本發(fā)明屬于電力設(shè)備仿真，特別涉及一種基于有限元法的變壓器損耗計算方法及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、當(dāng)前數(shù)字南網(wǎng)及數(shù)字國網(wǎng)正開展得如火如荼，電力系統(tǒng)數(shù)字化對電網(wǎng)建設(shè)具有重大價值，且隨著雙碳目標(biāo)的踐約期越來越近，如何盡早實現(xiàn)雙碳目標(biāo)對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要。變壓器在電力系統(tǒng)中具有至關(guān)重要的作用，它的正常、可靠和安全運行關(guān)系著整個電網(wǎng)的安全運轉(zhuǎn)。針對變壓器設(shè)計生產(chǎn)制造過程中，對變壓器的結(jié)構(gòu)細(xì)小環(huán)節(jié)進(jìn)行升級全面提升變壓器的整體能效，對于降低電網(wǎng)能耗和運行成本具有著重要意義。

2、開展變壓器損耗計算分析，是變壓器設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，變壓器損耗計算方法有電氣表格計算法、利用python或matlab編寫變壓器計算程序等，上述方法具有易于構(gòu)建，使用方便，易于理解等特點，但也存在著計算過程耗時長且計算精度較差，難以滿足工程需要的問題。

3、同時現(xiàn)階段變壓器設(shè)計中，降低變壓器損耗的方式通常包含有兩種，一種是通過科學(xué)升級鐵芯材料，來降低變壓器的空載損耗。如將高性能的非晶合金材料應(yīng)用于變壓器鐵芯，以此降低鐵損，但該方法的材料成本較高，制造加工工藝難度大。另一方面，可以通過對鐵芯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使鐵芯內(nèi)部的磁通分布更加均勻，減少局部磁通集中和飽和現(xiàn)象，來實現(xiàn)降低鐵損，該方式就前者而言，具有成本低，易于實現(xiàn)的特點。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于有限元法的變壓器損耗計算方法及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,以提高變壓器損耗計算速度和精度，并實現(xiàn)較低成本的變壓器結(jié)構(gòu)優(yōu)化，來降低變壓器損耗，以此提高變壓器的能效。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于有限元法的變壓器損耗計算方法及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，其中，本發(fā)明的一種基于有限元法的變壓器損耗計算方法的技術(shù)方案包括如下步驟：

3、s1、根據(jù)有限元法計算變壓器損耗所需變壓器參數(shù)，在有限元分析軟件上建立變壓器三維模型；

4、s2、設(shè)定變壓器三維模型的電路約束和磁路約束，將變壓器三維模型的電路接口與變壓器三維模型的磁路接口耦合，利用steinmetz模型求解鐵芯損耗，利用電阻熱模型求解變壓器繞組銅損耗；

5、s3、向變壓器三維模型施加物理場，利用變壓器三維模型的電路接口和磁路接口，求解變壓器電流密度、體積損耗密度及磁通密度模。

6、優(yōu)選的，在上述技術(shù)方案中，所述步驟s1中，所述變壓器參數(shù)包括變壓器箱體尺寸、鐵芯尺寸、鐵芯材料、初級繞組尺寸和材料、次級繞組尺寸和材料。

7、優(yōu)選的，在上述技術(shù)方案中，所述步驟s1還包括對所述變壓器模型進(jìn)行網(wǎng)格化分析，對所述變壓器三維模型的箱體采用粗化網(wǎng)格，對所述變壓器三維模型的鐵芯和繞組采用自由四面體網(wǎng)格，所述鐵芯和所述繞組的網(wǎng)格密度大于所述箱體的網(wǎng)格密度。

8、優(yōu)選的，在上述技術(shù)方案中，所述步驟s2中，所述電路約束，計及變壓器繞組電阻時，忽略變壓器繞組集膚效應(yīng)；所述磁路約束中，對鐵芯的邊界條件設(shè)置為磁絕緣，利用磁矢勢規(guī)范固定所述磁場接口，所述磁矢勢規(guī)范計算公式為：

9、

10、δe+je＝j(luò)#(3)

11、

12、式中，為哈密頓算子，h為磁場強度，b為電流密度，b為磁通密度，a為矢量磁勢，e為電場強度，δ為電導(dǎo)率，je為體積電流密度。

13、優(yōu)選的，在上述技術(shù)方案中，所述步驟s2中，所述利用steinmetz模型求解鐵芯損耗的計算公式為：

14、kh(f)α(|b|)β＝qfe#(5)

15、式中，kh為鐵損系數(shù)，α為頻率指數(shù)，β為磁通密度指數(shù)；

16、所述利用電阻熱模型的求解變壓器繞組銅損耗的計算公式為：

17、

18、式中，t表示計算周期時間，tend表示計算停止時間；

19、將鐵芯損耗與繞組銅損耗相加，得到變壓器總損耗：

20、qcu+qfe＝q#(7)

21、優(yōu)選的，在上述技術(shù)方案中，所述步驟s3還包括設(shè)置磁絕緣方程：

22、n×a＝0

23、式中，n表示磁通橫向分量，旋度為0；

24、設(shè)置磁矢勢規(guī)范固定方程：

25、

26、變壓器繞組的線圈方程滿足如下計算公式：

27、

28、fj×ledges＝lcoil#(9)

29、fa×adomain＝acoil#(10)

30、式中，n表示線圈匝數(shù)，icoil表示電流，ecoil表示電子電荷量，fj為線圈倍增因子，ledges為繞組邊長，lcoil表示線圈長度，fa為線圈面積倍增因子，adomain表示線圈平均域橫截面積，acoil表示線圈橫截面積。

31、另一方面，本發(fā)明的一種基于有限元法的變壓器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法包括:

32、根據(jù)基于有限元法的變壓器損耗計算方法計算出的變壓器三維模型的磁通密度模和體積損耗密度，對變壓器三維模型的鐵芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化并進(jìn)行有限元計算，對比分析優(yōu)化前后變壓器三維模型的鐵芯的體積損耗密度，確定變壓器三維模型的鐵芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，即在不改變鐵芯整體尺寸的前提下，將鐵芯柱及鐵軛外角進(jìn)行圓角化，或?qū)㈣F芯柱及鐵軛內(nèi)角進(jìn)行圓角化。

33、與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

34、1.通過在有限元分析軟件上建立變壓器三維模型，并對幾何模型施加多物理場，利用電路、磁場接口求解變壓器電流密度、體積損耗密度、磁通密度模，根據(jù)磁通密度模和體積損耗密度，用戶能夠更加詳細(xì)的了解到變壓器內(nèi)部的磁通分布情況以及損耗分布情況，通過對變壓器箱體采用粗化網(wǎng)格，對變壓器鐵芯及繞組采用自由四面體網(wǎng)格，該網(wǎng)格密度大于箱體網(wǎng)格密度，能夠保證求解的精確度，有效提高了求解的準(zhǔn)確性和速度，根據(jù)求解結(jié)果計算變壓器損耗分布，極大提高變壓器損耗求解計算速度和精確度。

35、2.根據(jù)計算出的變壓器三維模型的磁通密度模和體積損耗密度，發(fā)現(xiàn)變壓器三維模型的鐵芯產(chǎn)生的損耗不均勻，各個端角的磁通較小，基于此，在不改變鐵芯整體尺寸和不影響鐵芯磁通性能的前提下，將變壓器三維模型的鐵芯柱及鐵軛外角進(jìn)行圓角化，或?qū)⒆儔浩魅S模型的鐵芯柱及鐵軛內(nèi)角進(jìn)行圓角化，降低了鐵芯各端角處的磁通畸變，降低了鐵芯的空載損耗，同時使鐵芯各部分的磁通密度趨于均勻分布，提升變壓器的能量轉(zhuǎn)換效率，使單位面積的鐵芯利用率提高，有效降低變壓器損耗，從而提高變壓器能效，通過對鐵芯邊角的剔除，同時節(jié)省了鐵芯材料，降低了變壓器制造成本。

技術(shù)特征：

1.一種基于有限元法的變壓器損耗計算方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于有限元法的變壓器損耗計算方法，其特征在于，所述步驟s1中，所述變壓器參數(shù)包括變壓器箱體尺寸、鐵芯尺寸、鐵芯材料、初級繞組尺寸和材料、次級繞組尺寸和材料。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于有限元法的變壓器損耗計算方法，其特征在于，所述步驟s1還包括對所述變壓器三維模型進(jìn)行網(wǎng)格化分析，對所述變壓器三維模型的箱體采用粗化網(wǎng)格，對所述變壓器三維模型的鐵芯和繞組采用自由四面體網(wǎng)格，所述鐵芯和所述繞組的網(wǎng)格密度大于所述箱體的網(wǎng)格密度。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于有限元法的變壓器損耗計算方法，其特征在于，所述步驟s2中，所述電路約束，計及變壓器繞組電阻時，忽略變壓器繞組集膚效應(yīng)；所述磁路約束中，對鐵芯的邊界條件設(shè)置為磁絕緣，利用磁矢勢規(guī)范固定所述磁場接口，所述磁矢勢規(guī)范計算公式為：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于有限元法的變壓器損耗計算方法，其特征在于，所述步驟s2中，所述利用steinmetz模型求解鐵芯損耗的計算公式為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于有限元法的變壓器損耗計算方法，其特征在于，所述步驟s3還包括設(shè)置磁絕緣方程：

7.一種基于有限元法的變壓器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,其通過如權(quán)利要求1到權(quán)利要求6任一項實現(xiàn)，其特征在于，根據(jù)基于有限元法的變壓器損耗計算方法計算出的變壓器三維模型的磁通密度模和體積損耗密度，對變壓器三維模型的鐵芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化并進(jìn)行有限元計算，對比分析優(yōu)化前后變壓器三維模型的鐵芯的體積損耗密度，確定變壓器三維模型的鐵芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，即在不改變鐵芯整體尺寸的前提下，將鐵芯柱及鐵軛外角進(jìn)行圓角化，或?qū)㈣F芯柱及鐵軛內(nèi)角進(jìn)行圓角化。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于有限元法的變壓器損耗計算方法及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，首先利用有限元法對變壓器進(jìn)行損耗計算，步驟包括：S1、根據(jù)有限元法計算變壓器損耗所需變壓器參數(shù)，在有限元分析軟件上建立變壓器三維模型；S2、設(shè)定變壓器三維模型的電路約束和磁路約束，將變壓器三維模型的電路接口與變壓器三維模型的磁路接口耦合，利用Steinmetz模型求解鐵芯損耗，利用電阻熱模型求解變壓器繞組銅損耗；S3、向變壓器三維模型施加物理場，利用變壓器三維模型的電路接口和磁路接口，求解變壓器電流密度、體積損耗密度、磁通密度模，提高了變壓器損耗計算的速度和精度，然后根據(jù)前述的體積損耗密度，對變壓器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，有效減少了變壓器損耗。

技術(shù)研發(fā)人員：張鐿議,俸波,梁學(xué)誠,夏小飛,潘紹明,張煒,覃歆然
受保護(hù)的技術(shù)使用者：廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6