采用有限元方法分析变压器电磁特征
有限元分析在电力设备设计中的应用
有限元分析在电力设备设计中的应用第一章简介有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）是一种数值计算方法，用于求解复杂结构的力学、热力学、流体力学等问题。
在电力设备设计过程中，有限元分析已经得到广泛应用。
本文将会介绍有限元分析在电力设备设计中的应用，包括电动机、变压器和开关设备等领域。
第二章电动机电动机是电力设备中最重要、最普遍的一类设备。
在电动机的设计过程中，有限元分析被广泛应用。
有限元分析可以帮助设计师预测电动机的性能，以及在实际运行中可能出现的问题。
例如，通过有限元分析，可以计算电动机的电磁场分布、磁路饱和、电动力学特性等，并优化电动机的设计。
此外，有限元分析还可以用于模拟电动机的热特性。
在电动机的运行过程中，温度是一个非常重要的参数。
过高的温度可能导致设备损坏或者寿命缩短。
有限元分析可以模拟电动机的受热情况，分析不同工况下电动机的温度分布，以此来指导电动机的设计优化。
第三章变压器变压器是电力系统中的重要组成部分。
在变压器的设计中，有限元分析也得到了广泛应用。
有限元分析可以模拟变压器的电磁场分布、热特性以及机械应力等方面，从而优化变压器的设计。
在变压器的运行过程中，热问题也是一个重要的考虑因素。
变压器的工作温度对其寿命和性能有很大的影响。
有限元分析可以模拟不同工况下变压器的温度分布，指导变压器的散热设计。
此外，有限元分析还可以模拟变压器的机械应力情况。
在变压器的运输、安装和使用过程中，可能会因为外力而产生机械应力，导致变压器损坏或寿命缩短。
有限元分析可以模拟这种情况，指导变压器的设计和运行。
第四章开关设备开关设备在电力系统中也扮演着重要的角色。
例如，断路器就是一种重要的开关设备。
在开关设备的设计中，有限元分析同样得到了广泛的应用。
有限元分析可以帮助设计师分析开关设备的机械应力和热特性。
例如，断路器在断开电路的过程中，可能会因为电弧产生大量热量，导致设备损坏。
有限元分析可以模拟这个过程，指导断路器的设计和运行。
基于有限元法的油浸式变压器振动特性分析及优化设计
基于有限元法的油浸式变压器振动特性分析及优化设计
袁发庭;颜智威;曹浩;姬睿氢;唐波
【期刊名称】《湖南电力》
【年(卷),期】2024(44)1
【摘要】根据油浸式变压器的电气和结构参数,基于有限元仿真软件建立电路-磁场仿真模型;根据材料磁特性实验测量结果,结合J-A磁滞模型辨识得到的特征参数,获得材料的磁特性模型。
建立变压器磁场-结构力场仿真模型,获得变压器周围磁场和应力分布;将计算得到的铁心麦克斯韦力和磁致伸缩力、绕组洛仑兹力作为激励,计算得到考虑材料磁特性的变压器振动位移;提取铁心不同位置的振动位移,获得铁心振动特性分布规律。
在此基础上,为降低油浸式变压器的铁心振动,将有限元法与实验设计方法相结合,通过调整变压器绕组参数获得最佳的参数,结果表明优化前后变压器最大振动位移分别为6.12μm和5.71μm,优化方法显著降低了变压器的振动,对油浸式变压器减振降噪具有重要的指导意义。
【总页数】7页(P11-17)
【作者】袁发庭;颜智威;曹浩;姬睿氢;唐波
【作者单位】湖北省输电线路工程技术研究中心(三峡大学);三峡大学电气与新能源学院;国网湖南省电力有限公司电力科学研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TM411
【相关文献】
1.基于快速傅里叶分析法的油浸式变压器绕组振动特性分析
2.基于有限元法的油浸式变压器磁场分布仿真分析
3.基于混合有限元法和降阶技术的油浸式变压器绕组2维瞬态流-热耦合场分析
4.非晶合金油浸式变压器振动特性与噪声分析
5.基于多物理场仿真的油浸式变压器温度特性分析及散热器优化
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变压器电磁场分析与控制方法与技巧
变压器电磁场分析与控制方法与技巧随着电力系统的日益发展，变压器作为电力传输和配电的重要设备之一，其性能的稳定性和可靠性变得尤为重要。
在变压器运行过程中，电磁场是一个不可忽视的因素，因为它不仅对变压器本身产生影响，还可能对周围环境造成潜在危害。
因此，对变压器的电磁场进行分析和控制变得至关重要。
本文将探讨变压器电磁场分析的方法，并介绍一些控制方法和技巧。
一、变压器电磁场分析方法1. 有限元法有限元法是一种常用的分析变压器电磁场的方法。
该方法可以将复杂的电磁场问题离散化成一个个小的单元，通过对这些单元进行计算和求解，最终得到整个问题的解。
有限元法可以较准确地模拟变压器的电磁场分布情况，并根据计算结果来进行优化设计。
2. 等效电路法等效电路法是另一种常用的分析变压器电磁场的方法。
该方法将变压器的电磁场分布情况抽象成一个等效的电路模型，通过求解电路的参数来分析电磁场的强度和分布。
等效电路法相对于有限元法来说计算简化，但准确度相对较低，适用于快速评估变压器的电磁场情况。
3. 统计方法统计方法是一种通过大量样本对变压器电磁场进行分析的方法。
这种方法通过收集实际变压器的数据，并根据这些数据进行统计分析，得出电磁场分布的概率统计特性。
通过统计方法可以对不同情况下的变压器电磁场进行评估，为优化设计提供参考依据。
二、变压器电磁场控制方法与技巧1. 电磁屏蔽设计为了减少变压器电磁场对周围环境的干扰，通常采用电磁屏蔽设计。
该设计通过增加屏蔽材料和结构，将变压器的电磁场限制在一定范围内，避免对周围设备和人员产生不良影响。
同时，在设计变压器时可考虑将敏感部位进行屏蔽，进一步降低电磁场水平。
2. 地理位置选择变压器的地理位置选择也是电磁场控制的一个重要方面。
将变压器远离敏感设备和人员密集区域，选择开阔的场地和安静的环境，可以有效减少电磁场对周围环境的影响。
3. 线圈布局优化合理的线圈布局可以减少变压器的电磁场泄漏。
通过优化线圈的设计和布局，减少线圈之间的电磁相互影响，降低电磁场强度和分布。
油浸式变压器铁心和绕组的振动特性有限元分析
油浸式变压器铁心和绕组的振动特性有限元分析随着变压器容量越来越大,电力变压器的安全平稳运行的重要性愈加明显,进而对变压器故障进行迅速、有效、准确诊断的意义更为重大。
据历年统计,在变压器出现故障的情况中,绕组出现故障的事故率最多,约占到1/3,而铁心故障事故率紧随其后,达到1/7。
由此可见对变压器的部件进行振动特性分析,找出各自的振动特征是减少故障、提高经济性的有效措施之一。
本文主要讨论以S11-800/10型号的油浸式变压器为模型,将有限元计算和振动信号分析结合起来。
通过利用Pro/E软件对此油浸式变压器进行实体建模,然后运用ANSYS软件调用模态分析模块、谐响应分析模块和瞬时动力学模块对油浸式变压器进行分析。
本文所做工作如下：(1)简要介绍油浸式变压器的主要结构,详细描述振动的传播途径；理论上分别分析铁心和绕组的振源及影响振动信号的因素,并建立铁心振动和绕组轴向振动的数学模型；(2)简要介绍Pro/E三维建模的便捷、互动性等优越性：阐述ANSYS对结构分析模块的多样性、全面性。
利用这两款软件之间的无缝连接,分别建立S11油浸式变压器的铁心、绕组、器身和油箱的实体模型及划分好网格的有限元模型。
(3)调用模态分析模块求解各组件的固有频率：调用谐响应分析模块求解铁心和绕组的幅频响应,确定铁心和绕组正常状态下各自振动贡献最大的频率区间。
通过两者对比,可以有效地对铁心和绕组的结构进行改进和优化。
并假设故障产生的激振力作用在铁心和绕组不同位置,试图通过幅频响应图找出其曲线特征为指导实践中的故障诊断提供依据。
(4)通过对器身及其内部组件模型进行模态求解和谐响应分析,从而了解油浸式变压器主体的动力学特性；对油箱的分析则考虑变压器油对油箱频率和振型的影响,找出箱体受力最大的位置来优化设计。
采用有限元方法分析变压器电磁特征
发现身边典型的例子 ，然后 自己分析 ，给出一个讨论的结 果。这样的形式是最好 的，不仅可以帮助他们了解更多的 政治知识 ， 还可以锻炼他们 的组织和管理能力。例如， 当前 网络上一些炫富的人 ， 一些行为不佳的人 ， 他们的行为都是 可以进行讨论的。人们的道德观念也是至关重要 的。比方 说， 北 京 市前 段 时间 摔小 孩 的事 件 ， 这 就是一 个令 人 深恶 痛 绝的事情。事情的起因和经过 ， 我们不必过问， 但是事情 的 结果是孩子受到了伤害。 孩子是无辜 的， 当时网络评论最多 的也 是这 个 问题 。对 于 凶手 而言 ， 他 应该 受 到法 律 的严惩 。 他 的行 为不 仅违 反 了道德 ， 更是 触犯 了法律 。 还有 一些 社会
摘要 ： 本文采用有限元方法对变压 器在空载、 负载及短路时的电磁特征进行 了分析仿真 ， 并在教 学中应用 ， 对 学生掌
握和 熟悉 电工学课程 中变压 器的 电磁过程及相关性质有一定的帮助。
关键词 ： 变压器； 有限元 ； 电磁特征 中图 分 类号 ： Ｔ Ｍ４ １ 文献 标 志 码 ： Ａ
运 行状 态 时 ， 表 现 出不 同 的电磁 特征 。 本文 建立 了变 压 器磁 场分析的有限元模型 ， 以此得到变压器在空载、 负载及短路 情况下的磁场分布。结合变压器的Ｔ 型等效模型， 研究 了不 同运 行 状态 时 ， 变压 器 磁场 分 布 的特 点 及规 律 。
一
力变压器 而言 ， （ Ｉ ） Ｌ ｍ 在数值 上要 ｔ Ｌ Ｒ 、 ‘ １ ） Ｌ 。 、 Ｒ 和“ ） Ｌ ２ 大很 多 。ｚ 表 示变 压器 所 接负 载【 １ ． 。 当Ｚ ＝ ∞时 ， 表示变压器开路运行 ， 此时变压器副边绕 组没有 电流流通 ， 由于励磁阻抗在数值上很大， 流过原边 的 电流数值很小 ， 为空载电流。当ｚ 为额定负载时， 此时变压器 额定负载运行 ， 由于励磁阻抗在数值上远远大于绕组的电阻 和漏抗 ， 因此流过Ｌ 和Ｒ ｎ ＝ 芰路的电流很小（ 仍认为是空载电 流） ， 负载 电流主要是通过Ｒ 、 Ｌ 、 Ｒ 和Ｌ 构成 回路 。当ｚ ＝ ０ 时， 表示变压器短路运行 ， 流过Ｌ 和Ｒ 支路的电流近似为零 ， 电 流只通过Ｒ 、 Ｌ 、 Ｒ 和Ｌ 构成 回路 ， 原、 副边绕组的安匝可认 为相 等 。 通 过上 述分 析 可 以得 出变压 器 在不 同运 行状 态时 ， 原副边绕组问中的 表１ 不同运行状态时原副边电流关系 电流 关 系 （ 如表１ 所 Ｉ空载运行 Ｉ Ｉ ｊ ＝ Ｉ “Ｉ ｌ ＝ Ｏ Ｉ ． ＝ ｌ ：Ｉ Ｎ ｔ ＝Ｉ Ｎ ： 示） ， 并 以此 作 为磁 ｌ 短路运行 Ｉ
基于有限元方法的功率变压器局部放电分析
基于有限元方法的功率变压器局部放电分析一、前言从线圈到铁心，功率变压器是电力系统中不可或缺的元件。
然而，在其使用过程中，很容易遭遇局部放电问题。
局部放电是一种电气放电现象，会对电力设备的正常运行造成影响。
因此，对于功率变压器的局部放电问题，进行分析和研究具有重要意义。
其中，利用有限元方法进行分析，是一种可行的研究手段。
二、局部放电的基础知识局部放电是电力设备内部介质中发生的电气放电过程，其起因是介质中存在的缺陷或杂质。
此过程可以导致设备的性能下降，严重时可能会引发事故。
因此，对于电力设备的局部放电问题，有必要进行深入研究。
在功率变压器中，常见的局放缺陷主要包括绕组中的放电、油纸绝缘材料中的放电和绕组附近的放电。
其中，绕组中的局放主要是由于绕组绝缘层中的气孔、缺陷、裂纹等造成的。
油纸绝缘材料中的局放，则主要是由于材料本身有结构缺陷或油纸间存在异物等引起的。
绕组附近的局放，则主要是由于绕组与铁心间存在气隙，电场强度较大时，电荷撞击气体会引起放电。
三、有限元方法有限元方法是一种数值求解方法，广泛应用于计算机辅助工程领域。
通过将被计算物体分割成许多小的有限元素，在每个有限元素上建立局部方程，最终通过组装处理得出全局方程，从而得到被计算物体的解析结果。
这种方法可以应用于许多计算场景中，包括电场计算、磁场计算等。
在功率变压器局部放电分析中，有限元方法可以用于模拟绕组中的局放、油纸绝缘材料中的局放和绕组附近的放电。
通过建立合适的有限元模型，将各种物理参数输入其中，可以得到电场强度分布、电荷分布、电压分布等结果，从而进行分析。
四、有限元方法的应用在实际的功率变压器局部放电分析中，有限元方法可以应用于以下方面：1. 绕组中的局放对于绕组中的局放，可以通过建立绕组的有限元模型来进行分析。
此时，需要将绕组绝缘层中的缺陷、裂纹等建模，并对绕组内部各个位置的电场强度进行模拟计算。
通过计算结果，可以得到绕组中放电发生的位置、放电量等信息，从而进行问题的分析与处理。
电子变压器的磁性分析与设计优化
电子变压器的磁性分析与设计优化电子变压器是电力系统中常见的重要组件，用于实现电能的变换和传输。
而在电子变压器的设计和优化中，磁性分析和设计是至关重要的环节。
本文将深入探讨电子变压器的磁性分析与设计优化，并提出一系列相关的技术和方法。
磁性分析是指对电子变压器的磁路进行分析和计算，以获得变压器工作过程中的磁场分布和磁场强度等相关参数。
通过磁性分析，我们可以了解变压器的磁路特性、能量转化效率、损耗情况等重要信息。
磁性分析可以使用有限元分析方法进行，通过建立合适的数学模型和模拟计算，可以得到准确的磁场分布和参数数据。
在电子变压器的磁性设计中，需要考虑的关键因素包括磁芯材料的选取、绕组的设计和布局、磁路的优化等。
首先，磁芯材料的选取对于电子变压器的性能至关重要。
常用的磁芯材料有硅钢片、铁氧体材料等，不同的材料具有不同的磁导率和磁化特性。
通过选择合适的磁芯材料，可以实现最佳的磁路性能和能量转换效率。
其次，绕组的设计和布局是电子变压器磁性设计的重要组成部分。
绕组的设计包括匝数的确定、绕线的选择和电流的计算等，而绕组的布局则涉及到绕组的位置、形状和相互之间的电气隔离等。
合理的绕组设计和布局可以有效地改善磁路的性能和减少功率损耗。
此外，磁路的优化也是电子变压器磁性设计的关键环节。
磁路的优化包括磁路的结构、尺寸和形状等方面。
通过对磁路的调整和优化，可以提高变压器的性能和效率，减少磁漏和铜损耗，并降低噪音和磁场干扰等不良影响。
为了实现电子变压器的磁性设计优化，我们可以采用一些先进的模拟和优化方法。
一种常用的方法是有限元分析，通过建立合适的模型和使用相应的软件工具，可以对变压器的磁场分布和参数进行准确的模拟和计算。
此外，还可以使用形状优化算法和多目标优化算法等方法，对变压器的磁路进行优化。
这些方法可以帮助我们找到最佳的磁路结构和尺寸，实现电子变压器的高效设计。
除了磁性分析和设计，电子变压器的温度和热特性也需要考虑。
温度对变压器的性能和寿命有着重要的影响，过高的温度可能会导致磁芯饱和、绕组损耗增加和绝缘材料老化等问题。
电磁场有限元方法
电磁场有限元方法
电磁场有限元方法是一种用于求解电磁场分布的数值计算方法。
它基于有限元法，将连续的电磁场问题离散化为有限个区域，通过计算每个区域内的电磁场变量进行求解。
在电磁场有限元方法中，电磁场通常通过两个基本变量来描述：电场和磁场。
这些变量可通过Maxwell方程组进行表达，并且可以通过有限元法对其进行离散化。
在离散化过程中，整个计算区域被划分为小的有限单元，并在每个单元上建立适当的数学模型。
然后，通过求解相应的矩阵方程组，可以得到每个单元内的电磁场变量的近似解。
电磁场有限元方法的求解步骤通常包括以下几个步骤：
1. 网格划分：将计算区域划分为小的有限单元。
2. 建立数学模型：在每个单元上建立适当的数学模型来描述电磁场变量的行为。
3. 生成方程组：通过应用Maxwell方程组和适当的边界条件，可以得到矩阵方程组。
4. 求解方程组：使用数值求解方法，如迭代法或直接法，求解得到每个单元内的电磁场变量的近似解。
5. 后处理：根据得到的解，可以计算出其他感兴趣的物理量，如电流密度，功率密度等。
电磁场有限元方法在计算电磁场分布时具有很好的灵活性和精确性。
它广泛应用于电磁设备的设计和分析，如电机、变压器、传感器等。
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采用有限元方法分析变压器电磁特征
作者：郭健
来源：《教育教学论坛》2014年第13期
摘要：本文采用有限元方法对变压器在空载、负载及短路时的电磁特征进行了分析仿真，并在教学中应用，对学生掌握和熟悉电工学课程中变压器的电磁过程及相关性质有一定的帮助。
关键词：变压器；有限元；电磁特征
中图分类号：TM41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）13-0098-02
在电工教学过程中，对于变压器运行状态的分析主要是基于变压器T型等效模型，该模型是从电路的角度分析变压器的电压电流变比、原副边绕组的电流关系。
通过该方法，学生可以快速得到变压器的一些基本电路响应。
变压器是一个利用电磁感应进行变压和变流的电工设备，在实际运行过程中，存在磁和电的密切耦合。
变压器的很多电磁参数（空载损耗、附加损耗、短路力等）都是与运行时的磁场特征密切相关的。
因此，在变压器教学过程中引入变压器运行时电磁分布特征的分析具有一定的意义。
变压器的运行状态可以分为空载运行、负载运行和短路运行，变压器在不同运行状态时，表现出不同的电磁特征。
本文建立了变压器磁场分析的有限元模型，以此得到变压器在空载、负载及短路情况下的磁场分布。
结合变压器的T型等效模型，研究了不同运行状态时，变压器磁场分布的特点及规律。
一、变压器T型等值模型
图1为变压器T型等值电路模型，R1、L1分别表示原边绕组电阻和漏感；R2、L2分别表示副原边绕组折算到一次侧的等效电阻和漏感；Rm对应表示铁心损耗的等值电阻；Lm表示励磁电感。
对于电力变压器而言，ωLm在数值上要比R1、ωL1、R2和ωL2大很多。
Z表示变压器所接负载[1，2]。
当Z=∞时，表示变压器开路运行，此时变压器副边绕组没有电流流通，由于励磁阻抗在数值上很大，流过原边的电流数值很小，为空载电流。
当Z为额定负载时，此时变压器额定负载运行，由于励磁阻抗在数值上远远大于绕组的电阻和漏抗，因此流过Lm和Rm支路的电流很小（仍认为是空载电流），负载电流主要是通过R1、L1、R2和L2构成回路。
当Z=0时，表示变压器短路运行，流过Lm和Rm支路的电流近似为零，电流只通过R1、L1、R2和L2构成回路，原、副边绕组的安匝可认为相等。
通过上述分析可以得出变压器在不同运行状态时，原副边绕组间中的电流关系（如表1所示），并以此作为磁场分析的源条件。
表中Io表示空载电流；I1e表示原边额定电流；I2e表示副边额定电流；N1、N2表示原副边匝数。
在进行短路分析时，原副边绕组电流的量值按照额定电流大小选取。
二、变压器磁场有限元模型
为了分析变压器处于不同运行状态时的电磁特征，本文建立了磁场有限元模型。
图2是磁场分析有限元模型，模型中包括铁心、原边绕组、副边绕组及漏磁通流通的空气区域。
由于实际的三相变压器三相绕组间的漏磁通耦合很弱，且任一相绕组在结构上都满足轴对称，因此磁场分析时可以选取其中任一相绕组，且在模型上做轴对称的简化处理。
对于在圆柱坐标系（z，r）平面上的轴对称交变磁场，矢量磁位Aθ满足如下的泊松方程边值问题：
■■■+■■■■=-Jθ in？赘Aθ=0 onLa，L1，L2，L3 （1）
式中：Jθ为绕组中的电流密度；μ为磁导率。
三、模型参数及网格模型
本文对一台SG10-800/10三相变压器进行了特性分析计算。
表2列出了其对应的性能参数。
图3是有限元磁场分析的网格划分图。
四、计算结果
通过计算求得了空载、短路和额定负载情况下变压器内部的磁场分布，如图4所示。
在空载情况下（图4a），原边绕组流过空载励磁电流，副边绕组由于开路没有电流流通，空载电流形成的磁通主要在铁心中闭合流通，此时的磁场为空载磁场。
在短路情况下（图4b），原边绕组电流中空载电流分量近似为零，磁场由原副边负载电流产生，主要表现为漏磁场形式，即磁通在空气中流通且单独的铰链原、副边绕组，这是因为在短路情况下，绕组的等效漏阻抗相对于励磁阻抗量值很小，磁通几乎不会通过铁心闭合流通，此时的磁场为短路漏磁场。
在额定负载情况下（图4c），原边绕组中流过空载电流和负载额定电流、副边绕组中通过额定负载电流。
此时的磁场应该为空载磁场和漏磁场的叠加，由于漏磁场相对空载磁场较弱，因此额定负载情况下的磁通仍然以空载磁通为主。
本文建立了变压器磁场分析模型，针对变压器的空载、负载和短路工作方式，采用有限元方法计算其内部的磁场分布，并结合变压器T型等值电路，分析了不同运行状态时磁场分布的特性。
计算结果和分析规律可加深学生对于“变压器”相关性质的理解，充实了教材在这方面的内容。
参考文献：
[1]秦曾煌.电工学[M].北京：高等教育出版社，2004.
[2]刘良成.电路教学中实际变压器的等效电路[J].电气电子教学学报，2001，23（5）：38-39.
作者简介：郭健（1980-），男，博士，南京航空航天大学讲师，中电电气集团有限公司博士后，从事特种变压器设计及物理场数值计算的研究。