基于ANSYS-Workbench的电压互感器外壳漏磁场和温度场有限元计算

基于ANSYSWorkbench的电压互感器外壳漏磁场和温度场有限元计算[张佳1，王仲奕1，陈晓鸣1][1.西安交通大学，710049][摘要]本文使用新版Ansys13，基于ANSYSWorkbench环境，通过ANSOFTMaxwell和ANSYSMechanical联合仿真的方法，计算了电磁式电压互感器（PT）正常运行时绕组产生的漏磁场，以及由漏磁引起的涡流和涡流损耗，并将在计算所得涡流损耗结果传递至ANSYSMechanical热分析模型中，计算电压互感器外壳的温度场分布。[关键词]ANSYS；Maxwell；电压互感器；温度场。ThecalculationoftheleakagemagneticfieldsandtemperaturefieldsoftheshellofthePTbasedonANSYSWorkbench[zhangjia1，wangzhongyi1，chenxiaoming1][1.Xi’anJiaotongUniversity,710049][Abstract]ThispapercalculatestheleakagemagneticwhenthePTrunsnormally,besidestheeddycurrentandthelosscausedbytheeddycurrentbotharealsocalculatedwithANSOFTMaxwell.ThetemperaturefieldiscalculatedwithANSYSworkbench,bysendingtheeddycurrentlosstotheANSYSMechanical.[Keyword]ANSYS;Maxwell;VoltageTransformer;TemperatureFields.1引言电磁式电压互感器是用来连接电力系统中一次侧和二次侧的重要设备，广泛应用在GIS中，虽然电磁式电压互感器绕组单匝线圈中流过的电流很小[1]，但是在750kVGIS中的电磁式电压互感器的高压绕组的匝数达到数十万匝，所以流过高压绕组整体的电流产生的漏磁场在金属部件中造成的涡流和涡流损耗不可忽视，涡流损耗会使电磁式电压互感器内部产生局部过热，因此设计时必须予以考虑。ANSOFTMaxwell是一种通用的电磁场仿真软件，可用于计算电压互感器的漏磁场，ANSYSMechanical包含了结构热分析功能，可用于计算电压互感器的温度分布。ANSYSR13版本在Workbench分析环境中集成了ANSOFTMaxwell软件，并提供了与ANSYSMechanical的数据接口，因此利用Workbench环境可方便准确的计算电压互感器漏磁场引起的温度变化。2外壳漏磁场的计算和分析2.1计算模型的确定本文采用的计算模型基于西北某750kV变电站GIS用的电磁式电压互感器，其结构示意图如图1所示，对计算模型做如下假设：（1）忽略绕组线圈单匝导线的集肤效应，将绕组视为一个整体。（2）忽略铁芯中的涡流和磁滞效应，以及金属结构材料的磁滞特性对漏磁场的影响。图1电磁式电压互感器整体结构示意图在上述假设条件下，三维涡流场的边值问题为：在涡流区内()00ttμμσϕσσϕσ∂⎧∇×∇×−∇∇+∇+=⎪∂⎪⎨∂⎛⎞⎪∇−∇−=⎜⎟⎪∂⎝⎠⎩AAAA在非涡流区内sμμ∇×∇×−∇∇=AAJ在边界上0=A0ϕ=式中式中μ为媒质磁导率，σ为导体电导率，sJ为绕组线圈电流密度，A为矢量磁位，ϕ为标量磁位。2.2涡流损耗的计算与分析当大块导体处于变化的电磁场中时，导体中会感应出自成闭合回路的涡旋电流，称之为涡流，其损耗（称为“涡流损耗”）可根据公式2VJPdVγ=∫计算求得，其中J为涡流密度，γ为导体的电导率。1-壳体；2-一次侧高压绕组；3-环氧树脂；4-二次侧低压绕组；5-铁心2.2.1电流激励的计算在ANSOFTMaxwell的涡流场求解器中施加的电源激励为电流，所以本文首先采用瞬态场求解绕组中流过的电流。本文选取工频50Hz，幅值为750kV下的电压进行场路耦合计算，电路模型如图2所示，电路中的电容为高低压绕组的对地电容和高低压绕组间耦合电容，其值通过静电场求解获得。000.1ohm+750kVLabelID=VSource1GOhmWinding2Winding1101.04pF2260.9pF452.42pF图2模拟电压互感器二次侧开路运行时的电路模型瞬态磁场求解时导入计算精度为1%的静磁场计算网格，能够快速收敛达到较高的求解精度，计算所得绕组单匝电流波形如图3所示。0.005.0010.0015.0020.00Time[ms]-0.0020.0000.0020.0040.0060.0080.0100.0120.0140.016Current(Winding1)[A]AnsoftLLC50HzouheXYPlot1CurveInfoCurrent(Winding1)Setup1:Transient图3工频下绕组单匝电流由图3可知，50Hz下互感器高压绕组单匝线圈电流约为0.016A，总匝数为225000匝，所以在计算漏磁场、涡流及涡流损耗时，给图1所示计算模型中的高压绕组施加总电流为3600A。2.2.2漏磁场，涡流和涡流损耗的计算通过Maxwell软件对图1所示的电压互感器进行计算，得到电压互感器外壳的漏磁场，涡流和涡流损耗分布如图4-图6所示。图4电压互感器外壳漏磁场分布图5电压互感器外壳涡流分布图6电压互感器外壳涡流损耗分布从图4-图6可以看出：（1）外壳中最大磁感应强度为0.00124T，最大涡流密度为6.44e4A/m2，最大涡流损耗密度为116.8W/m3。（2）涡流密度方向与磁感应强度方向垂直，涡流产生的磁场的方向与漏磁场的方向相反。（3）涡流和涡流损耗密度较大的位置与绕组的位置对应。（4）漏磁场密度较大的位置，涡流和涡流损耗密度也较大。3漏磁场和温度场的耦合分析通过涡流场对电压互感器外壳涡流和涡流损耗的计算，得到了电压互感器正常运行下外壳中的漏磁场分布、涡流分布以及涡流损耗分布。在Workbench环境中添加热分析模板，并将Maxwell涡流场的计算结果导入热分析模型，计算获得外壳温。升本文主要是为了计算电压互感器外壳的温度场，计算中作如下假设：（1）假定电压互感器达到热平衡，即进行稳态热分析；（2）忽略外壳电导率随温度的变化，即只考虑电磁场对热的单向耦合。稳态时，三维温度场的边值问题为：2Tqλ∇=−()fTTTnαλ∂−=−∂式中，T为互感器外壳温度，fT为电压互感器周围环境温度，λ为导热系数，q为热源密度，α为自然对流换热系数。3.1温度场计算模型及材料属性在ANSYSWorkbench中添加稳态热分析模板，对绕组、铁芯以及外壳等各部件的材料在Workbench中的材料库中选取施加相应的材料。3.2温度场的计算利用Maxwell与Mechanical的耦合接口，采用鼠标拖拽的方式将Maxwell的计算结果数据链接至Mechanical热分析模板作为热源载荷进行加载，其计算流程如图7所示。图7ANSOFT涡流场和ANSYS温度场耦合关系图电压互感器在正常运行下，外壳中产生的涡流损耗可能会造成外壳温度升高，本文将涡流场中计算所得的涡流损耗映射到温度场的计算中，如图7中A4与B5的关系。假设电压互感器周围温度为22°C，空气的自然对流换热系数为1—10[2]，本文选5。经过计算得到电压互感器外壳温度分布如图8所示图8电压互感器外壳温度分布从图中可以看出，电压互感器外壳的温度最大位置与绕组的位置相对应，与最大漏磁场，涡流密度和涡流损耗的位置相同，涡流损耗造成的最大温升仅为0.022°C，由此可见当电压互感器在正常工作时，有漏磁场引起的电压互感器外壳的温度升高可以忽略不计。4结论本文基于ANSYSWorkbench分析环境，通过ANSOFTMaxwell和ANSYSMechanical耦合的方式，求解电磁式电压互感器外壳因漏磁场产生涡流，涡流损耗造成的温升特性。通过计算可以得到以下结论：（1）通过对电压互感器外壳漏磁场计算和温度场分析可知，进入外壳的漏磁通越大，产生的涡流就越大，由涡流引起的温度就越高，并且热点温度出现在涡流集中的部位。（2）在正常运行情况下，电压互感器外壳的温度升高可以忽略不计。[参考文献][1]肖耀荣，高祖锦.互感器原理与设计基础[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2003[2]赵镇南.传热学[M].北京：高等教育出版社，2002.