树脂浇注干式变压器电磁优化设计.pdf

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1、第 4 3卷第 3期 2 0 0 6年 3月 蚕珏器 V O I4 3 N o 3 Ma r c h 2 o o 6 树脂浇注干式变压器电磁优化设计丰 陈开全， 郭 峰， 刘 燕， 易吉良 ( 顺特电气有限公司，广东 佛山 5 2 8 0 0 0 ) 摘要： 介绍了树脂浇注干式变压器电磁优化设计的思路以及开发的优化设计计算机软件， 并给出了 应用实例。 关键词 ： 变压器； 优化设计 ； 电磁设计 ； 节材 中图分类号 ： T M4 O 2 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1 - 8 4 2 5 ( 2 0 0 6 ) 0 3 - 0 0 1 0 - 0 4 1前言 在变压器设计

2、中， 电磁方案优化设计是相 当重 要的一个环节 ， 可以说 电磁设计成本的高低基本决 定 了整个变压器成本的高低 。特别是从 2 0 0 4年开 始的原材料价格持续攀升 ， 导致 了变压暑 毛利持续 降低 ， 利润迅速下降， 给整个变压器行 昀发展带 来了很大威胁。如何在保证产 品质量的同时降低原 材料的用量 ， 从而 降低变压器 的生产成水 ， 已经成 为刻不容缓的事情。 顺特 电气 自主开发 的变压器 电磁 方案优化设 计软件是一款操作简单、 功能强大的软件。它使用 穷举 的方法 ， 将符合某一特定条件 范围内的所有电 磁设计方案计算出来 ， 然后利用软件 的排序功能将 所有方案按成本 由

3、高到低排序 ， 从 而很方便地得出 成本最优的方案 。利用该软件进行 电磁方案设计 ， 不仅降低 了生产成本 ， 而且随着原材料价格不断变 动 ， 只要计算 时重新输入材料 的市场价格 ， 就 能很 快得出不同价格下对应 的最优方案。更重要的是该 软件使用 V B 6 0编写 ， Wi n d o w s的操作 界面相当友 好 ， 操作非常简单 。该软件的操作界面如图 1 所示 。 2变压器电磁优化设计软件的数学模型 数学模 型是对一个工程项 目的基本描述 ， 是项 目功能的反映。一个好 的数学模型最基本的要素就 是能反映出该项 目的最终 目标 。变压器优化设计 的 最终 目标就是在满足合 同

4、要求 的情况下使 设计方 案 的成本达到最优。为此 ， 建立数学模型时 ， 必须把 成本作为目标函数， 其它的所有参数和要求都作为 该 目标函数 的参数。 全 国变压器节材 技术研讨会获奖论 文。 图1 变压器电磁优化设计软件界面 F i g 1 S o f t i n t e r f a c e o f o p t i mu m e l e c t r o ma g n e t i c d e s i g n o f t r a n s f o r me r 变压器结构千变万化 ， 电磁结构 、 电磁关系更是 复杂万分。 建立模型时首先要确定设计 中的变量 。 变 压器的变量很多， 主要有绕

5、组匝数 、 匝电压 e 。 、 铁 心直径 D、 磁通密度 E、 铁心窗高 、 中心 距 ， 导 线宽 0 、 导线厚 b等。这些变量的集合可以用一矢量 X表示 ， 即 =( n ， e ， D， B ， 日 ， ， a I ， 啦。 b 1 ， 6 2 ) 可以简记为 ： l _ ， ， 。由此可得 出下面的 表达式 ： m i n ) ( 1 ) f 0 I1 P I ( ) 0 12 P 2 ) ( 2 ) I ： 【 1 P k ( ) 表达式( 1 ) 是变压器成本 的 目标函数 ， 主要 由硅 钢片 、 电磁线 、 树脂三大材 料的重量和价格决定 ； 表 维普资讯 http:/ 第

6、 3期 陈开全、 郭峰、 刘燕、 易吉良： 树脂浇注干式变压器电磁优化设计 苎 墨 妻 达 妻 。 变 压 器 电 磁 设 计 时f -_ 主 要 考 虑 的一些约束条件包括 ： ( 1 ) 材料方面的约束主要包括硅钢片的厚度和 性能参数， 电磁线的规格型号和绝缘厚度等。 ( 2 ) 性能参数方 面的约束主要包括短路阻抗 、 负 载损耗 、 空载损耗 、 温升 、 工频耐压 、 冲击 电压 、 局放 水平等。 现在由于环保意识的加强 ， 对噪声要求也变 得越来越严格 ，而且这些要求也会随着社会的发展 变得越来越高 ，如新 的节能标准就对负载损耗和空 载损耗有很严格的要求。 ( 3 ) 绕组结构

7、的约束主要有绕组是线绕还是箔 绕 、 有无风道 、 风道 的大小 和数量 、 是三角形联结还 是星形联结 、 有无分接 、 分接范围的大小和级差等。 ( 4 ) 可操作性方面的约束主要有模具 的大小 、 绕 组包封最大厚度 、 最多并叠绕根数等。 ( 5 ) 其它约束主要有客户对产 品外形尺寸的一 些特殊要求或其它的一些特殊要求等。 3优化设计软件的开发 3 1 电磁优化设计软件的设计 文章前面已介绍过电磁方案优化设计软件的设 计思路是首先使用穷举法把满足合同要求 的某一范 围内的所有 电磁设计方案计算出来 ，然后计算每个 方案的成本， 再将所有方案按成本由低到高排序， 最 后选出成本最低的方

8、案作为设计方案 。从而达到成 本最优设计 。 程序设计的具体过程如下 ： ( 1 ) 根据给出的参数估算铁心直径D ( 2 ) 计算匝数 ( 3 ) 计算低压内模 ( 4 ) 计算低压外模 ( 5 ) 由输入的中心距 计算高压外模 ( 6 ) 计算高压内模 ( 7 ) 计算窗高 H ( 8 ) 计算阻抗 ( 9 ) 高低压绕组设计 ( 1 0 ) 计算温升 ( 1 1 ) 计算空载损耗 P 0 ( 1 2 ) 计算负载损耗 尸 k ( 1 3 ) 方案判断， 检验各个参数 ( 1 4 ) 计算重量及成本 计算过程如图 2所示 。 为了使程序计算出的方案可操作性高和计算过 程尽量简单 ，设计过程

9、中我们引入本公司干式变压 器设计原则库。该设计原则库是公司多年的经验总 N N N N 堕 一 - 雨 匝数 铁心直径循环、 ， 一 N 低压内循环 低压外模循环、， 一 Mo 中心距 循环 、 一 N 循 兰 窗高 循环、 ) 各 方莱判断、 一 输出结果 结束 图 2变 压 器 电磁 优 化 设 计 习 f E 程 图 Fi g 2 Fl o w d i a g r a m o f o p t i mu m e l e c t r o ma g n e t i c d e s i g n o f t r a n s f o r me r 结 ， 只要设计方案都根据该原则进行 ， 就可以避免

10、一 些经常出现的问题 ， 如局放过大 、 温升过高 、 绝缘距 离不够等问题。为了避免噪声过高， 在方案选定后 ， 还必须 用专 门的噪声计算软 件对方案进行 噪声 分 析。 如果噪声过大则必须重新选择方案 ， 只有噪声不 超过国家标准的方案才可行 。为了减少新开模具的 费用成本 ， 设计时还建立一个 内、 外模模具和电磁线 线规的数据库。 这样 ， 计算 出的方案所使用的模具和 线规都是已有的， 既方便了生产又降低了费用。 3 2对程序进行优化 一个好的计算机程序必须具备界面友好 、操作 简单 、 帮助信息清楚准确 、 设计思路清晰 、 模块功能 明确、 输入输出能力强等特点。除此之外 ，

11、还必须有 维普资讯 http:/ 1 2 叠 氇 g 第4 3 卷 衰 1 最优方案主要性能参数衰 Ta b l e 1 Op t i mu m s c h e me o f ma i n p a r a me t e r s 空载损耗 W 负载损耗 ( 1 2 0 a c ) 温升 K 噪声 d B 比原标准 9系列 产品型号 标 准 设计 实测 标准 设计 实测 标准 设计 实测 标准 设计 实测 材料成本降橱 S CB9 - 25 O 0 l 0 3 5 0 o 3 4 2 0 3 4 0 O 1 8 1 8 0 1 8 1 0 5 l 8 0 6 0 1 0 0 9 2 3 91 9

12、5 4 5 2 6 5 2 68 S CB9 2 0 0 o 1 0 3 2 0 o 3 1 0 5 3 0() 6 1 5 3 0 o 1 5 1 5 0 1 5 I l 0 1 0 0 9 2 1 91 5 5 4 5 2 4 5 2 9 S CB 9 8 0 o 1 0 1 5 2 0 l 4 9 8 1 48 6 7 3 6 0 7 3 3 5 7 3 l 8 1 0 0 9 30 9 2 1 5 3 5 0 1 5 0 6 详细的设计文档 ， 以便以后的人员查阅。 在软件开发时，我们使用了可视化编程工具 V B 6 0 0其 Wi n d o w s的操作界 面大大简化 了操作过 程

13、。开发过程中， 我们将程序分为几大功能模块， 包 括初始化模块 、 铁心计算模块 、 高低压绕组方案设计 模块 、 阻抗计算模块、 温升计算模块、 读取输入信息 模块 、 输出结果模块。这些模块独立性强 ， 方便主程 序调用 ，不但可简化没计过程 ，而且可提高运行速 度。 3 3 程序的验证 在程序投入使用之前 ，必须对程序的可靠性和 准确性进行验证。验证的方法是人工对计算结果进 行重新计算审核 ，且对不同容量多个产品进行反复 验证， 直到准确率在 9 5 以上时才推广使用。 3 | 4 程序的不足 很多软件在开发后都会有许多不足之处 ，该软 件也不例外。该软件理论上可以计算出满足某一范 围内

14、的所有方案， 但实际应用时却并非如此 ， 有不少 方案在计算过程中由于某些原因被忽略。 另外 ， 由于 计算噪声的算法还不完善 ，方案选定后还必须重新 计算噪声才能判断方案的可行性。 目前， 该软件还在 不断地完善中，相信不久以后这些问题都会得到很 好 的解决。 4 应用实例 下面以 3台 9系列干式树脂浇注的标准变压器 产 品为例 ， 来简单介绍该软件的应用情况 。 首先新增计算方案 ， 输入设计参数 ， 然后开始计 算。计算结束后， 通常会得到很多方案， 必须经过筛 选后才能确定最优方案。最优方案的各个参数必须 接近标准值， 以成本最低为最优。 把方案输出后用噪 声软件重新计算 ， 如果噪

15、声没有超标， 则可以确定方 案可行。 产 品生产后做 了各项试验 ，表 1 列 出了这几 台 产 品的主要性能参数 ， 试验结果表明， 损耗 、 温升 、 噪 声均符合要求 。 而且在满足各个参数 的情况下， 整个 系列加权材料成本平均降幅达7 左右。试验结果 表明， 该优化软件的优化结果是成功的。 5 结束语 变压器电磁优化设计软件的使用大幅地降低了 变压器的用料 ， 从而降低了变压器的制造成本 。 该软 件对计算机硬件的要求比较低，可以运行 Win d o w s 的配置都可以运行此软件。该软件的开发对变压器 优化设计起了很大的作用，在节材增效过程中起着 不可忽视的作用。 参考文献 ： 【

16、 1 】 伊克宁变压器设计原理【 M】 北京： 中国电力出版社， 2 o 0 3 O p t i mu m E l e c t r o ma g n e t i c D e s i g n o f R e s i n C a s t i n g D r y - T y p e T r a n s f o r me r C HEN Ka i q u a n ,GUO Fe n g ,L I U Y a n ,Y I J i 4 i a n g ( S h u n t e E l e c t r i c C o ，L t d ，F o s h a n 5 2 8 0 0 0 ，C h i n a

17、) Ab s t r a c t ： Th e i d e a f o r o p t i mu m e l e c t r o ma g n e t i c d e s i g n o f r e s i n c a s ti n g d r y t y p e t r a n s f o r me r a n d t h e s o f t o f o p ti mu m d e s i g n and c a l c u l a t i o n a r e i n t r o d u c e d T h e a p p l i c a b l e e x a mp l e s a r e

18、 p r e s e n t e d Ke y w o r d s ： T r a n s f o r m e r ；O p t i mu m d e s i g n ；E l e c t r o ma g n e t i c d e s i g n ；S a v e m a t e r i a l 维普资讯 http:/ 第 4 3卷第 3期 2 0 0 6年 3月 蠢 珏 嚣 院 4 团 V o 1 4 3 N o 3 Ma r c h 2 0 0 6 收稿 日期 ： 2 0 0 5 0 8 3 l 作者简介： 陈开全( 1 9 7 9 一 ) ， 男， 广西省桂平市人， 顺特电气有限公司

19、助理工程师， 主要从事干式变压器产品设计工作； 郭峰( 1 9 8 0 一 ) ， 男， 四川省达川市人， 顺特电气有限公司助理工程师， 主要从事千式变压器产品设计工 作 ； 刘燕( 1 9 6 9 一 ) ， 女， 湖南省湘乡人， 顺特电气有限公司副总工程师， 高级工程师， 主要从事干式变压器产品 设计与管理工作 ； 易吉( 1 9 7 3 一 ) ， 男， 湖北省麻城市人， 顺特电气有限公司设计科科长， 工程师， 主要从事干式变压器产品设 计与管理工作。 石 、 ! ； ； 石 ； 、 写 ； ： 磁阀式可控电抗器在电气化铁道中的应用 吴利仁， 郭欲平， 易运军， 周书亮， 蔡智勇， 刘志

20、谦 ( 长沙顺特变压器厂，湖南 长沙 4 1 0 0 1 4 ) 摘要： 简要介绍了磁闯式可控电抗器的基本工作原理， 并通过实例说明了其在无功补偿中的应用效果。 关键词 ： 磁阀； 可控 电抗 器； 原理 ； 无功补偿 中图分类号 ： T M4 0 2 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1 - 8 4 2 5 ( 2 0 0 6 ) 0 3 - 0 0 1 3 0 4 1工作原理 铁心电抗器的电抗为 ： X -t o Ng A 恤恤 L t r， ， 容量 ： s = N_ A L 其中， 为角频率， 为绕组匝数，A 。 为心柱截面积， 为额定电压 ， 肛为铁心磁导率 ， 为空气磁

21、导率 ， 厶为磁路长度 。 磁阀式可调电抗器的工作原理就是利用铁磁 材料磁化曲线的非线性关系 ， 通过改变铁磁材料 的 饱和度， 达到平滑调节电抗器电抗值的目的。饱和 度的改变是通过在交变的磁密 B = B , c o s c o t 上增加一 个恒定直流分量 玩 来实现的。 图 1 为有直流偏磁时 的铁心磁饱和原理图。由图 1 可知 ： Bl ( t o t ) = B d - B c o s ( t o t ) B 2 ( n ， t ) = 一 B , c o s ( n ， t ) 当控制绕组中直流电流为零时， 玩： O ， 交流磁感 应强度 B ， 在一 8 和 B 。 之间变化 ，

22、 幅值为 B 。 。增加 控制绕组中直流电流使得 B 。 、 B 中的直流分量增 加， 其幅值升( 降) 至 B 。 一 8 。 范围之外。图中阴影部 分 ( 电角度为 2 3 ) 标志着半铁心在工频一周时间内 一 善 一 一 一 一 B 咀 一- - r -XB一, B 1 0 I i I 1 0 I 、 I H I 、1 l I 一 卜、 、 、 t ot 圈 1 有直流偏磁时的铁心磁饱和原理图 Fi g 1 Co r e ma g n e tic s a t u r a t i o n d i a g r a m d u Hn g De ma g n e t i c d e v i a t i o n 的饱和时间， 用 JB 表示 ， 称为磁饱和度， 其值在 0 2 范围变化， 反映了铁心的饱和程度。 由图 1 可得： JB = 2 8 r c e o s B B d D 简单地说，磁阀式可控电抗器工作原理和饱和 电抗器类似，两者区别在于饱和电抗器是整个铁心 处于饱和状态， 而本电抗器是局部铁心饱和， 因此其 维普资讯 http:/