用多物理仿真优化互感器和传感器

为了保护和维护电网免受系统故障的影响,ABB使用多物理模拟来设计能够承受快速瞬变过电压的仪表变压器,以及用于潜水式地下保险库的分芯传感器。


布莱安·克里斯托弗
2019年12月

停电可能会持续几个小时、几天、几周甚至几个月。无论中断持续多久,都是令人沮丧和混乱的经历。当停电发生在极热或极冷的时候,它甚至可能是危险的。为了确保电网的稳定、保护和财务可行性,ABB使用多物理模拟和应用程序来开发优化的电气设计,特别是仪表变压器和传感器。

用仪表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,用于隔离、转换或降低高压和电流,以最大限度地提高安全性和可用性。ITs的用途包括电力系统的计量、监控、保护和控制。它由连接到高压或大电流电路的一次绕组和连接到低压或小电流二次电路的仪表或继电器组成。

在ABB,电流传感器设计(图1)是基于Rogowski线圈原理。Rogowski线圈由一个均匀缠绕的非磁芯线圈组成,输出电压与初级电流的导数成正比。在中压场景下测量电压的传感器使用电阻分压器,而电容分压器则用于电压测量和指示。

使用Rogowski线圈原理的传感器的照片。
图1所示。一个使用Rogowski线圈原理的传感器的例子。

IT和传感器(IT& s)行业近年来取得了重大发展。传统的ITs基于标准技术,已有100多年的历史,主要用于仪表和继电器。它们由铁磁电路组成,能够将功率从初级线圈转移到次级线圈,输出功率为1-5安培或120-240伏。

智能电子设备(IED)使用了更先进的技术,并且在过去20年才出现。这些变压器不是铁磁性材料,而是由固态元件组成。由于它们无法将功率从初级线圈传输到次级线圈,因此其能量输出较低。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。

ABB研发顾问工程师Nirmal Paudel表示:“ied更安全、更多功能,对广泛的输入信号有线性响应。”他补充说,它们“与今天的电子设备和我们的使用水平兼容。”

it与s仿真与设计的多重考虑

在设计IT时,必须考虑到多物理。事实上,Paudel称这种能力是“关键的”。当然,一个成功的设计应该捕获电阻和感应加热、电感和电容耦合、磁饱和和磁致伸缩。然而,诸如流体流动、对流冷却、热膨胀、外部负载和电路、噪声和振动以及集肤效应等现象也需要考虑(图2)。

一种互感器的COMSOL多物理模型设计。
图2。多种物理因素影响仪表变压器的设计。

为了解释各种物理效应,ABB使用COMSOL Multiphysics®软件。其中一个例子是模拟环氧树脂浇铸中的空隙和基本脉冲电平(BIL)期间产生的电场。这些结果使研究人员能够了解绝缘层和介电材料在保护设备方面的效果。

该软件还用于执行热分析。在线路电压互感器中,模拟用于计算初级和次级线圈绕组中的铁芯和电阻损耗。另一个使用热建模的例子是求出它的外边界和基板上的固定温度边界上的热通量。这些结果显示了设计中的温升和损耗,并提供了环氧树脂的热固化过程和模具流程。

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,以便在测试原型的3D打印之前对其进行优化,或者更严重的是,在大规模生产之前对其进行优化。建模不仅有助于提前了解设备的性能,而且有助于确定其结构完整性。

IT部件中冯·米塞斯应力分布图。
仿真结果显示了IT几何体的总位移。
结合von Mises应力和IT几何总位移的图。
图3。结构模拟被用来优化IT的几何形状。

非常快的结果非常快的瞬态现象

非常快的瞬态(VFT)现象是在涉及开关的电网设备中考虑的重要因素,例如真空断路器。当开关导致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。当暂态过电压的分布变得高度非线性时,会导致内部故障。由于新的电网发电、负荷、线路特性和开关量的增加,风力发电等可再生能源附近的VFT过电压(VFTO)发生率较高。VFTO陡度(即过电压分布的速度)可高达3 MV/微秒,比闪电陡度大得多!(请注意,陡度对绝缘系统的破坏与大小一样大。)

IT&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,迄今为止还没有软件模型。ABB与Rapperswil的Hochschule für Technik(应用科学大学)合作,创建了一个工具来模拟这种行为,并逐个了解IT中的电压分布。结果如何?新的设计方法和新型干式绝缘,可抵抗VFTO的负面影响。

一种用于地下开关的分芯电流互感器的设计

分芯设计是变压器的一个重要特点,它使电网维护不受任何干扰。ABB着手设计一种分芯电流互感器(传感器),在由其他设备进行开关的同时,允许高精度电流测量,IED根据传感器的信号评估开关的需要。这种传感器是防水的,可潜入水中,因此可以在地下使用。(地下输电线正成为行业标准,因为它们不太可能受到大风或恶劣天气的影响,尤其是在城市里。)这种分芯传感器有自己的设计难题,包括形状、尺寸、重量、线圈匝数、磁芯形状和磁芯尺寸(图4)。除此之外,根据设备的配置,还存在电流串扰的风险。最后,在进行生产和使用测试之前,传感器需要符合行业标准。“在测试实验室之前,必须满足各种IEEE和IEC标准,”Paudel说。

分芯电流互感器模型的示意图。
图4。分芯电流互感器模型的原理图。

ABB团队再次求助于该软件,以便在原型制作之前对分芯电流传感器设计进行优化。Paudel已经使用它很长时间了,并且很喜欢它的“易用性,以及它对多种物理具有相同的界面,并且很容易与其他物理结合在一起的事实。”COMSOL软件包括用于实现Maxwell-Ampère定律的内置设置和用于求解频域磁场的接口(图5)。通过使用几何对称,ABB团队只需对线圈的四分之一建模,节省了时间、精力和计算资源。一个特殊的线圈建模特性使研究小组能够将初级线圈设置为固体导体,将次级线圈设置为均质多匝线圈。边界条件描述了磁场的切向分量和表面电流密度为零的区域作为一个完美的磁导体,外部边界被设置为磁绝缘体。Solver功能使团队能够轻松地调整固体导体和均质导体之间的设置,以及固体导体与电线之间的设置。

分芯电流互感器模型的示意图。
图5。分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设计的一个耗时方面是非线性磁B-H曲线(直流磁化)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一个示例应用程序来执行这些计算。通过应用得到了有效的H-B曲线,利用该值对分芯电流传感器的磁芯进行了建模。他们发现,由于磁通量密度的降低,整个磁芯的磁导率几乎是线性的。基于这些结果,研究小组得出结论,应使用均匀的各向异性导电性和渗透率。

观察模拟的磁通量和电流密度结果,ABB团队发现他们设计的磁通量水平非常小,这对于他们的中压使用情况是理想的。此外,该组织注意到一些有趣的:通常,当次级线圈的匝数增加,开路电压也增加了(就像他们的研究,从130年到196 V)。然而,当负载连接在线圈电压并不总是增加,有时甚至会降低。

ABB为该项目完成的最终分析之一,是针对分芯电流互感器设计的不同配置的三相串扰进行研究。他们发现,串音的不同取决于次级线圈是放置在离变压器气隙更近还是更远的地方。

最终产品:优化设计和增强的开发过程

ABB的最终设计迭代,潜水分裂铁心传感器,满足了标准IEEE和IEC(图6)。当被问及自己的未来计划,Paudel提到,他的团队正在致力于开发一个工具来推进VFTO的分析和变形金刚,减少分析过程的时间表从周的天。该工具将主要依赖于MATLAB®但可能会提供与COMSOL的集成®通过LiveLink的软件™对于MATLAB®接口产品。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过程,就像他们致力于最终结果一样。他们努力优化设备,提高电网的可及性。正如鲍德尔所说,当IT或分芯电流传感器等设备能够在所有条件下生存时,“每个人都受益。”

一张潜水式裂芯变压器的照片。
图6。潜水式分芯传感器。
四名ABB团队成员的照片。
ABB团队,从左到右:Vivek Siddharth, Steve Shaw, David Raschka和Nirmal Paudel。



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