[发明专利]基于粒子群优化的变压器铁心截面设计方法

说明书

技术领域

本发明属于变压器加工领域。

背景技术

变压器是电力系统中的重要设备，其设计质量直接关系到电力系统运行的可靠性与效益。虽然近年来中国变压器企业在技术和科技创新方面取得了较好的成效，但对设计和优化等要求却越来越高。降低变压器的损耗和成本，也是贯彻我国节能减排政策的重要举措。

电力变压器设计中很重要的一个环节就是铁心截面的设计，变压器铁心截面的大小决定了变压器的磁导通能力和磁通损耗的多少。根据电磁理论可知：保持线圈匝数不变，增加铁心截面积可以降低铁心中的磁通密度，减少空载损耗；当选定的磁通密一定时，增加铁心截面积，可以使线圈匝数减少，节省铜材，降低负载损耗。但简单地增大铁心直径提高铁心截面积又会使成本上升，造成大量浪费。因此，在铁心直径保持不变的情况下如何提高其有效截面积，具有十分显著的实际意义，这样既可节省材料，缩小体积，同时可以降低损耗，降低铁心的饱和度，改善供电质量。

变压器的铁心套用在变压器内圆形的线圈中，为了充分的利用圆形线圈内的空间且考虑制作工艺的合理性，将变压器的铁心截面通常设置成多个大小不等的硅钢片所组成的小矩形叠加起来，使硅钢片尽量充满线圈的圆形空间中。因此，对变压器铁心截面优化设计的一般思路为：首先根据给定的铁心规格，采用适当方法确定硅钢片级数及每级叠厚度，最后得到计算方案作为变压器铁心制造的依据。关于级数与各级叠厚度的确定，可以根据变压器铁心直径与级数对应关系确定。另一方面，粒子群优化算法是一种新型现代智能优化算法，具有计算速度快、收敛性能好等优点，其可直接对实数进行编码，因此非常适合解决变压器铁心截面各级叠厚优化问题。本发明基于变压器铁心直径与级数对应关系和粒子群优化算法对铁心截面进行优化设计，最终实现变压器铁心截面问题的高效快速优化求解。由于采用收敛速度快的粒子群优化算法，并融合了变压器铁心直径与级数对应关系，使得本方法可以快速求得优化方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于粒子群优化的变压器铁心截面设计方法，该方法融合了变压器铁心直径与铁心级数对应关系与粒子群优化算法，首先对变压器铁心级数进行求解，由实际需要确定铁心的规格，根据变压器铁心直径与级数对应关系确定铁心级数；然后基于铁心直径、级数与截面面积三者间的数学模型，应用粒子群优化算法对每级叠厚度进行优化求解，其中以各级叠厚度作为粒子编码，引入惩罚函数来处理处理约束条件，通过粒子群迭代计算最终求得最优方案。该方法可以使得电力变压器铁心截面在构造设计更为优化合理，使其利用率更高、制造成本更低、减少能量损耗、实用性更强。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：基于粒子群优化的变压器铁心截面设计方法，包括以下步骤：

基于粒子群优化的变压器铁心截面优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据变压器铁心直径与铁心级数对应关系确定铁心级数，所述铁心级数关系式如下：

当D∈(a₁，a₂)可得N＝n₁；

当D∈(a₂，a₃)可得N＝n₂；

当D∈(a₃，a₄)可得N＝n₃；

当D∈(a_i，a_i+1)可得N＝n_i；

所述铁心级数关系式中：

D---输入铁心直径；

a_i---铁心直径取值范围的临界值；

N---输出铁心级数；

n_i---铁心级数数值；

步骤2：根据铁心截面积与硅钢片叠厚度的函数关系式建立变压器铁心截面的数学模型；

所述铁心截面积与硅钢片叠厚度的函数关系式如下：

所述铁心截面积与硅钢片叠厚度的函数关系式的约束条件如下：

t_i＞0；

所述铁心截面积与硅钢片叠厚度的函数关系式和所述铁心截面积与硅钢片叠厚度的函数关系式的约束条件中：

D---铁心截面直径；

d_i---前i层硅钢片的叠积厚度；

b_i---第i层硅钢片的宽度；

t_i---第i层硅钢片厚度；

S---铁心截面积；