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用多体仿真优化仪器变压器和传感器

为了保护和维护从系统故障中的电网，ABB使用多麦体验模拟来设计仪器变压器，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。

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By Brianne Christopher.
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

仪器变压器（其）是专门的，高度精确的变压器，可分离，变换或减小高电压和电流，以最大限度地提高安全性和可用性。其使用包括电力系统的计量，监控，保护和控制。它由初级绕组组成，该绕组连接到高电压或高电流电路，以及仪表或继电器，其连接到低电压或低电流次级电路。

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。测量中压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。

IT和传感器（IT）行业在近年来越来越重要发展。传统其是基于标准技术，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，并且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（IED）使用更先进的技术，并在过去的20年里才有左右。这些变压器代替铁磁材料，由固态部件组成。由于它们无法从初级线圈转移电力，因此它们具有低能量输出。这使得它们对许多室内和室外应用有用，例如空气和气体绝缘环境，线路柱和线路安装的变压器。

“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的R＆D工程师咨询R＆D工程师表示，他们补充说，他们与当今的电子设备兼容，以及我们的使用水平。“

对IT仿真和设计的多种考虑因素

在设计时，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，噪声和振动等现象，以及皮肤效果也需要考虑（图2）。

要考虑广泛的物理效果，ABB使用COMSOLMultiPhySics®软件。188金宝搏优惠一个示例是通过环氧树脂铸件中的空隙和基本脉冲水平（BIL）模拟它的电场模拟。这些结果使研究人员能够了解绝缘层和介电材料如何保护装置。

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它的外边界和固定温度边界的热通量。这些结果显示了设计的温度升高和损失，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团队计算它的应力水平以优化几何体（图3）。他们还研究了器件和组件的应力位移水平，以便在3D打印原型之前优化它们进行测试 - 或更严重，批量生产。建模不仅有助于从预先看到设备的性能，而且为了确定其结构完整性。

非常快速的瞬态现象结果

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。当切换导致VFT时，它可以强调绝缘系统并在变压器的初级绕组中引起内部共振。瞬态过电压的分布，当它变得高度非线性时，导致内部故障。VFT过电压（VFTO）近期可再生能源附近的发病率较高，例如风力，因为新的网格生成，负载，线特性和切换增加。vfto陡峭（即，过电压分布的速度如何）最多可达三个MV / microSec，这比闪电更陡峭！（请注意，陡度与绝缘系统一样损害。）

典型的设计方法与vfto的vfto没有产生足够的结果。这是因为这些设计需要绕组中的高频电压分布的广泛建模，没有软件模型 - 直到现在。ABB与HochschuleFür技术（应用科学大学）在Rapperswil合作，创建了一种旨在模拟此行为的工具，并通过转动将电压分布显示电压分布。结果？新的设计方法和新的干燥类型，可以抵抗VFTO的负面影响。

设计用于地下切换的分芯电流互感器

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实现电网维护。ABB设置为设计一个允许高精度电流测量的分流芯电流互感器（传感器），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。（地下电源线正在成为行业标准，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具有自己的设计挑战，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。“在测试实验室之前必须满足各种IEEE和IEC标准，”波特尔说。

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，并且很容易加上其他物理学。”COMS188金宝搏优惠OL软件包括内置设置，用于实现Maxwell-Ampère的定律和界面，以解决频域中的磁场（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功能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箱线圈。边界条件描述了磁场的切向分量和表面电流密度作为完美磁导体的零的区域，并且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。

仿真应用提供快速计算

IT＆S设计的一次耗时方面是非线性磁性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，球队得出结论，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的模拟结果，ABB团队发现其设计的磁通水平非常小，非常适合其中压使用情况。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（因为它为他们的研究中的一个，从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。

最终分析的最后分析之一，即该项目的ABB已完成的是用于分流核电流变压器设计的不同配置的三相串扰。他们发现，串扰取决于次级线圈是否被更靠近或远离变压器的空气间隙。

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，潜水分流核心传感器，符合IEEE和IEC（图6）列出的标准。当被问及他们未来的计划时，Paudel提到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^®但可以与comsol提供一体化188金宝搏优惠^®软件通过Livelink™为了马铃薯草^®接口产品。这个新工具的计划表明，ABB正义致力于优化他们的工作流程和流程，因为它们是最终结果。他们努力优化增加电网可访问性的设备。正如Paudel所说，当诸如IT或分裂核电流传感器的设备可以在所有条件下存活时，“每个人都好处。”

Matlab是Mathworks，Inc。的注册商标

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