外文文献译文-参考范例

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 Hernández-Guiteras a, Jordi-Roger Riba a,?, LuísRomeral b

a UniversitatPolitècnica de Catalunya, Electrical Engineering Department, 08222 Terrassa, Spain

b UniversitatPolitècnica de Catalunya, Electroni

c 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，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。

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 CC1[5]和ANSI C119.4[6]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或均方根电流引起的损耗）；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）；以及邻近损耗（由导线在外部磁场[13]中产生的涡流引起）。

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150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相关成本。

本文比较了原始设计(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]。

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，p e是自由电荷密度单位是Cm-3，是卷曲运算符，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：

u0是自由空间磁导率单位是NA-2，u r是材料相对磁导率，E0是自由空间的介电常数单位是Fm-1，E r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，本构关系（4）和（5）是解决方程组(1)-(3)的方法。该解决方案可获得电阻的功率损耗密度Q gen（Wm-3）在解析域中的每一点，

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，

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，c p是恒定压力下的比热容单位是J kg-1K-1，T是温度单位是K，q是热通量单位是Wm-2.

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-1K-1）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。

H是传热系数单位是Wm-2K-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3000安的50赫兹功频电源下进行。因此，被施加了交流电压的连接器两侧需要提供同样的电流流通量。边界条件的处理在六边形外部空气边界施加标量的磁场及零电势。

4.仿真结果

在这一节中，将进行三维有限元的电磁和热模拟实验。两变电站连接器的几何形状，在第2节中进行了详细分析和比较。

为了了解邻近效应对连接器性质的的影响，图4显示了导线1和2周围在YZ对称平面的磁场分布。应该指出的是，由于连接器的对称性，导体4和3中的电流分布分别与1和2相同。

图4a显示：由于邻近效应导致在磁场B绕线1和2的的电流密度分布不均匀，因此这些导线非对称分布。因此，由于在导线1和2附近的磁场分布的不对称性（即与导线4和3分别对称），通过这些导线的电流也必须不均匀地分配。

通过比较图4A和B，结果表明连接器V1比连接器V0提供了一个更对称的磁场分布。因此，通过连接器V1四根导线的电流预计将更加平衡。表2显示通过分析四根导线的几何形状，得到电流的不均匀分布，产生不平衡的磁场。

从表2的结果清楚地表明，该原始设计ssxh15变电站扩展连接器提供了导线1-4之间约38%的更不平衡的电流分布。此外，V1连接器可以更好地平衡电流，因此相对差异低于9%。因此，连接器V1预计将比连接器V0具有更强的热性能。

通过整合（6）在分析体积，总的功率损耗Q（W）在解析域中这样进行计算，

在任何导线的功率损失在很大程度上取决于：沿这根电线整体的电流密度分布，产生的涡流以及导线长度。因此，由于电流密度的不均匀分布，分析连接器时，每根电线将会得到不同的功率损耗。图5显示在分析子站连接器时得到的每一根线的的功率损耗密度。

在图5中显示出：由于连接器复杂的几何形状，沿导线功率损耗密度的分配不平等。表3显示在分析连接器得到的每根导线总功率损失。表3表明一个重要的结果：在连接器V0中导线功率损耗不平衡，而这种影响在连接器V1中大大减少了。这些结果还表明，原来的连接器设计（V0）比连接器V1功率损失稍低一些。这种影响主要是由于在导线横截面积相同的情况下连接器V1导线的长度比连接器V0稍长一些。尽管功率损耗有轻微的增加，连接器V1导线外表面有更强的散热能力同时连接器本身的温度也会降低，如图6所示。图6显示的是三维有限元热模拟实验结果。

根据图6可得，连接器V0导线的温度是不均衡的。这个结果与表2的数据一致，因为在导线内部的电流比外层低很多。在稳态运行时，连接器V0的内部导线（2）和（3）达到58°C，而外部导线（1）和（4）的温度将达到83°C，产生了一个43%的相对温度差。然而，仿真结果表明：对于连接器V1，上述值分别是66°C （导线2和3）和72°C（导线1和4），产生了一个- 9%的相对温度差。这些结果表明，V1连接器的热性质得到了显着改善。

5.实验结果

在这一节的温升实验中，在分析连接器时，加上了一个3000安的电流。实验结果与在第4节通过三维有限元模拟的方法研究结果相比，在这次的研究中采用了一种新的模拟方法。

实验测试是在当地的大气条件（25°C、982.7 HPA和相对湿度54.9 %）下进行的。尽管起始的环境温度只有25 °C ，循环试验的热效应结果是平均环境温度超过27 °C。因此，将27 °C的参考温度°应用于模拟实验。建立一个温升试验，实验装置是由一个单相调压器及一个与其相连的单相变压器组组成的（120

千伏，0–10 千安，50赫兹）。它们被连接到一个包括已通过测试的扩展变电站连接器和变电站母线的铝环。一个10000 / 50 mV校准过的分流器是用来测量由变压器提供的输出电流的大小。电流的测量有2%的误差。

在图7中可以看到，在铝环的回流中产生的磁场可能受到四条连接器导线之间的电流共享的影响。为了减少这种影响，连接器被放置在对侧的矩形铝合金导线回路中。铝环和变压器输出端之间用铜线来连接。环的近似尺寸是1.5米宽、5米长，如图7所示。为了测量温度的变化，采用K型热电偶与直径1毫米的AISI 316热套。他们被放置在每根导线的最高点，如图6所示。注意到每个热电偶插在一个很小的孔钻入连接器导线中。硅半导体糊剂用于提高热电偶和导线之间的热接触。由热电偶提供的数据是由连接到计算机的数据采集板获取的。为了避免电磁干扰，同光纤链路连接采集系统和热电偶。

图8显示测量到的每一个连接器四根导线中最热点的温度变化，对应于点1–4如图6所示。

如图8所示，从仿真结果图（如图4-6及表2）中可以预计到：该变电站原始设计ssxh15变电站连接器的热性能比重新设计的版本要差。这主要是由于邻近效应产生的不平衡电流，这表明需要重新设计连接器。从图8b还推导出当分析连接器V1时，导线1和2之间的温度不对称性大大降低。