110kV及以下的油浸电力变压器CAD优化系统的构建

钱虹凌

（大同大学工学院电气工程系，山西 大同 037003）

引言

传统电力变压器辅助设计软件［1］的思路一般有两种：应用简单计算工具制作可以替代人工计算的类似设计软件，意义是综合设计和类比设计的简单组合，不具备优化的作用；直接采用优化设计，在一个较小的范围内搜索，不具备手工调整计算的功能。而110kV及其以下的油浸电力变压器CAD设计系统，将综合设计、类比设计和优化设计等功能包含在软件中，使各个设计模块功能独立且联系密切［2］。

1 设计模块

1.1 类比设计

针对当前（特别是数据库中）已经存在的方案进行略微调整和设计。在原有方案上微调整，如铁心直径、铁心叠片系数、线圈型式和绝缘距离等，然后进行性能校核。主要根据变压器型号，将方案导入类比设计输入界面，然后在界面上可以直接修改参数。

1.2 综合设计

变压器的综合设计一般是指用户根据给定的电压等级和绝缘要求，选取铁心直径、电流密度和磁通密度等，然后进行电压校核，阻抗电压校核计算，损耗校核计算及温升校核计算等。计算出的方案若不符合设计要求，可以微调某些参数，重新设计，最终得到合格方案。

基于专家系统提供的启发式的方案确定方法［3－5］，是用户获得基本满足要求的原始方案，可以为后期进行优化设计打下基础［6］。专家系统即为专家知识库和产品设计原则，能为推理并确定产品结构参数提供一定的依据，而最关键的问题是如何以电脑储存的形式来表达所需知识的描述性原则。本CAD系统的设计原则中关于低压线圈型式的考虑如下：

1）低压电压等级为0.4kV时，若容量为10～500kVA，低压绕组采用单、双层圆筒式型式，若容量为800～1 250kVA，则低压绕组采用双螺旋式，若容量为1 600～2 000kVA，低压绕组采用四螺旋式；

2）低压电压等级为3kV时，若容量为630～3 150kVA，低压绕组采用连续式型式，若容量为4 000～8 000kVA，低压绕组采用单半螺旋型式，若容量为10 000～16 000kVA，低压绕组采用单螺旋型式；

3）低压电压等级为6kV时，若容量为630～10 000kVA，低压绕组采用连续式型式，若容量为12 500～16 000kVA，低压绕组采用单半螺旋型式，若容量为20 000～50 000kVA，低压绕组采用单螺旋型式；

4）低压电压等级为10kV时，若容量为630～20 000kVA，低压绕组采用连续式型式，若容量为63 000～80 000kVA，低压绕组采用单螺旋型式，若容量为100 000kVA及以上，低压绕组采用双螺旋式；

5）低压电压等级为35kV时，若容量为800～25 000kVA，低压绕组采用连续式型式，若容量为31 500kVA及以上，低压绕组采用单螺旋型式。

上述根据低压电压等级和容量对低压线圈型式的描述可以用产生式规则集表示为：

规则1：

如果低压电压等级为0.4kV，容量≥10kVA且≤500kVA，则低压线圈为圆筒式；容量≥800kVA且≤1 250kVA，则低压线圈为双螺旋；容量≥1 600kVA≤2 000kVA，则低压线圈为四螺旋。

规则2：

如果低压电压等级为3kV，容量≥630kVA且≤3 150kVA，则低压线圈为连续式；容量≥4 000kVA且≤8 000kVA，则低压线圈为单半螺旋；容量≥10 000kVA且≤16 000kVA，则低压线圈为单螺旋。

规则3：

如果低压电压等级为6kV，容量≥630kVA且≤10 000kVA，则低压线圈为连续式；容量≥12 500kVA且≤16 000kVA，则低压线圈为单半螺旋；容量≥20 000kVA且≤50 000kVA，则低压线圈为单螺旋。

规则4：

如果低压电压等级为10kV，容量≥630kVA且≤20 000kVA，则低压线圈为连续式；容量≥25 000kVA且≤50 000kVA，则低压线圈为单半螺旋；容量≥63 000kVA且≤80 000kVA，则低压线圈为单螺旋；容量≥100 000kVA且≤120 000kVA，则低压线圈为双螺旋。

规则5：

如果低压电压等级为35kV，容量≥800kVA且≤25 000kVA，则低压线圈为连续式；容量≥31 500kVA且≤63 000kVA，则低压线圈为单螺旋。

将这些规则集使用计算机编程语言进行实现，按规则启用的顺序进行排序供推理机使用。如在选取铁心数据时，采用了建立专家知识库的方法，建立铁心规范数据库，可以根据不同的电压等级和容量选取铁心数据，作为设计的参数。

1.3 优化设计

优化设计是在满足设计要求前提下使有成本最低。本系统采用遗传算法优化算法［7］，以铁心直径、低压绕组匝数、线规宽度和厚度等作为优化变量，以电流密度、磁通密度、空载和负载损耗、短路阻抗、绕组温升等作为约束条件来进行优化。

2 设计实例

基于本文构建的软件系统对一台型号为SZ10－8000／35的电力变压器进行了优化设计，结果证明了本软件的合理性。

从表1可以看出，类比设计、综合设计和优化设计的方案都满足空载空载损耗、负载损耗、短路阻抗和绕组对油温升的性能要求。首先从综合设计模块入口进行综合设计，进行铁心的选取、自动排线、自动选线规后，得到一个初始方案，满足各项性能要求；然后将得到的初始方案从类比设计模块入手，进行类比设计，人工调整铁心直径、相间绝缘距离、高压绕组导线线规、低压绕组导线线规及匝数后，设计方案不仅满足性能要求，而且材料的成本降低；再

表1 电力变压器设计结果

将类比设计方案进入优化设计模块，采用改进遗传算法进行优化设计，得到一个较优的设计方案，不仅满足各项性能要求，而且使得材料的成本显著降低。经过综合设计、类比设计和优化设计方式的交叉设计，最终得到合理的优化方案。

3 结语

以综合设计、类比设计、优化设计三种设计方式构建了电力变压器优化设计系统。设计模块分别可以实现不同的功能：综合设计参照传统变压器设计模式，主要增加了基于专家系统推理机制进行方案自动选取功能；类比设计是使用工程数据库，对方案进行微调整；优化设计采用改进的遗传算法，对方案进行自动寻优处理。用户可以从不同的模块进入，交叉设计，实例证明系统的合理性和有效性。

［1］ 杨正堂.基于知识库的电力变压器辅助设计［J］.江苏工学院学报，1988，9（3）：125－130.

［2］ 陈乔夫，李湘生.大型变压器的组合优化设计方法［J］.华中工学院学报，1987，15（6）：139－144.

［3］ J.H.Garrett and A.Jain，“A Knowledge－Based System for Designing Transformers and Inductors”，IEEE Conference Proceedings“The Fourth Conference on Artificial Intelligence Applications”，1988，：96－101，March 14－18.

［4］ Ahmed Rubaai.“Computer Aided instruction of Power Transformer Design in the Undergraduate Power Engineering Class”，IEEE Transactions on Power Systems，1994，9（3）：174－181.

［5］ R.D.Coyne，et al.Balchandran，and J.S.Gero Knowledeg－based design systems［M］.Addison－Wesley publishing company，1990.

［6］ 何平，刘奎亮，刘凤英.电力变压器集成CAD系统数据库组成方法［J］.计算机辅助设计与制造，1995，12：28－32.

［7］ 李辉，韩力，何蓓.应用改进遗传算法的S9型10kV级电力变压器优化设计［J］.变压器，2001，38（5）：24－28.