一种户内空心电抗器的温度场仿真方法及装置与流程

1.本发明涉及一种户内空心电抗器的温度场仿真方法及装置，属于电气设计技术领域。


背景技术：

2.干式空心电抗器与传统铁心电抗器相比，抗饱和能力强，线性度好，广泛应用于电力系统中，并起着稳压、滤波、限流和无功补偿等重要作用，提高了电力系统的安全性与稳定性。
3.但由于种种原因造成空心电抗器局部温度过高，会使其绝缘材料逐渐失去原有的机械性能和绝缘性能，严重影响电抗器的使用寿命，甚至发生烧损等故障和现象，对电网的安全稳定性造成极大威胁。同时户外干式空心电抗器时常发生外表面树枝放电、滑闪、局部击穿、匝间短路和烧损等事故，给电力系统带来新的不安全因素。
4.因此研究户内干式空心电抗器的温度场及其流体场对电抗器性能的提升和温度的在线监测具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种户内空心电抗器的温度场仿真方法及装置，保证了干式空心电抗器的性能和运行安全。
6.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
7.第一方面，本发明提供了一种户内空心电抗器的温度场仿真方法，包括以下步骤：
8.获取待仿真工程的工程图纸参数，所述工程图纸参数包括户内空心电抗器几何参数，材料属性和户内工况信息；
9.根据工程图纸参数建立户内空心电抗器仿真模型，所述户内空心电抗器仿真模型包括空心电抗器模型，周围电气设备模型和房屋钢梁结构模型；
10.根据所述户内空心电抗器仿真模型对电抗器进行电磁仿真，计算电抗器各层包封损耗，所述电抗器各层包封损耗包括绕组的电阻损耗和涡流损耗；
11.依据户内工况信息设定热学仿真的边界条件和基本参数；
12.对所述户内空心电抗器仿真模型进行网格划分，把求解区域分解成适当数量的单元；
13.将所述绕组的电阻损耗和涡流损耗作为热源参数，对网格划分后的户内空心电抗器模型进行热学仿真分析，得到干式空心电抗器本体以及户内其他设备的温度场数据和温度场
‑
流体场分布云图。
14.进一步的，所述户内空心电抗器几何参数包括空心电抗器的高度、各包封层的内径和外径、包封层数、上下星形架高度、气道宽度；所述材料属性包括空心电抗器各部件及其他电气设备所用材料、房屋结构材料；所述其他电气设备包括避雷器、接地开关、并联电容器和电流互感器；所述户内运行工况信息包括户内温度、进口和出口风速及电抗器额定
电压、额定电流。
15.进一步的，根据工程图纸参数建立户内空心电抗器仿真模型的方法包括：
16.基于ansys workbench有限元分析软件中maxwell 3d模块，将户内空心电抗器包封层绘制成圆环柱形筒状结构，建立实际尺寸1：1的户内空心电抗器模型，以及其他电气设备及房屋钢梁结构模型。
17.进一步的，根据所述户内空心电抗器仿真模型对电抗器进行电磁仿真，并分别计算电抗器各层包封损耗的方法包括：
18.在maxwell 3d磁场模块中对户内空心电抗器各包封层取绕组截面，并分别添加相位相差120
°
的电流激励，通过电磁仿真得到各层绕组中的电阻损耗和涡流损耗。
19.进一步的，依据户内工况信息设定边界条件和基本参数的方法包括：
20.将户内空心电抗器模型导入到ansys workbench有限元仿真软件icepak模块，在外壳功能模块(cabinet)中设定计算区域、壁面数据、边界条件参数；并在blocks中对户内空心电抗器仿真模型中cad object部件设定材料属性和热源数据；设置热学仿真的求解器参数，所述求解器参数包括：求解类型、流场分析、传热方式、重力矢量以及最大迭代步次数。
21.设置热学仿真的求解器参数，所述求解器参数包括：求解类型、流场分析、传热方式、重力矢量以及最大迭代步次数。
22.进一步的，所述网络划分的方法包括：
23.基于ansys workbench有限元分析软件icepak模块，用mesh网格划分对户内空心电抗器仿真模型进行网格单元类型参数设置，网格生成后查看网格质量，使之满足求解精度；
24.对户内空心电抗器仿真模型装配assembly以细分网格，设置组装体过渡区域尺寸，设置组装体网格尺寸；
25.对户内空心电抗器仿真模型装配集合功能模块(assembly)以细分网格，设置组装体过渡区域尺寸和组装体网格尺寸。
26.进一步的，所述网格单元类型为六面体占优mesher
‑
hd，在x，y，z三个方向上的最大网格尺寸max element size设定为各个方向上cabinet尺寸的1/20。
27.第二方面，本发明提供了一种户内空心电抗器的温度场仿真装置，所述装置包括：
28.信息获取模块：用于获取待仿真工程的工程图纸参数，所述工程图纸参数包括户内空心电抗器几何参数，材料属性和户内工况信息；
29.建模模块：用于根据工程图纸参数建立户内空心电抗器仿真模型，所述户内空心电抗器仿真模型包括空心电抗器模型，周围电气设备模型和房屋钢梁结构模型；
30.电磁仿真模块：用于根据所述户内空心电抗器仿真模型对电抗器进行电磁仿真，计算电抗器各层包封损耗，所述电抗器各层包封损耗包括绕组的电阻损耗和涡流损耗；
31.参数设置模块：用于依据户内工况信息设定边界条件和基本参数，并对所述户内空心电抗器仿真模型进行网格划分；
32.热学仿真模块：用于将所述绕组的电阻损耗和涡流损耗作为热源参数，对户内空心电抗器模型进行热学仿真分析，得到干式空心电抗器本体以及户内其他设备的温度场数据和温度场
‑
流体场分布云图。
33.第三方面，本发明提供一种户内空心电抗器的温度场仿真装置，包括处理器及存储介质；
34.所述存储介质用于存储指令；
35.所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行第一方面所述方法的步骤。
36.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
37.本发明能够判断户内电抗器运行时对自身及周围环境的温度影响，优化电抗器设计，有很强的实用性。
附图说明
38.图1为本发明提供的一种户内空心电抗器的仿真模型及温度场仿真方法的流程示意图。
39.图2为本发明提供的户内空心电抗器的仿真模型示意图；
40.图3为4号空心电抗器损耗图；
41.图4为仿真参数设定图；
42.图5为网格剖分参数设置图。
具体实施方式
43.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
44.实施例一：
45.本实施例提供一种户内空心电抗器的温度场仿真方法，包括以下步骤：
46.步骤1：获取户内电抗器的几何参数、材料属性和户内设备运行工况信息，如下表所示：
47.表1户内空心电抗器几何参数表
[0048][0049]
表2户内空心电抗器及其其他设备材料属性表
[0050][0051]
表3户内工况信息表
[0052]
环境温度(℃)40辐射温度(℃)40进口和出口风速(m/s)2
[0053]
步骤2：构建户内空心电抗器的几何模型，周围电气设备模型和房屋钢梁结构模型，其中不仅含有户内空心电抗器本体模型，还有其他电气设备模型和房屋钢梁结构等金属、磁性材料或设备模型，非金属及磁性材料模型不涉及在内。
[0054]
采用ansys workbench有限元分析软件中maxwell 3d模块，构建户内空心电抗器仿真模型。具体为，在maxwell 3d磁场模块中将包封绘制成圆环柱形筒状结构，建立实际尺寸1：1的户内空心电抗器模型，以及户内其他电气设备及房屋钢梁结构模型。
[0055]
步骤3：基于ansys workbench有限元分析软件中maxwell 3d模块，先对电抗器进行电磁仿真，在maxwell 3d磁场模块中对户内空心电抗器各包封层取绕组截面，并分别添加相位相差120
°
的80ka电流激励，并分别计算两种型号电抗器各层包封损耗，包括绕组的电阻损耗和涡流损耗，其表达式为：
[0056]
p＝p
r
+p
wl
＝i2r+p
wl
[0057]
其中，p为电抗器总损耗；p
r
为电抗器的电阻损耗；p
wl
为电抗器的涡流损耗；i为电抗器的额定电流；r为电抗器的电阻值；绕组的电阻损耗和涡流损耗在icepak编辑模型中每一部分属性的时候输入。
[0058]
以图1中4号空心电抗器为例，其损耗为图3所示，图中，从上到下分别为下层星型架损耗、上层星型架损耗、屏蔽铝板损耗、外层包封损耗和内层包封损耗。
[0059]
步骤4：将几何模型导入到ansys workbench平台的icepak模块中，依据户内工况设定边界条件和基本参数，并根据集合模型进行网格划分，如图4所示，仿真参数设定的具体实施步骤为：
[0060]
a、在cabinet中设定计算区域和壁面数据：cabinet是ansys workbench有限元仿真软件icepak模块中的外壳功能模块
[0061]
其中计算区域设置如下：假设几何模型组成的装配体的特征尺寸为l，在装配体上部空间设置为2l，对于四周的空间设置0.5l特征尺寸空间。
[0062]
其中壁面数据设置如下：将几何模型的x轴方向设置为opening的开口属性，其余壁面保持wall属性。
[0063]
b、在blocks中设定材料属性和热源数据：
[0064]
其中材料属性依据上表2依次进行设定；
[0065]
其中热源数据依据步骤3电磁仿真计算的损耗结果依次进行设定，即绕组的电阻损耗和涡流损耗在icepak编辑模型中一部分属性的时候输入。
[0066]
c、采用ansys workbench有限元分析软件icepak模块中的用mesh网格划分对几何模型进行网格单元类型等参数设置，网格生成后查看网格质量，满足求解精度。其中网格类型采用六面体占优mesher
‑
hd，x，y，z三个方向上的最大网格尺寸max element size设定为各个方向上cabinet尺寸的1/20；为细分网格对几何模型装配assembly，设置组装体过渡区域尺寸，设置组装体网格尺寸，如图5所示。assembly是ansys workbench有限元仿真软件icepak模块中的集合功能模块；网格划分是将模型实现离散化，使模型变成有限元。就是把求解区域分解成可得到精确值的适当数量的单元，而这些单元格之间又互相约束联系构成整个结构。网格划分的好坏直接决定了计算结果的可靠性，对复杂的仿真模型，需要精细的网格划分。
[0067]
d、设置求解参数和步骤；
[0068]
设置solver求解器参数，其中包括：
[0069]
求解类型：温度场和流体场；
[0070]
流场分析：湍流模型zero equation；
[0071]
传热方式：自然对流和辐射散热；
[0072]
重力矢量：z轴负方向，
‑
9.80665m/s2；
[0073]
最大迭代步次数：5000次；
[0074]
步骤5：将户内空心电抗器网格模型导入到预设的温度场仿真模型进行仿真分析，得到户内空心电抗器本体以及户内其他设备的温度场数据和温度场
‑
流体场数据和分布云图。
[0075]
实施例二：
[0076]
本实施例提供了一种户内空心电抗器的温度场仿真装置，所述装置包括：
[0077]
信息获取模块：用于获取待仿真工程的工程图纸参数，所述工程图纸参数包括户内空心电抗器几何参数，材料属性和户内工况信息；
[0078]
建模模块：用于根据工程图纸参数建立户内空心电抗器仿真模型，所述户内空心电抗器仿真模型包括空心电抗器模型，周围电气设备模型和房屋钢梁结构模型；
[0079]
电磁仿真模块：用于根据所述户内空心电抗器仿真模型对电抗器进行电磁仿真，
计算电抗器各层包封损耗，所述电抗器各层包封损耗包括绕组的电阻损耗和涡流损耗；
[0080]
参数设置模块：用于依据户内工况信息设定边界条件和基本参数，并对所述户内空心电抗器仿真模型进行网格划分；
[0081]
热学仿真模块：用于将所述绕组的电阻损耗和涡流损耗作为热源参数，对户内空心电抗器模型进行热学仿真分析，得到干式空心电抗器本体以及户内其他设备的温度场数据和温度场
‑
流体场分布云图。
[0082]
实施例三：
[0083]
本发明实施例提供一种户内空心电抗器的温度场仿真装置，包括处理器及存储介质；
[0084]
所述存储介质用于存储指令；
[0085]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行实施例一所述方法的步骤。
[0086]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
[0087]
本发明能够判断户内电抗器运行时对自身及周围环境的温度影响，优化电抗器设计，有很强的实用性。
[0088]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0089]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0090]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0091]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0092]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。