基于缩减基有限元法的灭弧室快速优化

针对高压电气设备电场逆问题的快速求解,将缩减基技术和有限元法有效结合,提出了一种用于快速求解电气设备电场逆问题的新方法,即缩减基有限元方法(reduced basis finite element method,RBFEM),分析了RBFEM的基本原理,并以气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear,GIS)灭弧室的触头优化为例,详细介绍了基于RBFEM的快速优化算法的实现过程,包括建立数学模型、目标函数和设计变量的选定、给出优化策略、样本参数采样策略的选择、子域的分解以及样本参数N值的取值等关键问题。并对优化后的灭弧室触头形状利用ANSYS求解计算,得到的计算结果与RBFEM求得的计算结果相比误差为1.3%,可知RBFEM算法是有效的。     

变压器分接开关内酚醛压板的神经网络全局优化设计

为改善变压器分接开关电场环境,笔者重点研究了变压器分接开关内酚醛压板的电场分布,利用有限元法计算了这种绝缘结构的电场,提出了结构设计的神经网络最优化方法.在神经网络最优化方式中,构建酚醛压板绝缘结构参数--电场分布的多输入-多约束输出神经网络模型,利用最优化方法构建优化算法,真正实现了酚醛压板绝缘结构的全局优化设计.结...     

超、特高压交流变压器出线绝缘结构的设计和应用

高压出线绝缘结构是超、特高压交流变压器主绝缘结构的重要组成部分,直接影响变压器整体的电气性能、制造成本、生产周期和装配的工艺性等多个方面。因此超、特高压变压器出线绝缘结构的研究和优化设计、国产化制造对于提高变压器的绝缘可靠性、经济性和整体制造水平有着重要的工程应用价值。为此,在介绍大型变压器出线绝缘结构的基础上,采用有限元法进行绝缘出线结构电场分析计算,给出优化设计结果和工程应用实例,长期安全运行及产品试验结果验证了优化设计的可靠性和可信性。针对国内1700、750和500 kV变压器出线装置的研发过程进行了深入的探讨,分析了超、特高压变压器出线装置国产化的可行性及其今后的发展趋势。     

电力机车主变压器油箱损耗的三维有限元分析

利用基于边单元的有限元法,对一台200km/h高速电力机车主变压器的油箱损耗进行了三维有限元分析和计算。由于电力机车主变压器是高漏抗,多绕组变压器,经试验(采用放大法)得到该台变压器油箱损耗为31.245kW,使用FEM二维有限元分析法计算结果为45.791kW,而采用三维有限元分析法计算结果为30.478kW。从而表明,采用三维有限元分析能够更加准确地计算主变压器油箱的涡流分布和杂散损耗,为其采取有效的屏蔽措施提供了更加可靠的科学依据。     

基于T-ψ有限元法的多目标函数变压器优化设计

随着电网容量和电压等级的不断提高,用户对电力变压器优化设计提出了更高的要求,该文基于矢量电位-标量磁位(T-ψ)有限元法(FEM)对变压器拓扑结构进行多目标函数优化设计,旨在提高变压器性能、降低制造成本.变压器设计涉及多参量多目标函数,故采用改进型广义差分进化算法(GED3)实现快速全局寻优.由于每个优选案例都需要采用有限元法对变压器性能参数进行验证,花费时间较长.为了减少变压器仿真验证所需时间,故在保证精度的前提下,寻优过程中采用较粗网格,待最优案例确定后,采用密网格与有限元法相结合对变压器各项性能参数加以对比验证分析.挑选最优案例与未优化变压器各项参数进行对比,优化后的变压器铜损降低4.5％,铁损增加0.81％,但总损耗降低3.62％,制造成本降低3.89％.且在采用粗细网格下,无载损耗误差为0.825％,为工程应用中可接受范围,验证了该文方法的正确性,且该方法可应用于其他电工装备优化设计中.     

单层油纸绝缘结构合成电场数值计算

直流电压下换流变压器阀侧油纸绝缘介质中存在空间电荷的积聚,对其结构内部的电场分布造成影响。考虑了异极性空间电荷间的复合以及入陷、脱陷效应,采用有限元法求解泊松方程和电流连续性方程,基于多物理场耦合迭代的思想实现了单层油纸绝缘介质中空间电荷运动特性及瞬态电场分布的动态仿真。考虑系统潮流反转的情况,模拟了电压极性反转条件下油纸绝缘结构内部合成电场的变化过程,计算结果表明：极性反转瞬间,油纸绝缘介质中空间电荷造成的附加影响使得极板处电场强度急剧增高,电场畸变率高达56.3%,严重危及介质绝缘性能,研究内容为换流变压器内绝缘结构优化设计提供了参考依据。     

基于改进声学有限元法的主变压器室噪声场计算

传统声学有限元法(finite element method,FEM)难以准确表征温升效应引起的主变室大空间空气介质参数变化,导致温度场-声场耦合作用下变电站主变压器室噪声场计算误差过大。在声学FEM算法基础上,引入计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD),提取大空间主变室的复杂空间介质参量,并对波动积分方程进行改进,提出一种基于改进声学FEM的主变室内噪声场求解算法。首先,建立温度场影响下的主变室流变模型,采用CFD表征主变室大空间温度场离散空间介质参量;然后,基于流-声网格映射理论,将温度场离散空间介质参量与声音网格进行映射,建立修正大空间空气介质参数后的声学FEM积分方程;最后,基于常规Gauss数值积分法和引入Kirchhoff-Helmholtz方程,对修正声学FEM积分方程进行联合求解。该算法在西安110 kV昌明变电站1号主变室噪声场的求解分析中得到了成功应用,与实测值误差为2.168%。     

计算导体涡流分布的FEM-IEM混合数学模型

针对电力变压器油箱铺设电屏蔽的涡流反作用问题 ,提出一个仅需剖分铁磁区和导体区的FEM -IEM混合数学模型 ,即在导体区直接采用以涡流电密J为求解变量的有限元法(FEM ) ,而在铁磁区采用以磁化强度M为求解变量的积分方程法 (IEM )。对一算例进行了计算 ,其结果证明了该模型的有效性。     

有限元法在特高压变压器绝缘设计中的应用

针对特高压变压器的绝缘结构特点和技术要求,提出零局部放电的设计理念,采用有限元法对柱间连接线进行了三维场的数值计算,对计算结果进行了详细分析,并得出了沿电力线各油隙的绝缘强度,为特高压变压器的绝缘设计提供了依据。     

应用叠层棱边有限元分析三维谐振腔

本文提出了叠层棱边有限元法，给出了叠层矢量插值基函数，导出了计算三维谐振腔的棱边有限元方程，并用一个正方形谐振腔计算实例说明了叠层棱边有限元法的有效性。     

基于粒子群算法的直线振动发电机优化设计

设计了一种新型圆筒式永磁直线振动发电机,电机中永磁体放置在绕组外侧,内部通过放置铁心来增大感应电动势的幅值。其结构简单,尺寸多变,可将原来损失的小幅振动能量转化为电能,为小型设备提供低压直流。通过二维有限元对其非线性无边界轴对称磁场进行了系统的分析,得到一系列电机感应电动势与电机尺寸间的变化规律,并以有限元分析结果为基础,结合粒子群优化算法,归纳出通用的优化设计准则和公式。优化结果表明,为了得到更高的材料利用率,应取较大的永磁体外径,且样机实验和有限元分析结果吻合良好。     

高压直流输电线下合成电场的有限元快速算法

直流输电线下合成电场计算方法中,上流有限元方法具有较强的适应能力,得到了广泛应用,但其计算效率尚有待提高.为获得较高的计算速度,该文根据上流有限元算法的特点,采用节点编号优化与Cholesky分解相结合的求解泊松方程的直接方法,反复求解泊松方程时较矩阵方程迭代算法有较大优势;采用合理的电荷密度更新策略,减少了迭代所需的收敛次数.这些方法综合应用,获得了较高的计算速度,1.5万节点的双极6分裂特高压直流输电线路合成电场算例,计算时间低于5 s.在算例中该算法显示出对电荷密度初始值具有较好的鲁棒性.     

Optimization on the internal insulation system of gas‐insulated bushing for 1100‐kV GIS based on multiobjective optimization method

In this paper, we first study the voltage and electric field distribution characteristics under the basic lightning impulse level (BIL) of 2400 kV by finite element method (FEM) calculation which are affected by the internal shielding structure of the gas‐insulated bushing for the 1100‐kV gas‐insulated substation (GIS). On this basis, four parameters of the shielding structure are determined to be the decision variables in the optimization process. Four electric field objective functions and four potential objective functions are also proposed. Using a multiobjective optimization method, we then construct an evaluation function with the eight objective functions mentioned above, which are used to evaluate the electric field and potential distribution synthetically. Furthermore, a combination of FEM and the evolution strategy is used to construct the stochastic optimization objective function with the multiobjective evaluation function. The electric field and potential distribution of the gas‐insulated bushing are greatly improved after optimization, and the electric field strength at key spots is effectively reduced. The insulation system of gas‐insulated bushing for 1100‐kV GIS designed by this method has passed type tests and worked well nearly 3 years. So, this optimization provides a constructive method and useful basis for the design of gas‐insulated bushings for 1100‐kV GIS and other electrical equipment. © 2013 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

An optimal design method for efficiency of permanent magnet motors

In optimal design of a permanent magnet (PM) motor, many design variables are required to consider some device properties. These variables are, for example, the shape of core and magnet, the tooth length, the number of turns, and the winding radius. Moreover, many restrictions must be considered in practical PM motor design. These restrictions are, for example, the slot space factor and the cogging torque. However, the optimization problem, which has many design variables by the finite element method (FEM), has not been reported. In this paper, the efficiency of PM motor under the considerations given above is optimized by using FEM and optimization algorithm. In this problem, an objective function has many local minima and it is difficult to calculate its gradient. For these reasons, the genetic algorithm (GA) and simulated annealing method (SA), which are stochastic methods, are used for optimization method, because of the possibility of global range search and because gradient calculation is not required. Adding to both optimization methods, in this paper, SA combined with GA is used for one of the optimization methods. It is found that the solutions optimized by these methods are reasonable from an engineering point of view. © 2001 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 138(3): 72–79, 2002     

基于有限元的永磁无刷直流电动机铁耗分析与计算

建立了基于Bertotti铁耗分离理论,全面考虑交变磁化条件和旋转磁化条件下的永磁无刷直流电动机的铁耗计算模型。通过结合时步有限元方法,精确计算出了一台30 kW、4极3相表贴式永磁无刷直流电动机在额定转速为8 000 r/min时的定子铁心损耗。相较于传统的铁耗计算经验公式,本模型提高了永磁无刷直流电动机铁耗计算的精度和准确度,对电机的优化设计具有指导意义,有较好的工程应用价值。     

E型铁心开关磁通电机的电磁性能解析计算

由于复杂磁路的影响,开关磁通电机电磁性能的解析计算是个难点。采用子域法,通过子域划分、建立偏微分方程与通解、确立边界条件和积分常数求解等步骤建立E型铁心结构开关磁通电机的解析模型,计算得到了各子域矢量磁位、磁通密度、绕组磁链、电动势和电磁转矩,分析了不同定转子极数组合对绕组电动势和齿槽转矩的影响,得到了合适的极数组合。与有限元法计算结果的对比表明,空载时两者计算结果非常接近,负载时由于电枢反应磁场的影响,与非线性有限元相比,解析法会带来一定误差。虽然该解析模型不能考虑饱和的影响,由于解析法计算速度快,能得到规律性的结论,非常适合电机的初始设计和优化计算。     

Consistent material operators for tetrahedral grids based on geometrical principles

This paper is focused on analysis of the properties of material operators for geometrical methods on tetrahedral grids. The stiffness matrix in electrodynamics, as well as the one in electrostatics, are mathematically proven to be the same for every material operator satisfying a condition which is sufficient for the consistency of the numerical scheme. This gives a new and better insight into the strong similarities existing between the finite element method (FEM) and the finite integration technique (FIT). A symmetrization of the microcell method, which also ensures the positive definiteness of the material operators, based on geometrical properties of tetrahedra, is proposed. Numerical results in time and frequency domain for resonant cavities are presented and compared to the FEM. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

电磁阀电磁场有限元计算软件

针对电磁阀计算的手工演算程序和基于磁路方法的不足,根据工程需求情况,选择了简单、成熟的二维有限元法,提出了电磁阀的二维电磁场有限元计算模型,为利用已有的计算程序,对外施电压约束采取了迭代计算的处理方法。软件界面采用易于掌握的VB编程,计算结果的后处理则利用了Manab的强大功能。该方法有效地解决了常用的基于磁路方法无法处理涡流场问题,并减少了设计、开发的工作量。     

应用有限元方法优化应力锥设计

采用有限元法设计全预制式高压电缆户外的终端电场,通过调整应力锥曲线优化了终端电场分布,即分别选取不同的应力锥长度和曲率来计算和筛选电场应力分布最优的设计尺寸。计算表明,应力锥长130 mm、端部曲率半径20 mm时各项性能指标完全满足要求。对比常规计算方法,该方法能准确计算出终端电场分布,优化应力锥设计。