一种基于有限元仿真的电抗器遮雨帽结构参数优化方法

本发明涉及电抗器，特别是一种基于有限元仿真的电抗器遮雨帽结构参数优化方法。

背景技术：

1、空心电抗器常用于限制电网短路电流、高次滤波，是电力系统中的重要设备。然而在运行中由于包封线圈局部温度过高，易发生过热、烧毁等故。为了减少电抗器周围的噪音，通常采用安装隔音罩的方式；同时，为了防止环境因素的影响，经常需要为电抗器加装遮雨帽。然而，电抗器内空气的流动受到了遮雨帽的限制，使得电抗器的散热能力下降，温升明显增加。为了提高散热能力，进行遮雨帽结构参数的优化研究是至关重要的。

2、在电抗器的温度场方面，有研究使用有限元法获得了空心电抗器的流场和温度场，并在此基础上对电抗器的通风结构进行了优化；有研究将线圈温度与周边流体结合以得出电抗器更详细的温度分布，但均未考虑遮雨帽和隔音罩对温度分布的影响。

3、在散热性能优化方面，有研究为提高散热能力，使用了调整气道宽度和线圈参数等手段，却没有考虑遮雨帽和隔音罩对散热的影响；将遮雨帽视为倾斜挡板，通过调整包封线圈参数来提高散热性能；研究了隔音罩的结构参数对电抗器温升的影响规律，有效减少了电抗器的温升。不过，上述研究只是单独考虑了遮雨帽或隔音罩的影响，且未考虑遮雨帽不同结构对电抗器散热性能的影响。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于有限元仿真的电抗器遮雨帽结构参数优化方法，通过构建空心电抗器的流场-温度场三维仿真模型，获得温度场仿真结果，分析电抗器包封线圈与气道的温度分布变化，将电抗器温度场仿真计算方法和正交试验设计相结合，获得不同双层遮雨帽结构参数下的温度场仿真结果，最终获得最优的双层遮雨帽结构参数。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于有限元仿真的电抗器遮雨帽结构参数优化方法，包括以下步骤：

3、步骤1：构建空心电抗器的流场-温度场三维仿真模型，获得加与未加隔声罩下电抗器温度场仿真结果，分析电抗器包封线圈与气道的温度分布变化，揭示电抗器包封线圈的散热特性；

4、步骤2：基于步骤1所建模型构建双层遮雨帽电抗器仿真模型并获得仿真结果，与单层遮雨帽电抗器的仿真结果进行对比分析，得到双层遮雨帽结构优化参数；

5、步骤3：采用正交试验设计方法，结合双层遮雨帽电抗器温度场仿真模型，得到不同双层遮雨帽结构参数下的温度场仿真结果；分析实验结果，得到最优的双层遮雨帽结构参数。

6、优选的，所述步骤1中，空心电抗器的流场-温度场三维仿真模型，根据空心电抗器的结构参数，使用comsol仿真软件建立，为了确保计算的准确性和时长，模型中只考虑稳态散热过程。具体包括：

7、（1）热源

8、电抗器包封线圈的损耗由电阻损耗和涡流损耗组成；

9、电抗器包封的电阻损耗可由式（1）计算：

10、（1）

11、其中，为第号包封的焦耳热功率，、、、分别为第个包封电流、匝数、直径和导体截面积，为金属导体电导率；

12、涡流损耗可由式（2）计算得到；

13、（2）

14、式中，为角速度（额定频率为50hz），为包封径向宽度，为单匝轴向高度，为磁感应强度的轴向分量，为磁感应强度的径向分量；

15、根据电抗器线圈的电流和周围磁场分布情况，可以获得不同包封线圈的总损耗，可由式（3）计算得到；在仿真模型中，将得到的各包封线圈的总损耗作为各线圈的热源；

16、（3）

17、（2）控制方程

18、空心电抗器在工作时会通过热传导、热对流和热辐射三种方式向周围环境传递热量；

19、热传导：在电抗器的固体区域中，热量主要通过热传导从热区向冷区传递，热传导控制方程如式（4）所示；

20、(4)

21、其中，t是温度，φ是单位体积包封线圈产生的热量，λ为包封材料的导热系数，x、y和z分别为沿各坐标轴方向的长度；

22、热对流：在电抗器的流体区域和包封线圈表面，热对流是主要的换热方式；我们可以使用连续性、动量和能量方程来描述这一过程，具体如式（5）所示；

23、(5)

24、式中，ux、uy和uz分别是流体速度在x、y和z方向上的分量，fx、fy和fz分别是体积力在x、y和z方向上的分量，p是流体的压强，ρ是流体的密度，υ是流体的运动黏度，cp是流体的定压比热容；

25、热辐射：对于包封线圈的最内和最外表面，热辐射也是一种主要散热方式；其中，热辐射控制方程可由式（6）表示；

26、（6）

27、式中：ψ是热通量，ε是物体表面发射率，s是辐射面积，δ是玻尔兹曼常数，t是线圈温度，tair是环境温度；

28、（3）边界条件

29、温度场模型的边界条件设置如下：模型使用了层流和流体传热模块；包封线圈和隔音罩的表面为静止壁面，无滑移；计算区域的底面为外界空气的入口，其他面作为出口，初始速度和静压力全部为零；考虑到热辐射，包封线圈最内侧与最外侧表面的表面发射率为0.9；电抗器的初始温度与环境温度设为20°c；

30、（4）网格剖分

31、网格的密度对温度场仿真计算精度有直接影响；为了保证计算精度，同时考虑到计算速度，对模型的网格剖分使用自由剖分法；在包封线圈的区域使用细化的网格，在其他空气区域使用粗化的网格。

32、优选的，所述步骤2中，双层遮雨帽结构优化参数为上遮雨帽顶端高度h2，底端高度h3，下遮雨帽内半径r1，外半径r2，高度h1。为符合电抗器的实际绝缘要求，各参数应选择以下范围：h3的范围为1.8m-2.0m，h2的范围为2.0m-2.4m，h1的范围为1.1m-1.8m，r1的范围为0.1m-0.3m，r2的范围为0.3m-0.7m。

33、优选的，所述步骤3中，正交试验设计方法如下：

34、1）确定试验目的和要求；

35、2）确定试验指标；

36、3）选择试验因素，确定因素水平；

37、4）选择合适的正交表；

38、5）列试验方案。

39、其中，根据双遮雨帽电抗器模型，结合实际电抗器的绝缘水平要求和实际工程经验，将每个遮雨帽参数选取五个因素水平，如表1所示：

40、表1正交试验因素水平取值

41、

42、由上表可知，若通过排列组合对每一组都进行实验，则需要实验次数为55=3125，考虑到计算的工作量，通过spss（statistical product and service solutions）软件生成五因素五水平的正交实验表。

43、本发明提供种基于有限元仿真的电抗器遮雨帽结构参数优化方法，具有以下有益效果：

44、1、本发明考虑遮雨帽和隔音罩对电抗器温度分布的影响，采用有限元法得到了更详细的空心电抗器的流场和温度场，使得仿真结果更接近真实情况。

45、2、本发明综合考虑了遮雨帽和隔音罩对电抗器散热的影响，并且考虑了双层遮雨帽结构对散热性能的影响，有效提高了空心电抗器的散热能力。