ABB优化的仪表变压器和传感器设计
发表2020年10月5日，星期一
为了保护和维护电网免受系统故障的影响，ABB使用多物理场模拟设计了能够承受非常快的瞬态过电压的仪表变压器和用于潜水地下金库应用的分芯传感器。
停电可能会持续几个小时，几天，几周，甚至几个月。无论停机持续多长时间，都是令人沮丧和破坏性的体验。在极热或极冷的情况下停电甚至是危险的。为了确保电网的稳定性、保护和财务可行性，ABB使用多物理场模拟和应用程序进行开发优化电气设计，特别是仪表变压器和传感器。
用仪表变压器确保电网保护
仪表互感器(ITs)是专门的，高精度的变压器，隔离，转换或降低高电压和电流，以最大限度地提高安全性和可用性。ITs的用途包括电力系统的计量、监测、保护和控制。IT由连接到高压或大电流电路的一次绕组和连接到低压或小电流二次电路的仪表或继电器组成。
在ABB，电流传感器设计(图1)是基于Rogowski线圈原理。罗格夫斯基线圈由均匀绕线的非磁芯线圈组成，输出电压与一次电流的导数成正比。在中压场景下测量电压的传感器使用电阻分压器，而电容分压器则用于电压测量和指示。
图1。使用罗高斯基线圈原理的传感器示例。
近年来，IT和传感器(IT&S)行业取得了重大发展。传统的ITs基于标准技术，已经存在了100多年，主要用于仪表和继电器。它们由铁磁电路组成，能够将功率从初级线圈转移到次级线圈，输出为1-5安培或120-240伏。
智能电子设备(ied)使用更先进的技术，仅在过去20年才出现。这些变压器不是铁磁材料，而是由固态元件组成。由于它们无法将电力从初级线圈转移到次级线圈，因此它们的能量输出很低。这使得它们适用于许多室内和室外应用，如空气和气体绝缘环境，线柱和线装变压器。
ABB的咨询研发工程师Nirmal Paudel说:“ied更安全、更通用，对各种输入信号都有线性响应。”他补充说，它们“与当今的电子设备和我们的使用水平兼容。”
IT&S仿真与设计的多重考虑
在设计IT时，必须考虑到多物理场。事实上，Paudel称这种能力是“关键的”。当然，一个成功的设计应该捕捉到电阻和感应加热、感应和电容耦合、磁饱和和磁致伸缩。然而，流体流动、对流冷却、热膨胀、外部负载和电路、噪声和振动以及集皮效应等现象也需要考虑(图2)。
图2。多种物理特性影响互感器的设计。
为了考虑各种物理效应，ABB使用了COMSOL Multiphysics®软件。其中一个例子是模拟了由环氧铸件空洞和基本脉冲水平(BIL)引起的IT电场。这些结果使研究人员能够看到绝缘层和介电材料在保护设备方面的有效性。
该软件还用于进行热分析。在线路电压互感器中，模拟计算一次线圈和二次线圈的铁芯和电阻性损失。另一个使用热建模的实例是找到IT外部边界上的热流和底板上的固定温度边界。这些结果显示了设计中的温升和损失，并对环氧树脂的热固化工艺和模流进行了研究。
第三个例子是结构分析。ABB团队计算IT的应力水平以优化几何结构(图3)。他们还研究了设备和组件的应力位移水平，以便在3D打印原型进行测试(或者更严重的是大规模生产)之前进行优化。建模不仅有助于提前了解设备的性能，而且还有助于确定其结构完整性。
图3。结构模拟用于优化IT的几何结构。
快速瞬态现象的快速结果
在涉及开关的电网设备(如真空断路器)中，快速瞬态(VFT)现象是一个需要考虑的重要因素。当开关引起VFT时，它会对绝缘系统造成应力，并在变压器一次绕组中引起内部谐振。当瞬态过电压分布高度非线性时，会导致内部失效。风力发电等可再生能源附近的VFT过电压(VFTO)发生率较高，这是由于新的电网发电、负荷、线路特性和开关的增加。VFTO陡度(即过电压分布的速度)可以高达3 MV/微秒，这比闪电陡峭得多!(请注意，陡度和震级对绝缘系统的损害一样大。)
IT&S的典型设计方法不能产生足以抵抗VFTO的结果。这是因为这些设计需要对绕组中的高频电压分布进行广泛的建模，而到目前为止还没有软件模型。ABB与位于Rapperswil的Hochschule für Technik(应用科学大学)合作，创建了一种工具来模拟这种行为，并了解IT转向中的电压分布。结果呢?新的设计方法和新型干式绝缘，可以抵抗VFTO的负面影响。
一种用于地下开关的分芯电流互感器设计
分芯设计是变压器的一个重要特点，因为它可以在不中断的情况下维护电网。ABB开始设计一种分芯电流互感器(传感器)，可以在其他设备完成开关时进行高精度电流测量，并且IED根据传感器发出的信号评估开关需求。该传感器具有防水和潜水功能，因此可以在地下使用。(地下输电线正成为行业标准，因为它们不太可能受到大风或恶劣天气的影响，尤其是在城市里。)这种分芯传感器有自己的一套设计挑战，包括其形状、尺寸和重量，以及绕组匝数、芯线形状和芯线尺寸(图4)。除此之外，根据设备的配置，还存在当前串扰的风险。最后，在进行生产和使用测试之前，传感器需要符合行业标准。“在实验室测试之前，必须满足各种IEEE和IEC标准，”Paudel说。
图4。分芯电流互感器模型示意图。
ABB团队再次使用该软件，以便在原型制作之前优化分芯电流传感器设计。Paudel已经使用它很长一段时间了，并喜欢它的“易用性，以及它对多种物理具有相同的接口，并且很容易与其他物理耦合。”COMSOL软件包括实现Maxwell-Ampère定律的内置设置和求解频域磁场的接口(图5)。通过使用几何对称，ABB团队只需对四分之一的线圈建模，节省了时间、精力和计算资源。特殊的线圈建模功能使团队能够将初级线圈设置为固体导体，将次级线圈设置为均匀的多圈线圈。边界条件描述了磁场和表面电流密度的切向分量为零的区域，作为完美的磁性导体，外部边界被设置为磁绝缘体。求解器功能使团队能够轻松调整固体和均匀导体之间的设置，以及固体导体与电线之间的设置。
图5。分芯变压器的磁通量和电流密度。
模拟应用程序提供快速计算
IT&S设计中一个耗时的方面是非线性磁B-H曲线(直流磁化)和等效交流有效H-B曲线之间的转换。ABB使用了应用程序库中的一个示例应用程序来执行这些计算。在应用程序找到有效的H-B曲线后，他们用这个值来模拟分芯电流传感器的磁芯。他们发现，由于磁通量密度的降低，整个磁芯的磁导率几乎是线性的。基于这些结果，研究小组得出结论，应使用均匀的各向异性导电性和渗透率。
通过查看模拟的磁通量和电流密度结果，ABB团队发现他们设计的磁通量水平非常小，这非常适合他们的中压使用情况。此外，该小组还注意到一些有趣的现象:通常，当次级线圈的匝数增加时，开路电压也会增加(就像他们的一项研究一样，从130 V增加到196 V)，然而，当线圈上连接负载时，电压并不总是增加，有时甚至会下降。
ABB为这个项目完成的最后一项分析是研究分芯电流互感器设计中不同配置的三相串扰。他们发现，串扰的不同取决于次级线圈是放置在离变压器气隙更近还是更远的地方。
最终产品:优化的设计和增强的开发过程
ABB的最终设计迭代，潜水式分芯传感器，符合IEEE和IEC制定的标准(图6)。当被问及他们的未来计划时，Paudel提到他的团队正在开发一种工具，以推进VFTO和变压器的分析，将分析过程的时间从几周缩短到几天。该工具将主要依赖于MATLAB®但可以提供与COMSOL的集成®软件通过LiveLink™为MATLAB®接口产品。这一新工具的计划表明，ABB致力于优化他们的工作流程和流程，就像他们致力于最终结果一样。他们努力优化设备，以增加电网的可访问性。正如Paudel所说，当像IT或分芯电流传感器这样的设备可以在所有条件下生存时，“每个人都受益”。
图6。潜水式分芯传感器。
ABB团队，从左到右:Vivek Siddharth, Steve Shaw, David Raschka和Nirmal Paudel。
MATLAB是The MathWorks, Inc.的注册商标。
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