利用多物理仿真优化仪表变压器和传感器

为了保护和维护系统故障的电网,ABB使用多麦草仿真来设计仪器变压器,可承受非常快速的瞬态过电压和用于潜水地下保管库应用的分芯传感器。


由Brianne克里斯托弗
2019年12月

停电可以持续几个小时,天,周 - 甚至几个月。无论中断持续多久,它都是令人沮丧和颠覆性的经历。在极热或寒冷期间发生时,遮光甚至可能是危险的。为确保电网稳定性,保护和金融活力,ABB采用多体仿真和应用来开发优化的电气设计,特别是仪器变压器和传感器。

用仪器变压器确保电网保护

仪表变压器(ITs)是专门的、高精度的变压器,它隔离、变换或降低高压和电流,以最大限度地提高安全性和可用性。其用途包括电力系统的计量、监测、保护和控制。它由初级绕组和仪表或继电器组成,初级绕组连接高压或大电流电路,仪表或继电器连接低压或小电流二次电路。

在ABB,电流传感器设计(图1)基于Rogowski线圈原理。Rogowski线圈由具有非磁芯的均匀缠绕的线圈组成,输出电压与初级电流的衍生物成比例。测量中电气场景中电压的传感器使用电阻分压器,另一方面,电容式分隔器用于电压测量和指示。

使用Rogowski线圈原理的传感器的照片。 Rogowski线圈原理传感器
图1.使用rogowski线圈原理的传感器的示例。

IT和传感器(IT)行业近年来取得了重大发展。传统其基于标准技术,并且已经存在超过100年,主要用于米和继电器。它们由铁磁电路组成,能够从初级线圈转移到次级线圈,输出为1-5安培或120-240伏。

智能电子设备(IEDs)使用了更先进的技术,而且只有20年的历史。这些变压器不是由铁磁性材料组成的,而是由固态元件组成的。由于它们不能将电力从初级线圈转移到次级线圈,因此它们的能量输出很低。这使得它们适用于许多室内和室外应用,如空气和气体绝缘环境、线路柱和线路安装变压器。

“IEDS是更安全,更通用的,并且具有广泛的输入信号的线性响应,”ABB咨询研发工程师Nirmal Paudel说,并补充说,它们与当今的电子设备和我们的使用水平兼容。“

对IT仿真和设计的多种考虑因素

在设计它时,必须考虑多体学习。事实上,paudel称这个能力“至关重要”。当然,成功的设计应该捕获电阻和电感加热,电感和电容耦合,磁饱和度和磁致伸缩。然而,需要考虑流体流动,对流冷却,热膨胀,外部载荷和电路,噪音和振动等现象,以及皮肤效果也需要考虑(图2)。

仪表变压器设计的COMSOL多体学模型。 仪表变压器模型
图2.多种物理影响仪器变压器设计。

为了应对各种物理效应,ABB使用了COMSOL Multiphysics®软件。一个例子是模拟由环氧树脂铸造中的空洞和在基本脉冲水平(BIL)期间引起的IT的电场。这些结果使研究人员能够看到绝缘层和介质材料在保护器件方面的有效性。

该软件还用于执行热分析。在线线电压互感器中,模拟用于计算初级和次级线圈绕组中的核心和电阻损耗。使用热建模的另一个实例是在底板上找到其外边界和固定温度边界的热通量。这些结果表明了设计中的温度和损失,并提供了对环氧树脂的热固化过程和模具流动的研究。

第三个例子是结构分析。ABB团队计算IT的应力水平,以优化几何结构(图3)。他们还研究了设备和组件的应力位移水平,以便在3D打印原型进行测试——或者更严重的是,在大规模生产之前优化它们。建模不仅有助于提前看到设备的性能,也有助于确定其结构完整性。

图冯米塞斯应力分布在一个IT组件。 von mises强调
仿真结果显示了IT几何图形的总位移。 总位移
将von与IT几何形状的压力和总位移组合的曲线。 压力和流离失所
图3.结构模拟用于优化它的几何形状。

非常快速的瞬态现象结果

在涉及开关的电网设备中,如真空断路器,快速瞬态现象是一个重要的考虑因素。当开关引起VFT时,它会对绝缘系统产生应力,并在变压器的一次绕组中引起内部谐振。当瞬态过电压的分布变得高度非线性时,就会导致内部故障。由于新电网、负荷、线路特性以及切换量的增加,在风能等可再生能源附近,VFT过电压(VFTO)的发生率较高。VFTO陡度(即过电压分布的速度)可以高达3 MV/微秒,这比闪电陡度要大得多!(请注意,陡度对绝缘系统的损害和陡度一样大。)

it和s的典型设计方法不会产生足以承受VFTO的结果。这是因为这些设计需要对绕组中的高频电压分布进行广泛的建模,而目前还没有针对这一问题的软件模型。ABB,与Hochschule für Technik(应用科学大学)在Rapperswil合作,创建了一个工具来模拟这种行为,并理解IT轮流电压分布。结果呢?新的设计方法和新的干式绝缘,可以抵抗VFTO的负面影响。

设计用于地下切换的分流芯电流变压器

拆分核心设计是变压器的重要特点,因为它可以在没有任何中断的情况下启用电网维护。ABB设置为设计一个分体式电流互感器(传感器),允许高精度电流测量,而切换由其他设备完成,并且根据来自传感器的信号通过IED评估对切换的需求。传感器防水且潜水,使其可以在地下使用。(地下电源线正成为行业标准,因为它们不太可能受到高风或恶劣天气的影响,特别是在城市。)这种分流核心传感器含有自己的设计挑战,包括其形状,大小和重量以及绕组转弯,芯形和芯尺寸(图4)。除此之外,根据设备的配置,存在当前串扰的风险。最后,传感器需要符合行业标准,甚至可以进行生产和使用。“必须在测试实验室之前满足各种IEEE和IEC标准,”波特尔说。

一个分芯电流互感器模型的示意图。 分裂铁心电流互感器
图4.分流芯电流互感器模型的原理图。

ABB团队再次转向软件,以便在原型设计之前优化分流芯电流传感器设计。Paudel一直在使用它很长一段时间,享受它的“易用性,以及它具有相同的多种物理界面,并且很容易与其他物理耦合。”COMSOL软件包括用于实现Maxwell-Ampère的定律的内置设置,以及用于解决频域中的磁场的界面(图5)。通过使用几何对称性,ABB团队仅用于模拟线圈的四分之一,节省时间,努力和计算资源。一种特殊的线圈建模特征使得团队能够将初级线圈作为实心导体和次级线线圈设置为均质的多旋转线圈。边界条件描述了作为完美磁导体的磁场和表面电流密度为零的切向分量的区域,并且将外界被设定为磁绝缘体。求解器功能使团队能够轻松调整固体和均匀导体之间的设置,以及固体导线与电线。

一个分芯电流互感器模型的示意图。 分裂铁心电流互感器
图5.分流芯变压器的磁通量和电流密度。

模拟应用程序提供快速计算

IT&S设计的一次耗费方面是非线性磁性B-H曲线(DC磁化)和等效交流有效H-B曲线之间的转换。ABB使用应用程序库中的示例应用程序来执行这些计算。在找到应用程序的有效H-B曲线后,它们使用该值来模拟分流芯电流传感器的磁芯。他们发现,由于磁通密度的降低,磁导率几乎是整个核心的线性。基于这些结果,该团队得出结论,应使用均匀的各向异性电导率和渗透性。

看着磁通量和电流密度结果的仿真结果,ABB团队发现其设计的磁通水平非常小,这对于他们的中压使用情况非常理想。此外,该组注意到有趣的东西:通常,当次级线圈上的匝数增加时,开路电压也增加(因为它为其中一个研究中的130到196 V)。然而,当负载连接在线圈上时,电压并不总是增加,并且有时甚至减小。

最终分析之一,即ABB为该项目完成的是针对分流核电流变压器设计的不同配置的三相串扰。他们发现,串扰不同,这取决于次级线圈是否更靠近或远离变压器的空气间隙。

最终产品:优化设计和增强的开发过程

ABB的最终设计迭代,潜水分流核心传感器,符合IEEE和IEC(图6)所示的标准。当被问及他们未来的计划时,Paudel提出了他的团队正在努力制定一个工具来推进VFTO和变形金刚的分析,从数周到几天降低分析过程的时间表。该工具将主要依赖于Matlab®但是可以提供与COMSOL的集成®软件通过LiveLink™马铃薯®互相产品。这个新工具的计划表明,ABB正致力于优化他们的工作流程和流程,因为它们是最终结果的结果。他们努力优化增加电网可访问性的设备。正如Paudel所说,当它或分裂核电流传感器等设备都可以在所有条件下存活时,“每个人都好处。”

潜水分芯变压器的照片。 潜水分裂铁心变压器
图6。潜水式分芯传感器。
四位ABB团队成员的照片。 ABB团队
ABB团队,从左到右:Vivek Siddharth,Steve Shaw,David Raschka和Nirmal Paudel。



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