一种非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化方法与流程

1.本发明涉及组合卷铁心领域，特别是涉及一种非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化方法。


背景技术：

2.非晶合金和取向硅钢是制作立体卷配电变压器铁心常用的两种软磁材料。其中，非晶合金具有磁导率高、损耗密度低的优点，因此非晶配电变压器空载损耗低；但其存在饱和磁通密度低、磁致伸缩系数大、叠片系数小、机械韧性差、耐受冲击能力低的缺点，导致非晶合金配电变压器存在噪声大、设计磁密低、体积大、抗短路能力差等缺点。取向硅钢饱和磁通密度高、磁致伸缩系数小、叠片系数大、机械韧性高，硅钢配电变压器具有铁心加工性能好、设计磁密高、体积小、噪声低的优点；但其磁导率偏低、损耗密度高，导致硅钢配电变压器存在空载损耗大的缺点。以上两种软磁材料的电磁特性导致当前配电变压器不能同时兼顾低空载损耗和低振动噪声。
3.为此，提出能够综合非晶和硅钢各自优点的组合立体卷铁心结构，并对组合立体卷铁心的结构参数进行优化设计，对降低配电变压器空载损耗以及减小配电变压器振动噪声具有重要意义。
4.由于非晶和硅钢两种软磁材料的存在，且两种材料的磁导率存在明显差异，导致当前针对单一软磁材料立体卷配电变压器的结构设计方法不适用于非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化方法，可获得具有低空载损耗、低振动噪声的非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化方法，包括：
8.确定非晶-硅钢组合立体卷铁心的结构；所述结构为内层使用硅钢材料、外层使用非晶材料；
9.根据非晶-硅钢组合立体卷铁心的结构，确定非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构参数；
10.将所述结构参数作为优化变量，建立非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构优化模型；
11.以空载损耗最小和a计权声压级最小为优化目标，采用多目标优化算法解算所述结构优化模型，获得非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的最优结构参数。
12.可选地，所述非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构参数包括：硅钢占比x、铁心柱直径d、低压箔式绕组厚度h
ww2
、低压箔式绕组高度h
wh2
、高压圆导线绕组直径d
s1
和低压绕组匝数n2。
13.可选地，所述非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构优化模型为
[0014][0015][0016]
式中，pc为空载损耗，kc为空载损耗系数，f
bp_a
和f
bp_s
分别为非晶和硅钢的损耗密度曲线插值函数，b
a1
和b
s1
分别为非晶和硅钢的磁通密度，i为磁通密度的第i次谐波含量；
[0017]ga1
和g
s1
分别为非晶和硅钢的重量，g
a1
＝3l
a1sa1
ρ
a1
和g
s1
＝3l
s1ss1
ρ
s1
；ρ
a1
和ρ
s1
分别为非晶和硅钢的密度，l
a1
和l
s1
分别为非晶和硅钢的磁路长度；s
a1
和s
s1
分别为单框非晶和硅钢的有效截面积；
[0018][0019]
l
s1
≈2(hw+ww)
[0020][0021][0022]
ka和ks分别为非晶和硅钢立体卷铁心的叠片系数，hw和ww分别为组合立体卷铁心的窗口高度和宽度；
[0023]hw
＝h
wh2
+2d
c1
[0024][0025]dc1
和d
c2
分别为低压绕组距离上下铁轭的距离和低压绕组距离心柱的距离，d
o1
和d
o2
分别为高压绕组两个油道到低压绕组油道的间距，d
iso
为高低压绕组隔离层之间的距离，d
int
为高压绕组相与相之间的距离，d1和d2分别为高低压绕组的幅向距离；
[0026]
d1＝m1(d
s1
+2d
int1
)+d
ins1
(m
1-3)
[0027]
d2＝m2h
ww2
+d
ins2
(m
2-2)
[0028]
m1和m2分别为高低压绕组的层数，d
int1
为高压绕组圆导线的绝缘层厚度，d
ins1
和d
ins2
分别为高低压绕组层与层之间的绝缘纸厚度；
[0029][0030]
[]表示四舍五入取整；n
1max
为高压绕组按5％抽头调压时的匝数，n
1max
＝[u1(1+5％)/e
t
]，u1为高压侧额定电压最大值，e
t
为低压绕组单匝电势，e
t
＝u
2rms
/n2，u
2rms
为低压绕组额定电压有效值；n
11
为高压绕组单层匝数，n
11
＝[(h
wh2-2d
c3
)/(d
s1
+d
int1
)]，d
c3
为高压绕组端圈的高度；
[0031]
l
p
为a计权声压级；f为组合立体卷铁心配电变压器工作频率；g为组合铁心总重量，g＝g
a1
+g
s1
；λa和λs分别为非晶和硅钢的磁致伸缩系数。
[0032]
可选地，所述非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构优化模型的约束条件
共有6个；
[0033]
约束1：非晶的磁通密度峰值不高于硅钢的磁通密度峰值，表示为b
a1
≤b
s1
；
[0034]
约束2：高压绕组的电流密度j1不高于3a/mm2，表示为j1≤3a/mm2；
[0035]
约束3：低压绕组的电流密度j2不高于3a/mm2，表示为j2≤3a/mm2；
[0036]
约束4：绕组损耗pw不高于非晶立体卷配电变压器一级能耗限值p
max
，表示为pw≤p
max
；
[0037]
约束5：励磁电流百分数i0％不高于同规格硅钢立体卷配电变压器，表示为i0％≤0.18％；
[0038]
约束6：短路电压百分数uk％不高于同规格立体卷配电变压器，表示为uk％≤4％。
[0039]
可选地，非晶和硅钢的磁通密度的计算过程为：
[0040]
根据硅钢的磁场强度初值，利用安培环路定律计算非晶的磁场强度；
[0041]
根据硅钢的磁场强度初值和非晶的磁场强度，依照非晶和硅钢的磁化曲线，插值并计算得到非晶和硅钢的平均磁通密度；
[0042]
基于磁通连续性原理，根据非晶和硅钢的平均磁通密度，利用公式φ＝2bas
a1
+2bss
s1
计算非晶-硅钢组合立体卷铁心的磁通量φ；式中，ba和bs分别为非晶和硅钢的平均磁通密度；
[0043]
判断|φ-φm|是否小于或等于预设误差e，获得判断结果；其中，φm表示额定磁通量；
[0044]
当判断结果表示否时，比较φ是否小于φm，获得比较结果；
[0045]
若比较结果为φ小于φm，则令硅钢的磁场强度初值增加δh
s1
，并返回步骤“根据硅钢的磁场强度初值和非晶的磁场强度，依照非晶和硅钢的磁化曲线，插值得到非晶和硅钢的平均磁通密度”；其中，δh
s1
为硅钢的磁场强度增加量；
[0046]
若比较结果为φ不小于φm，则令硅钢的磁场强度初值减小δh
s1
，并返回步骤“根据硅钢的磁场强度初值和非晶的磁场强度，依照非晶和硅钢的磁化曲线，插值得到非晶和硅钢的平均磁通密度”；
[0047]
当判断结果表示是时，输出非晶和硅钢的平均磁通密度，作为非晶和硅钢的磁通密度。
[0048]
可选地，所述高压绕组的电流密度j1的计算公式为式中，i1为高压侧的额定电流有效值；
[0049]
所述低压绕组的电流密度j2的计算公式为式中，i2为低压侧的额定电流有效值；
[0050]
所述绕组损耗pw的计算公式为pw＝3kw(i
12
r1+i
22
r2)；式中，kw为绕组损耗系数；r1和r2分别为高低压绕组的电阻，分别为高低压绕组的电阻，l1和l2分别为高低压绕组的长度；
[0051]
所述励磁电流百分数i0％的计算公式为式中，i
0y
％和i
0w
％
分别为励磁电流百分数的有功和无功分量，分别为励磁电流百分数的有功和无功分量，sn为额定容量，qa和qs分别为非晶和硅钢的励磁功率密度；
[0052]
所述短路电压百分数uk％的计算公式为式中，u
kr
％和u
kx
％分别为短路电压百分数的电阻和电抗分量，分别为短路电压百分数的电阻和电抗分量，hk为高低压绕组的电抗高度，ρ为与电抗高度和漏磁场宽度有关的参数，ρ＝1-λ/(10πhk)，λ为漏磁场宽度，σd为与高低压绕组结构有关的参数，r1和r2分别为高低压绕组的平均半径，r
iso
为高低压绕组之间隔离层半径。
[0053]
一种非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化设备，包括：
[0054]
存储器，用于存储计算机软件程序；所述计算机软件程序用于实施如前述的非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化方法；
[0055]
处理器，与所述存储器连接，用于调取并执行所述计算机软件程序。
[0056]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0057]
本发明公开一种非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化方法，首先确定了内层使用硅钢材料、外层使用非晶材料的非晶-硅钢组合立体卷铁心结构，进而确定非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构参数，然后将结构参数作为优化变量，建立非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构优化模型，最后以空载损耗最小和a计权声压级最小为优化目标，采用多目标优化算法解算结构优化模型，获得非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的最优结构参数。本发明提出能够综合非晶和硅钢各自优点的组合立体卷铁心结构，并对组合立体卷铁心的结构参数进行优化设计，获得了具有低空载损耗、低振动噪声的非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器。
附图说明
[0058]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。
[0059]
图1为本发明实施例提供的一种非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化方法的流程图；
[0060]
图2为本发明实施例提供的非晶的磁化曲线图；
[0061]
图3为本发明实施例提供的硅钢的磁化曲线图；
[0062]
图4为本发明实施例提供的非晶-硅钢组合立体卷铁心的心柱截面图；
[0063]
图5为本发明实施例提供的非晶-硅钢组合立体卷铁心的单框三视图；
[0064]
图6为本发明实施例提供的非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构图；
[0065]
图7为本发明实施例提供的低压箔式绕组结构图；
[0066]
图8为本发明实施例提供的高压圆导线绕组结构图；
[0067]
图9为本发明实施例提供的非晶的损耗密度曲线图；
[0068]
图10为本发明实施例提供的硅钢的损耗密度曲线图；
[0069]
图11为本发明实施例提供的组合立体卷铁心的窗口结构图；
[0070]
图12为本发明实施例提供的高压绕组层间绝缘结构图；
[0071]
图13为本发明实施例提供的低压绕组层间绝缘结构图；
[0072]
图14为本发明实施例提供的非晶的磁致伸缩曲线图；
[0073]
图15为本发明实施例提供的硅钢的磁致伸缩曲线图；
[0074]
图16为本发明实施例提供的迭代法的迭代过程示意图；
[0075]
图17为本发明实施例提供的非晶的激磁功率密度曲线图；
[0076]
图18为本发明实施例提供的硅钢的激磁功率密度曲线图；
[0077]
图19为本发明实施例提供的pareto最优解集示意图；
[0078]
图20为本发明实施例提供的非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化结果图。
具体实施方式
[0079]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0080]
本发明的目的是提供一种非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化方法，可获得具有低空载损耗、低振动噪声的非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器。
[0081]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0082]
如图1所示，本发明实施例提供了一种非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化方法，包括：
[0083]
步骤1：确定非晶-硅钢组合立体卷铁心的结构；所述结构为内层使用硅钢材料、外层使用非晶材料。
[0084]
根据非晶和硅钢材料的磁化曲线，确定非晶-硅钢组合立体卷铁心的结构形式：非晶和硅钢的磁化曲线如图2和图3所示，非晶的饱和磁通密度约为1.6t，硅钢的饱和磁通密度约为2.0t。在组合立体卷铁心中，为了实现硅钢防止非晶过饱和的目的，需要硅钢部分的工作磁通密度大于非晶部分。根据安培环路定理ni＝hl(n为励磁线圈匝数，i为励磁电流，h为磁场强度，l为磁路长度)，非晶和硅钢并联组合时，磁动势ni相等，磁路长度越短，磁场强度越大。因此本发明确定的组合立体卷铁心结构是在内层使用硅钢材料、外层使用非晶材料，这样更加容易达到硅钢工作磁通密度大于非晶工作磁通密度的目的。
[0085]
步骤2：根据非晶-硅钢组合立体卷铁心的结构，确定非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构参数。
[0086]
非晶-硅钢组合立体卷铁心的心柱截面图和单框三视图如图4和图5所示。从图中可以看出，决定组合立体卷铁心结构的参数包括硅钢占比、铁心柱直径、铁心窗口高度和铁心窗口宽度，其中铁心窗口高度和铁心窗口宽度由组合立体卷铁心配电变压器的绕组结构
决定。
[0087]
非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构如图6所示，通常立体卷配电变压器的低压绕组为箔式结构，高压绕组为圆导线结构。低压箔式绕组结构如图7所示，高压圆导线绕组结构如图8所示。因此，对于给的电压等级和额定容量的组合立体卷铁心配电变压器而言，决定其结构的参数包括硅钢占比x、铁心柱直径d、低压箔式绕组厚度h
ww2
、低压箔式绕组高度h
wh2
、高压圆导线绕组直径d
s1
、低压绕组匝数n2。以上6个参数即为本发明确定的非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构参数。
[0088]
步骤3：将所述结构参数作为优化变量，建立非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构优化模型。
[0089]
为了实现节能环保，选择非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的空载损耗和a计权声压级作为待优化目标，组合铁心的空载损耗和振动噪声计算方法分别为：
[0090]
对于空载损耗，根据法拉第电磁感应定理，组合铁心整体的磁通密度呈正弦变化，但由于非晶和硅钢同时存在且两种材料的磁导率存在差异，导致组合铁心的非晶和硅钢部分的磁通密度分布含有谐波分量，因此在计算组合铁心的空载损耗时需要考虑谐波的影响，其计算公式如下：
[0091][0092]
式中，kc为空载损耗系数，取值为1.25，该系数为了反映实际变压器铁心的磁通密度分布的不均匀性以及铁心生产加工过程导致的损耗增加；f
bp_a
和f
bp_s
分别是非晶和硅钢的损耗密度曲线插值函数，非晶和硅钢的损耗密度曲线如图9和图10所示；b
a1
和b
s1
分别是非晶和硅钢的磁通密度；i为磁通密度的第i次谐波含量，在计算组合铁心空载损耗时仅考虑到第7次谐波；g
a1
和g
s1
分别是非晶和硅钢的重量，计算公式如下：
[0093]ga1
＝3l
a1sa1
ρ
a1
ꢀꢀ
(2)
[0094]gs1
＝3l
s1ss1
ρ
s1
ꢀꢀ
(3)
[0095]
式中，l
a1
和l
s1
分别是非晶和硅钢的磁路长度；s
a1
和s
s1
分别是单框非晶和硅钢的有效截面积；ρ
a1
和ρ
s1
分别是非晶和硅钢的密度，ρ
a1
＝7180kg/m3，ρ
s1
＝7650kg/m3。磁路长度和有效截面积的计算公式如下：
[0096][0097]
l
s1
≈2(hw+ww)
ꢀꢀ
(5)
[0098][0099][0100]
式中，ka和ks分别是非晶和硅钢立体卷铁心的叠片系数，取值分别为0.836和0.97；hw和ww分别是组合立体卷铁心的窗口高度和宽度，窗口结构如图11所示，其尺寸与组合立体卷铁心配电变压器的绕组结构有关，其计算公式为：
[0101]hw
＝h
wh2
+2d
c1
ꢀꢀ
(8)
[0102][0103]
式中，d
c1
和d
c2
分别是低压绕组距离上下铁轭的距离和低压绕组距离心柱的距离，取值分别为12.5mm和8.5mm；d
o1
和d
o2
分别是高低压绕组油道的间距，取值均为2.5mm，其中高压绕组含有2个油道，低压绕组含有1个油道；d
iso
为高低压绕组隔离层之间的距离，取值为5mm；d
int
为高压绕组相与相之间的距离，取值为5mm；d1和d2分别是高低压绕组的幅向距离，其取值与高低压绕组的匝数和层数有关，其计算公式为：
[0104]
d1＝m1(d
s1
+2d
int1
)+d
ins1
(m
1-3) (10)
[0105]
d2＝m2h
ww2
+d
ins2
(m
2-2) (11)
[0106]
式中，m1和m2分别是高低压绕组的层数，其中低压绕组的层数即为其匝数n2，高压绕组的层数由其总匝数和单层匝数决定；d
int1
为高压绕组圆导线的绝缘层厚度，取值为0.12mm；d
ins1
和d
ins2
分别是高低压绕组层与层之间的绝缘纸厚度，取值分别为0.32mm和0.16mm，绕组层间绝缘结构如图12和图13所示，其中图12为高压绕组层间绝缘结构图，图13为低压绕组层间绝缘结构图。高压绕组的层数m1计算公式为：
[0107][0108]
式中，[]表示四舍五入取整；n
1max
为高压绕组按5％抽头调压时的匝数，n
1max
＝[u1(1+5％)/e
t
]，u1为高压侧额定电压最大值，e
t
为低压绕组单匝电势，e
t
＝u
2rms
/n2，u
2rms
为低压绕组额定电压有效值；n
l1
为高压绕组单层匝数，n
l1
＝[(h
wh2-2d
c3
)/(d
s1
+d
int1
)]，d
c3
为高压绕组端圈的高度，取值为20mm。
[0109]
计算组合立体卷铁心的a计权声压级需要考虑非晶和硅钢磁致伸缩系数，非晶和硅钢的磁致伸缩曲线如图14和图15所示，组合立体卷铁心a计权声压级计算公式为：
[0110][0111]
式中，f为组合立体卷铁心配电变压器工作频率；g为组合铁心总重量，g＝g
a1
+g
s1
；λa和λs分别是非晶和硅钢的磁致伸缩系数，与组合铁心的磁通密度分布有关。
[0112]
非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化设计的约束条件共有6个，约束1为：非晶部分的磁通密度峰值不高于硅钢部分，b
a1
≤b
s1
；约束2为：高压绕组的电流密度不高于3a/mm2，j1≤3a/mm2；约束3为：低压绕组的电流密度不高于3a/mm2，j2≤3a/mm2；约束4为：绕组损耗不高于现行国标对非晶立体卷配电变压器一级能耗的限值，以额定容量为400kva的非晶立体卷配电变压器为例，其绕组损耗一级能耗限值为3660w，pw≤3660w；约束5为：励磁电流百分数不高于同规格硅钢立体卷配电变压器，i0％≤0.18％；约束6为：短路电压百分数不高于同规格立体卷配电变压器，uk％≤4％。
[0113]
对于组合铁心而言，由于非晶和硅钢磁导率差异，法拉第电磁感应定理无法直接得到磁通密度在非晶和硅钢各部分的分布结果。针对这一问题，本发明根据非晶和硅钢的bh曲线(magnetization curve，磁化曲线)以及组合铁心的磁路结构，采用迭代法计算组合铁心的磁通密度分布，迭代过程如图16所示，具体来说：
[0114]
①
假设内层硅钢的磁场强度初值为h
s1
，根据安培环路定律计算外层非晶的磁场强
度，计算公式为h
a1
＝h
s1
l
s1
/l
a1
；
[0115]
②
对照非晶和硅钢的bh曲线，以内层硅钢和外层非晶的磁场强度为已知量，插值得到对应的组合铁心各部分的平均磁密ba和bs；
[0116]
③
稳态条件下，根据磁通连续性原理，计算组合铁心的磁通量，计算公式为φ＝2bas
a1
+2bss
s1
；
[0117]
④
若计算值φ与φm的差值的绝对值大于预设误差e，则将磁通量计算值φ与额定磁通量φm进行对比，额定磁通量φm的计算公式为φm＝u
2rms
/4.44fn2，若计算值φ小于φm，则增加内层硅钢磁场强度初值h
s1
＝h
s1
+δh
s1
，其中δh
s1
为内层硅钢磁场强度的增加量，为一正值，并重复步骤
①‑④
；若计算值φ大于φm，则减少内层硅钢磁场强度初值h
s1
＝h
s1-δh
s1
，并重复步骤
①‑④
；若计算值φ与φm的差值的绝对值小于等于预设误差e，则跳出循环，并输出组合铁心各部分的平均磁密ba和bs，作为非晶和硅钢的磁通密度。
[0118]
根据上述方法可以确定约束1。
[0119]
对于约束2和3，高低压绕组的电流密度计算公式为：
[0120][0121][0122]
式中，i1和i2分别是高低压侧的额定电流有效值。
[0123]
对于约束4，组合立体卷铁心配电变压器的绕组损耗计算公式为：
[0124][0125]
式中，kw为绕组损耗系数，取值为1.15，该系数为了反映实际变压器绕组电流密度分布的不均匀性；r1和r2分别是高低压绕组的电阻，计算公式如下：
[0126][0127][0128]
式中，l1和l2分别是高低压绕组的长度，可由高低压绕组的匝数以及单匝平均长度计算得到。
[0129]
对于约束5，组合立体卷铁心配电变压器的励磁电流百分数计算公式为：
[0130][0131][0132][0133]
式中，i
0y
％和i
0w
％分别是励磁电流百分数的有功和无功分量；sn为额定容量；qs和qa分别是非晶和硅钢的励磁功率密度，非晶的激磁功率密度曲线如图17所示，硅钢的激磁功率密度曲线如图18所示。
[0134]
对于约束6，组合立体卷铁心配电变压器的短路电压百分数计算公式为：
[0135][0136][0137][0138]
式中，u
kr
％和u
kx
％分别是短路电压百分数的电阻和电抗分量；hk为高低压绕组的电抗高度，其值约为高低压绕组的高度，单位为cm；ρ为与电抗高度和漏磁场宽度有关的参数，ρ＝1-λ/(10πhk)，λ为漏磁场宽度，由高低压绕组的幅向距离决定，单位mm；σd为与高低压绕组结构有关的参数，计算公式为：
[0139][0140]
式中，r1和r2分别是高低压绕组的平均半径；r
iso
为高低压绕组之间隔离层半径。
[0141]
公式(1)、(13)-(16)、(19)以及(22)即为本发明提出的非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构优化模型。
[0142]
步骤4：以空载损耗最小和a计权声压级最小为优化目标，采用多目标优化算法解算所述结构优化模型，获得非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的最优结构参数。
[0143]
采用多目标算法对所提模型进行优化即可得到组合铁心配电变压器的结构参数。
[0144]
以额定电压为10kv、额定容量为400kva的组合立体卷铁心配电变压器为例，采用多目标差分进化算法对模型进行优化得到pareto最优解集。选取原则是组合立体卷铁心配电变压器的空载损耗比同规格硅钢变压器一级能耗(330w)低15％，a计权声压级比同规格非晶变压器振动噪声(45db(a))低2db(a)以上。从图19所示的可行方案集中选择满足要求对的优化方案，该优化方案的结构参数如表1所示。根据表1所示的优化结果，确定的非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构如图20所示。
[0145]
表1非晶-硅钢组合立体卷配电变压器结构参数优化结果
[0146]
参数xdh
wh2hww2ds1
n2结果0.3487250.0mm217.6mm1.2mm2.7mm18
[0147]
本发明的有益效果是：获得具有低空载损耗、低振动噪声的非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器，为配电网电能损耗的有效降低和绿色环保电网的快速发展起到重要作用。
[0148]
本发明实施例还提供了一种非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化设备，包括：
[0149]
存储器，用于存储计算机软件程序；所述计算机软件程序用于实施如上述的非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化方法；处理器，与所述存储器连接，用于调取并执行所述计算机软件程序。
[0150]
处理器包括：
[0151]
卷铁心结构确定模块，用于确定非晶-硅钢组合立体卷铁心的结构；所述结构为内层使用硅钢材料、外层使用非晶材料；
[0152]
结构参数确定模块，用于根据非晶-硅钢组合立体卷铁心的结构，确定非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构参数；
[0153]
优化模型建立模块，用于将所述结构参数作为优化变量，建立非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构优化模型；
[0154]
优化模块，用于以空载损耗最小和a计权声压级最小为优化目标，采用多目标优化算法解算所述结构优化模型，获得非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的最优结构参数。
[0155]
示例性的，所述存储器为计算机可读存储介质。
[0156]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0157]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化方法，其特征在于，包括：确定非晶-硅钢组合立体卷铁心的结构；所述结构为内层使用硅钢材料、外层使用非晶材料；根据非晶-硅钢组合立体卷铁心的结构，确定非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构参数；将所述结构参数作为优化变量，建立非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构优化模型；以空载损耗最小和a计权声压级最小为优化目标，采用多目标优化算法解算所述结构优化模型，获得非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的最优结构参数。2.根据权利要求1所述的非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化方法，其特征在于，所述非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构参数包括：硅钢占比x、铁心柱直径d、低压箔式绕组厚度h
ww2
、低压箔式绕组高度h
wh2
、高压圆导线绕组直径d
s1
和低压绕组匝数n2。3.根据权利要求2所述的非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化方法，其特征在于，所述非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构优化模型为硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构优化模型为式中，p
c
为空载损耗，k
c
为空载损耗系数，f
bp_a
和f
bp_s
分别为非晶和硅钢的损耗密度曲线插值函数，b
a1
和b
s1
分别为非晶和硅钢的磁通密度，i为磁通密度的第i次谐波含量；g
a1
和g
s1
分别为非晶和硅钢的重量，g
a1
＝3l
a1
s
a1
ρ
a1
和g
s1
＝3l
s1
s
s1
ρ
s1
；ρ
a1
和ρ
s1
分别为非晶和硅钢的密度，l
a1
和l
s1
分别为非晶和硅钢的磁路长度；s
a1
和s
s1
分别为单框非晶和硅钢的有效截面积；l
s1
≈2(h
w
+w
w
))k
a
和k
s
分别为非晶和硅钢立体卷铁心的叠片系数，h
w
和w
w
分别为组合立体卷铁心的窗口高度和宽度；h
w
＝h
wh2
+2d
c1
d
c1
和d
c2
分别为低压绕组距离上下铁轭的距离和低压绕组距离心柱的距离，d
o1
和d
o2
分别为高压绕组两个油道到低压绕组油道的间距，d
iso
为高低压绕组隔离层之间的距离，d
int
为高压绕组相与相之间的距离，d1和d2分别为高低压绕组的幅向距离；
d1＝m1(d
s1
+2d
int1
)+d
ins1
(m
1-3)d2＝m2h
ww2
+d
ins2
(m
2-2)m1和m2分别为高低压绕组的层数，d
int1
为高压绕组圆导线的绝缘层厚度，d
ins1
和d
ins2
分别为高低压绕组层与层之间的绝缘纸厚度；[]表示四舍五入取整；n
1max
为高压绕组按5％抽头调压时的匝数，n
1max
＝[u1(1+5％)/e
t
]，u1为高压侧额定电压最大值，e
t
为低压绕组单匝电势，e
t
＝u
2rms
/n2，u
2rms
为低压绕组额定电压有效值；n
11
为高压绕组单层匝数，n
11
＝[(h
wh2-2d
c3
)/(d
s1
+d
int1
)]，d
c3
为高压绕组端圈的高度；l
p
为a计权声压级；f为组合立体卷铁心配电变压器工作频率；g为组合铁心总重量，g＝g
a1
+g
s1
；λ
a
和λ
s
分别为非晶和硅钢的磁致伸缩系数。4.根据权利要求3所述的非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化方法，其特征在于，所述非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构优化模型的约束条件共有6个；约束1：非晶的磁通密度峰值不高于硅钢的磁通密度峰值，表示为b
a1
≤b
s1
；约束2：高压绕组的电流密度j1不高于3a/mm2，表示为j1≤3a/mm2；约束3：低压绕组的电流密度j2不高于3a/mm2，表示为j2≤3a/mm2；约束4：绕组损耗p
w
不高于非晶立体卷配电变压器一级能耗限值p
max
，表示为p
w
≤p
max
；约束5：励磁电流百分数i0％不高于同规格硅钢立体卷配电变压器，表示为i0％≤0.18％；约束6：短路电压百分数u
k
％不高于同规格立体卷配电变压器，表示为u
k
％≤4％。5.根据权利要求4所述的非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化方法，其特征在于，非晶和硅钢的磁通密度的计算过程为：根据硅钢的磁场强度初值，利用安培环路定律计算非晶的磁场强度；根据硅钢的磁场强度初值和非晶的磁场强度，依照非晶和硅钢的磁化曲线，插值并计算得到非晶和硅钢的平均磁通密度；基于磁通连续性原理，根据非晶和硅钢的平均磁通密度，利用公式φ＝2b
a
s
a1
+2b
s
s
s1
计算非晶-硅钢组合立体卷铁心的磁通量φ；式中，b
a
和b
s
分别为非晶和硅钢的平均磁通密度；判断|φ-φ
m
|是否小于或等于预设误差e，获得判断结果；其中，φ
m
表示额定磁通量；当判断结果表示否时，比较φ是否小于φ
m
，获得比较结果；若比较结果为φ小于φ
m
，则令硅钢的磁场强度初值增加δh
s1
，并返回步骤“根据硅钢的磁场强度初值和非晶的磁场强度，依照非晶和硅钢的磁化曲线，插值得到非晶和硅钢的平均磁通密度”；其中，δh
s1
为硅钢的磁场强度增加量；若比较结果为φ不小于φ
m
，则令硅钢的磁场强度初值减小δh
s1
，并返回步骤“根据硅钢的磁场强度初值和非晶的磁场强度，依照非晶和硅钢的磁化曲线，插值得到非晶和硅钢的平均磁通密度”；当判断结果表示是时，输出非晶和硅钢的平均磁通密度，作为非晶和硅钢的磁通密度。6.根据权利要求4所述的非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化方法，其特征在于，
所述高压绕组的电流密度j1的计算公式为式中，i1为高压侧的额定电流有效值；所述低压绕组的电流密度j2的计算公式为式中，i2为低压侧的额定电流有效值；所述绕组损耗p
w
的计算公式为式中，k
w
为绕组损耗系数；r1和r2分别为高低压绕组的电阻，分别为高低压绕组的电阻，l1和l2分别为高低压绕组的长度；所述励磁电流百分数i0％的计算公式为式中，i
0y
％和i
0w
％分别为励磁电流百分数的有功和无功分量，为励磁电流百分数的有功和无功分量，s
n
为额定容量，q
a
和q
s
分别为非晶和硅钢的励磁功率密度；所述短路电压百分数u
k
％的计算公式为式中，u
kr
％和u
kx
％分别为短路电压百分数的电阻和电抗分量，为短路电压百分数的电阻和电抗分量，h
k
为高低压绕组的电抗高度，ρ为与电抗高度和漏磁场宽度有关的参数，ρ＝1-λ/(10πh
k
)，λ为漏磁场宽度，σ
d
为与高低压绕组结构有关的参数，r1和r2分别为高低压绕组的平均半径，r
iso
为高低压绕组之间隔离层半径。7.一种非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化设备，其特征在于，包括：存储器，用于存储计算机软件程序；所述计算机软件程序用于实施如权利要求1-6任意一项所述的非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化方法；处理器，与所述存储器连接，用于调取并执行所述计算机软件程序。8.根据权利要求7所述的非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化设备，其特征在于，所述处理器包括：卷铁心结构确定模块，用于确定非晶-硅钢组合立体卷铁心的结构；所述结构为内层使用硅钢材料、外层使用非晶材料；结构参数确定模块，用于根据非晶-硅钢组合立体卷铁心的结构，确定非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构参数；优化模型建立模块，用于将所述结构参数作为优化变量，建立非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构优化模型；优化模块，用于以空载损耗最小和a计权声压级最小为优化目标，采用多目标优化算法解算所述结构优化模型，获得非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的最优结构参数。9.根据权利要求7所述的非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化设备，其特征
在于，所述存储器为计算机可读存储介质。

技术总结
本发明公开一种非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器结构优化方法，属于组合卷铁心领域。首先确定内层使用硅钢材料、外层使用非晶材料的非晶-硅钢组合立体卷铁心结构，进而确定非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构参数，然后将结构参数作为优化变量，建立非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的结构优化模型，最后以空载损耗最小和A计权声压级最小为优化目标，采用多目标优化算法解算结构优化模型，获得非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器的最优结构参数。本发明提出能够综合非晶和硅钢各自优点的组合立体卷铁心结构，并对组合立体卷铁心的结构参数进行优化设计，获得了具有低空载损耗、低振动噪声的非晶-硅钢组合立体卷铁心配电变压器。卷铁心配电变压器。卷铁心配电变压器。


技术研发人员：李琳 陈昊 宋文乐 王磊 刘洋 杨富尧
受保护的技术使用者：国网河北省电力有限公司沧州供电分公司 国网智能电网研究院有限公司
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/8/4