使用多物理模拟优化仪表变压器和传感器

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仪表变压器,这些仪表变压器可以承受非常快速的瞬态过电压和可用于潜水地下库应用程序的拆分核心传感器。


布莱恩·克里斯托弗(Brianne Christopher)
2019年12月

停电可以持续几个小时,几天,甚至几个月。无论停电持续多久,这都是令人沮丧和破坏性的经历。当停电在极度的高温或寒冷期间发生时,它甚至可能是危险的。为了确保电网稳定性,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,尤其是仪表变压器和传感器。

确保使用仪表变压器保护电网

仪器变压器(ITS)是专门的,高度准确的变压器,可隔离,变换或降低高压和电流,以最大程度地提高安全性和可用性。它的使用包括电源系统的计量,监视,保护和控制。它是由主要绕组组成的,该绕组连接到高压或高电流电路,以及连接到低压或低电流次级电路的仪表或继电器。

在ABB,当前的传感器设计(图1)基于Rogowski线圈原理。Rogowski线圈由具有非磁性芯的均匀缠绕线圈组成,输出电压与主要电流的导数成正比。测量中电压场景电压的传感器使用电阻电压分隔器,另一方面,电容隔板用于电压测量和指示。

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

近年来,IT和传感器(IT&S)行业已取得了重大发展。传统它基于标准技术,并且已经存在了100多年,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)使用更先进的技术,在过去的20年中一直存在。这些变压器不是铁磁材料,而是由固态组件组成。由于它们无法将功率从初级线圈传递到次级线圈,因此它们的能量输出低。这使其可用于许多室内和室外应用,例如空气和气体绝缘环境,线路柱和线路安装的变压器。

ABB咨询研发工程师Nirmal Paudel说:“放大益学室更安全,更通用,对广泛的输入信号具有线性响应。”

IT和S模拟和设计的多个考虑因素

设计IT时,必须考虑多物理学。实际上,Paudel称此功能为“批判性”。当然,成功的设计应捕获电阻和电感加热,电感和电容耦合,磁饱和度和磁截图。然而,诸如流体流动,对流冷却,热膨胀,外部载荷和电路,噪声和振动等现象也需要考虑(图2)。

仪表188金宝搏优惠变压器设计的Comsol多物理模型。
图2.多种物理影响仪器变压器的设计。

为了说明各种物理效果,ABB使用ComsolMultiphysics®软件。188金宝搏优惠一个例子是对IT电场的模拟,这既是由环氧树脂铸件中的空隙以及基本脉冲水平(BIL)引起的。这些结果使研究人员能够了解隔热层和介电材料在保护设备方面的有效性。

该软件还用于执行热分析。在线条电压变压器中,模拟用于计算主要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IT的外部边界和底板上的固定温度边界上找到热通量。这些结果表明,设计中的温度升高和损失,并提供了环氧氧化物的热固化过程和霉菌流量的观察。

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形状(图3)。他们还研究了设备和组件的应力位移水平,以便在3D打印原型进行测试之前对其进行优化,或者更严重的是批量生产。建模不仅有助于事先查看设备的性能,而且有助于确定其结构完整性。

IT组件中Von Mises应力分布的图。
模拟结果显示IT几何形状的总位移。
结合von mises应力和IT几何形状的总位移的图。
图3.结构模拟用于优化IT的几何形状。

非常快速的快速瞬态现象的结果非常快

非常快速的瞬态(VFT)现象是在涉及切换的电网设备中考虑的重要因素,例如真空断路器。当切换引起VFT时,它会强调绝缘系统并在变压器的主要绕组中引起内部共振。瞬态过压的分布在高度非线性时会导致内部故障。由于新的网格产生,负载,线路特性和开关的增加,因此在可再生能源(例如风能)附近的VFT过压(VFTO)的发生率更高。VFTO陡度(即分布过电压的速度)最多可以三个MV/MICROSEC,这比闪电要陡峭得多!(请注意,陡度对绝缘系统的损害与大小一样。)

典型的设计方法&s不能产生在vfto下足够的结果。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,而绕组中没有软件模型的存在 - 到目前为止。ABB与Rapperswil的HochschuleFürTechnik(应用科学大学)合作,创建了一种工具来对此行为进行建模并了解IT转弯中的电压分布。结果?新的设计方法和一种新型的隔热材料,可以抵抗VFTO的负面影响。

设计用于地下切换的分芯电流变压器

拆分核心设计是变压器的重要功能,因为它可以启用电动网格维护而不会受到任何干扰。ABB着手设计一个拆分核心电流变压器(传感器),该变压器(传感器)允许高准确的电流测量,而开关由其他设备完成,并且根据传感器的信号来评估开关的需求。该传感器是防水且可潜水的,因此可以在地下使用。(地下电力线正在成为行业标准,因为它们不太可能受到大风或恶劣天气的影响,尤其是在城市中。)该拆分核心传感器带有其自身的设计挑战,包括其形状,大小和重量以及绕组,核心形状和核心大小(图4)。除此之外,还存在当前串扰的风险,具体取决于设备的配置。最后,传感器需要符合行业标准,甚至可以对其进行生产和使用测试。Paudel说:“必须在测试实验室之前达到各种IEEE和IEC标准。”

分裂核心电流变压器模型的示意图。
图4.分裂芯电流变压器模型的示意图。

ABB团队再次转向该软件,以便在原型制作之前优化拆分核心电流传感器设计。Paudel已经使用了很长时间了,并享受了“易用性,并且它具有相同的多种物理界面,并且很容易与其他物理学相结合”。COMS188金宝搏优惠OL软件包括用于实施Maxwell-Ampère定律的内置设置以及用于求解频域中磁场的接口(图5)。通过使用几何对称性,ABB团队只需要对线圈的四分之一建模,节省时间,精力和计算资源。特殊的线圈建模功能使团队能够将主要线圈设置为固体导体,并将辅助线圈作为均质的多发出线圈设置。边界条件描述了磁场和表面电流密度的切向成分作为完美的磁导体零,外部边界设置为磁绝缘体。求解器功能使团队能够轻松调整固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。

分裂核心电流变压器模型的示意图。
图5.分裂核变压器的磁通量和电流密度。

仿真应用程序提供快速计算

IT&S设计的一个耗时的方面是非线性磁B-H曲线(DC磁化)和等效AC有效H-B曲线之间的转换。ABB使用了应用程序库中的示例应用程序来执行这些计算。在使用应用程序找到有效的H-B曲线后,他们使用该值对拆分芯电流传感器的磁芯进行建模。他们发现,由于磁通密度的降低,磁渗透性几乎是线性的。基于这些结果,团队得出结论,应使用同质各向异性电导率和渗透率。

查看模拟的磁通量和电流密度结果,ABB团队发现其设计的通量水平很小,这是中型电压用例的理想选择。此外,该小组注意到一些有趣的东西:通常,当次级线圈上的转弯数增加时,开路电压也会增加(就像他们的一项研究中一样,从130到196 V)。但是,当负载在整个线圈上连接时,电压并不总是增加,有时甚至会降低。

ABB完成该项目的最终分析之一是查看三相串扰,用于针对分裂芯电流变压器设计的不同配置。他们发现,串扰有所不同,具体取决于次级线圈的距离更靠近或离变压器的气隙。

最终产品:优化的设计和增强的开发过程

ABB的最终设计迭代,可潜水的拆分传感器,符合IEEE和IEC规定的标准(图6)。当被问及他们的未来计划时,Paudel提到他的团队正在努力开发一种工具来推进对VFTO和Transformers的分析,从而将分析过程的时间表从几周到几天减少。该工具将主要依靠MATLAB®但可能会与Comsol提供集成188金宝搏优惠®通过Livelink™软件为了MATLAB®接口产品。该新工具的计划表明,ABB与最终结果一样致力于优化其工作流程和流程。他们努力工作以优化增加电网可访问性的设备。正如Paudel所说,当诸如IT或拆分核心电流传感器之类的设备在所有情况下都可以生存时,“每个人都受益”。

潜水拆分变压器的照片。
图6.潜水拆分传感器。
四个ABB团队成员的照片。
从左到右的ABB团队:Vivek Siddharth,Steve Shaw,David Raschka和Nirmal Paudel。



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