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1、基于基于 ANSYSANSYS 的电压互感器磁路耦合分析的电压互感器磁路耦合分析郑树展1，王丽华2，邓智泉1（1、南京航空航天大学 自动化学院，南京 210016；2、天津职业大学 机电工程与自动化学院，天津 300402）摘要：摘要：本文以单相三柱式电压互感器为例，利用大型有限元分析软件ANSYS，对其进行了磁路耦合二维有限元分析，得到了磁通曲线分布图，完成了空载和短路状态下的电压误差和相位误差的计算，并与传统方法计算的结果进行了比较和分析。关键词：关键词：ANSYS；有限元分析；电压互感器；磁路耦合中图分类号：中图分类号：TM572.2；TP311.56文献标识码：文献标识码：AAnaly
2、sis of Electromagnetic-circuit Coupling Field of Voltage Transformer withAnalysis of Electromagnetic-circuit Coupling Field of Voltage Transformer withANSYSANSYSZHENG Shu-zhanZHENG Shu-zhan1 1 WANG WANG Li-huaLi-hua2 2 DENG DENG Zhi-quanZhi-quan1 1（1.Nanjing University of Aeronautics&Astronautics,Co
3、llege of Automationengineering,Nanjing 210016 china;2.Tianjin Professional College,Department of MechanicalEngineering and Automation,Tianjin 300402 china）AbstractAbstract：Using the three-pillar single-phasevoltage transformeras the example，this paperstudies its 2D finite elementanalysis of electrom
4、agnetic-circuit coupling field with the currentfinite element analysissoftware ANSYS，its fluxlinkage distribution curve is acquired and thevalues ofvoltage error andphase error of no-load and short circuit are calculated Comparedwith the theory ones，the measured results are analyzed at the end of th
5、e paperKey words:Key words:ANSYS；finite elementanalysis；voltage transformer；electromagnetic-circuitcoupling0 0 引言引言电压互感器是一种专门用于将高电压转换成低电压的特种变压器，在正常使用条件时，二次电压实质上与一次电压成正比，而且在连接方向正确时，二次电压对一次电压的相位差接近于零。电压互感器一次绕组并联在电力系统的线路中，二次绕组经负荷（测量仪表、继电器等）而闭合。本文采用国际流行的 ANSYS 大型通用有限元分析软件对电压互感器进行有限元分析，它拥有丰富和完善的单元库、材料模型库
6、和求解器，保证了它能够高效的求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线性问题，稳态和瞬态热分析及热结构耦合问题，静态和时变电磁场问题，以及多场耦合问题；它的完全交互式的前后处理和图形软件，大大减轻了用户创建工程模型，生成有限元模型以及分析和评价计算结果的工作量；它的统一和集中式的数据库，保证了系统各个模块之间的可靠和灵活的集成；它的 DDA 模块实现了它与多个 CAD软件产品的有效连接。ANSYS 有限元分析软件分析过程中包含三个主要步骤：前处理、加载和求解、后处理。前处理是指创建实体模型及有限元模型。它包括创建实体模型，定义单元属性，划分网格，模型修正等几项内容。加载可在实体模型或 FEA
7、模型（节点和单元）上加载，但无论采取何种加载方式，ANSYS 求解前都将载荷转化到有限元模型。在求解进行之前，应进行分析数据检查，求解结果保存在数据库中并输出到结果文件。ANSYS 具有两个结果后处理器：通用后处理器；时间历程后处理器。前者只能观看整个模型在某一时刻的结果；后者可观看模型在不同时间段或子步历程上的结果，常用于处理瞬态或动力分析结果。151 1 有限元建模和网格剖分有限元建模和网格剖分1.11.1 有限元建模有限元建模选电压互感器为单相三柱式结构，额定一次电压 35KV，一次绕组匝数 32126，额定二次电压 100V，二次绕组匝数92，一次绕组电阻8681，二次绕组电阻0.09
8、7，额定频率50HZ。对其进行了二维有限元分析。虽然所有的实体都是三维的，但在实际计算时首先要考虑能否将它简化成2D平面模型，这是因为 2D 模型建立起来更容易，分析起来也更快捷。电压互感器的 2D 几何模型包括：原边线圈、副边线圈、铁心和空气。图 1 为单相三柱型电压互感器（1/2 模型）。图 1 单相三柱型电压互感器（1/2 模型）1.21.2 单元的选取单元的选取本磁场分析具体选用了 ANSYS/Multiphysics 模块、PLANE53 单元和 CIRCU124 单元。PLANE53 单元适用于二维（平面和轴对称）磁场分析。PLANE53 单元由 8 节点组成，每节点有 4 个自由
9、度：磁矢势（AZ）、时间积分电势（VOLT）、电流（CURR）和电动势（EMF）。PLANE53 单元建立在磁矢势的明确表述上，适用于以下的低频电磁场领域：静磁学、涡流（交流谐波分析和瞬态分析）、载压电磁领域（静态、交流谐波和瞬态分析）以及磁路耦合领域（静态、交流谐波和瞬态分析）等。PLANE53 单元具有非线性磁场分析功能，可以输入 BH 曲线或永磁体去磁曲线。在 PLANE53 单元中，通过 SF 和 SFE 命令把麦克斯韦力加在由环绕的数字所标出的单元表面上，要计算电磁力的表面通过加MXWF 标志在其表面上加载命令，在这些表面上计算麦克斯韦应力张量，从而得到电磁力。CIRCU124 单元
10、是适用于电路模拟的一种普通电路单元。CIRCU124 单元也可以与电磁有限元接口来模拟耦合电磁电路场交互作用。CIRCU124 单元至多有 6 个节点来定义电路单元并且每个节点有 3 个自由度来模拟电路反应。对于电磁电路耦合场，CIRCU124单元可以与 PLANE53 单元（二维电磁场分析单元）和 SOLID97 单元（三维电磁场分析单元）有接口，CIRCU124 单元适用于静态、谐性和暂态分析。CIRCU124 单元被主动的和被动的节点定义，主动节点联结在总电路图上，被动节点被 CIRCU124 单元内部使用并不与电路相联。1.31.3 网格剖分网格剖分建完几何模型后，在有限元模型区域中，
11、设定二维磁场分析单元 PLANE53 单元类型。设定好一、二次绕组的实常数，并赋予铁心、线圈和空气的材料属性。为各实体赋予已经定义好的材料属性、单元类型，随后即可以进行网格剖分。图2 为电压互感器网格剖分图。由于本几何模型的形状非常规则，故可采用自由网格剖分。图2 单相三柱型电压互感器剖分图（1/2模型）1.41.4 磁路耦合有限元分析磁路耦合有限元分析建模、剖分以后，建立电路单元：原边线圈建立独立电压源（IVS），建立绞线圈单元（SCE），将 PLANE53 单元构成的原边线圈截面与独立电压源（IVS）相连接，并设置好单元属性和实常数；副边线圈建电阻(RES)，模拟开路和短路情况，建绞线圈单
12、元（SCE），将PLANE53 单元构成的副边线圈截面与电阻器(RES)相连接，并设置好单元属性和实常数。然后，耦合自由度并选择基于节点的矢量磁位法来分析电压互感器模型，施加磁力线平行于表面的边界条件。图 3 为耦合并加载边界条件之后的模型。图 3 耦合并加边界条件之后的图形2 2 求解及后处理求解及后处理2.12.1 电压互感器空载时的求解及后处理电压互感器空载时的求解及后处理输入命令流，求解完成后，在后处理中，通过*get 命令取出原边电压的实部 voltrP 和虚部 voltiP，以及副边电压的实部 voltrS 和虚部 voltiS，从参数列表中取出电压误差 ERRPS0.692416
13、3301469E-04，本文实例中用传统方法求得的电压误差为 0.06；取出相位差 ERRF0.042，实例中用传统方法求得的相位差为 0.17。可以看出利用 ANSYS 软件计算出的电压误差略小于传统方法算出的电压误差。图 4 为开路时的磁通曲线图。图 4 开路磁通曲线图2.22.2 短路时的求解及后处理短路时的求解及后处理电压互感器工作时二次绕组基本处于开路状态，绝对不能短路。为保证设备和工作人员的安全，电压互感器二次侧短路电流密度不能超过 160A/mm21。在后处理中，通过*get 命令取出原边电流的实部 currRP 和虚部 currIP，以及副边电流的实部 currRS 和虚部 c
14、urrIS，从参数列表中取出原边电流有效值 IP1.11A 和副边电流 IS390.52A，分别除以原边和副边的导线截面积，得到二次侧短路电流密度为 75.9 A/mm2，实例中用传统方法计算出的二次侧短路电流密度为 77 A/mm2。可以看出用 ANSYS 软件计算出的电流密度略小于传统方法算出的电流密度。图 5 为短路时的磁通曲线图。图 5 短路磁通曲线图3 3 计算结果的比较和分析计算结果的比较和分析通过以上两种情况的计算分析可知，运用 ANSYS 计算得到的电压误差和短路电流密度均小于传统方法计算的结果，这主要是因为传统方法中采用了一些近似公式，同时在 ANSYS计算中，没有考虑磁滞和
15、涡流损耗。4 4 结论结论运用 ANSYS 对单相三柱式电压互感器进行磁路耦合有限元分析，可以获得详实的计算结果数据、形象的二维实体磁场分布和其他相关变量的结果描述。与理论数据相比，结果较为精确，如果网格剖分越密，计算精度会越高。本文作者创新点：本文作者创新点：本文实现了单相三柱式电压互感器在 ANSYS 中的磁路耦合分析，通过与理论计算的数据比较，结果较为精确。参考文献：参考文献：1 张军，肖耀荣，刘在勤.互感器设计M.沈阳变压器研究所，19932 王丽华，苏秀苹，姬丽娟，赵尚武.利用 ANSYS 软件进行双 E 型交流接触器吸力特性分析J.河北工业大学学报，2004，2(1)3 王国强.实
16、用工程模拟技术及其在 ANSYS 上的实践M.西北工业大学出版社，19994 阎照文等.ANSYS10.0工程电磁分析技术与实例详解M.中国水利水电出版社，20065 卢振洋等.基于 ANSYS 薄板 GTAW 焊接温度场数值模拟J.微计算机信息，2007，2-1：291-292作者个人简介：郑树展（1977-），男，汉族，南京航空航天大学自动化学院工程硕士，天津航空机电有限公司装配车间主任，主研方向：电器 CAE。：导师简介：邓智泉，男，教授，博士生导师，南京航空航天大学自动化学院副院长，主研方向：高速电机、磁悬浮电机等。Biography：Zheng Shu-zhan(1977-)，an
17、engineering master of College of Automation ofNanjing University of Aeronautics&Astronautics,director ofFitting Shop of Tianjin AviationElectro Mechanical CO.LTD,researches mainly CAE of electrical apparatus.Deng Zhi-quan,Professor,tutor of Ph.D.Vice Dean of College of Automation of NanjingUniversity of Aeronautics&Astronautics,researches mainly high speed generator、magneticallylevitated generator.etc.