一种非晶合金变压器的电磁设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种非晶合金变压器的电磁设计方法。
【背景技术】
[0002] 在我国电能损耗中，配电网的损耗约占全网损耗的70%，成为整个电网损耗的主 要部分。配电网的负荷多为季节性负荷或日负荷，长期轻载或空载的配电变压器大量存在， 它们的空载损耗在配电网损耗中占据较大部分，降低变压器的空载损耗可以带来巨大的节 能和环保效益。
[0003] 非晶合金变压器是一种使用非晶合金材料代替硅钢片制造变压器铁心的变压器， 它与现行S9系列变压器相比空载损耗下降74 %、空载电流下降45 %，在经济与节能方面具 有较大的优势：（1)非晶合金铁心变压器拥有优异的空载特性，在季节性负荷和日负荷变 化明显的农网、工业区、商业区中应用节能效果非常显著。（2)运行成本低。相较于S9型变 压器，年运行成本平均降低30% ;与Sll型相比，年运行成本平均降低20%。
[0004] 由此可见，非晶合金变压器节能效果突出，十分符合我国建设节能环保型社会的 要求，因此在配电系统中得到了广泛应用。
[0005] 然而，非晶合金变压器的性能受工艺水平的影响较大，生产厂家不同，工艺水平不 同，适配的设计方案就不同，不恰当的方案带来的是成本的提高和产品质量的失控；另一方 面变压器设计的自动化程度不高、设计工作量大、设计周期长，不利于最优方案的获得。对 非晶合金铁心变压器的优化设计进行研宄，进而开发出适用性强且功能全面的优化设计系 统，有利于非晶合金铁心变压器的推广应用，对于节能降耗也具有重要的意义。在现有技术 中，常用的变压器的参数优化设计方法有以下几种：
[0006] I. Powell 法
[0007] 鲍威尔（Powell)法是由鲍威尔于1964年提出，是一种共轭方向法。设定初始值和 η个线性独立的方向向量，从初始值出发沿第一个方向向量的搜寻极小值，后从该极小值出 发沿下一个方向向量继续搜寻，依次搜寻η次得到终值。由该终值与初始值构建新的方向 向量。利用这个新的方向替换原η个方向向量中的一个，上次搜寻的终值作为下一轮搜寻 的起点，依次进行。
[0008] 2.模拟退火法
[0009] 模拟退火法是一种随机搜寻算法。热力学中的退火是将材料加热后再经冷却以材 料原子位置达到更合理分布的状态。温度高时，原子位置变动的可能性加剧；随着退火的进 行温度的降低，原子位置移动的可能性越来越小。模拟退火法是将物理退火类比运用于统 计学上，在解空间随机搜寻最优解的过程。引入"温度"参数T类比退火过程中的温度来反 映替换的可能性。随机搜寻中发现更优解则将当前解进行更替；搜寻到劣解则以与T值相 关的概率决定是否更替。模拟退火法仍是一种贪心算法，但是它的搜索过程引入了一个呈 递减态势的随机因素，来表征搜寻到劣解后的替换概率，理论上可以跳出局部的最优解，保 证了全局最优解的获取。但是这种方法在同一参数T下搜索的充分与否将极大地影响全局 搜索性能，而较为充分的搜索又会影响运算速度。
[0010] 3.蚁群算法
[0011] 蚁群算法是在对蚂蚁觅食习性进行研宄的基础上，提出的一种仿生类优化算法。 其原理是"信息素"浓度大小反映路径的优劣，引入增强机制加强信息素的积累，促使最优 路径的发现。但是初始信息素的匮乏致使蚁群算法存在寻优速度缓慢的缺点。
[0012] 4、正多面体法
[0013] 正多面体法是在单纯形法的基础上提出的一种优化算法。基本原理是通过初始点 以及初始边长的设定，构造以初始点为形心的正多面体，通过不断对正多面体运用放缩、移 动以及翻转来对可行域进行搜索，利用目标函数值的大小权衡解的优劣。变化的过程中始 终保持形心在可行域内，且保证变化后形心处的目标函数值相对于变化前有所减小。通过 不断变动使形心接近最优点。当正多面体的边长小于设定正值时，即可认为该形心位置是 最优点。但是正多面体法应用于多变量优化时，通常会出现无法收敛于最优点的情况：若最 优点的位置邻近多个约束面，则在搜索到最优点附近时，往往会受约束的限制而无法继续 向最优点靠拢。
[0014] 可见上述变压器的参数设计方法均存在一定缺陷。同时，非晶合金变压器的材料 的特殊性使其电磁参数的优化设计有别于普通变压器，理想优化方案的获取需建立在对其 材料特性、绝缘结构综合分析的基础上。因此上述参数设计方法无法满足非晶合金变压器 的设计需求。
【发明内容】
[0015] 本发明为解决现有技术中存在的问题，提出了一种非晶合金变压器的参数设计方 法一一循环遍历法，由于非晶合金铁心配电变压器的电磁设计涉及到的变量相对较少，现 行的计算机性能足以满足循环遍历法的运算要求，同时循环遍历法保证了全局最优解的获 取。循环遍历法是利用变量嵌套循环组合出所有的设计方案，后利用目标函数对方案分别 进行评价，进而选取出最优方案。循环遍历法可以很好地解决离散变量和全局最优的问题， 因此在变压器设计中得到较为广泛的应用。
[0016] 具体方法是：一种非晶合金变压器的电磁设计方法，包括如下步骤：
[0017] 步骤1，传入基本数据，进行数据初始化处理；
[0018] 步骤2,根据变压器的基本原理计算出需要的各个数值，判断出符合要求的计算方 案；
[0019] 步骤3,导入性能指标数据库，然后与上述的计算结果比较判断，合格的进入下一 步，否则返回步骤2进行变量的再取值；
[0020] 步骤4,计算成本，并于先前的成本比较，若成本更低舍去前值，否则舍去本次成本 值；
[0021] 步骤5,存储最优方案。
[0022] 其中，步骤1包括数据初始化过程中，计算变压器相电压和相电流，并将基本参数 数据库、专家数据库、铁心数据库、线规数据库导入；
[0023] 相电压和相电流的计算过程为：非晶合金铁心变压器的联接组别为Dynll，当铁 心为三相三柱式时，联接组别为DynO,高压绕组均为三角形联接，低压绕组均为星形联接。
[0024] 高压侧 [0025] 低压侧
【主权项】
1. 一种非晶合金变压器的电磁设计方法，包括如下步骤： 步骤1，传入基本数据，进行数据初始化处理； 步骤2,根据变压器的基本原理计算出需要的各个数值，判断出符合要求的计算方案； 步骤3,导入性能指标数据库，然后与上述的计算结果比较判断，合格的进入下一步，否 则返回步骤2进行变量的再取值； 步骤4,计算成本，并于先前的成本比较，若成本更低舍去前值，否则舍去本次成本值； 步骤5,存储最优方案。
2. 根据权利要求1所述的非晶合金变压器的电磁设计方法，其中，步骤1包括数据初始 化过程中，计算变压器相电压和相电流，并将基本参数数据库、专家数据库、铁心数据库、线 规数据库导入； 相电压和相电流的计算过程为：非晶合金铁心变压器的联接组别为DynU，当铁心为三 相三柱式时，联接组别为DynO,高压绕组均为三角形联接，低压绕组均为星形联接； 高压侧：％=U1N，
低压侧：
式中：U1、U2-一分别为高、低压侧相电压，V; II、12-一分别为高、低压侧相电流，A; U1N、U2N-一分别为高低压侧额定电压，V; Sn-额定容量，单位kVA。
3. 根据权利要求2所述的非晶合金变压器的电磁设计方法，其中，步骤2包括匝数、铁 心结构、绕组结构设计，给各变量取值并计算是否符合约束条件；并判断空载损耗、空载电 流、负载损耗、短路阻抗是否符合要求。
4. 根据权利要求3所述的非晶合金变压器的电磁设计方法，所述匝数、铁心结构的计 算过程为： 每匝电压为
式中：e't-初算的每匝电压，V/匝； B'm-磁通密度的初选值，T; 计算初算低压绕组匝数，即
对N' 2取整即可得到低压绕组匝数N2,由于取整操作使得每匝电压发生变化，应根据N2对每匝电压进行重新计算：
每匝电压得到确定，后由此计算磁通密度：
铁心柱的截面积计算公式如下： Ac=lC^XK^ncd 式中：Ac-铁心柱净截面积，cm2; I-叠片系数，取0.84~0.86 ; n_排数，取1或2 ; c-单个非晶合金矩形框的厚度，_ ; d-单个非晶合金矩形框的侧面宽度，_。
5. 根据权利要求3所述的非晶合金变压器的电磁设计方法，由于非晶合金铁心变压器 的铁心为矩形铁心，因此所述绕组结构的形式为圆角矩形，高压线圈采用矩形层式线绕；低 压线圈按照额定容量的不同分为矩形层式线绕、矩形箔绕，当额定容量为30~250kVA时， 采用矩形层式线绕；容量为315~1600kVA时，采用矩形箔绕。
6. 根据权利要求3所述的非晶合金变压器的电磁设计方法，所述空载损耗、空载电流 的计算过程为： 空载损耗：
式中：K2-系数，取0. 29 ;B-铁心柱的磁通密度；C1-常数，取1. 3 ;m-指数，取2. 4 ; 空载电流百分数计算公式如下：
式中山％ -空载电流百分数；lx% -空载电流无功分量百分数；K0-系数，取1. 1 ;gc-铁心单位激磁容量；gs-接缝磁化容量；SR-变压器容量。
7. 根据权利要求3所述的非晶合金变压器的电磁设计方法，所述短路阻抗的计算过程 为： 变压器的短路阻抗由电抗分量与电阻分量组成，具有以下关系
Ukx(% )是电抗分量，由漏磁通所决定的变压器的漏电抗，在Uk(% )中占据主要部分；
其中，f-频率，Hz，IN-额定电流，A;W-主分接时的总匝数，ED-结构参数，Et-每匝 电势，V/匝，P-洛氏系数。
8. 根据权利要求3所述的非晶合金变压器的电磁设计方法，所述负载损耗是变压器运 行过程中可变的损耗，它主要包括两个部分，一部分为绕组直流电阻损耗，另一部分为附加 损耗；计算公式为：
其中R1、R2分别为高压侧和低压侧的阻抗，Kpk为负载损耗系数，按照生产厂家的实际 情况进行调整。
9. 根据权利要求1所述的非晶合金变压器的电磁设计方法，所述成本的计算公式为： Tmin=铁芯总价+绕组总价+附件总价+绝缘总价。
10.根据权利要求1所述的非晶合金变压器的电磁设计方法，其数学模型为一约束函 数： minf(X)，X= {xl，x2,......，xn}T;gi(X) < 0,i= 1，2,......m 其中，X-优化设计变量，f(X)-目标函数，gi(X)-约束函数，m-约束函数个数，n为变 量数； 单台变压器的优化设计问题，通过选择合适的优化设计变量、目标函数及将实际的约 束条件转化为所述约束函数。
【专利摘要】本发明使用循环遍历法设计非晶合金变压器的电磁参数，提出了考虑非晶合金材料特点的变压器铁芯参数、空载损耗、负载损耗的计算方法，有效抑制局部磁饱和、降低变压器损耗；并且能够减少搜索空间，提高搜索速度，提高设计方案的可靠性。同时，由于非晶合金铁心配电变压器的电磁设计涉及到的变量相对较少，使用现行计算机即可满足循环遍历法的运算要求，减小了优化计算机系统的成本。
【IPC分类】G06F17-50, H01F41-00
【公开号】CN104779047
【申请号】CN201510136649
【发明人】刘建平, 赵章娒, 刘建国
【申请人】浙江永固输配电设备有限公司
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年3月26日