ElecNet在電磁場與電磁波教學中的應用

鄭慶慶, 吳 謹, 劉 勁, 朱 磊

(武漢科技大學 信息科學與工程學院, 湖北 武漢 430081)

計算機技術應用

ElecNet在電磁場與電磁波教學中的應用

鄭慶慶, 吳 謹, 劉 勁, 朱 磊

(武漢科技大學 信息科學與工程學院, 湖北 武漢 430081)

介紹了ElecNet軟件在高壓電氣領域的二維和三維電場仿真功能,通過變壓器套管電場仿真和變壓器油紙絕緣狀態檢測2個實例,展示了ElecNet軟件的動態演示特性及該軟件在電磁場與電磁波教學中的應用。實踐證明,利用ElecNet進行可視化教學形象直觀,激發了學生對電磁場理論學習的興趣,并培養了學生解決實際工程問題的能力。

電磁場與電磁波； 變壓器套管； ElecNet； 變壓器油紙絕緣

電磁場與電磁波課程是電子信息類理工科專業必修的一門專業基礎課。由于該課程的理論性強、場與波的概念比較抽象、涉及公式的數學推導較多,因此,無論對于教師的教學,還是對于學生的理解掌握都有較大難度[1-2]。充分利用計算機仿真軟件進行可視化教學,并在教學中結合工程案例,使抽象的理論可視化[3-5],使基礎理論實際化,使復雜結構的電磁場場量的數值解能夠直觀、形象的展現出來,能夠提高學生學習的興趣和教學效果。此外,從理論模型的數學建模、虛擬仿真,再到模型參數修正等一整套過程,能夠培養學生分析問題、解決問題的科研能力[6]。

1 ElecNet軟件簡介

Infolytica公司推出的ElecNet是一款針對電場仿真分析的優秀軟件,用于變壓器、高壓開關、絕緣套管等電氣設備的二維和三維電場分析。它提供2D/3D靜電場、2D/3D直流電場、2D/3D交流電場以及2D/3D瞬態電場等4種電場解決方案,主要解決模型在高電壓激勵下的電場問題[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,它的優勢是能夠進行瞬態電場的仿真。ElecNet的應用領域主要是電氣產品、電力發電企業等,分析的對象主要是高壓電機、變壓器,高壓開關等在高壓下的絕緣問題。

用戶可通過ElecNet的圖形界面建立設備的幾何模型或導入由其他軟件建立的模型、定義部件材料、定義激勵和邊界條件、設置剖分網格和求解器參數等一系列步驟,完成電場的計算,并將結果可視化[8]。

電磁場與電磁波的空間分布復雜,具有不可見和不可感知的特點。在教學中充分利用有關電磁仿真軟件,可以有效彌補實驗設備的不足；將工程案例引入課堂,能夠培養學生的創新思想和創新能力[1]。本文結合變壓器套管電場仿真和變壓器油紙絕緣狀態檢測的工程案例,說明ElecNet軟件在電磁場與電磁波實踐教學中的應用[9-11]。

2 變壓器套管的電場仿真

變壓器電容性套管經常用于增強變壓器內部的電場分布,將高電壓導體的電壓逐步降低[8]。如果變壓器套管的尾部結構設計得不合理,場強分布不均勻,套管尾部會出現油中閃絡,引起電力變壓器出現故障。由于套管的特殊結構和運行的特殊性,常規方法很難適應現在的絕緣狀態檢測；而采用電磁場仿真軟件ElecNet分析高壓套管的電場分布情況,能夠為套管的結構改進和尺寸設計提供重要的依據。

圖1為利用ElecNet建立的以套管中心軸為旋轉軸的有一定角度的仿真模型,圖中顯示了絕緣油(Oil)、環氧樹脂合成紙(ERIP)和銅(Copper)材料等3個區域。Oil和ERIP是用戶自定義的新材料,Oil的相對電容率為2,ERIP的相對電容率為4。在ERIP內的特定位置放置了10片不同長度的箔片(圖1中10個長度不等的豎條),用來減小最大的電場強度。然后生成電極,銅電極上加載40萬V交流電,9個箔片上設置了浮置電極,最后一個箔片電極設為0 V。最后設定邊界條件(Oil的第4個面為接地邊界條件)和網格參數,選擇求解器(2D靜態),開始仿真。

圖2 浮置電極電壓

圖3 V的等勢線及云圖

圖4 靜態電場的云圖

圖5 電場的云圖和矢量圖

3 變壓器油紙絕緣狀態檢測

高壓變壓器事故大多緣自絕緣體損壞,因而在線檢測變壓器油紙的絕緣狀態,對設備和電力系統安全運行十分重要。對絕緣電阻動態特性進行計算分析,能夠可靠地判斷油和紙的絕緣狀態。首先利用ElecNet軟件對變壓器油紙模型進行電場仿真,得到動態電勢等位線、電場分布以及電流密度矢量圖,然后通過外部數據處理,逐步計算出各時間段的絕緣電阻值。

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ε1=2.3,電阻率ρ1=1×1012Ω·m,絕緣紙板的介電常數為ε2=4.5,電阻率為ρ2=100×1012Ω·m。外加電壓為1 000 V,仿真時間1 000 s,利用2D瞬態求解器。圖7為仿真得到1 s、100 s、250 s以及500 s時刻的電勢等位線、電場分布及電流密度矢量。通過ElecNet軟件還可以生成仿真視頻,動態地演示絕緣材料的極化過程。

圖6 變壓器絕緣油紙模型

圖7 變壓器油紙在不同時間的電勢等位線、電場分布以及電流密度矢量圖

4 結束語

利用ElecNet獲得了變壓器套管內部電場分布,通過分析計算,得出套管中電場強度最大的位置和場強值。對比絕緣介質的最大擊穿場強,該例中套管各部位絕緣結構的設計均達到絕緣要求,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態電場分布、電流密度矢量等,通過后續計算可以得到絕緣電阻的動態特性,為在線檢測變壓器油紙受潮程度和當前絕緣狀態提供了可靠的依據。

可見,將ElecNet軟件引入電磁場與電磁波教學,學生可以形象地觀察到電力電氣設備在復雜環境中電場的分布及其變化,避免了繁重的數學計算,加深了對激勵、邊界條件和復雜場分布公式的理解,了解了電磁理論在實際工程中的應用。

將ElecNet應用到電磁場與電磁波教學中,可以快速、準確、形象地刻畫出電場分布情況,特別是在瞬態電場求解問題上有優勢[8]。利用ElecNet虛擬仿真實驗平臺可以避開實驗設備經費不足的問題[12],大大改善課堂教學效果,增強學生的工程實踐能力,提高學生的綜合素質。

References)

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[2] 代秋芳,王衛星,劉洪山,等.“電磁場與電磁波”實驗課程建設與實踐[J].電氣電子教學學報,2014,36(2):94-98.

[3] 鄧紅濤,劉巧,田敏.利用仿真軟件優化電磁場與電磁波教學[J].電腦知識與技術,2014,10(4):792-794.

[4] 郝麗.基于Ansoft的電磁場實驗仿真軟件研發[J].實驗技術與管理,2013,30(9):104-106.

[5] 王云秀.HFSS在電磁場與電磁波教學中的應用[J].大眾科技,2011(12):199-200.

[6] 高永鋒.將科研內容融入“電磁場與電磁波”課程教學[J].中國電力教育,2009(12):49-50.

[7] ?；萍?INFOLYTICA軟件概述[J].CAD/CAM與制造業信息化,2012(4):42-45.

[8] ?；?ElecNet軟件操作說明[EB/OL].[2014-12-21].http://www.docin.com/p-672758163.html.

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[11] 蔡強,林莘,徐建源.特高壓變壓器套管電場數值分析及參數計算[C]//2010輸變電年會論文集.2010:289-293.

[12] 凌丹,王薔.電磁場與微波實驗教學的改革[J].實驗技術與管理,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

湖北省高等學校省級教學研究項目“新時期地方綜合性大學電氣信息類專業建設研究與探索”(2011206)

鄭慶慶(1978—),女,湖北赤壁,博士,副教授,主要研究方向為圖像處理與模式識別.

TP391.9；O441.4

B

1002-4956(2015)6- 0130- 03