ElecNet在电磁场与电磁波教学中的应用

郑庆庆, 吴 谨, 刘 劲, 朱 磊

(武汉科技大学 信息科学与工程学院, 湖北 武汉 430081)

计算机技术应用

ElecNet在电磁场与电磁波教学中的应用

郑庆庆, 吴 谨, 刘 劲, 朱 磊

(武汉科技大学 信息科学与工程学院, 湖北 武汉 430081)

介绍了ElecNet软件在高压电气领域的二维和三维电场仿真功能,通过变压器套管电场仿真和变压器油纸绝缘状态检测2个实例,展示了ElecNet软件的动态演示特性及该软件在电磁场与电磁波教学中的应用。实践证明,利用ElecNet进行可视化教学形象直观,激发了学生对电磁场理论学习的兴趣,并培养了学生解决实际工程问题的能力。

电磁场与电磁波； 变压器套管； ElecNet； 变压器油纸绝缘

电磁场与电磁波课程是电子信息类理工科专业必修的一门专业基础课。由于该课程的理论性强、场与波的概念比较抽象、涉及公式的数学推导较多,因此,无论对于教师的教学,还是对于学生的理解掌握都有较大难度[1-2]。充分利用计算机仿真软件进行可视化教学,并在教学中结合工程案例,使抽象的理论可视化[3-5],使基础理论实际化,使复杂结构的电磁场场量的数值解能够直观、形象的展现出来,能够提高学生学习的兴趣和教学效果。此外,从理论模型的数学建模、虚拟仿真,再到模型参数修正等一整套过程,能够培养学生分析问题、解决问题的科研能力[6]。

1 ElecNet软件简介

Infolytica公司推出的ElecNet是一款针对电场仿真分析的优秀软件,用于变压器、高压开关、绝缘套管等电气设备的二维和三维电场分析。它提供2D/3D静电场、2D/3D直流电场、2D/3D交流电场以及2D/3D瞬态电场等4种电场解决方案,主要解决模型在高电压激励下的电场问题[7]。与其他类似软件(例如基于有限元方法的Ansoft、Ansys,基于矩量法的ADS等)相比,它的优势是能够进行瞬态电场的仿真。ElecNet的应用领域主要是电气产品、电力发电企业等,分析的对象主要是高压电机、变压器,高压开关等在高压下的绝缘问题。

用户可通过ElecNet的图形界面建立设备的几何模型或导入由其他软件建立的模型、定义部件材料、定义激励和边界条件、设置剖分网格和求解器参数等一系列步骤,完成电场的计算,并将结果可视化[8]。

电磁场与电磁波的空间分布复杂,具有不可见和不可感知的特点。在教学中充分利用有关电磁仿真软件,可以有效弥补实验设备的不足；将工程案例引入课堂,能够培养学生的创新思想和创新能力[1]。本文结合变压器套管电场仿真和变压器油纸绝缘状态检测的工程案例,说明ElecNet软件在电磁场与电磁波实践教学中的应用[9-11]。

2 变压器套管的电场仿真

变压器电容性套管经常用于增强变压器内部的电场分布,将高电压导体的电压逐步降低[8]。如果变压器套管的尾部结构设计得不合理,场强分布不均匀,套管尾部会出现油中闪络,引起电力变压器出现故障。由于套管的特殊结构和运行的特殊性,常规方法很难适应现在的绝缘状态检测；而采用电磁场仿真软件ElecNet分析高压套管的电场分布情况,能够为套管的结构改进和尺寸设计提供重要的依据。

图1为利用ElecNet建立的以套管中心轴为旋转轴的有一定角度的仿真模型,图中显示了绝缘油(Oil)、环氧树脂合成纸(ERIP)和铜(Copper)材料等3个区域。Oil和ERIP是用户自定义的新材料,Oil的相对电容率为2,ERIP的相对电容率为4。在ERIP内的特定位置放置了10片不同长度的箔片(图1中10个长度不等的竖条),用来减小最大的电场强度。然后生成电极,铜电极上加载40万V交流电,9个箔片上设置了浮置电极,最后一个箔片电极设为0 V。最后设定边界条件(Oil的第4个面为接地边界条件)和网格参数,选择求解器(2D静态),开始仿真。

图2 浮置电极电压

图3 V的等势线及云图

图4 静态电场的云图

图5 电场的云图和矢量图

3 变压器油纸绝缘状态检测

高压变压器事故大多缘自绝缘体损坏,因而在线检测变压器油纸的绝缘状态,对设备和电力系统安全运行十分重要。对绝缘电阻动态特性进行计算分析,能够可靠地判断油和纸的绝缘状态。首先利用ElecNet软件对变压器油纸模型进行电场仿真,得到动态电势等位线、电场分布以及电流密度矢量图,然后通过外部数据处理,逐步计算出各时间段的绝缘电阻值。

图6为变压器油纸模型,其中包括铜电极、变压器油和纸板。变压器绝缘油的介电常数ε1=2.3,电阻率ρ1=1×1012Ω·m,绝缘纸板的介电常数为ε2=4.5,电阻率为ρ2=100×1012Ω·m。外加电压为1 000 V,仿真时间1 000 s,利用2D瞬态求解器。图7为仿真得到1 s、100 s、250 s以及500 s时刻的电势等位线、电场分布及电流密度矢量。通过ElecNet软件还可以生成仿真视频,动态地演示绝缘材料的极化过程。

图6 变压器绝缘油纸模型

图7 变压器油纸在不同时间的电势等位线、电场分布以及电流密度矢量图

4 结束语

利用ElecNet获得了变压器套管内部电场分布,通过分析计算,得出套管中电场强度最大的位置和场强值。对比绝缘介质的最大击穿场强,该例中套管各部位绝缘结构的设计均达到绝缘要求,并有一定的绝缘裕度。另外,利用ElecNet获得了变压器油纸中的动态电场分布、电流密度矢量等,通过后续计算可以得到绝缘电阻的动态特性,为在线检测变压器油纸受潮程度和当前绝缘状态提供了可靠的依据。

可见,将ElecNet软件引入电磁场与电磁波教学,学生可以形象地观察到电力电气设备在复杂环境中电场的分布及其变化,避免了繁重的数学计算,加深了对激励、边界条件和复杂场分布公式的理解,了解了电磁理论在实际工程中的应用。

将ElecNet应用到电磁场与电磁波教学中,可以快速、准确、形象地刻画出电场分布情况,特别是在瞬态电场求解问题上有优势[8]。利用ElecNet虚拟仿真实验平台可以避开实验设备经费不足的问题[12],大大改善课堂教学效果,增强学生的工程实践能力,提高学生的综合素质。

References)

[1] 赵国生,程子霞.“工程电磁场”课程教学改革研究与实践[J].中国电力教育,2012(12):82-83.

[2] 代秋芳,王卫星,刘洪山,等.“电磁场与电磁波”实验课程建设与实践[J].电气电子教学学报,2014,36(2):94-98.

[3] 邓红涛,刘巧,田敏.利用仿真软件优化电磁场与电磁波教学[J].电脑知识与技术,2014,10(4):792-794.

[4] 郝丽.基于Ansoft的电磁场实验仿真软件研发[J].实验技术与管理,2013,30(9):104-106.

[5] 王云秀.HFSS在电磁场与电磁波教学中的应用[J].大众科技,2011(12):199-200.

[6] 高永锋.将科研内容融入“电磁场与电磁波”课程教学[J].中国电力教育,2009(12):49-50.

[7] 海基科技.INFOLYTICA软件概述[J].CAD/CAM与制造业信息化,2012(4):42-45.

[8] 海基公司,ElecNet软件操作说明[EB/OL].[2014-12-21].http://www.docin.com/p-672758163.html.

[9] 刘凤英,韩磊,张喜乐,等.电力变压器主绝缘电场的数值分析[J].天津工业大学学报,2014,33(3):75-79.

[10] 欧阳鹏,王建辉,范成西,等.基于ElecNet的汽轮发电机定子绕组端部结构建模及电场计算[J].大电机技术,2009(1):14-18.

[11] 蔡强,林莘,徐建源.特高压变压器套管电场数值分析及参数计算[C]//2010输变电年会论文集.2010:289-293.

[12] 凌丹,王蔷.电磁场与微波实验教学的改革[J].实验技术与管理,2010,27(9):115-117.

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

湖北省高等学校省级教学研究项目“新时期地方综合性大学电气信息类专业建设研究与探索”(2011206)

郑庆庆(1978—),女,湖北赤壁,博士,副教授,主要研究方向为图像处理与模式识别.

TP391.9；O441.4

B

1002-4956(2015)6- 0130- 03