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赵彦普教授团队在输电装备多物理场数值计算领域取得新进展

更新时间:2024-01-09

近日,我院电力电子与电机研究所赵彦普教授课题组在能源领域著名期刊Energy (JCR 1区,影响因子:8.857)上发表了在输电装备多物理场计算与优化设计方法方面取得的最新成果,论文题为“A Novel Method for Fast Computation of the Temperature Rise And Optimal Design of GIL Based on Thermal Network Model” (论文1, DOI:10.1016/j.energy.2023.130034)。同时在电气工程领域权威期刊High Voltage (JCR 2区,影响因子:4.4)上发表了在长距离输电装备电磁场计算方面取得的最新进展,论文题为“A Novel Multi-slice Electromagnetic Field-Circuit Coupling Method for Transient Computation of Long-distance GIL” (论文2,DOI: 10.1049/hve2.12420)。第一署名单位为亚星管理网登录入口,博士研究生程书灿为第一作者,赵彦普教授为通讯作者。

金属封闭刚性输电设备(GIL)具有传输容量高、损耗低、电磁干扰小等优点,在输电领域与城市管廊建设中广泛使用。设备温升的准确快速计算对其高效运行与最优设计具有重要意义。传统方法依靠三维有限元分析进行电磁-温度-流体多物理场耦合仿真,对计算资源要求高;进一步基于多物理场耦合计算进行设备的优化设计,则更加消耗计算资源和计算时间。因此,基于三维多物理场计算的优化设计方法难以同时满足设备厂家对计算精度和设计效率的要求。

借助具有高计算效率的热网络方法(TNM),论文1提出了一种计算GIL温升的新型TNM模型,与基于计算流体力学(CFD)仿真的多物理场耦合计算方法相比,TNM的计算效率可以提高三个数量级以上。进一步,基于TNM建立了GIL主通流结构快速优化设计模型,模型以最小温升与成本为目标,可以方便地将电场与机械场中的约束因素纳入考虑,同时避免了电磁-温度-流体耦合多物理场的反复耗时计算。基于TNM的优化设计方法有助于设计人员快速判断设备性能,减少设计生产周期。

图1 基于热网络方法计算温升的算法流程图

GIL在短路故障下会产生过高的暂态磁通密度和电磁力,影响管廊内监测和通信设备的正常运行,甚至破坏设备机械结构。计算长度在数千米至数十千米的GIL全尺度暂态电磁场分布,三维有限元方法将产生庞大的网格数量从而对计算资源要求极高,对计算资源要求低的纯等效电路则不能准确考虑集肤效应等因素以及不能得到设备自身的电磁场分布。

为实现长达数十千米的GIL暂态电磁场的准确高效计算,论文2基于设备具有大纵横比的结构特征,提出一种轻量级2D多截面电磁场-电路耦合计算方法,该方法可以同时考虑集肤效应与邻近效应,以及相间分支线与接地线的影响。通过与短距离3D全尺度模型的仿真结果对比,验证了该多截面场-路耦合方法可以快速准确地捕捉设备在短路条件下的暂态电磁特性。该方法可推广应用于长达数十千米的GIL工程,解决其暂态电磁场的快速计算难题。

图2 多截面场路耦合方法示意图

该系列研究工作展示了新型高效数值计算方法在输电装备领域的应用,为长距离输电装备的电磁场仿真计算以及优化设计提供了可行的快速解决方案。同时所提出的新型快速算法为国产电力装备仿真软件提供了重要原创技术支撑。该研究工作得到海外高层次人才计划项目及省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室项目的资助。

(撰稿:华小梅 审稿:袁佳歆 责编:华小梅)