ABB 公司使用多物理場仿真優化變壓器和傳感器設計

為了保障電網免受系統故障的影響,ABB 公司通過多物理場仿真設計了可以承受快速瞬態過電壓,及可用于地下電力系統的潛水型鉗式傳感器。


作者 ?Brianne Christopher ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? ? ? ? ? ? ? ? 2019年11月

停電有時會持續數小時、數天、數周甚至數月,無論停電時間持續多久,都可能會令人感到沮喪或造成混亂。在極端炎熱或寒冷的天氣,停電甚至會帶來危險。為了保障電網的穩定性、安全性和財務可行性,ABB 公司使用多物理場仿真和仿真 App 對變壓器和傳感器設計進行優化。

互感器保障電網安全

儀用變壓器(Instrument Transformers)又稱互感器,是一種專業的高精度變壓器,通過隔離、轉換或降低高電壓和大電流,最大程度地提高系統的安全性和可用性?;ジ衅饔蛇B接高電壓或大電流的初級線圈,和連接低電壓或小電流的次級線圈組成。由互感器構成的儀表和繼電器可用于監測、保護和控制電力系統。

ABB 基于羅式線圈(Rogowski coil) 原理設計了一 款電流傳感器(圖 1)。羅氏線圈由均勻纏繞在非磁性鐵芯上的線圈組成,其輸出電壓與電流的導數成正比。在中等電壓情況下 , 傳感器使用電阻分壓器和電容分壓器測量電壓。

A photograph of a sensor that uses the Rogowski coil principle. Rogowski coil principle sensor
圖 1 ?基于羅氏線圈原理制作的傳感器

近年來,互感器和傳感器行業發展迅速?;跇藴始夹g制造的傳統互感器已有一百多年的歷史,主要用于儀表和繼電器。傳統互感器由一個鐵磁回路組成,能夠將電力從初級線圈傳輸到次級線圈,輸 出 電 流 為1~5 A ,輸出電壓為 120~240 V。采用先進技術制造的智能電子設備僅出現了二十年。與傳統的由鐵磁材料制成的互感器不同,新型互感器由固態元件組成,由于其無法將電力從初級線圈傳輸到次級線圈,因此能量輸出較低。新型互感器(如線型變壓器)適用于各種室內和戶外環境(例如空氣或真空)。

ABB 的研發工程師 NirmalPaudel 表示 :“智能電子設備使用更加安全、用途更加廣泛。它對各種輸入信號都具有線性響應,并且與當今的電子設備和用戶操作習慣相匹配”。

互感器的多物理場仿真設計

設計互感器時,必須考慮多物理場,這是設計的關鍵。一個成功的互感器設計應該包含焦耳熱和感應加熱、電感和電容耦合、磁飽和以及磁致伸縮等現象,同時還需要考慮流體流動、對流冷卻、熱膨脹、外部載荷和電路、噪聲與振動,以及集膚效應等現象(圖 2)。

A COMSOL Multiphysics model of an instrument transformer design. Instrument transformer model
圖 2  互感器仿真設計中的多物理場效應

為了解決多物理場耦合問題,ABB公司使用了 COMSOL ? 軟件進行模擬。他們模擬了在基本脈沖 水 平(Basic Impulse Level) 下,由環氧樹脂鑄件的空隙影響的互感器電場。根 據模 擬結果,研究人員可以了解絕緣層和介電材料對設備的防護作用。

COMSOL 軟件 還可以執行熱分析。如對于一個線性串聯電壓互感器,通過仿真可以計算出其初級線圈和次級線圈中的磁芯損耗和電阻損耗。另一個實例是計算互感器外部邊界上的熱通量和底板上的固定溫度。通過仿真設計,不僅能夠獲取互感器的溫度變化,還能深入了解環氧樹脂的熱固化過程及其在模具中的流動。第三個實例是結構分析。ABB 的團隊通過仿真的方法計算了結構應力分布以優化互感器的幾何結構(圖 3)。他們還考慮了設備和組件的應力和位移,以便在 3D 打印測試(或批量生產)之前對原型進行優化。建模不僅有助于提前考查設備的性能,還能確定設備結構的完整性。

A plot of the von Mises stress distribution in an IT component. Von Mises stress
Simulation results showing the total displacement for an IT geometry. Total displacement
A plot combining the von Mises stress and total displacement of an IT geometry. Stress and displacement
圖 3  使用結構模擬優化互感器的幾何形狀

瞬態現象的快速仿真

在例如真空斷路器之類包含開關的電網設備中,瞬態現象是需要考慮的重要因素。當開合引起瞬態現象時,會給絕緣系統造成壓力,并在變壓器的初級線圈中引起內部諧振。當瞬態過電壓的分布變得高度非線性時,會導致內部故障。由于新電網發電、載荷增加、線路特性以及開合過程,可再生能源 (如風能)附近的快速瞬態過電壓 (Very Fast Transient Overvoltage, VFTO)現象的發生頻率會更高。VFTO 曲線的陡度(即過電壓分布的速度)可以高達 3 MV/μs,該速度比閃電還要快(通常突變會使絕緣系統崩潰)。

設計能夠承受過高 VFTO 的傳感器,需要在高頻電壓下對繞組進行大量的建模工作。而以前,幾乎沒有適合此類建模的軟件。直到最近,ABB 公司與位于拉珀斯維爾的應用科學大學( Hochschule für Technik ) 合 作,利用 COMSOL 軟件對上述過程進行了模擬,并分析了互感器中電壓的分布。他們發現新型設計和新的干燥絕緣材料可以減少 VFTO 對互感器的破壞。

鉗式電流傳感器的仿真設計

鉗式結構是互感器設計中的一個重要特性。鉗式互感器(傳感器)可以進行電網維護而不受任何干擾。ABB正在著手設計一種鉗式電流傳感器,用于高精度的電流測量。該互感器的轉換 過程由其他設備完成,并且通過智能電子設備來識別信號以評估轉換需求。它具有防水功能,能浸入水中,并可以在地下使用(地下電纜已經成為行業標準,因為它們受到強風或惡劣天氣的影響較小,尤其是在城市中)。鉗式傳感器的設計包括形狀、尺寸、質量、線圈匝數、鐵芯形狀和鐵芯尺寸等,因此具有一定的挑戰(圖 4)。此外,還存在電流串擾的風險,具體取決于設備的配置。最后,互感器在進行生產和使用測試之前其設計需要符合行業標準?!霸趯嶒炇覝y試之前,互感器的設計必須滿足各種 IEEE 和智能電子設備標準?!盤audel 說道。

A schematic of a split core current transformer model. Split-core current transformer

圖 4  鉗式電流傳感器仿真模型
圖注:Coil - 線圈; Lead wire - 導線; Primary conductor - 初級導體; Meter or Controller or IED - 儀表、控制器或 IED; Magnetic flux - 磁通量; Core - 鐵芯; Air gap - 氣隙。

為了在構建原型樣機之前就能對鉗式電流傳感器進行優化,ABB 團隊再次借助于 COMSOL 軟件。Paudel 使用軟件已經很長時間,并很喜歡其“ 容易使用的多種物理場接口,以及可以輕松耦合各種物理場”的特點。COMSOL 軟件還內置了安培定律和麥克斯韋方程,可用于求解頻域中的磁場(圖 5)。由于線圈具有幾何對稱性,因此只需對線圈的 1/4 幾何結構進行計算,以節省時間、精力和計算資源。建立一個特殊的線圈模型,需要將初級線圈設置為實心導體,次級線圈設置為均勻纏繞的線圈 ;將磁場的切向分量和表面電流密度為零的區域作為理想磁導體的內部邊界條件 ;將外部邊界設置為磁絕緣體。軟件內置的求解功能可以幫助團隊輕松調整實心導體與均質導體,以及實心導體與電線之間的設置。

A schematic of a split core current transformer model. Split-core current transformer
圖 5  鉗式傳感器的磁通量和電流密度仿真結果

仿真 App 減少設計時間

在互感器設計中,由于非線性磁化曲線 (B-H 曲線,直流磁化)和等效 H-B 曲線之間的轉換通常比較耗時。因此,ABB 團隊使 用了 COMSOL 軟件案例庫中的仿真 App 來執行這些計算。在仿真 App 中找到等效 H-B 曲線后,他們使用該數值對鉗式電流傳感器的磁芯進行了建模。仿真結果表明,磁通密度的降低導致整個磁芯的磁導率幾乎 是線 性的。因此,研究小組認為應使用均質的各向異性電導率和磁導率。

通過觀察磁通量和電流密度的仿真結果,ABB 團隊發現他們設計的傳感器的磁通量非常小,適合測量中等電壓。此外,該團隊還發現了一些有趣的現 象。當次級線圈上的匝數增加時,斷路電壓也會增加,這與他們之前的一項研究結果吻合(電壓從 130 V 增至196 V)。但是,當次級線圈連接載荷時,電壓并不總是增加,有時甚至會降低。

ABB 公司的最終設計目標是對鉗式電流傳感器設計查看不同配置下的三相串擾。他們發現串擾取決于次級線圈與初級線圈之間的距離。

設計流程與最終產品的優化

ABB 最終設計的潛水型鉗式傳感器最終達到了 IEEE 和智能電子設備的要求(圖 6)。當被問及他們未來的計劃時,Paudel 表示,他的團隊正在致力于開發能推進 VFTO 和互感器分析的新工具。該工具能將分析時間從數周縮短至數天, 它可以借助 MATLAB?,也可以通過 LiveLink ? for MATLAB?接口與 COMSOL? 軟件進行連接。他們的最終研究結果與最初的計劃一致,新工具的使用優化了 ABB 的工作流程和設計過程。目前,他們正在努力優化該傳感器以增加電網的適用性。當鉗式電流傳感器等設備可以在任何條件下運行時,正如 Paudel 所說,“人人都將受益”。

A photograph of a submersible split-core transformer. Submersible split-core transformer
圖 6  潛水型鉗式傳感器
A photograph of the four ABB team members. The ABB team
ABB 團隊,從左至右:Vivek Siddharth,Steve Shaw,David Raschka 和 Nirmal Paudel




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