鄭慶慶, 吳 謹(jǐn), 劉 勁, 朱 磊

(武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 武漢 430081)

計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用

ElecNet在電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué)中的應(yīng)用

鄭慶慶, 吳 謹(jǐn), 劉 勁, 朱 磊

(武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 武漢 430081)

介紹了ElecNet軟件在高壓電氣領(lǐng)域的二維和三維電場(chǎng)仿真功能,通過(guò)變壓器套管電場(chǎng)仿真和變壓器油紙絕緣狀態(tài)檢測(cè)2個(gè)實(shí)例,展示了ElecNet軟件的動(dòng)態(tài)演示特性及該軟件在電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué)中的應(yīng)用。實(shí)踐證明,利用ElecNet進(jìn)行可視化教學(xué)形象直觀,激發(fā)了學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)理論學(xué)習(xí)的興趣,并培養(yǎng)了學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

電磁場(chǎng)與電磁波； 變壓器套管； ElecNet； 變壓器油紙絕緣

電磁場(chǎng)與電磁波課程是電子信息類理工科專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。由于該課程的理論性強(qiáng)、場(chǎng)與波的概念比較抽象、涉及公式的數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多,因此,無(wú)論對(duì)于教師的教學(xué),還是對(duì)于學(xué)生的理解掌握都有較大難度[1-2]。充分利用計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行可視化教學(xué),并在教學(xué)中結(jié)合工程案例,使抽象的理論可視化[3-5],使基礎(chǔ)理論實(shí)際化,使復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)場(chǎng)量的數(shù)值解能夠直觀、形象的展現(xiàn)出來(lái),能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和教學(xué)效果。此外,從理論模型的數(shù)學(xué)建模、虛擬仿真,再到模型參數(shù)修正等一整套過(guò)程,能夠培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的科研能力[6]。

1 ElecNet軟件簡(jiǎn)介

Infolytica公司推出的ElecNet是一款針對(duì)電場(chǎng)仿真分析的優(yōu)秀軟件,用于變壓器、高壓開關(guān)、絕緣套管等電氣設(shè)備的二維和三維電場(chǎng)分析。它提供2D/3D靜電場(chǎng)、2D/3D直流電場(chǎng)、2D/3D交流電場(chǎng)以及2D/3D瞬態(tài)電場(chǎng)等4種電場(chǎng)解決方案,主要解決模型在高電壓激勵(lì)下的電場(chǎng)問(wèn)題[7]。與其他類似軟件(例如基于有限元方法的Ansoft、Ansys,基于矩量法的ADS等)相比,它的優(yōu)勢(shì)是能夠進(jìn)行瞬態(tài)電場(chǎng)的仿真。ElecNet的應(yīng)用領(lǐng)域主要是電氣產(chǎn)品、電力發(fā)電企業(yè)等,分析的對(duì)象主要是高壓電機(jī)、變壓器,高壓開關(guān)等在高壓下的絕緣問(wèn)題。

用戶可通過(guò)ElecNet的圖形界面建立設(shè)備的幾何模型或?qū)胗善渌浖⒌哪Ｐ?、定義部件材料、定義激勵(lì)和邊界條件、設(shè)置剖分網(wǎng)格和求解器參數(shù)等一系列步驟,完成電場(chǎng)的計(jì)算,并將結(jié)果可視化[8]。

電磁場(chǎng)與電磁波的空間分布復(fù)雜,具有不可見和不可感知的特點(diǎn)。在教學(xué)中充分利用有關(guān)電磁仿真軟件,可以有效彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足；將工程案例引入課堂,能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思想和創(chuàng)新能力[1]。本文結(jié)合變壓器套管電場(chǎng)仿真和變壓器油紙絕緣狀態(tài)檢測(cè)的工程案例,說(shuō)明ElecNet軟件在電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[9-11]。

2 變壓器套管的電場(chǎng)仿真

變壓器電容性套管經(jīng)常用于增強(qiáng)變壓器內(nèi)部的電場(chǎng)分布,將高電壓導(dǎo)體的電壓逐步降低[8]。如果變壓器套管的尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得不合理,場(chǎng)強(qiáng)分布不均勻,套管尾部會(huì)出現(xiàn)油中閃絡(luò),引起電力變壓器出現(xiàn)故障。由于套管的特殊結(jié)構(gòu)和運(yùn)行的特殊性,常規(guī)方法很難適應(yīng)現(xiàn)在的絕緣狀態(tài)檢測(cè)；而采用電磁場(chǎng)仿真軟件ElecNet分析高壓套管的電場(chǎng)分布情況,能夠?yàn)樘坠艿慕Y(jié)構(gòu)改進(jìn)和尺寸設(shè)計(jì)提供重要的依據(jù)。

圖1為利用ElecNet建立的以套管中心軸為旋轉(zhuǎn)軸的有一定角度的仿真模型,圖中顯示了絕緣油(Oil)、環(huán)氧樹脂合成紙(ERIP)和銅(Copper)材料等3個(gè)區(qū)域。Oil和ERIP是用戶自定義的新材料,Oil的相對(duì)電容率為2,ERIP的相對(duì)電容率為4。在ERIP內(nèi)的特定位置放置了10片不同長(zhǎng)度的箔片(圖1中10個(gè)長(zhǎng)度不等的豎條),用來(lái)減小最大的電場(chǎng)強(qiáng)度。然后生成電極,銅電極上加載40萬(wàn)V交流電,9個(gè)箔片上設(shè)置了浮置電極,最后一個(gè)箔片電極設(shè)為0 V。最后設(shè)定邊界條件(Oil的第4個(gè)面為接地邊界條件)和網(wǎng)格參數(shù),選擇求解器(2D靜態(tài)),開始仿真。

圖2 浮置電極電壓

圖3 V的等勢(shì)線及云圖

圖4 靜態(tài)電場(chǎng)的云圖

圖5 電場(chǎng)的云圖和矢量圖

3 變壓器油紙絕緣狀態(tài)檢測(cè)

高壓變壓器事故大多緣自絕緣體損壞,因而在線檢測(cè)變壓器油紙的絕緣狀態(tài),對(duì)設(shè)備和電力系統(tǒng)安全運(yùn)行十分重要。對(duì)絕緣電阻動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行計(jì)算分析,能夠可靠地判斷油和紙的絕緣狀態(tài)。首先利用ElecNet軟件對(duì)變壓器油紙模型進(jìn)行電場(chǎng)仿真,得到動(dòng)態(tài)電勢(shì)等位線、電場(chǎng)分布以及電流密度矢量圖,然后通過(guò)外部數(shù)據(jù)處理,逐步計(jì)算出各時(shí)間段的絕緣電阻值。

圖6為變壓器油紙模型,其中包括銅電極、變壓器油和紙板。變壓器絕緣油的介電常數(shù)ε1=2.3,電阻率ρ1=1×1012Ω·m,絕緣紙板的介電常數(shù)為ε2=4.5,電阻率為ρ2=100×1012Ω·m。外加電壓為1 000 V,仿真時(shí)間1 000 s,利用2D瞬態(tài)求解器。圖7為仿真得到1 s、100 s、250 s以及500 s時(shí)刻的電勢(shì)等位線、電場(chǎng)分布及電流密度矢量。通過(guò)ElecNet軟件還可以生成仿真視頻,動(dòng)態(tài)地演示絕緣材料的極化過(guò)程。

圖6 變壓器絕緣油紙模型

圖7 變壓器油紙?jiān)诓煌瑫r(shí)間的電勢(shì)等位線、電場(chǎng)分布以及電流密度矢量圖

4 結(jié)束語(yǔ)

利用ElecNet獲得了變壓器套管內(nèi)部電場(chǎng)分布,通過(guò)分析計(jì)算,得出套管中電場(chǎng)強(qiáng)度最大的位置和場(chǎng)強(qiáng)值。對(duì)比絕緣介質(zhì)的最大擊穿場(chǎng)強(qiáng),該例中套管各部位絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)均達(dá)到絕緣要求,并有一定的絕緣裕度。另外,利用ElecNet獲得了變壓器油紙中的動(dòng)態(tài)電場(chǎng)分布、電流密度矢量等,通過(guò)后續(xù)計(jì)算可以得到絕緣電阻的動(dòng)態(tài)特性,為在線檢測(cè)變壓器油紙受潮程度和當(dāng)前絕緣狀態(tài)提供了可靠的依據(jù)。

可見,將ElecNet軟件引入電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué),學(xué)生可以形象地觀察到電力電氣設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境中電場(chǎng)的分布及其變化,避免了繁重的數(shù)學(xué)計(jì)算,加深了對(duì)激勵(lì)、邊界條件和復(fù)雜場(chǎng)分布公式的理解,了解了電磁理論在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

將ElecNet應(yīng)用到電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué)中,可以快速、準(zhǔn)確、形象地刻畫出電場(chǎng)分布情況,特別是在瞬態(tài)電場(chǎng)求解問(wèn)題上有優(yōu)勢(shì)[8]。利用ElecNet虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以避開實(shí)驗(yàn)設(shè)備經(jīng)費(fèi)不足的問(wèn)題[12],大大改善課堂教學(xué)效果,增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力,提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

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Application of ElecNet software in teaching of Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave course

Zheng Qingqing, Wu Jin, Liu Jin, Zhu Lei

(School of Information Science and Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

The ElecNet software is introduced in the field of high-voltage electric for its powerful two-dimensional and three-dimensional electric field simulations. Then electric field distributions of transformer bushing and status detection of transformer oil-paper insulation system are easily and successfully achieved by ElecNet as two instances. It is shown that the dynamic visual performance of ElecNet is much appropriate in teaching of Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave. Practices demonstrate the application of ElecNet software in teaching can help students to establish a more visual and intuitive understanding,inspire their interest in learning electromagnetic field theory,and improve their ability of analyzing and solving practical engineering problems.

electromagnetic field and electromagnetic wave; transformer bushing; ElecNet; transformer oil-paper insulation

2014- 11- 06 修改日期：2014- 12- 30

湖北省高等學(xué)校省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目“新時(shí)期地方綜合性大學(xué)電氣信息類專業(yè)建設(shè)研究與探索”(2011206)

鄭慶慶(1978—),女,湖北赤壁,博士,副教授,主要研究方向?yàn)閳D像處理與模式識(shí)別.

TP391.9；O441.4

B

1002-4956(2015)6- 0130- 03