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特高压电场的数值计算与全局优化

作　者: 吕殿利
导　师: 汪友华；王建民
学　校: 河北工业大学
专　业: 电工理论与新技术
关键词: 特高压变压器三维电场有限元法零阶方法遗传算法粒子群算法
分类号: TM401.1
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

特高压变压器是特高压变电站中最重要的设备之一。特高压变压器的绝缘设计对变压器的单台极限容量和运行可靠性具有决定性意义。对变压器进行电场分析,控制各处油隙的电场强度远小于起始局部放电电场,是特高压交流变压器绝缘设计的重要内容。变压器线圈及其出线装置的电场强度大小和均匀性直接影响特高压变压器设备的技术指标和经济指标,也影响了整个特高压输变电系统的经济性和稳定性,因此,对特高压变压器线圈及其出线装置的电场进行数值计算和优化设计具有重要意义。本文针对一台特高压交流变压器样机建立了线圈及其出线装置的三维实体模型。对中部模型,采用二维电场计算,初步确定了所需要重点计算的关键区域。采用解析法,计算了等效介电常数,把多层油纸绝缘结构等效成单一绝缘介质,进而对线圈及其出线装置的三维计算模型的简化提供依据。将简化后的模型分为上下两部分,通过手动剖分与自由剖分相结合,成功的建立了它们的三维有限元模型。对顶部模型和底部模型分别进行三维电场计算,得到了它们的电压和电场的分布图,并计算了最大电场强度值以及最大电场所在的位置,验证了样机线圈及其出线装置绝缘设计的合理性。为提高变压器线圈及其出线装置的设计效率,本文将高效快速的参数化方法从一般模型设计深入到有限元分析。采用APDL编写变压器线圈及其出线装置电场的参数化有限元分析文件,实现了后台调用ANSYS进行完全自动化批处理的可变参数有限元计算,并在此基础上采用零阶方法分别对顶部模型和底部模型的最大场强进行优化,分别得到最优解。通过对上下两部分的最优解的比较,得到了整个线圈及其出线装置最大场强的全局最优解。本文探讨了ANSYS与其它外部程序的接口方法,并编写了VC++6.0和ANSYS软件的接口程序。通过接口程序,可以实现在VC++6.0中将ANSYS作为子程序进行调用。采用这种方法,将遗传算法与有限元分析结合起来,通过VC++6.0和ANSYS对外部文件的读写实现参数的传递,从而完成了对变压器线圈及其出线装置电场的优化设计。最后,采用同样的方法,将粒子群算法引入到特高压变压器线圈及其出线装置电场的优化设计中,并分析了几种算法的优缺点。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-21
  §1-1 研究背景与问题的提出  11-15
    1-1-1 我国电网发展现状  11-12
    1-1-2 国内外特高压技术的研究现状  12-14
    1-1-3 课题的提出  14-15
  §1-2 特高压变压器  15-16
  §1-3 电场数值计算的研究概况  16-18
  §1-4 电场逆问题的研究方法  18-19
  §1-5 本文完成的主要工作  19-21
第二章三维电场问题的有限元法  21-28
  §2-1 有限元法原理  21-23
    2-1-1 有限元的基本概念  21
    2-1-2 有限元法的理论基础和解题步骤  21-23
  §2-2 三维静电场的有限元计算  23-25
  §2-3 ANSYS 电场分析  25-27
    2-3-1 ANSYS 主要模块  26
    2-3-2 ANSYS 分析步骤  26-27
  §2-4 本章小结  27-28
第三章特高压变压器线圈及其出线装置的电场计算  28-50
  §3-1 三维实体模型的建立  28-31
    3-1-1 变压器线圈及其出线装置实体模型建立的前期准备  29-30
    3-1-2 三维实体模型的建立  30-31
  §3-2 电场计算的数学模型  31-32
  §3-3 中部线圈及其出线装置的电场计算与模型的简化  32-40
    3-3-1 中部线圈及其出线装置的电场计算  32-34
    3-3-2 等效介电常数的折算  34-38
    3-3-3 简化后的二维电场计算  38-40
  §3-4 三维电场的计算和分析  40-49
    3-4-1 底部线圈及其出线装置的三维电场计算分析  40-44
    3-4-2 顶部线圈及其出线装置的三维电场计算  44-49
  §3-5 本章小结  49-50
第四章基于 APDL 的参数化有限元方法研究  50-64
  §4-1 参数化设计方法  50-51
  §4-2 参数化有限元法的实现  51-52
  §4-3 基于APDL 的参数化有限元分析  52-53
    4-3-1 APDL 参数化设计语言  52
    4-3-2 参数化有限元的分析过程  52-53
  §4-4 参数化有限元法在变压器电场计算中的应用  53-58
    4-4-1 模型参数定义  53-54
    4-4-2 顶部线圈及其出线装置的三维电场计算  54-56
    4-4-3 底部线圈及其出线装置的三维电场计算  56
    4-4-4 算例结果分析  56-58
  §4-5 自动化修改参数进行批处理有限元分析的实现  58-62
    4-5-1 APDL 命令流的后台运行  58-59
    4-5-2 批处理有限元分析的程序设计  59-60
    4-5-3 计算结果与分析  60-62
  §4-6 本章小结  62-64
第五章零阶方法在变压器电场优化中的应用  64-77
  §5-1 优化技术的基本理论  64-66
    5-1-1 优化问题的数学模型  64-65
    5-1-2 优化问题中的几个基本概念  65-66
  §5-2 ANSYS 优化方法  66-69
    5-2-1 ANSYS 的优化模块  66-67
    5-2-2 ANSYS 优化问题的数学模型  67
    5-2-3 零阶优化方法  67-69
  §5-3 零阶方法在特高压变压器电场优化中的应用  69-76
    5-3-1 线圈及其出线装置电场优化的数学模型  70-71
    5-3-2 优化结果与分析  71-76
  §5-4 本章小结  76-77
第六章遗传算法在变压器电场优化中的应用研究  77-89
  §6-1 遗传算法的基本理论  77-80
    6-1-1 基本遗传算法  78
    6-1-2 遗传算法的基本操作  78-79
    6-1-3 基本遗传算法的设计步骤  79-80
  §6-2 ANSYS 与外部程序的接口  80-81
    6-2-1 ANSYS 调用外部程序  80
    6-2-2 外部程序调用ANSYS  80-81
  §6-3 遗传算法在变压器电场优化中的应用研究  81-88
    6-3-1 遗传算法与ANSYS 的结合  82
    6-3-2 遗传算法应用于变压器电场优化设计中的具体实现  82-85
    6-3-3 算例与分析  85-88
  §6-4 本章小结  88-89
第七章粒子群算法在变压器电场优化中的应用研究  89-98
  §7-1 粒子群优化算法  89-92
    7-1-1 粒子群算法基本原理  89-91
    7-1-2 PSO 法对约束的处理  91-92
  §7-2 PSO 算法在变压器线圈电场优化中的应用研究  92-97
    7-2-1 基于VC++6.0 的PSO 算法的实现  92-93
    7-2-2 PSO 算法与ANSYS 的接口  93
    7-2-3 算例与分析  93-97
  §7-3 本章小结  97-98
第八章结论  98-101
  §8-1 论文的主要研究成果和创新点  98-99
  §8-2 展望及建议  99-101
参考文献  101-107
致谢  107-109
攻读博士学位期间所取得的相关科研成果  109-110

特高压电场的数值计算与全局优化

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