水平；
步骤(2)采用中心复合设计方法，根据试验因素水平对采样点进行有限元分析计算；
步骤(3)拟合响应面函数，进行方差分析；
步骤(4)基于残差的诊断图和摄动图分析，剔除不显著项，确定显著影响因素；
步骤(5)判断确定其是否满足精度；
满足，即可得到响应面模型；不满足则增加响应面模型的项数或阶数，重复步骤(1)。
CN202310053416.9A 2023-02-02 2023-02-02 一种多绕组高频变压器绝缘结构优化设计方法 Pending CN116151068A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310053416.9A CN116151068A (zh) 2023-02-02 2023-02-02 一种多绕组高频变压器绝缘结构优化设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310053416.9A CN116151068A (zh) 2023-02-02 2023-02-02 一种多绕组高频变压器绝缘结构优化设计方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116151068A true CN116151068A (zh) 2023-05-23

Family

ID=86350243

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310053416.9A Pending CN116151068A (zh) 2023-02-02 2023-02-02 一种多绕组高频变压器绝缘结构优化设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116151068A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117150791A (zh) * 2023-09-05 2023-12-01 正泰电气股份有限公司 变压器主绝缘结构优化设计方法及装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117150791A (zh) * 2023-09-05 2023-12-01 正泰电气股份有限公司 变压器主绝缘结构优化设计方法及装置
CN117150791B (zh) * 2023-09-05 2024-03-26 正泰电气股份有限公司 变压器主绝缘结构优化设计方法及装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Biela et al. Using transformer parasitics for resonant converters-a review of the calculation of the stray capacitance of transformers
CN105183947B (zh) 基于寄生参数效应分析的高频变压器传输特性优化方法
CN116151068A (zh) 一种多绕组高频变压器绝缘结构优化设计方法
CN110532647B (zh) 考虑端部效应的高频变压器绕组损耗半经验计算方法
CN112417727B (zh) 一种考虑端部效应的高频变压器漏电感参数计算方法
Dawood et al. A new method for the calculation of leakage reactance in power transformers
Yea et al. Design optimization for the insulation of HVDC converter transformers under composite electric stresses
CN110415957A (zh) 反激电源交错绕组变压器的屏蔽结构设计方法
Shen et al. The faraday shields loss of transformers
CN108418206A (zh) 干式平波电抗器损耗计算方法和装置以及评估方法和装置
CN108982979B (zh) 一种高压屏蔽金具的周围空间电场分布表征方法
CN110807243A (zh) 一种计及频变参数的变压器绕组等值电路模型建立方法
CN113486548B (zh) 一种大容量中压高频变压器设计方法
Sima et al. Secondary arc current of ultra‐high voltage transmission line with a mixed voltage of 1000/500 kV on a single tower
Wang et al. Magnetic shunt design and their effects on transformer winding electromagnetic forces
Zhao et al. A FEM-based simulation of electromagnetic forces on transformer windings under short-circuit
Chen et al. Optimization design of insulation structure of multiwinding high-frequency transformer based on response surface method
Dawood et al. Optimization and analysis of leakage reactance for a converter transformer of the electric transport system
Lyu et al. Litzimp: A fast impedance extraction algorithm for Litz wire coil
Ammouri et al. PCB-planar transformers equivalent circuit model identification using genetic algorithm
CN116502472B (zh) 一种高频变压器漏感计算方法及系统
Zhang et al. Optimization arrangement of angle rings in converter transformer valve winding end insulation structure
Naderian et al. A fast method for calculation of transformers leakage reactance using energy technique
Wang et al. Multiobjective optimization design of high frequency transformer based on NSGA-II algorithm
CN112765897B (zh) 一种基于架空输电线路的二维磁感应强度控制方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination