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マルチフィジックスシミュレーションによる計器用変圧器とセンサーの最適化

システム障害から電力網を保護および維持するために, ABB はマルチフィジックスシミュレーションを使用して, 非常に高速な過渡過電圧に耐えることができる計器用変圧器と水中の地下ボールトアプリケーション用のスプリットコアセンサーを設計します.


Brianne Christopher著
2019年12月

停電は数時間, 数日, 数週間, 場合によっては数か月続くことがあります. 停電がどれほど長く続いたとしても, それは苛立たしく不愉快な経験です. 停電は, 極度の暑さや寒さの中で発生すると, 危険な場合さえあります. 送電網の安定性, 保護, および財政的実行可能性を確保するために, ABB はマルチフィジックスシミュレーションとアプリケーションを使用して, 最適化された電気設計, 特に計器用変圧器とセンサーを開発します.

計器用変圧器による電力グリッド保護の確保

計器用変圧器 (IT) とは, 安全性と使いやすさを最大化するために, 高電圧と高電流を分離, 変換, または低減する特殊な高精度変圧器です. ITの用途には, 電力システムの計測, 監視, 保護, および制御が含まれます. ITは, 高電圧または高電流の回路に接続されている1次巻線と, 低電圧または低電流の2次回路に接続されているメーターまたはリレーで構成されています.

ABBでは, 現在のセンサー設計(図1)はロゴスキーコイルの原理に基づいています. ロゴスキーコイルは, 非磁性コアを備えた均一に巻かれたコイルで構成され, 出力電圧は一次電流の微分に比例します. 中電圧シナリオで電圧を測定するセンサーは, 抵抗分圧器を使用します. 一方, 容量分圧器は, 電圧の測定と表示に使用されます.

ロゴスキーコイル原理を使用するセンサーの例.

ITとセンサー(IT&S)業界は, ここ数年で重要な発展を遂げています. 従来のITは標準テクノロジーに基づいており, 100年以上前から使用されており, 主にメーターやリレーで使用されています. これらは強磁性回路で構成され, 1~5アンペア(120~240ボルト)の出力で, 1次コイルから2次コイルに電力を送電できます.

インテリジェント電子デバイス(IED)はより高度な技術を使用しており, 過去20年間しか使用されていません. 強磁性材料の代わりに, これらの変圧器はソリッドステート部品で構成されています. これらは一次コイルから二次コイルに電力を送電することができないので, 低エネルギー出力を持っています. これにより, 空気およびガス絶縁環境, ラインポスト, ライン取り付け変圧器など, 多くの屋内および屋外アプリケーションに役立ちます.

AED のR&DエンジニアであるNirmal Paudel氏は, 「IEDはより安全で用途が広く, 幅広い入力信号に対して線形応答を示します」と語り, 「今日の電子機器および当社の使用レベルと互換性があります」と付け加えました.

IT&Sシミュレーションと設計に関する複数の考慮事項

ITを設計するときは, マルチフィジックスを考慮する必要があります. 実際, Paudel氏はこの機能を「重要」と呼んでいます. もちろん, 設計を成功させるには, 抵抗加熱と誘導加熱, 誘導結合と容量結合, 磁気飽和, および磁歪が必要です. ただし, 流体の流れ, 対流冷却, 熱膨張, 外部負荷と回路, 騒音と振動, 表皮効果などの現象も考慮する必要があります(図2).

複数の物理現象が計器用変圧器の設計に影響を与えています.

幅広い物理的影響を考慮するために, ABB は COMSOL Multiphysics® ソフトウェアを使用しています. 1つの例は, エポキシ鋳造のボイドによって引き起こされるITの電場のシミュレーションと, 基本インパルスレベル(BIL)のシミュレーションです. これらの結果により, 研究者はデバイスの保護において絶縁層と誘電体材料がいかに効果的であるかを知ることができます.

このソフトウェアは, 熱分析の実行にも使用されます. ライン-ライン電圧変圧器では, シミュレーションを使用して, 一次コイル巻線と二次コイル巻線の両方のコア損失と抵抗損失を計算します. 熱モデリングが使用されるもう1つの例は, ITの外部境界の熱流束とベースプレートの固定温度境界を計算する時です. これらの結果は, 設計における温度の上昇と損失を示し, エポキシの熱硬化プロセスとモールドフローを垣間見させてくれます.

3つ目の例は, 構造解析です. ABB チームは, ITのストレスレベルを計算して, ジオメトリを最適化します(図3). また, デバイスや部品の応力変位レベルを調べて, テスト用のプロトタイプを3D印刷する前に, あるいはより本格的な量産前に, それらを最適化します. モデリングは, デバイスのパフォーマンスを事前に確認するだけでなく, 構造の完全性を判断するのにも役立ちます.

ITのジオメトリを最適化するために, 構造シミュレーションが使用されています.

非常に速い過渡現象のための非常に速い結果

非常に高速な過渡(VFT)現象は, 真空回路ブレーカーなどのスイッチングを含む電力グリッドデバイスにおいて考慮すべき重要な要素です. スイッチングによってVFTが発生すると, 絶縁システムに応力がかかり, 変圧器の1次巻線に内部共振が発生する可能性があります. 過渡的な過電圧の分布が非常に非線形になると, 内部障害が発生します. 風力発電などの再生可能エネルギー源の近くは, 新しいグリッドの生成,負荷, ライン特性, およびスイッチングの増加により, VFT過電圧(VFTO)の発生率が高くなります. VFTOの急勾配(つまり, 過電圧が分散される速度)は最大 3MV/マイクロ秒で, 雷よりも急勾配です. (急勾配は, 断熱システムに大きさと同様に損傷を与えることに注意してください.)

IT&Sに対する一般的な設計アプローチでは, VFTOに耐えるのに十分な結果は得られません. これは, これらの設計には巻線の高周波電圧分布の広範なモデリングが必要であり, これまでソフトウェアモデルが存在しなかったためです. ABB は, RapperswilにあるHochschule für Technik (応用科学大学)と共同でこの動作をモデル化し, ITの電圧分布を順番に理解するためのツールを作成しました. 結果は, VFTOの悪影響に抵抗できる新しい設計方法と新しいドライタイプの断熱材でした.

地下スイッチング用の分割コア電流トランスの設計

スプリットコア設計は, 中断することなく電力グリッドのメンテナンスを可能にするため, .変圧器にとって重要な機能です. ABB は分割コア変流器(センサー)の設計に着手しました. これは, 他のデバイスによって切り替えが行われ、切り替えの必要性がセンサーからの信号に基づいてIEDによって評価されている間, 高精度の電流測定を行なってくれます. センサーは防水性であり潜水可能なため, 地下で使用できます. (特に都市部では, 地下の送電線は強風や悪天候の影響を受けにくいため, 業界標準になりつつあります.) このスプリットコアセンサーには, 形状, サイズ, 重量, および巻線の巻き数, コアの形状, コアのサイズなど, 独自の設計上の課題があります (図4).さらに, デバイスの構成によっては, 電流クロストークのリスクがあります. 最後に,センサーは製造と使用のためにテストする前に, 業界標準に準拠する必要があります. 「全ての種類のIEEEおよびIEC規格を, テストラボの前に満たす必要があります」とPaudel氏は言います.

スプリットコア電流変圧器モデルの回路図.

ABB チームは, プロトタイピングの前にスプリットコア電流センサー設計を最適化するために, もう一度ソフトウェアを使用しました. Paudel氏はこれを長い間使用しており, それは「使いやすく, および複数の物理演算に対して同じインターフェースを備えており, 他のフィジックスと簡単に連成できる」ことを評価しています. COMSOL ソフトウェアには, 「マクスウェル・アンペールの法則」を実装するための組み込み設定と, 周波数領域の磁場を解くためのインターフェースが含まれています(図5). ジオメトリ対称性を使用することで, ABB チームはコイルの4分の1をモデル化するだけで済み, 時間, 労力, および計算リソースを節約できます. 特別なコイルモデリング機能により, チームは一次コイルを固体導体として, 二次コイルを均質化マルチターンコイルとして設定できます. 境界条件は, 完全な磁性導体として, 磁場と表面電流密度の接線成分がゼロである領域を表し, 外部境界は磁性絶縁体に設定されます. ソルバー機能により, チームは, 単線と均質化された導体, および単線とワイヤーの設定を簡単に調整できます.

スプリットコア変圧器の磁束と電流密度.

迅速な計算を可能にするシミュレーションアプリケーション

IT&S設計の時間のかかる側面の1つは, 非線形磁気B-H曲線(DC磁化)と同等のAC実効H-B曲線間の変換です. ABB は, アプリケーションライブラリのサンプルアプリケーションを使用して, これらの計算を実行しました. アプリケーションで有効なH-B曲線を見つけた後, その値を使用してスプリットコア電流センサーの磁気コアをモデル化しました. 彼らは, 磁束密度の減少のために, 透磁率がコア全体にわたってほぼ線形であることを発見しました. これらの結果に基づいて, チームは均一な異方性導電率と透磁率を使用する必要があると結論付けました.

シミュレーションの磁束と電流密度の結果を見ると, ABB チームは, 設計の磁束レベルが非常に小さいことを発見しました. これは, 中電圧の使用例に理想的でした.さらに, グループは興味深いことに気づきました. 通常, 2次コイルの巻数を増やすと,開回路電圧も増加します(研究の1つと同様に, 130 Vから196 Vへ). ただし, コイルに負荷が接続されている場合, 電圧は常に上昇するわけではなく, 低下する場合もあります.

ABBがこのプロジェクトのために完了した最後の分析の1つは, スプリットコア電流変圧器設計の様々な構成の3相クロストークを調査することでした. 彼らは, 2次コイルが変圧器のエアギャップの近くに配置されているか, 離れているかに応じて, クロストークが異なることを発見しました.

最終製品: 最適化された設計と強化された開発プロセス

ABB の最後の設計反復である水中スプリットコアセンサーは, IEEEおよびIECによって設定された基準を満たしました (図6). 将来の計画について尋ねられたとき, Paudel氏は彼のチームがVFTOおよび変圧器の分析を進めるためのツールの開発に取り組んでおり, 分析プロセスのタイムラインを数週間から数日に短縮していると述べています. このツールは主に MATLAB® を使用しますが, LiveLink™ for MATLAB®を介して COMSOL® ソフトウェアとの統合を提供する場合があります. この新しいツールについての計画は, ABBが彼らのワークフローとプロセスを最適化することに専念していることを示しています. 彼らは, 電力網へのアクセスを向上させるデバイスを最適化するために全力を尽くしています. パウデル氏が言うように, ITやスプリットコア電流センサーなどのデバイスが全ての条件で生き残ることができることは, 「全ての人にメリットを与えます.」

A photograph of the four ABB team members. The ABB team
The ABB チーム, 左から右へ: Vivek Siddharth, Steve Shaw, David Raschka, Nirmal Paudel.




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