基于ANSOFT的电压互感器电磁特性的研究

基于ANSOFT的电压互感器电磁特性的研究彭韬,李九虎,郑玉平,须雷（南瑞继保电气有限公司，江苏南京211102）摘要：建立了基于ANSOFT的电压互感器仿真模型，分析了电压互感器在不同一次电压下的电磁特性。关键词：电压互感器；电磁特性；ANSOFT中图分类号：TM４０１＋．１文献标识码：B文章编号：１００１－８４２５（２００８）１２－００２９－０４ResearchonElectromagneticCharacteristicsofVoltageTransformerBasedonANSOFTPENGTao,LIJiu蛳hu,ZHENGYu蛳ping,XULei（NanjingNari－RelaysElectricCo．,Ltd．,Nanjing２１１１０２,China）Abstract：ThesimulationmodelofvoltagetransformerbasedonANSOFTisconstructed．Theelectromagneticcharacteristicsofvoltagetransformerunderdifferentprimaryvoltageareanalyzed．Keywords：Voltagetransformer；Electromagneticcharacteristic；ANSOFT1引言传统电压互感器一般是根据等效电路和经验参数进行设计的，设计后的互感器需经过加工、试验测试之后再进行参数反复修改，然后再确定最后的加工参数。这种方法有时比较耗时、耗加工材料。若利用电磁场仿真软件在互感器加工之前进行电磁场的有限元仿真分析，研究其电场分布、磁通密度、励磁磁通及饱和特性等，利用优化设计出来的参数进行加工生产，就会节约研制时间，并避免材料的浪费。利用有限元分析软件ANSOFT的MAXWELL２D二维电磁场仿真软件包[１]就可以研究以上所述的内容。同时，仿真分析的内容和结果也为互感器的设计提供了理论依据和技术支持。2电压互感器电磁特性仿真模型的建立基于ANSOFT软件的MAXWELL２D电磁场仿真步骤为：建立几何模型、设定材料属性、指定边界条件和激励源、设定求解选项、数值计算分析和后处理等。笔者对一个已加工的电压互感器进行了电磁场仿真分析，该互感器的额定变比为６０V∶４V，采用EI型硅钢片叠装成铁心。图１为电压互感器的几何模型图。其中，①为一次绕组。②为二次绕组。③为叠装成的铁心。④为气隙。因采用EI型硅钢片叠装成铁心，故铁心中有气隙。铁心与二次绕组之间及一、二次绕组之间也均为空气隙。③④①②③④①②③④③④③④④图１电压互感器的几何模型图Fig．１Geometricmodelofvoltagetransformer第45卷第12期2008年12月TRANSFORMERVol．４５DecemberNo．１２２００８第45卷电压互感器的一、二次绕组均采用铜导线绕制，铜的相对磁导率为０．９９９９９１，电导率为５．８×１０７S／m，空气的相对磁导率为１．００００００４。铁心材料磁化曲线的设置对仿真结果有很大的影响，因为铁心是一、二次绕组之间的电磁转换的介质。在仿真软件中设置的B－H磁化曲线图如图２所示。设置求解区域边界的磁势为零，电压互感器的一次电压激励源通过外部电路获得。然后进行有限元网格剖分和求解，网格剖分图如图３所示，后处理分析时得到的磁力线分布图如图４所示。为分析电压互感器的机理[２]，现用解析方法导出暂态磁通的表达式，图５为电压互感器空载合闸等效电路图。设u１＝Umcos(α＋ωt)，由于一、二次漏电感很小，可以忽略不计，则有：－u１＋R１i－e１＝０e１＝－dψdtu１＝Umcos(α＋ωt)ψ＝N１（１）式中α———合闸初相角ψ———一次绕组的磁链，即各匝绕组所绞链的磁通总和N１由式（１）可推出：ddt＋R１L＝Umcos(α＋ωt)N１（２）假设L为常数，设定边界条件(０）＝r，r即t＝０时的剩磁通，则求解式（２）可得出：＝[r－msin(α＋θ)]e－LR１t＋msin(α＋θ＋ωt)（３）其中：m＝LUmN１ω２L２＋R１２姨θ＝arctanωLR１由式（３）可知，暂态磁通由以正弦变化的周期稳态分量msin(α＋θ＋ωt)和以指数衰减的非周期分量[r－msin(α＋θ)]e－LR１t组成，因而暂态磁通的大小是这两个分量大小的总和。3电压互感器电磁特性的研究笔者利用上述建立的模型，对电压互感器在不同一次电压情况下的特性进行了分析和研究。经分析，电压互感器在不同电压下的特性比较如表１所示；施加一次电压１７０V时的特性分析波３００２７０２４０２１０１８０１５０１２０９０６０３００１．８１．６１．４１．２１．００．８０．６０．４０．２０B／TH／A·m－１图２硅钢片B－H磁化曲线Fig．２B－Hmagneticcurveofsiliconeplate图３网格剖分图Fig．３Subdivisiondiagramofmesh图４后处理分析时得到的磁力线分布图Fig．４Distributionofmagneticlineofforceaftertreatmentandanalysis图５电压互感器空载合闸等效电路图Fig．５EquivalentcircuitofnoloadswitchinvoltagetransformerR１—一次绕组电阻L—励磁电感e１—一次反电势iR１e１＋－U１KR２＋－＋－e２U２＋－L30彭韬、李九虎、郑玉平等：基于ANSOFT的电压互感器电磁特性的研究第12期００．０１０．０２０．０３０．０４０．０５０．０６０．０７０．０８I０／A５００４５０４００３５０３００２５０２００１５０１００５００f／Hz图１３U１＝２５０V时的励磁电流幅频特性图Fig．１３AmplitudeandfrequencycharacteristicsofexcitingcurrentduringU１＝２５０V形图如图６～图８所示。施加一次电压２５０V时的特性分析波形图如图９～图１３所示。表１不同一次电压下的电压互感器特性比较表Table１Comparisonlistofcharacteristicsofvoltagetransformerunderdifferentprimaryvoltage所施加的一次电压U１／V特性参数最大暂态磁密Bmax／T稳态磁密幅值Bac／T最大暂态磁通max／Wb稳态磁通幅值ac／Wb最大励磁涌流I０max／A稳态励磁电流幅值I０／A铁心损耗Loss／W６００．７９００．４３００．０００１３６０．００００７４４０．０１４６５０．００８０．０１７２１７０１．７７６１．２１５０．０００３１００．０００２０８３０．３１８０．０２３０．１３８５２００１．８００１．４２００．０００３１００．０００２４５００．４６００．０３００．１９１０２５０１．８００１．７０５０．０００３１００．０００２９８００．６４００．１２００．２８７０－３００－２００－１０００１００２００３００００．３０．２５０．２０．１５０．１０．０５U／Vt／s图６U１＝１７０V时的电压波形图Fig．６VoltagewaveformduringU１＝１７０V－０．０００３－０．０００２－０．０００１００．０００１０．０００２０．０００３０．０００４／Wb０．３０．２５０．２０．１５０．１００．０５t／s图７U１＝１７０V时的暂态磁通波形图Fig．７TransientfluxwaveformduringU１＝１７０V－０．０５００．０５０．１０．１５０．２０．２５０．３０．３５I０／A０．３０．２５０．２０．１５０．１０．０５０t／s图８U１＝１７０V时的励磁电流波形图Fig．８ExcitingcurrentwaveformduringU１＝１７０V－４００－３００－２００－１０００１００２００３００４００U／V０．１２０．１０．０８０．０６０．０４０．０２０t／s图９U１＝２５０V时的一次电压和一次反电势波形图Fig．９PrimaryvoltageandbackelectromotiveforcewaveformduringU１＝２５０V－３０－２０－１００１０２０３０U／V０．１２０．１０．０８０．０６０．０４０．０２０t／s图１０U１＝２５０V时的二次电压和二次反电势波形图Fig．１０SecondaryvoltageandbackelectromotiveforcewaveformduringU１＝２５０V－０．０００３－０．０００２－０．０００１００．０００１０．０００２０．０００３０．０００４／Wb０．１２０．１０．０８０．０６０．０４００．０２t／s图１１U１＝２５０V时的暂态磁通波形图Fig．１１TransientfluxwaveformduringU１＝２５０V－０．２－０．１００．１０．２０．３０．４０．５０．６０．７I０／A０．１２０．１０．０８０．０６０．０４０．０２０t／s图１２U１＝２５０V时的励磁电流波形图Fig．１２ExcitingcurrentwaveformduringU１＝２５０V（下转第５５页）31董明、张伟、张冠军等：基于糠醛含量分析的电力变压器绝缘老化诊断第12期[２]毕鹏翔，张文元．变压器固体绝缘状态的监测方法[J]．高电压技术，２０００，２６（３）：４７－５１．[３]DL蛐T５９６－１９９６．电力设备预防性试验规程[S]．[４]UnsworthJ,MitchellF．Degradationofelectricalinsu-latingpapermonitoredwithhighperformanceliquidchromatography[J]．IEEETrans．Elect．Insul,１９９０，２５（４）：７３７－７４６．[５]杨丽君，廖瑞金，孙才新，等．油纸绝缘老化阶段的多元统计分析[J]．中国电机工程学报，２００５，２５（１８）：１５１－１５６．[６]MacAlpineJMK,张潮海．糠醛浓度判断变压器绝缘纸寿命的现场测量[J]．高电压技术，２００１，２７（２６）：４６－５０．收稿日期：２００８－０２－０４作者简介：董明（１９７８－），男，陕西西安人，西安交通大学讲师，从事电力设备故障诊断及寿命评估技术研究工作；张伟（１９８１－），男，河北张家口人，西安交通大学硕士研究生，从事电力设备在线监测与故障诊断研究工作。!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第３１页）从表１和图６～图１３的波形图中可以得出：（１）电压互感器的特性参数随着一次电压的增加而增大。当一次电压大于１７０V，互感器的暂态磁密超过铁心的初始饱和磁密１．６T时，互感器在第一个周波内出现了饱和现象；随着暂态磁密的衰减，互感器在第二个周波退出饱和。当一次电压为２５０V时，互感器的稳态磁密达到１．７０５T，超过了铁心的初始饱和磁密，因而一次反电势、二次电压、二次反电势波形发生了畸变。（２）一次电压大于１７０V时，在第一个周波内互感器出现了暂态饱和现象，互感器的励磁电感突减，因而励磁电流突增，出现了高于稳态励磁电流十几倍的励磁涌流，且励磁涌流波形为尖顶波形，其尖的程度与磁路的饱和程度有关[３]。当一次电压为２５０V时，互感器的稳态磁密也超过了铁心的初始饱和磁密，因而稳态励磁电流波形也发生了畸变，为尖顶波形，见图１２。经傅立叶变换，得到励磁电流的幅频特性见图１３，从图中可以看出，励磁电流除了基波（５０Hz）外，还出现了３次、５次、７次等其他奇次谐波分量。变压器的空载损耗主要是磁滞损耗和涡流损耗，两者均与磁通密度的幅值有关，随着一次电压的增加，磁通密度的幅值递增，空载损耗也出现了递增现象。4结论笔者建立了基于ANSOFT软件的MAXWELL２D电磁场仿真模型，分析了电压互感器机理，根据仿真结果分析了电压互感器的电压波形、暂态磁通、励磁电流等特性随着一次电压增加的变化，给出了详细