ElecNet操作说明_变压器套管

ElecNet 软件操作说明 海基公司 前言 本说明文件以变压器套管( Bushing )问为例，介绍 ElecNet 软件的基本操作步骤。对一个项目的分析包 括以下步骤。 建立几 何模型 编辑和 设定材 料 定义电 极 设置边 界条件 设置剖 分网格 求解 后处理 目录 1．ElecNet 界面介绍············································································································································· 2 2．变压器套管问题介绍······································································································································· 4 3．定义新 ······················································································································································ 5 4．建模 ·································································································································································· 7 5．定义电极 ·························································································································································11 6．设置边界条件和网格参数 ····························································································································· 12 7．求解 ································································································································································ 13 8．后处理 ···························································································································································· 15 9．瞬态电场仿真附加说明································································································································· 18 1 1. ElecNet 界面介绍 安装 ElecNet 和相应的 License 后，可以运行 ElecNet。在 Windows 系统中，点击开始－>程序－>Infolytica－ >ElecNet 启动 ElecNet。其主要的界面如下。 1） 下拉式菜单 File：新建、打开、保存文档，输入、输出模型、动画等 Edit：Undo、Redo，拷贝，粘贴，删除。各种类型的选择功能等。 Draw：光标方式，画直线、圆弧、圆等，移动、旋转、镜像等，布尔操作等 Model：生成实体，对实体进行操作，生成电极等。 Boundary：各种边界条件定义等 Solve：选择求解器，设定求解参数、时间步长等。 View：各种视图选项和设定，光栅网格等。 Tools：动画、脚本工具，场量探针，各种工具条的显示与关闭，键盘、后处理的打开和关闭操作等。 Window：窗口操作等。 Help：多个帮助文件，对应相关操作的日志文件等。 2） 边界条件：切线场（默认），接地，奇对称，偶对称等边界条件的设定 3） 脚本，运行或记录脚本，VBS 格式的文件 4） 直线、圆弧网格剖分分段设定工具 2 3 5） 模型视图旋转调节 6） 模型视图角度调节 7） 对构造线和实体的移动、复制、旋转、径向等操作 8） 项目操作窗口 Object：对文件中的元件，电极等设定操作 Material：定义，编辑材料库 Electrode：对电极定义，激励为直流交流，任意波形，和浮置电极等。 Problem：求解问题列表 Field：显示求解后的各种场量，生成动画等 View：各种视图参数 9） 选取工具，选择构造线，构造面，实体线，实体面，实体等。 10）生成实体工具，拉伸，旋转，多段扫描等方式生成 3D 实体。 11）画线、圆弧、圆等构造线的工具。 12）模型及结果显示窗口 13）键盘输入坐标窗口。 14）后处理窗口，显示求解模型的储能、受力、电荷、电压等数值。 15）操作状态提示和探测点场值显示。 16）鼠标坐标及模型单位提示。 另外，后处理窗口，键盘输入窗口等可以通过 Tools－>Post Processing Bar 打开和关闭。 2. 变压器套管问题介绍 变压器电容性套管经常用于增强变压器内部的电场分布。它们用来将高电压的导体的电压逐步降低。在这个 例子中，9 片不同长度的箔片（foils)放置于环氧树脂合成纸(ERIP)内的特定位置，用来减小最大的电场强 度。采用 ElecNet 的２Ｄ静电场仿真方，并利用 ElecNet 的浮置电极（Floating electrode)功能，对置于油 绝缘变压器内的电容性套管进行静电场分析。变压器套管模型的几何为轴对称,因此采用 2D 静态求解。 在合成纸内每一箔片都设定为浮置电极（电荷为零，未知电势的导体）。浮置电极或给定电压电极可以适用 到物体上，例如高电压电极，或适用到一个表面，例如某一个箔片。如果这些箔片电极用来组成一个物体， 所用的网格量非常大。因此，适用在箔片表面，所用网格量会少很多，网格的剖分过程会快很多。 ERIP 的相对电容率 = 4 Oil Material 的相对电容率 = 2 4 3. 定义新材料 ElecNet 自带多种材料。如果需要输入新的材料，可以在 Material 页面下右键点击 UserDefinedMaterials， 选择 New User Material，然后根据向导，设定电，磁，损耗，热等特性。特性基于温度，可以输入多个数据 或多条曲线。 根据向导，可以设定套管提供的环氧树脂合成纸 ERIP Material 和油材料 Oil Material。 模型中所用到的材料会单独显示在 ModelMaterials 中。如果模型中的新材料是在别的计算机上建立，在 本计算机上打开模型时，该材料会以 Ø 标出。鼠标左键点中该材料，直接拖到 UserDefinedMaterials 中成为自 己的材料库中的成员。如果模型中的某材料和已有材料的参数不一致，会以≠标出，此时在 ModelMaterials 中右键点击该材料，选择 Update Model Material，即可以把 ModelMaterials 中的相应材料属性更新为 UserDefinedMaterials 中的同名材料。 5 模型自带的材料特性是不能更改的。但是在生成新材料时，可以选中某已有材料，拷贝所有的特性到新 材料中。 材料库列出了所有可以应用到模型中的材料。当用户在某个部件中使用某一个材料时，该材料的备份会 保存在部件中，使得部件的描述更完整。因此，将单独一个部件的文件发送给相关同事时，不需要将整个材 料库发送给对方。 6 4 建模 Step 1，画构造线 变压器套管模型为轴对称，即在 ElecNet 中的仅建立以套管中心轴为旋转轴的有一定角度的部分模型。旋 转角度也可以为零度。轴对称模型，采用 2D 求解器即可。 启动 ElecNet，在 Object 下点中文件名（即项目名），右键属性，在 Units 页面下，设定单位为毫米，毫 秒，赫兹，摄氏度。保存文件，例如保存为 bushing_step1.en。*.en 为 ElecNet 可以识别的文件后缀，此文件 可以在 MagNet 和 ThermNet 中打开，即模型在 Infolytica 系列软件中是通用的。 在 View 页面下可以设定曲线的显示方式，如果显存配置比较高，可以设置小的度数，而不影响视图模型 的刷新速度。例如，可以设定一度为一段显示。 在右侧建模窗口中画构造线，构造线是画在构造面上（Construction Slice），默认的构造面是 XY 平面， 它是可以移动到任意位置或任意平面上。根据 B 模型的尺寸，应用线和圆弧工具，画出如图所示的构造线。 7 实际坐标是通过键盘输入窗口（Keyboard Input Bar）输入的，或在窗口中用鼠标输入。Keyboard Input Bar 在 Tools 下可以打开。如画一条从（3，0）到（7，8）的线段，先点击 add Line，再在 Keyboard Input Bar 里面输 入起点（3，0），回车，再输入（7，8），回车，即得到该线段。如果连续如此输入，则得到首尾连接的多条 线段。 可以在 View 菜单下打开或关闭光栅（Construction Grid）。通过 Set Construction Grid 可以设定光栅尺寸。 在 Draw 菜单下，可以设定 Snap Modes。 构造线也可以以 dxf 格式从外部导入，通过 File 菜单中的 Import 实现。导入前先要对模型设定相应的单 位。然后再经过拉伸、旋转等生成 3D 实体。 Step 2，生成实体 采用其他CAD软件建立的2D/3D模型可以方便地与ElecNet接口。可导入/导出的文件类型包括：AutoCAD, SAT, CATIA, PRO/E, IGES, STEP, INVENTOR 等。 模型也可以直接在 ElecNet 里面建立。基于 Raster Graphics 技术，通过画线，圆弧，圆或它们的组合，生 成封闭区域，再对这个封闭区域做拉伸，旋转等来生成实体。2D 作图是在 Construction Slice 上完成的，默认 的 Construction Slice 是 XY 平面。当然这个 Construction Slice 可以移动到 3D 空间的任何地方，再作图和生成 实体。 8 用“Select Construction Slice Surfaces”选择线圈构造线所圈起的区域（可以按 ctrl 键，选择一系列小面构 成如图矩形区域），生成名为 ERIP 部件。弹出对话框，设定参数，如拉伸角度，旋转中心，旋转轴方向，选 择材料，定义实体的名字等。 用同样的可以生成 Copper, Oil, bushing 1 到 bushing 10，材料分别为 Copper, Oil Material, ERIP material。 注意，Infolytica 的软件产品具有隐性布尔操作的功能。在这个例子中，ERIP 和 Oil 又重叠部分，在这种 情况下，在 Object 树结构排在较下位置的部件的优先级高，即重叠部分为 Oil。这个位置顺序可以调整，用鼠 标直接拖动即可。当一个部件完全在另一个部件之内时，不管在 object 树的位置如何，被包含的小部件具有 高优先级。如下图。另外，在本例中，套管内金属箔片的结构为非常薄，这种结构会占用大量的网格，ElecNet 中的浮置电极功能可以设在部件的面上，因此我们建造 bushing 1 到 bushing 10，材料也为 ERIP material，在 这些部件的表面设定为浮置电极，来对金属箔片进行仿真，这样不需对箔片进行剖分。 9 删除所有的构造线，完整的模型如下图。 10 5. 定义电极 Step 3，生成电极（Electrode） 为了对部件或部件的表面设置电压，需要将部件或部件的表面设置为电极。电极内部不需要剖分。电势 可以定义在电极上，或者导电部件或面可以定义为浮置电极（初始电势未知）。先选择 Copper 部件，点击 Model 菜单中的 Make Electrode，生成电极 Electrode ＃1。然后，选中 Bushing #10 的 Face#4，点击 Model 菜单中 的 Make Electrode，生成电极 Electrode #2。依次选中 bushing #9 到 Bushing #1 的 Face#4，按照上述方法，生 成电极 Electrode #3 到 Electrode #11。 接下来在 Electrode 页面下设定电极的属性，如电压，电压波形，或浮置电极。 11 6. 设定边界条件和网格参数 Step 4 边界条件和网格设定 边界条件定义了在边界和未求解区域的场分布情况。默认的一元边界条件是电力线平行于边界。对于部 分建模的设备，则要定义二元边界条件：奇对称（Odd Periodic Boundary）或偶对称（Even Periodic Boundary） 边界条件。 本模型的 Oil 的 face#4 为接地边界条件。操作步骤为，选中这个面，在菜单 Boundary 中点选 Ground 即 可。除了 Oil, Face#4 之外都是电力线平行于边界面，因此是默认的边界条件，可以不显示设定。 为提高求解精度和速度，对不同的实体和表面，可以设定不同的网格大小。另外还可以设定直线，圆弧 分段来控制网格数，或者设定曲率大小来控制网格数。 除了设定网格大小外，在网格求解阶次上，不同元件也可以不同，如这个例子中，在 Top Level 里设为 3 阶求解。 点击 object 页面内的模型名称，右键属性，在 Solve 页面中设定求解阶次（Polynomial order）为 3 阶。 Mesh 页面中为 27.5mm。 对各个部件，设置不同的网格大小。选中 ERIP，右键属性，在 Mesh 页面中设 Maximum element size 为 10mm。 Oil 为 20mm, 其他的为 27.5mm。其他的部件则为在 Top level 中设定的 27.5mm。 12 7. 求解 Step 5 求解设定 在 Solve 菜单下设定求解参数（Set Solver Options…）。 在 Set Adaption Options 的对话框中，设定 H-Adaption。 对不同问题，选择合适的求解器。如 2D 或 3D、静态或动态。 13 本模型选择 Static 2D 来求解。 求解过程，进度显示如下。求解时间仅为几秒钟，内存使用小于 70Mb。 14 8. 后处理 Step 5 后处理操作 求解完成后，在 Tools 菜单下打开 Post Processing Bar，显示储能，电场力，电荷，电压等结果。如在 Bushing 10（Electrode#2）的电压为 352081.8494656V。 在项目操作窗口（object bar）中的 Field 页面中，列有许多求解后可以通过等势线图，云图，矢量图量显示出 的场量。下面左图所示为 V 的等势线和云图。 下面为|E|的云图。左侧为直接生成的图。右侧为改变了场图属性中的最大值，以便更清楚观察电势分布趋势。 15 改变场图显示，可以通过改变项目操作窗口（object bar）的 View 页面中的 Shaded Plot 的属性来实现，参见 下图： 所显示的场量数据可以通过“Probe Field”系列工具来提取。另外，可以通过 Tools 菜单下的 Field Sampler 工 具，来获得任意点、线、面上的各种数据。比如本模型要求线段（从坐标（40, 1400, 0）到（149.4, 1400, 0）） 上的电压 V。可以通过 Field Sampler 实现。如下图所示。 16 17 9. 瞬态电场仿真附加说明 Step 6 模型参见 Bushing_step6_transient.en ElecNet 不但可以求解静态，电流，时间-谐振电场问题，而且还可以求解复杂的瞬态电场问题，如极性翻转 仿真。瞬态场求解的模型中的材料都必须有电阻率，因此我们将上述模型的材料 Oil 和 ERIP 添加一个大的电 阻率，比如 conductivity=1e+14 Simens/m；然后将 Electrode#1 的 ACDC 电压 400000V，改为波形表示。如下 图，用 PWL 波形定义电压由 400000V 在一分钟内变为-400000V： 在 Solve->Transient Options…中设定起始时间，结束时间和时间步长，如下图： 求解完毕后，观察|E|的云图和矢量图。在 object bar 中的 View，调整 arrow plot 的属性，可以得到下面的效果 的矢量图。 18 瞬态求解的场可以生成动画。在 Object bar 中 Field 页面内，点击 Animate 按钮，如图： 19 20 生成的动画，可以通过 File->Export…输出成为.avi 格式保存。参见 Transient_E.avi 文件。