基于team p21基准模型的杂散损耗测量方法研究与验证.doc

基于 TEAM P21 基准模型的杂散损耗测量方法研究与验证 刘涛 刘兰荣 张俊杰 聂京凯 程志光 金文德 保定天威保变电气股份有限公司 全球能源互联网研究院 国网浙江省电力公司 摘 要： 基于 TEAM P21 基准模型, 结合电磁场仿真软件, 对不同频率下导磁构件的杂散损耗问题进行了实验及仿真计算研究在 TEAM P21 基准问题中, 由于导磁构件会对励磁线圈的漏磁通带来影响, 所以传统的通过负载 (励磁线圈加结构件) 损耗减掉空载 (励磁线圈) 损耗得到的导磁构件损耗会带来一定误差为避免此误差, 提出了一种测量导磁结构件杂散损耗的新方法, 即在仿真软件可对励磁线圈 (铜线圈, 线性材料) 损耗进行较准确计算的前提下, 通过仿真计算得到有空载及负载工况条件下的励磁线圈损耗差并对实验结果进行修正所提出的测量方法和获得的实验数据有助于得到更准确的导磁构件杂散损耗实验结果并有助于提高仿真计算的准确性关键词： TEAM P21 基准问题; 漏磁通; 杂散损耗; 硅钢叠片; 作者简介：刘涛 (1984-) , 男, 工学硕士, 工程师, 研究方向为工程电磁场分析与实验, 磁性材料模拟与应用。

收稿日期：2017-08-20基金：国家电网公司科技项目 (SGRIDGKJ[2015]212) Research and Verification of Stray Loss Measurement Method Based on TEAM P21 Benchmark ModelLIU Tao LIU Lanrong ZHANG Junjie NIE Jingkai CHENG Zhiguang JIN Wende Baoding Tianwei Baobian Electric Co.Ltd.; Global Energy Interconnection Research Institute; State Grid Zhejiang Electric Power Company; Abstract： Based on TEAM P21 benchmark model, combined with electromagnetic simulation software, the stray losses of magnetic components under different frequencies are studied by experiments and simulation. In the TEAM P21 benchmark problems, the leakage flux produced by magnetic components will bring influence on the exciting coil, so the traditional method of load ( coil and magnetic component) subtracting no-load ( exciting coil) loss to measure the magnetic component loss will bring a certain error. To avoid this error, a new method of measuring magnetic component loss is proposed. On the premise that the exciting coil ( copper coil, linear material) loss can be calculated accurately by simulation, the loss difference of the excitation coil under no-load and load conditions is obtained, which can be used to correct the experimental results. The measurement method and experimental data obtained through the method can help to obtain more accurate results of stray losses of magnetic components and furtherly improve the simulation accuracy.Keyword： TEAM P21 benchmark problem; leakage magnetic flux; stray loss; silicon steel lamination; Received： 2017-08-200 引言输变电装备中的杂散损耗问题, 对试验研究和数值仿真而言都是一个复杂的经典难题。

以大型电力变压器为例, 杂散损耗系因变压器漏磁场在导电实体或导磁构件中感应产生, 杂散损耗的局部密度过大, 可能引起局部过热, 危及变压器安全运行对于高压、特高压变压器, 杂散损耗和发热冷却问题的研究就显得更为突出, 不可忽视任何一个导致杂散损耗密度过度增加或过热的结构细节[1]电磁场数值模拟仿真的有效性依赖于分析方法、计算软件、材料属性数据及充分的实验验证为了验证数值模拟仿真方法的有效性, 从 1985 年开始, 国际电磁计算协会 (ICS) 一直非常关注世界范围内的 TEAM 基准问题, 为了测试及比较电磁场数值分析计算方法, 建立了一系列到目前仍被广泛应用的基准问题族[2]此外, 还发布了用于验证计算电磁学中模拟及仿真的 IEEE 标准[3]TEAM P21 基准问题以模拟电气工程中的杂散损耗问题为背景提出, 目前已有包括 5 组 16 个基准模型族[4-8]在实验研究方面, 结构件的杂散损耗总是与其他损耗成分混在一起, 因而, 不能直接测量杂散损耗, 很难准确地将结构件上的损耗从总损耗中分离出来因此, 如何能更准确地得到结构件损耗, 仍是在研究杂散损耗问题中需要重点解决的问题之一[9-15]。

本文基于 TEAM P21 基准问题中的 P21-M1 及 P21-B 基准模型, 结合 Infolytica 公司的 Mag Net 电磁场仿真软件, 对不同频率下取向硅钢叠片的杂散损耗问题进行了研究提出了一种确定导磁构件杂散损耗的新方法, 并对该方法的有效性进行了验证分析更有效的损耗测量数据有助于提高仿真计算的准确性1 杂散损耗测量方法研究1.1 磁场及损耗仿真计算传统的测量方法是采用负载 (含结构件) 总损耗 Pload减去空载 (无结构件) 励磁线圈损耗 Pnoload来得到结构件的杂散损耗 Pt激励线圈中的欧姆损耗包括线圈中的涡流损耗和直阻损耗, 其中涡流损耗由漏磁场在铜导线中感应产生实际上, 当结构件为导磁材料时, 对于线圈来说, 负载工况条件下与空载工况条件下的漏磁场分布是有差异的利用仿真软件可计算得到励磁线圈周围的二维漏磁场分布图 1 所示为 P21 基准模型在反向激励、空载工况条件励磁线圈周围二维磁场分布图 2 为 P21 基准模型在反向激励、负载工况条件下, 当构件为硅钢叠片时励磁线圈周围的二位漏磁场分布图 1 空载条件下励磁线圈漏磁场分布 下载原图图 2 负载 (硅钢叠片) 条件下励磁线圈漏磁场分布 下载原图从图中可看出, 2 种工况条件下励磁线圈周围的漏磁场分布有明显差异, 从而导致励磁线圈的涡流损耗差异。

采用传统的“负载—空载”的测量方法会带来一定的误差因此, 在利用 TEAM P21 模型研究构件杂散损耗问题时, 应当充分考虑负载和空载时励磁线圈的损耗差因素相对于非线性导磁材料, 线性导磁材料 (铜线) 的损耗仿真更易得到准确的计算结果为验证仿真软件对线性导磁材料仿真计算的准确度, 对 P21 基准模型的励磁线圈做了建模仿真及实验验证由于建模的精细程度会直接影响计算结果, 为了得到更准确的线圈损耗仿真计算结果, 对励磁线圈进行了单匝建模, 模型中的每一匝都和实际结构对应, 以使建模结构更接近实际线圈模型, 考察仿真计算对线性空载线圈损耗计算的有效性图 3 为 P21 基准模型励磁线圈的1/4 模型图图 3 线圈模型图 下载原图激励线圈 (铜导线) 的电阻会受到温度影响, 在相同激励电流条件下, 不同环境温度会有不同的线圈损耗如 P21 基准模型在 10 A 反向激励条件下, 当环境温度为 20℃时, 线圈测量损耗为 73.35 W, 而当环境温度为 30℃时, 线圈损耗则达到 76.62 W因此, 在仿真计算时, 需考虑环境温度对铜导体材料电导率的影响并修正, 才能得到更合理准确的仿真计算结果。

在环境温度为 30℃条件下, 在不同频率及不同激励电流的条件下测量得到的及计算得到的励磁线圈损耗数据对比分析见表 1表 1 线圈损耗测量及计算结果 下载原表 从表 1 中线圈损耗数据可看出, 通过仿真软件, 采用单匝建模的方式可以较准确地计算得到线圈损耗计算误差可以控制在 2%以内, 在激励条件为 350 Hz、3 A 时的计算误差仅为 0.06%1.2 改进的导磁构件杂散损耗测量方法基于空载、负载条件下的漏磁场分布差异给传统测量方法的构件损耗测量带来误差, 以及励磁线圈的损耗可通过仿真计算软件较准确地得到为了能更准确地确定构件损耗, 提出了一种考虑激励线圈损耗差的导磁构件杂散损耗测量方法, 如公式 (2) ~ (4) 所示:式中:P coil_l为负载工况下线圈的实际损耗;P coil_n为空载工况下线圈的实际损耗 (即 Pnoload) ;δ 为 2 种工况之间线圈损耗的差值P coil_l_cal为负载工况条件下线圈的损耗仿真计算值;P coil_n_cal为空载工况条件下线圈的损耗仿真计算值导磁结构件的实际杂散损耗 P 为测量的负载总损耗 Pload减掉负载工况条件下的实际线圈损耗 Pcoil_l可用下式表示:将式 (2) 代入式 (4) , 可得:式中:P coil_n即为 Pnoload, 将式 (1) 代入式 (5) , 可得:式中:P load为负载工况条件下的总损耗;P t为传统的“负载—空载”方法得到的构件损耗;P 为用改进的新方法处理得到的构件损耗。

2 实验及仿真验证2.1 硅钢叠片损耗实验及仿真基于 TEAM P21 问题中的 P21-M1 基准模型, 剪切了一组 (20 片) 宝钢 B30P105取向硅钢结构件试样在环境温度为 30℃条件下, 针对改组试样做了损耗测量实验为了得到更准确的仿真计算结果, 对 20 片硅钢叠片的每片都进行单片建模使仿真模型和实验模型在结构上完全对应而不进行简化处理P21-M1 的结构图如图 4, 其模型图如图 5给 P21-M1 基准模型的 2 个励磁线圈施加不同频率、不同大小的反向激励电流, 得到一系列硅钢叠片的损耗测量结果及空载励磁线圈的损耗计算结果见表 2图 4 P21-M1 结构图 下载原图图 5 P21-M1 模型图 下载原图从表 2 中数据可看到, 在相同激励电流条件下, 随着频率的提高, δ 与 Pt的比值逐渐变大, 如在激励电流为 5 A, 50 Hz 时, δ/P t为 0.34;150 Hz 时, δ/P t为 0.44;250 Hz 时, δ/P t为 0.46这说明了频率越高, 利用传统“负载—空载”方法带来的测量误差越大表 2 损耗测量及计算结果 下载原表 B30P105 取向硅钢材料在不同频率下的磁性能通过爱泼斯坦方圈测量系统测量得到。

针对该模型进行建模仿真, 将构件的 20 片硅钢片采用分片建模的方式对于材料的电导率, 设为各向异性, 轧制方向及垂直轧制方向给正常电导率参数, 而在垂直叠片方向。