一种非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化方法

本发明涉及组合卷铁心领域，特别是涉及一种非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化方法。

背景技术：

1、非晶合金和取向硅钢是制作立体卷配电变压器铁心常用的两种软磁材料。其中，非晶合金具有磁导率高、损耗密度低的优点，因此非晶配电变压器空载损耗低；但其存在饱和磁通密度低、磁致伸缩系数大、叠片系数小、机械韧性差、耐受冲击能力低的缺点，导致非晶合金配电变压器存在噪声大、设计磁密低、体积大、抗短路能力差等缺点。取向硅钢饱和磁通密度高、磁致伸缩系数小、叠片系数大、机械韧性高，硅钢配电变压器具有铁心加工性能好、设计磁密高、体积小、噪声低的优点；但其磁导率偏低、损耗密度高，导致硅钢配电变压器存在空载损耗大的缺点。以上两种软磁材料的电磁特性导致当前配电变压器不能同时兼顾低空载损耗和低振动噪声。

2、为此，提出能够综合非晶和硅钢各自优点的组合立体卷铁心结构，并对组合立体卷铁心的结构参数进行优化设计，对降低配电变压器空载损耗以及减小配电变压器振动噪声具有重要意义。

3、由于非晶和硅钢两种软磁材料的存在，且两种材料的磁导率存在明显差异，导致当前针对单一软磁材料立体卷配电变压器的结构设计方法不适用于非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化方法，可获得具有低空载损耗、低振动噪声的非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化方法，包括：

4、确定非晶-硅钢组合立体卷铁心的结构；所述结构为内层使用硅钢材料、外层使用非晶材料；

5、根据非晶-硅钢组合立体卷铁心的结构，确定非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构参数；

6、将所述结构参数作为优化变量，建立非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构优化模型；

7、以空载损耗最小和a计权声压级最小为优化目标，采用多目标优化算法解算所述结构优化模型，获得非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的最优结构参数。

8、可选地，所述非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构参数包括：硅钢占比x、铁心柱直径d、低压箔式绕组厚度hww2、低压箔式绕组高度hwh2、高压圆导线绕组直径ds1和低压绕组匝数n2。

9、可选地，所述非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构优化模型为

10、

11、

12、式中，pc为空载损耗，kc为空载损耗系数，fbp_a和fbp_s分别为非晶和硅钢的损耗密度曲线插值函数，ba1和bs1分别为非晶和硅钢的磁通密度，i为磁通密度的第i次谐波含量；

13、ga1和gs1分别为非晶和硅钢的重量，ga1＝3la1sa1ρa1和gs1＝3ls1ss1ρs1；ρa1和ρs1分别为非晶和硅钢的密度，la1和ls1分别为非晶和硅钢的磁路长度；sa1和ss1分别为单框非晶和硅钢的有效截面积；

14、

15、ls1≈2(hw+ww)

16、

17、

18、ka和ks分别为非晶和硅钢立体卷铁心的叠片系数，hw和ww分别为组合立体卷铁心的窗口高度和宽度；

19、hw＝hwh2+2dc1

20、

21、dc1和dc2分别为低压绕组距离上下铁轭的距离和低压绕组距离心柱的距离，do1和do2分别为高压绕组两个油道到低压绕组油道的间距，diso为高低压绕组隔离层之间的距离，dint为高压绕组相与相之间的距离，d1和d2分别为高低压绕组的幅向距离；

22、d1＝m1(ds1+2dint1)+dins1(m1-3)

23、d2＝m2hww2+dins2(m2-2)

24、m1和m2分别为高低压绕组的层数，dint1为高压绕组圆导线的绝缘层厚度，dins1和dins2分别为高低压绕组层与层之间的绝缘纸厚度；

25、

26、[]表示四舍五入取整；n1max为高压绕组按5％抽头调压时的匝数，n1max＝[u1(1+5％)/et]，u1为高压侧额定电压最大值，et为低压绕组单匝电势，et＝u2rms/n2，u2rms为低压绕组额定电压有效值；n11为高压绕组单层匝数，n11＝[(hwh2-2dc3)/(ds1+dint1)]，dc3为高压绕组端圈的高度；

27、lp为a计权声压级；f为组合立体卷铁心配电变压器工作频率；g为组合铁心总重量，g＝ga1+gs1；λa和λs分别为非晶和硅钢的磁致伸缩系数。

28、可选地，所述非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构优化模型的约束条件共有6个；

29、约束1：非晶的磁通密度峰值不高于硅钢的磁通密度峰值，表示为ba1≤bs1；

30、约束2：高压绕组的电流密度j1不高于3a/mm2，表示为j1≤3a/mm2；

31、约束3：低压绕组的电流密度j2不高于3a/mm2，表示为j2≤3a/mm2；

32、约束4：绕组损耗pw不高于非晶立体卷配电变压器一级能耗限值pmax，表示为pw≤pmax；

33、约束5：励磁电流百分数i0％不高于同规格硅钢立体卷配电变压器，表示为i0％≤0.18％；

34、约束6：短路电压百分数uk％不高于同规格立体卷配电变压器，表示为uk％≤4％。

35、可选地，非晶和硅钢的磁通密度的计算过程为：

36、根据硅钢的磁场强度初值，利用安培环路定律计算非晶的磁场强度；

37、根据硅钢的磁场强度初值和非晶的磁场强度，依照非晶和硅钢的磁化曲线，插值并计算得到非晶和硅钢的平均磁通密度；

38、基于磁通连续性原理，根据非晶和硅钢的平均磁通密度，利用公式φ＝2basa1+2bsss1计算非晶-硅钢组合立体卷铁心的磁通量φ；式中，ba和bs分别为非晶和硅钢的平均磁通密度；

39、判断|φ-φm|是否小于或等于预设误差e，获得判断结果；其中，φm表示额定磁通量；

40、当判断结果表示否时，比较φ是否小于φm，获得比较结果；

41、若比较结果为φ小于φm，则令硅钢的磁场强度初值增加δhs1，并返回步骤“根据硅钢的磁场强度初值和非晶的磁场强度，依照非晶和硅钢的磁化曲线，插值得到非晶和硅钢的平均磁通密度”；其中，δhs1为硅钢的磁场强度增加量；

42、若比较结果为φ不小于φm，则令硅钢的磁场强度初值减小δhs1，并返回步骤“根据硅钢的磁场强度初值和非晶的磁场强度，依照非晶和硅钢的磁化曲线，插值得到非晶和硅钢的平均磁通密度”；

43、当判断结果表示是时，输出非晶和硅钢的平均磁通密度，作为非晶和硅钢的磁通密度。

44、可选地，所述高压绕组的电流密度j1的计算公式为式中，i1为高压侧的额定电流有效值；

45、所述低压绕组的电流密度j2的计算公式为式中，i2为低压侧的额定电流有效值；

46、所述绕组损耗pw的计算公式为pw＝3kw(i12r1+i22r2)；式中，kw为绕组损耗系数；r1和r2分别为高低压绕组的电阻，l1和l2分别为高低压绕组的长度；

47、所述励磁电流百分数i0％的计算公式为式中，i0y％和i0w％分别为励磁电流百分数的有功和无功分量，sn为额定容量，qa和qs分别为非晶和硅钢的励磁功率密度；

48、所述短路电压百分数uk％的计算公式为式中，ukr％和ukx％分别为短路电压百分数的电阻和电抗分量，hk为高低压绕组的电抗高度，ρ为与电抗高度和漏磁场宽度有关的参数，ρ＝1-λ/(10πhk)，λ为漏磁场宽度，σd为与高低压绕组结构有关的参数，r1和r2分别为高低压绕组的平均半径，riso为高低压绕组之间隔离层半径。

49、一种非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化设备，包括：

50、存储器，用于存储计算机软件程序；所述计算机软件程序用于实施如前述的非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化方法；

51、处理器，与所述存储器连接，用于调取并执行所述计算机软件程序。

52、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

53、本发明公开一种非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化方法，首先确定了内层使用硅钢材料、外层使用非晶材料的非晶-硅钢组合立体卷铁心结构，进而确定非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构参数，然后将结构参数作为优化变量，建立非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构优化模型，最后以空载损耗最小和a计权声压级最小为优化目标，采用多目标优化算法解算结构优化模型，获得非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的最优结构参数。本发明提出能够综合非晶和硅钢各自优点的组合立体卷铁心结构，并对组合立体卷铁心的结构参数进行优化设计，获得了具有低空载损耗、低振动噪声的非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器。