外文文献译文

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1、本科毕业设计（论文）外文参考文献译文及原文学院自动化学院专 业电气工程及其自动化（电力系统自动化方向）年级班别2011级3班学 号学生姓名指导教师2015年3月10日通过对磁场的分析改进超高压变电站扩展连接器的设 计Joan Hernandez-Guiterasa, Jordi-Roger Ribaa, , LuisRomerala UniversitatPolitecnica de Catalunya, Electrical Engineering Department, 08222 Terrassa, Spainb UniversitatPolitecnica de Catalunya,

2、Electronic Engineering Department, 08222 Terrassa, Spain摘要：在世界上很多的国家，电力需求的增长比输电容量的发展更快。由于环境的限制、 社会的担忧以及经济上的投入，建设新的输电线路是一项严峻的挑战。除此以外， 输电网经常要承担接近额定容量的负载。因此，提高输电系统的效率和可靠性受 到了关注。这项研究主要针对一个400KV, 3000A, 50Hz的超高压变电站扩展连 接器，用于连接两个母线直径均为150mm的变电站。该变电站连接器是一个四线 制的铝导线，为母线之间的相互电能传输提供了路径。前期的初步试验显示：电 流在输电线路中的不平衡分布

3、，主要是受到了距离的影响。应用一个三维的有限 元素法，可以改进设计，以及对改进前后两个版本的连接器的电磁性能和热性能 进行评估比较。这份报告中将提出：在实验室条件下的检验已经验证了仿真方法 的准确性。这也许将会是促进变电站连接器设计进程的一个很有价值的工具。因 此，将不仅仅提高其热性能，还将提高其可靠性。关键词：变电站连接器、超高压、电力传输系统、有限单元法、数值 模拟、临近效应、热学分析1.引入全球能源需求的频繁增长，连同分散的和可再生能源份额的增长促进超高压 和特高压电力传输系统1的建设和研究。除此以外，这些传输系统将减小最大限 度地减少功率传输的损耗，同时在最小的经济损失2提高最大负载量

4、。尽管用于变电站连接器的资金是整个变电站投入中非常小的一部分，但他们 却是当中最薄弱的环节。因此，失去连接器会导致电力系统的故障，更进一步则 会带来维修的费用3，重大的经济损失和严重的社会影响。不过，在技术文献4 (technical literature)中只能找到很少关于在不利条件下连接器状态的研究。在 最近几年，螺栓型连接器成为使用最普遍的型号，其装配和拆卸相比压缩式连接 器更加轻松。变电站连接器是有一组特殊的螺栓式连接器组成的。连接器的电阻， 通常携带着很大的电流，为了达到NEMA CC15和ANSI C119.46所制定的电学 和热学标准3，这是一项很关键的参数。众所周知，由单导体产

5、生的交流磁场中得电磁效应与多导体7中所产生的是 不同的。例如，在一个三导体平面配置中，外导体比中央导体7携带更多地电流， 因此产生横多的交流功率损耗。此外，总的交流损耗随着与导体之间距离的减少 而增加。单导体与多导体配置的不同，主要是由于涡流效应、集肤效应和临近效 应8。在交流电流中，电流在导体截面分布不均匀主要由于趋肤效应。在周边环 境中，有其他承载电流的导体，它们产生的磁场扭曲了原本的总磁场分布。因此， 会导致一个不均匀的磁场分布，通常被归结为临近的导体9磁场产生的影响而被我们认为是邻近效应。因此，所得到的磁场分布是导体 之间不同的邻近效应的共同影响的结果。这些因素会进一步影响感应涡流，功

6、率 损耗和热损耗，所以在设计变电站连接器时必须考虑这些因素。邻近效应在不同 领域中都有重要应用，包括三相大电流母线8，变压器的绕组、旋转电机9以及 国产的感应系统10。对于电机，由交流磁场中的涡流产生的邻近功率损耗随着 力量和速度的增加11变得更为重要。对于平行导体，邻近效应可以促进不平衡电流在不同的平行路径中的分布。 这个不对称的电流通常通过导线换位12将其减至最小。如果这个不对称电流无 法被抵消，设备的总体性能会受到很大的影响：自身的功率损耗会增加，热量散 失也会产生。功率损耗可以分为焦耳损耗（由RMS或均方根电流弓【起的损耗）；集肤效应 损耗（可以理解为集肤效应导致焦耳损耗的增量部分）；

7、以及邻近损耗（由导线 在外部磁场13中产生的涡流弓起）。扩展变电站的连接器使用四分裂的铝导线来连接两个变电站的母线。这些导 线唯母线提供了可导通的路径。因此，为了优化它们的热性质，最大的可挖掘潜 力在于优化连接器的几何形状，即对于导线几何定位的选择。三维有限元（FEM）是对复杂问题14进行模拟仿真时的有效工具。因此， 当一个变电站连接器处于多线而且复杂的的情况下，三维有限元法是一个有用的 工具，它可以用来计算由于邻近效应和趋肤效应12所导致的分配不均匀的电流 并优化其性能。在一个有限热元模型中，可以对这种热冲击的影响进行详细的分 析。为此，耦合的磁涡流和热模型是模拟地下电力电缆15的。如之前所

8、述，磁 现象的综合知识对于变电站的优化设计是非常重要的。因此，在设计阶段和详细 的有限元分析软件的协助下，可以对变电站连接器性能进行准确地预测和纠正， 同时可以应用于改进其几何形状。因此，这项工作的目的是开发一个基于三维有 限元的方法来改进超高压变电所的多线连接器的设计。改进设计是基于确保通过 不同的导线连接器的电流分布均衡，在保证适当的热传输表面的同时产生分布更 均匀的磁场。通过这种方式，连接器的热性能，寿命以及可靠性均会增强。排除 变电连接器的可靠性在输电系统起到的主导作用，几乎没有任何发表的技术研究 分析在额定电流下地磁场分布和热性质。因此，这项研究对填补这一空白做出了 贡献。本文的组织

9、如下。第2节对变电站连接器的几何结构进行分析，而第3节详 细介绍了磁的和热的三维有限元模型在这样研究中的应用。第4节和第5节，分 别通过仿真和实验测试验证了所提出方法的适用性。最后在第6节得出了结论。2. 变电站连接器的结构这项工作涉及一个3000安，400千伏（相间）扩展变电站连接器。型号为ssxh15 变电站连接器是由铝合金铸造而硬件是不锈钢制成。研究分析这种连接器应用于 交流系统下连接两个变电站直径15 0毫米的铝导线母线。铝母线之间的导电路径 是由四股铝导线装置提供的。图1显示其主要尺寸和原始连接器的3D视图。一旦 制成，在实验室条件下实现了初步的工厂试验表明电流在四股铝导线中分布不均

10、 匀。这种邻近效应主要受到附近导体的磁场的影响。由于这种分布不均匀的电流 通过四股导线，不平衡功率的损失及通过温升试验的困难，都可以被预料到。因 此，得出的结论是必须要得到一个纠正改进的措施。最后还是决定保持相同结构 的连接器，以减少改进连接器的才目关成本。Fij. 1. Hiiee-dimensioiMl plot of che m通 mI version of the S5XH15 substation awuienor. ft? main i imenjHHns are length i-66D mm. width W - 340 mm. acid heighrH-4肺 mm本文比较了原

11、始设计(V0)和改进的版本(V1)的电磁和热性质。这是特别设计 和制造，以确保通过连接器不同导线的的电流分布更均衡和提高热性能。这两个 版本如图2所示。原始版本的变电站连接器(V0)有四根相同长度的导线，以达到相同的电阻 值。重新设计的版本的连接器(V1)具有不同长度的导线，这是通过交叉减少 几何不对称性。值得注意的是，在对两个连接器版本分析中指出，线1和2分别是 和线4和3对称。3. 有限元模型有限元法由于其高精度，已广泛应用于在设计阶段18模拟真实设备16,17 的性能，是一种公认的工具。在这一节中，这些数学方程对在电磁场和有限热元 的仿真实验进行了描述。3.1电磁模型众所周知，为了解决计

12、算电力和磁领域的问题需要麦斯威尔方程。当考虑到 电荷连续性方程，四个方程麦斯威尔中的两个都必须获得一个封闭的方程组。因 此，安培定律(1)、法拉第定律(2)和电荷连续性方程(3)均是采用的是准 静态近似19。卓据=+尊(1)早A -尊(2)l./fQ (VO)Version I (VI)Fig. 2- Three-diimefKionl plar 必 rhf andilyzed MihNMIw Crimean&本了=-警 H是磁场强度单位是Am-1，J是电流密度单位是Am-2, D是电动位移单位是C m-2, T为时间的单位是s，E是电场强度单位是Vm-1，B是T时间内的磁通量密度，Pe是 自

13、由电荷密度单位是Cm-3，、是卷曲运算符，顼是散度算子。由于这项工作在工频电源，准静态近似可以应用而不损失一般性。这种近似 域下，如果他们被视为传播的瞬时位移电流(电位移的时间导数)是不符合安培 定律的。为了降低计算问题的负担，信号要考虑时间谐波的影响。因此问题作为 频域中的固定的解决方案，可以得到简化。此外，描述介质的宏观性质的本构关 系可以应用到下列式子中:J? = W 有（4）D =尚导至（5）成是自由空间磁导率单位是NA-2,七是材料相对磁导率，60是自由空间的介 电常数单位是Fm-1, q是材料的相对介电常数。计算磁场强度B,电场强度E和电流密度J（Am-2）在考察域中所有的点， 本

14、构关系（4）和（5）是解决方程组-（3）的方法。该解决方案可获得电阻的功 率损耗密度Qgen（Wm-3）在解析域中的每一点，= M（6）方程（6）是用于计算电流流过变电站产生的温度变化。3.2热模型变电站连接器的热性质是保证其预期寿命和提高可靠性的关键。可以通过三 维有限元模拟的方法计算出负载情况下连接器的温度变化。在这种情况下，热模 拟允许在一个可重复的和经济的方式下测试和分析变电站连接器。然而，这个方 法的有效性必须通过应用到一个全面的子站连接器才能得以验证。存储在一个小单元的热能量变化率20 - 22必须等于该进行了能量变化的元 素的齐率加上已被分析的元素当中产生的热量聚集的速率，- +

15、Qor那里所提到的热生成率，是从电磁仿真实验中得到的，是被命名的（6）。 此外p是材料的密度单位是kgm-3，cp是恒定压力下的比热容单位为kg-1K-1，T是 温度单位是K, q是热通量单位是Wm2.傅里叶热传导定律23指出，热通量q （Wm-2）等于热传导系数K （Wm-iK-i） 和负温度梯度，方程（8）指出热传递正在往温度降低的方向进行。此外，根据牛顿冷却定律24，物体的热损失率是与其自身的温度和周围的 环境（对流介质）之间的差值成正比。g = fiT（t） - 71（知H是传热系数单位是Wm2K-1，注意到牛顿冷却定律是解决傅里叶热传导定律 的方法。由于变电站母线是圆柱形的，传热系数是通过应用希尔佩特的对流形式 获得的，气瓶详细的内容在25。大气压是300 K，对流速度为2.5 cm s-1。因此，首先方程组（1）-（6）是通过在全分析域中使用有限元程序的电磁模块 得到解决的。接着，计算被测连接器热模块的温度变化是通过方程组（7）-（9）。消散的热辐射已经不在26中，由于在较低的温度时运行辐射换热27大大降 低。表1用三维有限元模拟法显示了主要的电，磁和热参数。为了执行计算，三维方箱1米侧是用来模拟周边环境空气。变电连接器被放 置在它的几何中心，如图3所示。模拟实验在总电流的3