ANSYS：多物理仿真在電力變壓器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2016-10-19 by:CAE仿真在線(xiàn) 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

在電力變壓器設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域,由于工程時(shí)間節(jié)點(diǎn)要求和下一代電力變壓器的設(shè)計(jì)復(fù)雜性,工程師面臨著巨大的挑戰(zhàn)。基于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)思路,許多復(fù)雜的設(shè)計(jì)問(wèn)題將難以得到解決。賓夕法尼亞變壓器公司(PTTI) 開(kāi)發(fā)了一套基于多物理域仿真分析驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的新方法,這種新的設(shè)計(jì)方法涵蓋多物理域仿真分析,工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)建立以及設(shè)計(jì)流程管理,最終實(shí)現(xiàn)變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。這種基于多物理域仿真分析的設(shè)計(jì)方法使用ANSYS 軟件平臺(tái),利用ANSYS 軟件平臺(tái)能夠有效評(píng)估產(chǎn)品的多物理域性能,校核前期設(shè)計(jì),仿真分析樣機(jī)在不同工況下的運(yùn)行性能。針對(duì)電力變壓器設(shè)計(jì)問(wèn)題,ANSYS 軟件平臺(tái)能夠幫助工程師優(yōu)化設(shè)計(jì)變壓器鐵芯,繞組,散熱機(jī)殼及其它部件,最終達(dá)到在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的情況下,有效減小變壓器的外形尺寸和降低制造成本,保證經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的變壓器能夠承受電網(wǎng)浪涌沖擊,短路以及高溫,同時(shí)降低變壓器的工作噪聲。

PTTI 公司的產(chǎn)品種類(lèi)齊全覆蓋面廣,主要產(chǎn)品包括單相,三相電力變壓器、專(zhuān)用電壓整流器,民用供電、市政供電以及工業(yè)領(lǐng)域供電設(shè)備。PTTI 公司將變壓器作為電磁場(chǎng)多物理域分析的核心部件,因此如何有效仿真分析變壓器的電磁場(chǎng)分布情況就顯得尤為重要;其次,如何有效仿真分析電磁場(chǎng)的分布情況對(duì)變壓器的受力以及損耗分布的影響也同樣重要。上述問(wèn)題需要結(jié)合考慮變壓器在實(shí)際制造中潛在的不確定因素,例如,短路、光照、振動(dòng)、噪聲、空載或負(fù)載情況下的溫升等等。上述問(wèn)題如果不加考慮將會(huì)嚴(yán)重影響變壓器的使用壽命,更嚴(yán)重的是可能會(huì)對(duì)用戶(hù)造成數(shù)百萬(wàn)美元的損失。

仿真系統(tǒng)幫助工程師來(lái)優(yōu)化相關(guān)設(shè)計(jì),如鐵芯、繞組、機(jī)殼以及其他部件,以確保成品在尺寸、成本等方面符合設(shè)計(jì)要求

電磁場(chǎng)仿真

首先將AutoCAD 中創(chuàng)建的幾何模型導(dǎo)入到ANSYSWorkbench 環(huán)境中進(jìn)行前處理;然后工程師可以參照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試數(shù)據(jù)或者IEEE 標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建相關(guān)仿真參數(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)之前,PTTI 工程師將ANSYS 軟件平臺(tái)作為唯一的仿真工具精確仿真分析變壓器在各種工況下的運(yùn)行性能。具體來(lái)說(shuō),利用ANSYS的低頻電磁場(chǎng)仿真軟件Maxwell,工程師可以為變壓器的主要部件設(shè)置對(duì)應(yīng)材料,例如,繞組材料、絕緣材料以及變壓器油的種類(lèi)等等。激勵(lì)和邊界條件主要由給定電壓條件下的電場(chǎng)分布對(duì)絕緣系統(tǒng)的影響來(lái)確定。模型結(jié)構(gòu)參數(shù)和相關(guān)激勵(lì)通常定義為可變參數(shù)用于后期的參數(shù)化、優(yōu)化掃描,在指定仿真精度的前提下,仿真過(guò)程可以自動(dòng)進(jìn)行,例如前期模型的網(wǎng)格自適應(yīng)剖分。

經(jīng)過(guò)后處理,工程師可以觀(guān)測(cè)變壓器在不同輸入條件下的電磁場(chǎng)分布情況。例如,可以通過(guò)觀(guān)測(cè)磁力線(xiàn)的分布情況來(lái)間接判變壓器油在不同壓力情況下對(duì)絕緣系統(tǒng)的影響,估算變壓器的安全工作系數(shù),校核設(shè)計(jì)指標(biāo);在變壓器實(shí)際生產(chǎn)以前,工程師可以通過(guò)為模型添加不同的激勵(lì)源來(lái)模擬變壓器在不同工況下的運(yùn)行情況。例如,在保證變壓器絕緣系統(tǒng)安全系數(shù)的情況下,如何有效降低導(dǎo)線(xiàn)的絕緣層厚度與繞組層間絕緣厚度。上述材料在變壓器的制造成本中占較高比重,因此通過(guò)這種方法PTTI 公司可以有效降低變壓器的制造成本。

以最近一次工程設(shè)計(jì)案例為例,PTTI 公司為一家客戶(hù)設(shè)計(jì)了一臺(tái)500kV 的變壓器樣機(jī)。在現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,通過(guò)仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì),將變壓器的長(zhǎng)度減小了2 英尺,高度和寬度也減小了1.5 英尺。最終樣機(jī)的性能與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手樣機(jī)的性能不相上下,但卻更加節(jié)省鋼材與變壓器油的用量。

減小變壓器繞組層間絕緣厚度可以有效降低制造成本,但是另一方面也減小了繞組與鐵芯的氣隙厚度,氣隙厚度的減小會(huì)造成變壓器鐵芯渦流損耗的上升。通過(guò)在變壓器的鐵芯和機(jī)殼之間添加雜散損耗屏蔽層,可以有效降低變壓器的渦流損耗。屏蔽層主要由層間絕緣的疊壓硅鋼片構(gòu)成,屏蔽層可以有效降低雜散損耗對(duì)變壓器機(jī)殼和變壓器中低碳鋼材料的影響。通過(guò)這種方法可以有效地將整個(gè)變壓器的渦流損耗控制在低碳鋼的渦流損耗水平,同時(shí)可以保證變壓器的鐵芯層間絕緣厚度減小。

實(shí)際計(jì)算低碳鋼的損耗分布是非常困難的,因?yàn)楫?dāng)變壓器工作頻率在60Hz 的時(shí)候,磁場(chǎng)主要分布在變壓器鐵芯表面而不是穿透鐵芯。

當(dāng)變壓器內(nèi)部有多個(gè)不規(guī)則形狀的低碳鋼材料部件,或者高損耗密度材料部件相互接觸時(shí),精確的建立樣機(jī)的模型將會(huì)非常困難。PTTI 公司通過(guò)專(zhuān)用的模型建立方法創(chuàng)建了樣機(jī)的幾何模型,然后導(dǎo)入Maxwell 中進(jìn)行仿真分析。經(jīng)過(guò)仿真分析,有限元模型的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)接近500 萬(wàn)單元,在保證計(jì)算精度的情況下,它的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)僅相當(dāng)于一臺(tái)中等功率,或者稍大功率變壓器的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù),大大的節(jié)省了計(jì)算資源。

用價(jià)格相對(duì)便宜的低碳鋼材料作為變壓器的部件,容易受到雜散磁場(chǎng)的影響而發(fā)熱,必須在它的外部添加用硅鋼片材料包裹的雜散損耗屏蔽層,原理與在變壓器核心外部添加變壓器機(jī)殼類(lèi)似。后期,工程師可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì),在保證雜散磁場(chǎng)被有效屏蔽的情況下,將屏蔽層的厚度做到最小。

變壓器整機(jī)外部需要安裝GICs 單元,通過(guò)仿真分析可以觀(guān)察變壓器機(jī)殼以及機(jī)芯內(nèi)部鐵磁材料的渦流幅值與分布情況,GICs 能夠感應(yīng)周?chē)h(huán)境的變化,甚至是地磁場(chǎng)的微弱變化,然后在其繞組內(nèi)部產(chǎn)生低頻感應(yīng)渦流。通過(guò)仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì),可以有效降低變壓器中鐵磁部件過(guò)熱的風(fēng)險(xiǎn);同時(shí)可以保證變壓器內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生有害氣體。PTTI 工程師通過(guò)仿真分析研究了許多以前難以分析的問(wèn)題,例如,鐵芯內(nèi)部、端壓板、磁屏蔽層以及鎖緊機(jī)構(gòu)的局部過(guò)熱。設(shè)計(jì)部門(mén)通過(guò)將Maxwell 仿真分析得到的損耗分布直接映射到Mechnical 中以得到樣機(jī)的熱網(wǎng)絡(luò)模型,然后通過(guò)Mechnical 可以計(jì)算樣機(jī)在任意節(jié)點(diǎn)的溫度變化情況。

PTTI 工程師將仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,對(duì)比結(jié)果表明,在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)達(dá)到百萬(wàn)級(jí)的情況下,變壓器仿真渦流損耗與實(shí)測(cè)雜散損耗僅有5%~8% 的誤差;端部,鎖緊機(jī)構(gòu)以及鐵芯內(nèi)部的仿真溫度與實(shí)測(cè)溫度也僅有4% 的誤差。

結(jié)構(gòu)仿真

ANSYS 的結(jié)構(gòu)仿真軟件Mechnical 可以仿真分析變壓器或者斷路器在不同受力情況下的形變,例如整機(jī)拉力試驗(yàn),繞組短路磁拉力,變壓器鐵芯與機(jī)殼之間的振動(dòng)等等。

舉例來(lái)說(shuō),在居民區(qū),用戶(hù)通常都會(huì)要求變壓器的工作噪聲要盡可能的小。變壓器的噪聲主要是由繞組絕緣層與繞組鐵芯,以及其它結(jié)構(gòu)部件之間的洛倫磁力相互作用引起的振動(dòng)產(chǎn)生。這種振動(dòng)通過(guò)變壓器油傳導(dǎo)到變壓器機(jī)殼,最終造成變壓器產(chǎn)生噪聲。因此,當(dāng)工程師設(shè)計(jì)變壓器的時(shí)候,分析和研究變壓器鐵芯、機(jī)殼以及其它結(jié)構(gòu)部件的振動(dòng)情況就顯得尤為重要。

鐵芯的振動(dòng)頻率主要包括120Hz 基波和其它高次諧波,而繞組的振動(dòng)頻率主要為120Hz 基波,如何有效避免鐵芯、繞組以及其它部件與變壓器本身可能發(fā)生的共振就成為工程師需要關(guān)注的主要問(wèn)題。經(jīng)過(guò)測(cè)試后,我們可以通過(guò)移動(dòng)或者增加變壓器的結(jié)構(gòu)件來(lái)改變變壓器的固有頻率,以此達(dá)到消除變壓器噪聲的目的。

實(shí)際應(yīng)用中,許多客戶(hù)要求對(duì)變壓器和斷路器依據(jù)IEEE 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行噪聲分析。PTTI 工程師通過(guò)仿真分析可以得到樣機(jī)的噪聲在x,y,z 三個(gè)方向的頻域特性,然后依據(jù)SRSS 算法對(duì)樣機(jī)的噪聲情況進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真分析。

流體仿真

近期PTTI 公司購(gòu)買(mǎi)了ANSYS 公司的Fluent 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD) 軟件包,對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸較大的模型,允許8CPU并行求解。流體仿真團(tuán)隊(duì)利用Fluent 軟件準(zhǔn)確的仿真分析了變壓器油在變壓器與散熱片內(nèi)的運(yùn)行情況,最終改進(jìn)了冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),降低了冷卻系統(tǒng)的制造成本。

利用ANSYS 軟件平臺(tái),PTTI 工程師完成了大量富有挑戰(zhàn)性的變壓器開(kāi)發(fā)工作。PTTI 工程師改變了傳統(tǒng)的變壓器設(shè)計(jì)流程,變壓器的設(shè)計(jì)流程通過(guò)集成化的設(shè)計(jì)平臺(tái)ANSYS 得以完美實(shí)現(xiàn),整個(gè)流程體現(xiàn)著完美的工業(yè)藝術(shù)氣息。工程師通過(guò)使用多物理域協(xié)同仿真分析建模極大地提高了仿真分析的準(zhǔn)確度,最終使得PTTI 公司在產(chǎn)品正式投放市場(chǎng)以前就能夠掌握產(chǎn)品的大量運(yùn)行性能信息。

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