电力设备低频电磁场仿真分析解决方案

ANSYS
电力设备低频电磁场仿真分析解决方案
目录
一、电力设备仿真分析（CAE）的必要性 (3)
二、ANSYS低频电磁场仿真分析论证 (3)
2.1 ANSYS Emag软件简介 (3)
2.2 ANSYS Emag在电力系统中的应用 (4)
2.2.1 电场分析 (4)
2.2.2 磁场分析 (5)
2.2.3 耦合场分析 (5)
2.3 ANSYS Emag应用案例 (6)
2.3.1 电场分析 (6)
2.3.1.1 电场分析应用案例——屏蔽电极电场结构优化设计 (6)
2.3.1.2 电场分析应用案例——电流互感器远场边界计算 (7)
2.3.2 磁场分析 (8)
2.3.2.1 磁场分析应用案例——空心电流互感器磁场分析 (8)
2.3.2.2 磁场分析应用案例——电流互感器输出特性计算 (9)
2.3.3 电磁场-热耦合分析 (10)
一、电力设备仿真分析（CAE）的必要性
随着超高压特高压电网的相继投运，电力系统的安全性以及电网的稳定性成为电网运行中关键因素之一。

更高的电压等级、更严格的运行指标对大容量、高性能输配电设备提出了更高的要求。

当前，计算机辅助设计（CAD）技术早已在电力设备制造中成熟运用，然而，对产品性能进行前期计算机仿真分析（CAE）技术还未能广泛应用。

随着电压等级以及性能要求的提高，样品试验的试验成本、试验耗时以及试验困难度（如大电流、高电压）等传统的产品性能验证方式都对设计成功率要求更高，传统的反复试验指导设计的方式已经不可行，因此，计算机辅助分析（CAE）的重要性达到了空前的高度，计算机硬件以及软件技术的飞速发展也使得CAE 成功应用于大规模工程问题成为现实。

电力设备的主要特性可分为电气、机械、温升以及化学等特性，这些特性相互作用，是一个集电、磁、结构、热、流体等于一体的综合的复杂的过程。

ANSYS 公司开发提供的系列仿真分析软件包含电磁、结构、热以及流体的仿真分析模块，可以很好的应用于电力设备的各方面性能仿真分析；其优越的多物理场耦合功能能够分析电力设备的整体综合性能；其优化功能能够为电力设备小型化、性能优化提供最优方案。

二、ANSYS低频电磁场仿真分析论证
2.1 ANSYS Emag软件简介
ANSYS Emag是ANSYS产品家族中专用的低频电磁场仿真分析模块，秉承了ANSYS家族产品的整体优势，历经超过25年的开发与应用，成为ANSYS家族产品中不可或缺的一员。

ANSYS Emag提供了完备的低频电磁场分析功能，包括静态电场、静态磁场、直流传导场、低频电场（时谐和瞬态）、以及低频磁场（时谐和瞬态）分析功能，
覆盖了几乎所有工程低频电磁问题的分析类型；ANSYS Emag提供的场路耦合功能能够方便直观的将电路模型与电磁场有限元模型直接相连，进行更精确、更系统的电气电磁特性分析，广泛应用与各种机电产品、电磁设备以及电气电力设备的研发和设计。

ANSYS Emag与ANSYS的另外两大分析模块——结构分析模块ANSYS Mechanical和流体分析模块ANSYS CFD之间能够实现分析数据的无缝链接，实现高效完整的电磁-热-流体-结构等多物理场分析功能。

2.2 ANSYS Emag在电力系统中的应用
电力系统一次侧设备（如：变压器、断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器和电力电缆等）直接与发电机、母线和传输线等高电压大电流元件相连，电气设备长期处于此类环境中，为保证运行的可靠性，需对一次侧设备进行试验，以确定设备的各项性能。

大量的重复性试验不仅增加设备成本，同时也对设备的制造周期有很大影响。

最重要的是，设备正常运行时其周围的电磁环境较复杂，试验不能完全模拟实际运行情况，这给电网的安全工作带来一定隐患。

ANSYS Emag电磁仿真软件应用长期以来被普遍证明准确的麦克斯韦方程组作为计算依据，通过设定各种载荷与边界条件，模拟复杂电磁环境中运行的电气设备，有助于及时发现长期运行设备中的隐患并排除，保证电网的安全工作。

2.2.1 电场分析
ANSYS Emag电场分析模块主要分为静电场与传导电流场计算。

静电场主要用于计算电压作用下绝缘设备的电场数值分布，例如变压器、断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、电抗器、电容器。

静电场分为稳态与时谐计算。

稳态静电场采用麦克斯韦方程组，通过电位（V），电场强度（E）与电位移矢量（D）之间的相互关系，考虑电介质在外电场下的极化作用，最终求取绝缘设备表面的电场强度数值与分布。

该分析可以指导电力设备的设计与安装，防止因电场集中导致的闪络，局部放电与击穿现象的发生。

时谐电场可以考虑介电材料在交变电压作用下产生的介电损耗，该损耗通过后续温度计算可以得出绝缘材料整体的温度分布，为评估绝缘老化提供了良好的参考依据。

传导电流场主要计算由导线中的电流引起的周围绝缘设备内部的电场分布。

传导电流场分为稳态，时谐和瞬态三种。

稳态传导电流场计算时只考虑导线内稳定流动的电流对绝缘设备电场分布的影响。

而时谐与瞬态传导电流场，在稳态的基础上还考虑电位移矢量（D）随时间变化对周围电场强度的影响效果。

该方法主要用于具有电流作用的电力设备电场分析，例如输变电系统中的母线、汇流排和传输线等。

此外，ANSYS Emag电场分析可以计算多导体系统的分布电容以及分布电导矩阵参数，软件提供的远场单元和Trefftz方法可以用于处理2D/3D电场分析中的开域问题，从而获得更精确的求解结果。

2.2.2 磁场分析
ANSYS Emag磁场分析包括2D/3D静磁场、低频磁场（时谐和瞬态）以及电磁场-电路耦合分析功能，用于分析由永磁体、交直流或任意时变电流/电压以及外部电源电路所产生的恒定或时变磁场特性，主要应用于电机、变压器、永磁设备、电磁感应装置等的稳态和动态磁场特性分析和参数计算。

ANSYS Emag磁场分析功能提供包括磁矢位法、磁标位法和棱边单元法在内的三种磁场分析方法，包含绞线圈和块导体两种导体类型，可以方便的定义各向同性、各向异性线性或非线性磁性材料属性；软件自动考虑块导体中的集肤效应，计算涡流及其损耗，计算所得电阻损耗和涡流损耗可应用于后续的热分析，进而分析设备的温升特性；ANSYS Emag的场路耦合分析功能方便直观的将有限元分析模型与离散电路分析模型直接相连，分析设备在外部电源电路或外接负载电路下的系统性能。

2.2.3 耦合场分析
ANSYS Emag与ANSYS Mechanical耦合可用于分析设备中由于电流发热或电磁感应生热（电阻损耗和涡流损耗）所引起的结构温升，与ANSYS CFD耦合可用于设备的传热和散热分析，可考虑电磁材料属性随温度的变化特性，所得温度结果可进一步用于热应力形变分析。

例如汇流排通过大电流所产生的热可以传递到ANSYS Mechanical中进行热应力分析，观察汇流排形变；电力变压器涡流损耗和线圈电阻损耗产生的热量；绝缘材料温度升高后对其绝缘性能的影响等；
2.3 ANSYS Emag应用案例
2.3.1 电场分析
采用电场分析模块进行静电场与传导电流场的计算。

激励主要为电位和电流，后处理中主要关注电场，电位的数值以及分布规律。

（a）分析模型（b）均压环表面电场分布
高压输电线试验线路电场分析
（a）分析模型（b）电位分布
（c）导体表面电场分布（d）壳体表面电场分布
高压开关柜电场分析
2.3.1.1 电场分析应用案例——屏蔽电极电场结构优化设计
高电压设备中，电极外形轮廓对其表面及周围的电位和电场分布影响极大，要使得电极表面不产生电晕放电乃至介质不会被击穿，需要对电极的结构形状进
行优化设计。

（a）不考虑屏蔽结构时的电场分布（b）锥形屏蔽结构时的电场分布
（c）半圆形屏蔽结构时的电场分布（d）半圆形屏蔽结构时的等电位线分布
高压开关屏蔽电极结构形状优化分析
2.3.1.2 电场分析应用案例——电流互感器远场边界计算
在进行电场计算时，一般对计算边界采用人工截断的方法，即人为的将计算边界设置为0电位。

而对于日益发展的高压以及特高压电力设备计算时，如果采用人工截断边界的方法，0电位边界将要设置在距离电力设备很远处。

这样会导致空气网格大幅度增加，计算效率下降。

若将0电位边界设置在距离电力设备较近的区域内，计算结果显然是不正确的。

ANSYS Emag电场计算模块提出了一种应用远场单元来模拟无穷远边界的方法。

该方法不受计算区域大小的限制，只需要将远场单元设置为边界即认为该边界的0电位在无穷远处。

该方法不仅减少计算机开销，更能准确分析高电压和超高电压下电力设备的电场电位分布。

（a）电流互感器模型三维模型（b）电流互感器与空气电位分布
电流互感器
2.3.2 磁场分析
磁场分析激励主要为电流密度，电流和电位。

后处理关心的数据为磁通密度，磁场强度，输出电流和电感等数据。

（a）分析模型（b）磁通密度分布（c）电流密度分布（含涡流）
铁芯交流磁场分析
2.3.2.1 磁场分析应用案例——空心电流互感器磁场分析
（a）分析模型（b）副边线圈电流密度分布
（c）磁通密度分布（d）副边线圈空间磁密分布
空心电流互感器交流磁场分析
2.3.2.2 磁场分析应用案例——电流互感器输出特性计算
电流互感器在电网中起到检测线路电流，防止产生电流过大而产生危害的作用。

电流互感器要求可以准确输出经过数倍缩小后的线路电流值。

（a）电流互感器模型三维网格模型（b）电流互感器模型三维模型
（c）电流互感器磁密分布图（d）实际测量输出电流与仿真对比
电流互感器输出特性计算
从上述仿真分析中可以看出，在保证模型、材料属性和载荷正确的情况下，
ANSYS Emag仿真出的电流互感器二次侧电流值与实际测量值差别很小，验证了Emag的准确性。

2.3.3 电磁场-热耦合分析
耦合场分析以电磁计算的结果为输入量，例如焦耳热，电磁力等，传递到ANSYS Mechanical和CFD中进行结构与流体的计算。

真空开关电磁场-热分析
2.3.3.1 电磁场-热耦合分析应用案例——三相交流母线温升分析
（a）几何模型（b）分析模型（c）壳体磁通密度分布
（d）壳体涡流密度分布（e）母线表面温度分布（f）壳体表面温度分布
三相交流母线电磁场-热分析（Emag + Mechanical）
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