一种变压器漏磁场的二维有限元仿真方法和系统

摘要

本申请公开了一种变压器漏磁场的二维有限元仿真方法和系统，其中方法包括：获取变压器各个内部结构，根据内部结构建立变压器漏磁场的三维有限元模型；对模型施加激励电流得到变压器漏磁场的分布和大小；根据内部结构建立变压器漏磁场的二维有限元模型；施加激励电流得到二维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小；根据三维模型与二维模型的位置对应关系计算三维模型对应二维模型的变压器漏磁场的分布和大小；计算二维模型中激励电流的修正系数；根据修正系数补偿二维模型的激励电流，计算得到新的二维模型中变压器漏磁场的分布和大小。本申请的技术方案能够在节约计算和存储资源的同时得到准确的二维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小。

说明书

技术领域

本申请涉及变压器技术领域，尤其涉及一种变压器漏磁场的二维有限元仿真方法和系统。

背景技术

变压器在电力系统中具有转变电压的重要功能，因此作用十分重要。并且随着电力系统的容量逐渐增大，在运主变年限的增长，变压器绕组的稳定性及变压器的损坏程度成为相关领域研究的重点。而变压器漏磁场是研究变压器绕组工作稳定性和损坏程度的重要依据。

现有技术中通常通过对变压器漏磁场进行仿真，以检测变压器绕组的稳定性和变压器的损坏程度。随着计算机技术的不断发展，现有技术中通常建立变压器的三维仿真模型研究变压器的漏磁场分布情况。具体地，通过建立变压器内部的铁芯、绕组和夹件等结构的三维模型，分别赋予各结构对应的材料、形状和连接关系等参数的属性，并进一步对变压器绕组设置电流方向，通过外电路施加激励电流，从而通过仿真软件得到变压器漏磁场的分布和大小，进而根据变压器漏磁场的分布和大小研究变压器的工作稳定性和损坏程度。

虽然，变压器漏磁场的三维仿真模型相对于二维仿真模型对变压器漏磁场的分布研究更加精确，然而，变压器的三维仿真模型的计算量较大，计算求得变压器漏磁场分布和大小所需的计算时间过长，且内存占用过高，远超过二维仿真模型。

发明内容

本申请提供了一种变压器漏磁场的二维有限元仿真方法和系统，以解决现有技术中变压器漏磁场的三维仿真方法计算时间过长，内存占用过高的问题。

第一方面，本申请提供了一种变压器漏磁场的二维有限元仿真方法，包括：

获取变压器的各个内部结构，根据所述各个内部结构仿真建立变压器漏磁场的三维有限元模型；

对所述三维有限元模型施加激励电流，计算得到所述三维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小；

根据所述变压器的各个内部结构仿真建立变压器漏磁场的二维有限元模型；

对所述二维有限元模型施加所述激励电流，计算得到所述二维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小；

根据所述三维有限元模型与所述二维有限元模型的位置对应关系，计算所述三维有限元模型中对应二维有限元模型的变压器漏磁场的分布和大小；

根据所述三维有限元模型中对应二维有限元模型的变压器漏磁场的分布和大小，计算所述二维有限元模型中激励电流的修正系数；

根据所述修正系数补偿所述二维有限元模型中的激励电流，计算得到新的二维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小。

结合第一方面，在第一方面的第一种可选的实现方式中，所述根据各个内部结构仿真建立变压器漏磁场的三维有限元模型，包括：

设置变压器的各个内部结构的结构参数，所述结构参数包括形状、尺寸、材料、数量和连接关系；

根据所述结构参数建立所述变压器各个内部结构的三维仿真模型；

按照所述变压器内部结构的连接关系组装所述各个内部结构的三维仿真模型，作为所述变压器漏磁场的三维有限元模型。

结合第一方面，在第一方面的第二种可选的实现方式中，所述对三维有限元模型施加激励电流，计算得到三维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小，包括：

预设所述变压器的绕组匝数和各线圈的连接方式；

按照预设电流方向对所述变压器的绕组施加预定大小的激励电流，模拟得到所述激励电流对应的变压器的主风道磁密值和漏磁分布云图；

根据所述主风道磁密值和漏磁分布云图，计算得到所述变压器漏磁场的分布和大小。

结合第一方面，在第一方面的第三种可选的实现方式中，所述根据三维有限元模型与所述二维有限元模型的位置对应关系，计算所述三维有限元模型中对应二维有限元模型的变压器漏磁场的分布和大小，包括：

根据所述位置对应关系对所述三维有限元模型做切面，得到所述三维有限元模型中对应二维有限元模型的变压器结构；

确定对应二维有限元模型的变压器结构中变压器漏磁场的分布和大小。

第二方面，本申请还提供了一种变压器漏磁场的二维有限元仿真系统，包括：

三维有限元模型建立模块，用于获取变压器的各个内部结构，根据所述各个内部结构仿真建立变压器漏磁场的三维有限元模型；

第一漏磁场计算模块，用于对所述三维有限元模型施加激励电流，计算得到所述三维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小；

二维有限元模型建立模块，用于根据所述变压器的各个内部结构仿真建立变压器漏磁场的二维有限元模型；

第二漏磁场计算模块，用于对所述二维有限元模型施加所述激励电流，计算得到所述二维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小；

第三漏磁场计算模块，用于根据所述三维有限元模型与所述二维有限元模型的位置对应关系，计算所述三维有限元模型中对应二维有限元模型的变压器漏磁场的分布和大小；

修正系数计算模块，用于根据所述三维有限元模型中对应二维有限元模型的变压器漏磁场的分布和大小，计算所述二维有限元模型中激励电流的修正系数；

第四漏磁场计算模块，用于根据所述修正系数补偿所述二维有限元模型中的激励电流，计算得到新的二维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小。

结合第二方面，在第二方面的第一种可选的实现方式中，所述三维有限元模型建立模块，包括：

结构参数设置子模块，用于设置变压器的各个内部结构的结构参数，所述结构参数包括形状、尺寸、材料、数量和连接关系；

三维仿真模块建立子模块，用于根据所述结构参数建立所述变压器各个内部结构的三维仿真模型；

三维有限元模型确定子模块，用于按照所述变压器内部结构的连接关系组装所述各个内部结构的三维仿真模型，确定为所述变压器漏磁场的三维有限元模型。

结合第二方面，在第二方面的第二种可选的实现方式中，所述第一漏磁场计算模块，包括：

连接方式预设子模块，用于预设所述变压器的绕组匝数和各线圈的连接方式；

漏磁模拟子模块，用于按照预设电流方向对所述变压器的绕组施加预定大小的激励电流，模拟得到所述激励电流对应的变压器的主风道磁密值和漏磁分布云图；

漏磁场计算子模块，用于根据所述主风道磁密值和漏磁分布云图，计算得到所述变压器漏磁场的分布和大小。

结合第二方面，在第二方面的第三种可选的实现方式中，所述第三漏磁场计算模块，包括：

变压器结构确定子模块，用于根据所述位置对应关系对所述三维有限元模型做切面，确定得到所述三维有限元模型中对应二维有限元模型的变压器结构；

漏磁场确定子模块，用于确定对应二维有限元模型的变压器结构中变压器漏磁场的分布和大小。

本申请的技术方案提供的变压器漏磁场的二维有限元仿真方案，根据变压器的内部结构建立变压器漏磁的三维有限元模型，然后施加激励电流，得到该三维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小；并根据同样方法计算得到二维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小；对所述三维有限元模型施加激励电流，计算得到所述三维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小；最后通过三维有限元模型中对应二维有限元模型的变压器漏磁场的分布和大小，计算得到二维有限元模型中激励电流的修正系数，通过该修正系数补偿原二维有限元模型中的激励电流，从而计算得到准确的二维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小。本申请的技术方案能够获取准确的二维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小，同时节约计算和存储资源。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种变压器漏磁场的二维有限元仿真方法的流程示意图；

图2为图1所示实施例提供的一种三维有限元模型仿真建立方法的流程图；

图3为图1所示实施例提供的第一种变压器漏磁场的计算方法的流程示意图；

图4为图1所示实施例提供的第二种变压器漏磁场的计算方法的流程示意图；

图5为本申请实施例提供的一种变压器漏磁场的二维有限元仿真系统的结构示意图；

图6为图5所示实施例提供的一种三维有限元模型建立模块的结构示意图；

图7为图5所示实施例提供的一种第一漏磁场计算模块的结构示意图；

图8为图6所示实施例提供的一种第三漏磁场计算模块的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，为本申请实施例提供的一种变压器漏磁场的二维有限元仿真方法的流程示意图。如图1所示，本申请实施例提供的变压器漏磁场的二维有限元仿真方法包括以下步骤：

S110：获取变压器的各个内部结构，根据各个内部结构仿真建立变压器漏磁场的三维有限元模型。变压器的内部结构包括铁芯、绕组、夹件、拉板和油箱等结构，对应的仿真建立的变压器漏磁场的三维有限元模型也包括铁芯、绕组、夹件、拉板和油箱的三维有限元模型。其中，拉板、夹件和油箱等结构的漏磁场也是不可忽视的，对仿真结果影响较大，并且三维有限元模型中漏磁场仿真分析的准确性对二维的修正系数起着重要作用，因此，拉板、夹件和油箱等结构的仿真不可忽略。

如图2所示，图1中的步骤S110：根据各个内部结构仿真建立变压器漏磁场的三维有限元模型，具体包括以下步骤：

S111：设置变压器的各个内部结构的结构参数，结构参数包括形状、尺寸、材料、数量和连接关系。具体地，如变压器铁芯的数量及绕组的匝数等。

S112：根据结构参数建立变压器各个内部结构的三维仿真模型。

S113：按照变压器内部结构的连接关系组装各个内部结构的三维仿真模型，作为变压器漏磁场的三维有限元模型。

具体地，可利用三维建模软件，使用结构参数分别建立变压器铁芯、绕组和夹件等结构的三维仿真模型，通过软件的装备功能将各个三维仿真模型组合成一个整体导入三维有限元分析软件中。并对各个部件赋予材料等结构参数，从而得到整个变压器的三维有限元模型。通过对绕组设置电流方向，通过外电路设置激励电流的大小、绕组匝数及各个线圈的连接方式，从而求出主风道(即绕组之间的空隙风道)的磁密值，以分析漏磁场大小，并通过提取漏磁分布云图研究三维有限元模型中的漏磁分布。

通过设置变压器的各个内部结构的结构参数，根据该结构参数建立变压器各个内部结构的三维仿真模型，从而按照变压器内部结构的连接关系组装各个内部结构的三维仿真模型，作为变压器漏磁场的三维有限元模型，能够准确仿真真实的变压器结构，仿真变压器内影响漏磁场分布和大小的各个因素。

S120：对三维有限元模型施加激励电流，计算得到三维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小。

在激励电流的作用下述，三维有限元模型中的变压器会产生一定大小的漏磁场，该漏磁场的大小与激励电流的大小相关。

该步骤S120：对三维有限元模型施加激励电流，计算得到三维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小，具体包括以下步骤：

S121：预设变压器的绕组匝数和各线圈的连接方式。

S122：按照预设电流方向对变压器的绕组施加预定大小的激励电流，模拟得到激励电流对应的变压器的主风道磁密值和漏磁分布云图。

S123：根据主风道磁密值和漏磁分布云图，计算得到变压器漏磁场的分布和大小。

具体地，可通过对绕组设置电流方向，通过外电路设置激励电流的大小、绕组匝数及各个线圈的连接方式，从而求出对应的主风道(即绕组之间的空隙风道)的磁密值，以分析漏磁场大小，并通过提取漏磁分布云图研究三维有限元模型中的漏磁分布。

通过预设变压器的绕组匝数和各线圈的连接方式，按照预设电流方向对变压器绕组施加预定大小的激励电流，模拟得到激励电流对应的变压器的主风道磁密值和漏磁分布云图。通过主风道磁密值能够准确得到变压器漏磁场的大小，通过漏磁分布云图能够准确求出变压器漏磁场的分布情况。

S130：根据变压器的各个内部结构仿真建立变压器漏磁场的二维有限元模型。

S140：对二维有限元模型施加激励电流，计算得到二维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小。

建立变压器漏磁场的二维有限元模型的具体步骤与三维有限元模型的仿真建立步骤相似。具体的也是通过变压器的各个内部结构，如铁芯、绕组的结构参数，使用二维的有限元分析建模软件根据各个内部结构的结构参数仿真建立二维有限元模型，并在对二维有限元模型施加激励电流的过程中计算得到二维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小。

S150：根据三维有限元模型与二维有限元模型的位置对应关系，计算三维有限元模型中对应二维有限元模型的变压器漏磁场的分布和大小。

三维有限元模型中对应二维有限元模型的变压器漏磁场本质还是三维有限元模型中一个面的变压器漏磁场的分布和大小，因此该计算得到的变压器漏磁场的分布和大小相对于二维有限元模型更加精确。

如图4所示，该步骤S150具体如下：

S151：根据位置对应关系对三维有限元模型做切面，得到三维有限元模型中对应二维有限元模型的变压器结构。

S152：确定三维有限元模型中对应二维有限元模型的变压器结构中变压器漏磁场的分布和大小。

变压器漏磁场的二维有限元模型可作为三维有限元模型从一个切面切开得到的模型，因此通过二维有限元模型和三维有限元模型的位置对应关系对三维有限元模型做切面，从而得到三维有限元模型中对应二维有限元模型的变压器结构，进而能够准确地确定对应二维有限元模型的变压器结构中变压器漏磁场的分布和大小。

S160：根据三维有限元模型中对应二维有限元模型的变压器漏磁场的分布和大小，计算二维有限元模型中激励电流的修正系数。

三维有限元模型中对应二维有限元模型的变压器漏磁场的分布和大小，与二维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小并不完全相同，而三维有限元模型对应二维有限元模型的变压器漏磁场的分布和大小更加精确，因此通过该变压器漏磁场的分布和大小及其对应的激励电流，能够得到二维有限元模型得到该变压器漏磁的分布和大小所需要对应的理论激励电流，并根据该理论激励电流对原二维有限元模型中的实际激励电流做出修正，得到修正系数。

S170：根据修正系数补偿二维有限元模型中的激励电流，计算得到新的二维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小。

本申请的技术方案提供的变压器漏磁场的二维有限元仿真方法，根据变压器的内部结构建立变压器漏磁的三维有限元模型，然后施加激励电流，得到该三维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小；并根据同样方法计算得到二维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小；对所述三维有限元模型施加激励电流，计算得到所述三维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小；最后通过三维有限元模型中对应二维有限元模型的变压器漏磁场的分布和大小，计算得到二维有限元模型中激励电流的修正系数，通过该修正系数补偿原二维有限元模型中的激励电流，从而计算得到准确的二维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小。本申请的技术方案能够获取准确的二维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小，同时节约计算和存储资源。

基于同一申请构思，本发明还提供了变压器漏磁场的二维有限元仿真系统的实施例，由于系统对应的方法是本发明实施例中的变压器漏磁场的二维有限元仿真方法，并且该系统解决问题的原理与方法相似，因此系统的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。

请参见图5，图5为本申请实施例提供的一种变压器漏磁场的二维有限元仿真系统的结构示意图，如图5所示，该变压器漏磁场的二维有限元仿真系统，包括：

三维有限元模型建立模块101，用于获取变压器的各个内部结构，根据各个内部结构仿真建立变压器漏磁场的三维有限元模型。

第一漏磁场计算模块102，用于对三维有限元模型施加激励电流，计算得到三维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小。

二维有限元模型建立模块103，用于根据变压器的各个内部结构仿真建立变压器漏磁场的二维有限元模型。

第二漏磁场计算模块104，用于对二维有限元模型施加激励电流，计算得到二维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小。

第三漏磁场计算模块105，用于根据三维有限元模型与二维有限元模型的位置对应关系，计算三维有限元模型中对应二维有限元模型的变压器漏磁场的分布和大小。

修正系数计算模块106，用于根据三维有限元模型中对应二维有限元模型的变压器漏磁场的分布和大小，计算二维有限元模型中激励电流的修正系数。

三维有限元模型中对应二维有限元模型的变压器漏磁场的分布和大小，与二维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小并不完全相同，而三维有限元模型对应二维有限元模型的变压器漏磁场的分布和大小更加精确，因此通过该变压器漏磁场的分布和大小及其对应的激励电流，能够得到二维有限元模型得到该变压器漏磁的分布和大小所需要对应的理论激励电流，并根据该理论激励电流对原二维有限元模型中的实际激励电流做出修正，得到修正系数。

第四漏磁场计算模块107，用于根据修正系数补偿二维有限元模型中的激励电流，计算得到新的二维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小。

本申请的技术方案提供的变压器漏磁场的二维有限元仿真系统，根据变压器的内部结构建立变压器漏磁的三维有限元模型，然后施加激励电流，得到该三维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小；并根据同样方法计算得到二维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小；对所述三维有限元模型施加激励电流，计算得到所述三维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小；最后通过三维有限元模型中对应二维有限元模型的变压器漏磁场的分布和大小，计算得到二维有限元模型中激励电流的修正系数，通过该修正系数补偿原二维有限元模型中的激励电流，从而计算得到准确的二维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小。本申请的技术方案能够获取准确的二维有限元模型中变压器漏磁场的分布和大小，同时节约计算和存储资源。

如图6所示，在本实施例中，图5所示实施例的三维有限元模型建立模块101，包括：

结构参数设置子模块1011，用于设置变压器的各个内部结构的结构参数，结构参数包括形状、尺寸、材料、数量和连接关系。

三维仿真模块建立子模块1012，用于根据结构参数建立变压器各个内部结构的三维仿真模型。

三维有限元模型确定子模块1013，用于按照变压器内部结构的连接关系组装各个内部结构的三维仿真模型，确定为变压器漏磁场的三维有限元模型。

如图7所示，在本实施例中，图5所示实施例中的第一漏磁场计算模块102，包括：

连接方式预设子模块1021，用于预设变压器的绕组匝数和各线圈的连接方式。

漏磁模拟子模块1022，用于按照预设电流方向对变压器的绕组施加预定大小的激励电流，模拟得到激励电流对应的变压器的主风道磁密值和漏磁分布云图。

漏磁场计算子模块1023，用于根据主风道磁密值和漏磁分布云图，计算得到变压器漏磁场的分布和大小。

如图8所示的第三漏磁场计算模块的实施例中，图5中的第三漏磁场计算模块105，包括：

变压器结构确定子模块1051，用于根据位置对应关系对三维有限元模型做切面，确定得到三维有限元模型中对应二维有限元模型的变压器结构。

漏磁场确定子模块1052，用于确定对应二维有限元模型的变压器结构中变压器漏磁场的分布和大小。

具体实现中，本发明还提供一种计算机存储介质，其中，该计算机存储介质可存储有程序，该程序执行时可包括本发明提供的呼叫方法的各实施例中的部分或全部步骤。的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(英文：read-only memory，简称：ROM)或随机存储记忆体(英文：random access memory，简称：RAM)等。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分的方法。

本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。

以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。