ANSYS軟件在電壓互感器設(shè)計中應(yīng)用

1、第卷第期電力自動化設(shè)備。硼年月軟件在電壓互感器設(shè)計中應(yīng)用高艷豐，蘇秀蘋，閏紅艷，張魁龍（河北工程大學(xué)水電學(xué)院，河北邯鄲；河北工業(yè)大學(xué)電器研究所，天津）摘要：運用有限元分析軟件建立了電磁式電壓互感器的有限元分析模型并對模型內(nèi)部的電磁場分布情況進行了分析、計算。應(yīng)用有限元分析中的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)對電壓互感器的電磁結(jié)構(gòu)（二次繞組匝數(shù)及一、二次繞組導(dǎo)線的截面積）進行優(yōu)化。通過比較優(yōu)化前后的結(jié)果，可以看出優(yōu)化后電壓互感器內(nèi)部磁場分布更為合理，線圈中磁場的增強有助于進一步減小鐵心的體積。關(guān)鍵詞：電壓互感器；軟件；優(yōu)化設(shè)計；有限元方法中圖分類號：文獻標識碼：文章編號：）一一復(fù)雜。在分析時對其結(jié)構(gòu)作了一定簡化結(jié)構(gòu)

2、的簡化不會影響內(nèi)部電磁場的分布情況】。材料特性電壓互感器內(nèi)部所用材料性能參數(shù)如下】：空氣的相對磁導(dǎo)率；引言產(chǎn)品設(shè)計是決定產(chǎn)品性能、質(zhì)量、成本和經(jīng)濟效益的重要環(huán)節(jié)電壓互感器的設(shè)計必須建立在對互感器內(nèi)部所發(fā)生的各種現(xiàn)象作出的合理科學(xué)分析基礎(chǔ)上其核心工作是研究互感器的電磁場和損耗分布。人工設(shè)計計算在效率和經(jīng)濟等方面顯然不能滿足目前設(shè)計技術(shù)發(fā)展的要求因此采用現(xiàn)代設(shè)計方法對電磁式電壓互感器進行設(shè)計計算是十分必要的。有限元法是一種求解微分方程的系統(tǒng)化數(shù)值計算方法，現(xiàn)已成為電磁場問題求解的主要方法之一陸。有限元計算結(jié)果已成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計和性能分析的可靠依據(jù)】。本文將有限元技術(shù)應(yīng)用到電壓互感器電磁場分析中

3、在初步設(shè)計的結(jié)構(gòu)尺寸基礎(chǔ)上。運用軟件對電磁式電壓互感器內(nèi)部電磁場分布進行仿真計算通過分析影響互感器內(nèi)部磁場分布的因素對電壓互感器的線圈結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，并對優(yōu)化前后的結(jié)果進行了比較。運用該方法可實現(xiàn)從磁路計算到電磁場分析計算的轉(zhuǎn)變【巧。計算精度高設(shè)計周期短，達到改善產(chǎn)品性能、提高產(chǎn)品運行可靠性的目的。鐵心的相對磁導(dǎo)率地；繞組的相對磁導(dǎo)率；繞組的電阻率艫。圖幾何模型圖聰婦網(wǎng)格剖分采用智能網(wǎng)格剖分對模型進行劃分，網(wǎng)格劃分后。將有限元模型中一次線圈和二次線圈分別定義成組件（單元節(jié)點）和（單元節(jié)點）。場路耦合【場路耦合問題屬于諧波分析問題，故電磁場仿真計算過程按一諧波磁場分析類型進行。在資料中，當選用二

4、維電路耦合絞線型線圈選項建立電路單元后可用絞線型線圈單元中的一個節(jié)點作為絞線型線圈元件的點來實現(xiàn)耦合電路和電磁區(qū)域的自由度（電流）和（電勢降）就耦合在一起。按照此方法得到的電路一電磁耦合圖如圖所示，圖中，、為有限元分析過程建立模型軟件的前處理模塊提供了一個強大的實體建模工具【】，實體單元、等多種類型。本文采用單元模擬絞線型線圈，建立了電壓互感器的二維模型由于磁場分布是對稱的，只建立了模型并定義單元的實常數(shù)來描述絞線型線圈導(dǎo)體。幾何模型圖如圖所示（圖睜園以中，。小分別為一次繞組相同的個部分、為二次繞組，為鐵心）。由于互感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為收稿日期：；修回日期：一基金項目：河北省教育廳博士基金項目（）

5、圖電路一電磁耦合圖絞線型線圈單元；礬為獨伊立電壓源；，為電阻。叩施加邊界條件求解從邊界條件的施加方面看，資料給出除了將巾哪耦合場分析指南電磁場分析指南萬方數(shù)據(jù)每個獨立回路中的一個節(jié)點約束自由度為零外，還需要在有限元模型外邊施加磁力線平行邊界條件來模擬真實結(jié)構(gòu)。采用波前求解器對所建模型進行求解。求解過程中程序自動將電路電壓載荷傳遞到有限元模型區(qū)域中絞線圈上。求解后得到的磁場強度、磁通密度等值線圖分別如圖、所示。圖中用不同的顏色表示磁場強度及磁通密度的大小，。為最大值，。為最小值。磁場強度的單位為，磁通密度的單位為。目標函數(shù)目標函數(shù)為所用導(dǎo)線材料為最省，即導(dǎo)線的體積，“工）最小。綜上所述，該問題的

6、優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為廠（工）易戈，菇，茗，止，式中。、：分別為一、二次繞組折合長度；，；為電流密度。執(zhí)行完優(yōu)化程序后，可得到目標函數(shù)的可行性優(yōu)化設(shè)計方案序列一。如表所示，目標函數(shù)與設(shè)計序列號的關(guān)系如圖所示（圖中為導(dǎo)線體積）。曠臥匭玩圖磁場強度等值線圖回詹。匭翰圖磁通密度等值線圖；圖目標函數(shù)與設(shè)計序列號的關(guān)系印叩對電壓互感器優(yōu)化求解后得到其內(nèi)部的磁力線分布圖、磁場強度和磁通量密度等值線圖分別如圖所示。從上面的關(guān)系曲線圖和計算數(shù)據(jù)列表不難看出，方案的設(shè)計圖磁力線分布圖結(jié)果為最優(yōu)。通過比較】【腿印優(yōu)化設(shè)計基于有限元分析的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)就是在滿足設(shè)計要求的條件下搜索最優(yōu)設(shè)計方案【】。下面介紹所采用的優(yōu)化方法和

7、設(shè)計量小優(yōu)化方法采用零階方法對參數(shù)化的模型進行優(yōu)化。在優(yōu)化過程中。程序通過對目標函數(shù)逼近加罰函數(shù)的方法將問題轉(zhuǎn)化為非約束問題因為后者的最小化方法比前者更有效率。該方法是通用的方法，可以有效處理大多數(shù)工程問題】。設(shè)計變量一次繞組匝數(shù)幾。，一次繞組導(dǎo)線截面積。川；二次繞組導(dǎo)線截面積。狀態(tài)變量在沈陽變壓器研究所年編寫的互感器設(shè)計資料中指出，當互感器二次側(cè)短路時。銅導(dǎo)線的電流密度不應(yīng)大于。因此，選用此條件為狀態(tài)變量來計算。臥瞳。圖磁場強度等值線圖印函摩圈磁場密度等值線圖）表所有設(shè)計序列表叩咖萬方數(shù)據(jù)電力自動化設(shè)備第卷可知，當采用方案時?？梢缘玫饺缦陆Y(jié)論：電壓互感器內(nèi)部的磁場強度得到一定改善，繞組周圍空

8、間的漏磁場減少。線圈中磁場的增強有助于進一步減小鐵心的體積；電壓互感器內(nèi)部的磁通密度分布更為合理，磁通密度的最大值（）遠小于工程要求的，能夠滿足工程需要，磁通密度的合理分布可有效地防止鐵磁諧振的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品運行的可靠性。印，（）：張朝暉。王富恥，王魯，等工程應(yīng)用范例入門與提高北京：清華大學(xué)出版社。曹慶文，李寧董連文電容式電壓互感器的電場數(shù)值計算電力電容器，（）：；，印扯姍幟盱，（）：曹慶文，董連文，藺躍宏，等有限元分析軟件在電容式電壓互感器電場分析中的應(yīng)用高壓電器，（）：結(jié)語運用軟件對電磁式電壓互感器內(nèi)部電磁場進行仿真計算和分析?？梢栽跇訖C制作前，精確掌握電器產(chǎn)品的性能，減少樣機制作次數(shù)。降

9、低實驗費用，縮短產(chǎn)品研制周期。通過比較可知，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化在一定程度上改善了產(chǎn)品性能從而達到互感器可靠運行的目的。參考文獻：趙海燕，史耀武，霄永平孤焊變壓器的電磁場有限元分析及優(yōu)化設(shè)計焊接技術(shù)，（）：即。鋤，黜跎試盯，（）：凌子恕高壓互感器技術(shù)手冊北京：中國電力出版社，年珩，賀益康，黃雷基于場路耦合法的永磁同步電機數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計和分析浙江大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，（）：，卸，船弘柚鋤璐：葫，（）：唐興倫，范群波，張朝暉，等工程應(yīng)用教程熱與電磁學(xué)篇北京：中國鐵道出版社，博弈創(chuàng)作室參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實例北京：中國水利水電出版社趙靖英，張哲，郭卉，等串級式電壓互感器的設(shè)計計算方法及軟件開發(fā)河北

10、工業(yè)大學(xué)學(xué)報，（）：，鋤，（，仃印“異，（）：成恩源有限元的方法論重慶大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，（）：卸如曲岫“畸，（）：趙靖英，陸儉國，王景芹電磁式電壓互感器優(yōu)化設(shè)計計算軟件的開發(fā)變壓器，（）：，鋤徹越：，。（）：一紐春萍，陳德桂，張敬菽，等交流接觸器型電磁鐵分磁環(huán)的仿真設(shè)計系統(tǒng)仿真學(xué)報，（）：卜“，印印印姍珊，（）：，（）：王慶五，左叻，胡仁喜機械設(shè)計高級應(yīng)用實例北京：機械工業(yè)出版社（責(zé)任編輯：柏英武）張榴晨，徐松有限元法在電磁計算中應(yīng)用北京：中國鐵道出版社許志紅，張培銘，雷德森我國低壓電器技術(shù)的發(fā)展與展望。電工技術(shù)雜志，（）：，明印啪盯作者簡介：高艷豐（一），男，河北邯鄲人，助教，碩士，主要

11、從事電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性及控制方向的研究（瑚：）；丌，（）：一。蹦撕礴肌蘇秀蘋（一），女，天津人，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事電器可靠性與測試技術(shù)方向的研究。，（，百，；：，色，）瑚衍何，咖，誦，撕咖瑚，（圮岫明廿仰（）：珊；叩舶；萬方數(shù)據(jù)ANSYS軟件在電壓互感器設(shè)計中應(yīng)用作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次數(shù)：高艷豐， 蘇秀蘋， 閆紅艷， 張魁龍， GAO Yanfeng， SU Xiuping， YAN Hongyan，ZHANG Kuilong高艷豐,閆紅艷,張魁龍,GAO Yanfeng,YAN Hongyan,ZHANG Kuilong(河北工程大學(xué)水電學(xué)院,河北,

12、邯鄲,056021)， 蘇秀蘋,SU Xiuping(河北工業(yè)大學(xué)電器研究所,天津,300130)電力自動化設(shè)備ELECTRIC POWER AUTOMATION EQUIPMENT2008，28(8)0次參考文獻(18條)1.趙海燕.史耀武.雷永平 弧焊變壓器的電磁場有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 1997(02)2.成思源 有限元的方法論期刊論文-重慶大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版) 2001(04)3.紐春萍.陳德桂.張敬菽 交流接觸器E型電磁鐵分磁環(huán)的仿真設(shè)計期刊論文-系統(tǒng)仿真學(xué)報 2005(07)4.張榴晨.徐松 有限元法在電磁計算中應(yīng)用 19965.許志紅.張培銘.雷德森 我國低壓電器技術(shù)的發(fā)展與展望

13、期刊論文-電工技術(shù)雜志 2002(05)6.GOLLEE R.GERLACH G FEM-based method for analysis of the dynamic behavior of AC contactars 2000(41)7.張朝暉.王富恥.王魯 ANSYS工程應(yīng)用范例入門與提高 20048.曹慶文.李寧.董連文 GIS電容式電壓互感器的電場數(shù)值計算期刊論文-電力電容器 2003(04)9.曹慶文.董連文.藺躍宏 有限元分析軟件ANSYS在電容式電壓互感器電場分析中的應(yīng)用期刊論文-高壓電器2003(05)10.凌子恕 高壓互感器技術(shù)手冊 200511.年珩.賀益康.黃雷 基于

14、場路耦合法的永磁同步電機數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計和分析期刊論文-浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版） 2006(04)12.唐興倫.范群波.張朝暉 ANSYS工程應(yīng)用教程-熱與電磁學(xué)篇 200213.博弈創(chuàng)作室 APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實例 200414.趙靖英.張哲.郭卉 串級式電壓互感器的設(shè)計計算方法及軟件開發(fā)期刊論文-河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報 2003(01)15.趙靖英.陸儉國.王景芹 電磁式電壓互感器優(yōu)化設(shè)計計算軟件的開發(fā)期刊論文-變壓器 2002(04)16.王慶五.左昉.胡仁喜 ANSYS 10.0機械設(shè)計高級應(yīng)用實例 200617.Ansys Corporation ANSYS耦合場分析指南 2

15、00218.Ansys Corporation ANSYS電磁場分析指南 2000相似文獻(5條)1.學(xué)位論文 王麗華 電壓互感器的現(xiàn)代設(shè)計方法研究 2004目前,在電壓互感器設(shè)計中,雖有人進行過可靠性設(shè)計利優(yōu)化設(shè)計方面的研究,但采用的方法仍為傳統(tǒng)方法.本文采用現(xiàn)代設(shè)計方法,它將有限元分析、可靠性設(shè)計技術(shù)利優(yōu)化設(shè)計技術(shù)有機的結(jié)合起來,因此采用現(xiàn)代設(shè)計方法得到的方案比利用傳統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計出的方案更加經(jīng)濟合理.首先,本文簡單介紹了電壓互感器的原理,描述了電壓互感器的分類、基本參數(shù)和誤差分析.第二,本文研究了電磁場有限元分析原理,介紹了麥克斯韋方程和電磁場微分方程.本文采用大型通用有限元分析軟件AN

16、SYS對電壓互感器進行二維電磁場有限元分析,對電壓互感器建立了有限元數(shù)學(xué)模型和網(wǎng)格剖分,對有限元模型加載了邊界條件并進行了求解.研究了二維磁場分析單元PLANE53單元利電路模擬單元CIRCU124單元的特點及使用方法.第三,對電壓互感器的瓷套部分進行了可靠性設(shè)計.瓷套所受的彎曲負荷應(yīng)力很多,主要包括:風(fēng)力負荷產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力,地震負荷產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力,產(chǎn)品運輸中傾斜產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力.本文研究了瓷套的應(yīng)力分布的確定方法,將多種應(yīng)力疊加在一起,推出了應(yīng)力分布參數(shù)的計算公式.瓷套的應(yīng)力、強度利各設(shè)計變量均可認為服從正態(tài)分布,在設(shè)計時作為正態(tài)分布變量處理.本文應(yīng)用應(yīng)力-強度干涉理論,對電壓互感器瓷套的可靠

17、性設(shè)計方法進行了研究.第四,研究了ANSYS軟件的優(yōu)化設(shè)計模塊,研究了采用ANSYS軟件進行優(yōu)化設(shè)計的步驟和優(yōu)化工具及方法.利用ANSYS軟件的參數(shù)化設(shè)計語言與其OPT模塊,實現(xiàn)了有限元數(shù)值計算與優(yōu)化設(shè)計的有機結(jié)合.并以額定一次電壓35KV,額定二次電壓100V,額定頻率50HZ的電壓互感器為例,進行了有限元分析計算利優(yōu)化設(shè)計.根據(jù)電壓互感器產(chǎn)品設(shè)計的實際情況,確定設(shè)計變量為繞組導(dǎo)線規(guī)格和鐵心結(jié)構(gòu)尺寸.優(yōu)化循環(huán)結(jié)束以后,可以選擇列出所有參數(shù)的數(shù)值,也可以只列出優(yōu)化變量,可以用圖顯示指定的參數(shù)隨序列號的變化情況,通過多方案的比較,得到最優(yōu)方案.將現(xiàn)代設(shè)計方法應(yīng)用于生產(chǎn)廠家,可節(jié)省研究開支,大大縮

18、短開發(fā)周期,減少計算誤差,減少試驗費用,降低成本,提高產(chǎn)品的可靠性,因此本項目的研究具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益.2.期刊論文 高艷豐.蘇秀蘋.閆紅艷.路海龍.GAO Yan-feng.SU Xiu-ping.YAN Hong-yan.LU Hai-long 電磁式電壓互感器的電磁場分析及優(yōu)化設(shè)計 -江蘇電器2007(1)運用有限元分析軟件ANSYS的電磁場分析功能對35 kV電磁式電壓互感器電磁場分布情況進行了分析和研究.根據(jù)有限元分析思想,建立了有限元分析模型,并對模型進行了計算、比較和精確的分析,通過分析所得的結(jié)果,應(yīng)用ANSYS有限元分析中的優(yōu)化設(shè)計技術(shù),對電壓互感器的電磁機構(gòu)進行了優(yōu)

19、化,使得互感器內(nèi)部磁場分布更合理,提高了產(chǎn)品的性能.3.學(xué)位論文 高艷豐 電壓互感器電磁場有限元分析與優(yōu)化設(shè)計技術(shù)的研究 2006磁路是電磁式電壓互感器的重要組成部分。在各種電磁裝置的設(shè)計中，合理的選擇磁路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，直接影響其工作特性和技術(shù)經(jīng)濟指標。但是，由于磁路的非線性和存在著漏磁通，使磁路計算問題變得非常復(fù)雜和困難。從60 年代開始，國外已率先應(yīng)用電子計算機進行磁路計算和電磁裝置的設(shè)計，應(yīng)用這個現(xiàn)代化的設(shè)計工具，從根本上改變了磁路計算的被動局面。數(shù)字計算機的推廣應(yīng)用，必然伴隨著先進的數(shù)值計算方法，這樣可以擺脫傳統(tǒng)的磁路計算方法，縮短磁路計算時間，提高計算的準確度，而且磁路計算問題，可以

20、直接從求解電磁場數(shù)值分析入手。本文以35KV單相三柱式電壓互感器為例進行分析，主要研究內(nèi)容如下：首先，對有限元技術(shù)及電磁場有限元分析理論進行了研究，根據(jù)有限元分析思想，利用ANSYS 軟件建立電壓互感器鐵心和線圈的有限元分析模型，通過研究ANSYS 的多場耦合技術(shù)，用電路模擬執(zhí)行耦合物理模擬，實現(xiàn)電磁-電路耦合。其次，根據(jù)電壓互感器的工作原理，對電壓互感器鐵心和線圈的三維有限元模型進行諧波分析，得到電壓互感器內(nèi)部電流密度和磁場強度矢量分布圖，并且得到相關(guān)的數(shù)據(jù)表，將仿真得到的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)方法計算的數(shù)據(jù)進行比較。最后，從產(chǎn)品的性能和經(jīng)濟性方面考慮，對ANSYS 的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)進行了研究，通過分析影

21、響電壓互感器內(nèi)部的電磁場分布的因素，利用ANSYS 軟件的參數(shù)化設(shè)計語言及其優(yōu)化設(shè)計模塊，實現(xiàn)有限元數(shù)值計算與模型優(yōu)化設(shè)計的有機結(jié)合，并對優(yōu)化前后的產(chǎn)品進行比較。經(jīng)過以上各方面的分析可知：采用有限元分析技術(shù)進行電磁機構(gòu)的工作特性仿真及多場耦合分析，模仿真實的工作環(huán)境，可以在樣機制作前，精確掌握電器產(chǎn)品的性能，減少重復(fù)樣機制作，降低實驗費用，加快產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品性能指標，具有實際意義。4.期刊論文 曹慶文.董連文.藺躍宏.邢新來 有限元分析軟件ANSYS在電容式電壓互感器電場分析中的應(yīng)用 -高壓電器2003,39(5)利用ANSYS軟件的電磁分析功能對252 kV GIS電容式電壓互感器(

22、CVT)電場分布情況進行了分析和研究.通過分析法蘭和金屬導(dǎo)桿的形狀和位置對電場分布的影響,對CVT的絕緣結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化.5.學(xué)位論文 申燭 電子式電壓電流組合互感器的研究 2003電力系統(tǒng)電壓等級的不斷升高和變電站設(shè)計新理念的提出，促進了電子式電壓電流組合互感器的研究?；诠鈱W(xué)和電子學(xué)原理的電子式電壓/電流互感器(EVT/ECT：ElectronicVoltage/CurrentTransformer)具有絕緣簡單、不存在二次開路產(chǎn)生高壓等危險、沒有磁飽和及鐵磁共振現(xiàn)象、測量頻帶寬、動態(tài)范圍大、重量輕、能適應(yīng)電力系統(tǒng)數(shù)字化信號處理要求等優(yōu)點。經(jīng)過近三十年的發(fā)展，電子式互感器已經(jīng)成為相對比較成熟

23、、最有發(fā)展前途的一種超高壓條件下電壓、電流測量設(shè)備。但在目前，電子式電壓/電流互感器還存在測量準確度不高和對其長期運行的穩(wěn)定性研究不夠深入等種種問題。本論文作者在綜合分析國內(nèi)外電子式互感器的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀以及存在問題的基礎(chǔ)上，在電子式互感器的傳感頭設(shè)計方面開展了理論研究、試驗驗證及計算仿真工作，并研制了一套電子式電壓電流組合互感器及其校驗裝置，取得了如下成果：研制了一套有源電子式電壓電流組合互感器，其中EVT以圓筒狀電容環(huán)作為高壓臂電容，利用電容分壓的思想進行測量；ECT利用Rogowski線圈作為傳感頭進行測量。電子式電壓互感器測量準確度達到0.5級測量用電壓互感器水平，同時達到3P級保護用電壓互感器要求；電子式電流互感器測量通道準確度達到0.5S級