外文文獻(xiàn)譯文——參考范例

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文參考文獻(xiàn)譯文及原文學(xué)院 自動化學(xué)院 專 業(yè)電氣工程及其自動化（電力系統(tǒng)自動化方向）年級班別2011級3班 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2015年3月 10日通過對磁場的分析改進(jìn)超高壓變電站擴(kuò)展連接器的設(shè)計(jì)Joan Hernndez-Guiterasa, Jordi-Roger Ribaa, LusRomeralba UniversitatPolitcnica de Catalunya, Electrical Engineering Department, 08222 Terrassa, Spain b UniversitatPolitcnica de Catalunya

2、, Electronic Engineering Department, 08222 Terrassa, Spain 摘要：在世界上很多的國家，電力需求的增長比輸電容量的發(fā)展更快。由于環(huán)境的限制、社會的擔(dān)憂以及經(jīng)濟(jì)上的投入，建設(shè)新的輸電線路是一項(xiàng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。除此以外，輸電網(wǎng)經(jīng)常要承擔(dān)接近額定容量的負(fù)載。因此，提高輸電系統(tǒng)的效率和可靠性受到了關(guān)注。這項(xiàng)研究主要針對一個400KV，3000A，50Hz的超高壓變電站擴(kuò)展連接器，用于連接兩個母線直徑均為150mm的變電站。該變電站連接器是一個四線制的鋁導(dǎo)線，為母線之間的相互電能傳輸提供了路徑。前期的初步試驗(yàn)顯示：電流在輸電線路中的不平衡分布，主要是受

3、到了距離的影響。應(yīng)用一個三維的有限元素法，可以改進(jìn)設(shè)計(jì)，以及對改進(jìn)前后兩個版本的連接器的電磁性能和熱性能進(jìn)行評估比較。這份報告中將提出：在實(shí)驗(yàn)室條件下的檢驗(yàn)已經(jīng)驗(yàn)證了仿真方法的準(zhǔn)確性。這也許將會是促進(jìn)變電站連接器設(shè)計(jì)進(jìn)程的一個很有價值的工具。因此，將不僅僅提高其熱性能，還將提高其可靠性。關(guān)鍵詞：變電站連接器、超高壓、電力傳輸系統(tǒng)、有限單元法、數(shù)值模擬、臨近效應(yīng)、熱學(xué)分析1.引入全球能源需求的頻繁增長，連同分散的和可再生能源份額的增長促進(jìn)超高壓和特高壓電力傳輸系統(tǒng)1的建設(shè)和研究。除此以外，這些傳輸系統(tǒng)將減小最大限度地減少功率傳輸?shù)膿p耗，同時在最小的經(jīng)濟(jì)損失2提高最大負(fù)載量。盡管用于變電站連接器的

4、資金是整個變電站投入中非常小的一部分，但他們卻是當(dāng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。因此，失去連接器會導(dǎo)致電力系統(tǒng)的故障，更進(jìn)一步則會帶來維修的費(fèi)用3，重大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會影響。不過，在技術(shù)文獻(xiàn)4（technical literature）中只能找到很少關(guān)于在不利條件下連接器狀態(tài)的研究。在最近幾年，螺栓型連接器成為使用最普遍的型號，其裝配和拆卸相比壓縮式連接器更加輕松。變電站連接器是有一組特殊的螺栓式連接器組成的。連接器的電阻，通常攜帶著很大的電流，為了達(dá)到NEMA CC15和ANSI C119.46所制定的電學(xué)和熱學(xué)標(biāo)準(zhǔn)3，這是一項(xiàng)很關(guān)鍵的參數(shù)。眾所周知，由單導(dǎo)體產(chǎn)生的交流磁場中得電磁效應(yīng)與多導(dǎo)體7中所

5、產(chǎn)生的是不同的。例如，在一個三導(dǎo)體平面配置中，外導(dǎo)體比中央導(dǎo)體7攜帶更多地電流，因此產(chǎn)生橫多的交流功率損耗。此外，總的交流損耗隨著與導(dǎo)體之間距離的減少而增加。單導(dǎo)體與多導(dǎo)體配置的不同，主要是由于渦流效應(yīng)、集膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)8。在交流電流中，電流在導(dǎo)體截面分布不均勻主要由于趨膚效應(yīng)。在周邊環(huán)境中，有其他承載電流的導(dǎo)體，它們產(chǎn)生的磁場扭曲了原本的總磁場分布。因此，會導(dǎo)致一個不均勻的磁場分布，通常被歸結(jié)為臨近的導(dǎo)體9磁場產(chǎn)生的影響而被我們認(rèn)為是鄰近效應(yīng)。因此，所得到的磁場分布是導(dǎo)體之間不同的鄰近效應(yīng)的共同影響的結(jié)果。這些因素會進(jìn)一步影響感應(yīng)渦流，功率損耗和熱損耗，所以在設(shè)計(jì)變電站連接器時必須考慮這些

6、因素。鄰近效應(yīng)在不同領(lǐng)域中都有重要應(yīng)用，包括三相大電流母線8，變壓器的繞組、旋轉(zhuǎn)電機(jī)9以及國產(chǎn)的感應(yīng)系統(tǒng)10。對于電機(jī)，由交流磁場中的渦流產(chǎn)生的鄰近功率損耗隨著力量和速度的增加11變得更為重要。對于平行導(dǎo)體，鄰近效應(yīng)可以促進(jìn)不平衡電流在不同的平行路徑中的分布。這個不對稱的電流通常通過導(dǎo)線換位12將其減至最小。如果這個不對稱電流無法被抵消，設(shè)備的總體性能會受到很大的影響：自身的功率損耗會增加，熱量散失也會產(chǎn)生。功率損耗可以分為焦耳損耗（由RMS或均方根電流引起的損耗）；集膚效應(yīng)損耗（可以理解為集膚效應(yīng)導(dǎo)致焦耳損耗的增量部分）；以及鄰近損耗（由導(dǎo)線在外部磁場13中產(chǎn)生的渦流引起）。擴(kuò)展變電站的連接

7、器使用四分裂的鋁導(dǎo)線來連接兩個變電站的母線。這些導(dǎo)線唯母線提供了可導(dǎo)通的路徑。因此，為了優(yōu)化它們的熱性質(zhì)，最大的可挖掘潛力在于優(yōu)化連接器的幾何形狀，即對于導(dǎo)線幾何定位的選擇。三維有限元（FEM）是對復(fù)雜問題14進(jìn)行模擬仿真時的有效工具。因此，當(dāng)一個變電站連接器處于多線而且復(fù)雜的的情況下，三維有限元法是一個有用的工具，它可以用來計(jì)算由于鄰近效應(yīng)和趨膚效應(yīng)12所導(dǎo)致的分配不均勻的電流并優(yōu)化其性能。在一個有限熱元模型中，可以對這種熱沖擊的影響進(jìn)行詳細(xì)的分析。為此，耦合的磁渦流和熱模型是模擬地下電力電纜15的。如之前所述，磁現(xiàn)象的綜合知識對于變電站的優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常重要的。因此，在設(shè)計(jì)階段和詳細(xì)的有限元

8、分析軟件的協(xié)助下，可以對變電站連接器性能進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)測和糾正，同時可以應(yīng)用于改進(jìn)其幾何形狀。因此，這項(xiàng)工作的目的是開發(fā)一個基于三維有限元的方法來改進(jìn)超高壓變電所的多線連接器的設(shè)計(jì)。改進(jìn)設(shè)計(jì)是基于確保通過不同的導(dǎo)線連接器的電流分布均衡，在保證適當(dāng)?shù)臒醾鬏敱砻娴耐瑫r產(chǎn)生分布更均勻的磁場。通過這種方式，連接器的熱性能，壽命以及可靠性均會增強(qiáng)。排除變電連接器的可靠性在輸電系統(tǒng)起到的主導(dǎo)作用，幾乎沒有任何發(fā)表的技術(shù)研究分析在額定電流下地磁場分布和熱性質(zhì)。因此，這項(xiàng)研究對填補(bǔ)這一空白做出了貢獻(xiàn)。本文的組織如下。第2節(jié)對變電站連接器的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，而第3節(jié)詳細(xì)介紹了磁的和熱的三維有限元模型在這樣研究中的

9、應(yīng)用。第4節(jié)和第5節(jié)，分別通過仿真和實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證了所提出方法的適用性。最后在第6節(jié)得出了結(jié)論。2.變電站連接器的結(jié)構(gòu)這項(xiàng)工作涉及一個3000安，400千伏（相間）擴(kuò)展變電站連接器。型號為ssxh15變電站連接器是由鋁合金鑄造而硬件是不銹鋼制成。研究分析這種連接器應(yīng)用于交流系統(tǒng)下連接兩個變電站直徑150毫米的鋁導(dǎo)線母線。鋁母線之間的導(dǎo)電路徑是由四股鋁導(dǎo)線裝置提供的。圖1顯示其主要尺寸和原始連接器的3D視圖。一旦制成，在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)了初步的工廠試驗(yàn)表明電流在四股鋁導(dǎo)線中分布不均勻。這種鄰近效應(yīng)主要受到附近導(dǎo)體的磁場的影響。由于這種分布不均勻的電流通過四股導(dǎo)線，不平衡功率的損失及通過溫升試驗(yàn)的困

10、難，都可以被預(yù)料到。因此，得出的結(jié)論是必須要得到一個糾正改進(jìn)的措施。最后還是決定保持相同結(jié)構(gòu)的連接器，以減少改進(jìn)連接器的相關(guān)成本。本文比較了原始設(shè)計(jì)(V0)和改進(jìn)的版本(V1)的電磁和熱性質(zhì)。這是特別設(shè)計(jì)和制造，以確保通過連接器不同導(dǎo)線的的電流分布更均衡和提高熱性能。這兩個版本如圖2所示。原始版本的變電站連接器（V0）有四根相同長度的導(dǎo)線，以達(dá)到相同的電阻值。重新設(shè)計(jì)的版本的連接器（V1）具有不同長度的導(dǎo)線，這是通過交叉減少幾何不對稱性。值得注意的是，在對兩個連接器版本分析中指出，線1和2分別是和線4和3對稱。3.有限元模型有限元法由于其高精度，已廣泛應(yīng)用于在設(shè)計(jì)階段18模擬真實(shí)設(shè)備16,17

11、的性能，是一種公認(rèn)的工具。在這一節(jié)中，這些數(shù)學(xué)方程對在電磁場和有限熱元的仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了描述。3.1電磁模型眾所周知，為了解決計(jì)算電力和磁領(lǐng)域的問題需要麥斯威爾方程。當(dāng)考慮到電荷連續(xù)性方程，四個方程麥斯威爾中的兩個都必須獲得一個封閉的方程組。因此，安培定律（1）、法拉第定律（2）和電荷連續(xù)性方程（3）均是采用的是準(zhǔn)靜態(tài)近似19。H是磁場強(qiáng)度單位是Am-1，J是電流密度單位是Am-2，D是電動位移單位是C m-2，T為時間的單位是s，E是電場強(qiáng)度單位是Vm-1，B是T時間內(nèi)的磁通量密度，pe是自由電荷密度單位是Cm-3，是卷曲運(yùn)算符，是散度算子。由于這項(xiàng)工作在工頻電源，準(zhǔn)靜態(tài)近似可以應(yīng)用而不損失一

12、般性。這種近似域下，如果他們被視為傳播的瞬時位移電流（電位移的時間導(dǎo)數(shù)）是不符合安培定律的。為了降低計(jì)算問題的負(fù)擔(dān)，信號要考慮時間諧波的影響。因此問題作為頻域中的固定的解決方案，可以得到簡化。此外，描述介質(zhì)的宏觀性質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系可以應(yīng)用到下列式子中：u0是自由空間磁導(dǎo)率單位是NA-2，ur是材料相對磁導(dǎo)率，E0是自由空間的介電常數(shù)單位是Fm-1，Er是材料的相對介電常數(shù)。 計(jì)算磁場強(qiáng)度B，電場強(qiáng)度E和電流密度J（Am-2）在考察域中所有的點(diǎn)，本構(gòu)關(guān)系（4）和（5）是解決方程組(1)-(3)的方法。該解決方案可獲得電阻的功率損耗密度Qgen（Wm-3）在解析域中的每一點(diǎn)，方程（6）是用于計(jì)算電流流

13、過變電站產(chǎn)生的溫度變化。3.2熱模型變電站連接器的熱性質(zhì)是保證其預(yù)期壽命和提高可靠性的關(guān)鍵。可以通過三維有限元模擬的方法計(jì)算出負(fù)載情況下連接器的溫度變化。在這種情況下，熱模擬允許在一個可重復(fù)的和經(jīng)濟(jì)的方式下測試和分析變電站連接器。然而，這個方法的有效性必須通過應(yīng)用到一個全面的子站連接器才能得以驗(yàn)證。存儲在一個小單元的熱能量變化率2022必須等于該進(jìn)行了能量變化的元素的齊率加上已被分析的元素當(dāng)中產(chǎn)生的熱量聚集的速率，那里所提到的熱生成率，是從電磁仿真實(shí)驗(yàn)中得到的，是被命名的（6）。此外p是材料的密度單位是kgm-3，cp是恒定壓力下的比熱容單位是J kg-1K-1，T是溫度單位是K，q是熱通量單

14、位是Wm-2. 傅里葉熱傳導(dǎo)定律23指出，熱通量q（Wm-2）等于熱傳導(dǎo)系數(shù)K（Wm-1K-1）和負(fù)溫度梯度，方程（8）指出熱傳遞正在往溫度降低的方向進(jìn)行。此外，根據(jù)牛頓冷卻定律24，物體的熱損失率是與其自身的溫度和周圍的環(huán)境（對流介質(zhì)）之間的差值成正比。H是傳熱系數(shù)單位是Wm-2K-1，注意到牛頓冷卻定律是解決傅里葉熱傳導(dǎo)定律的方法。由于變電站母線是圓柱形的，傳熱系數(shù)是通過應(yīng)用希爾佩特的對流形式獲得的，氣瓶詳細(xì)的內(nèi)容在 25 。 大氣壓是300 K，對流速度為2.5 cm s-1。因此，首先方程組（1）-（6）是通過在全分析域中使用有限元程序的電磁模塊得到解決的。接著，計(jì)算被測連接器熱模塊的

15、溫度變化是通過方程組（7）-（9）。消散的熱輻射已經(jīng)不在26中，由于在較低的溫度時運(yùn)行輻射換熱27大大降低。表1用三維有限元模擬法顯示了主要的電，磁和熱參數(shù)。為了執(zhí)行計(jì)算，三維方箱1米側(cè)是用來模擬周邊環(huán)境空氣。變電連接器被放置在它的幾何中心，如圖3所示。模擬實(shí)驗(yàn)在總電流的3000安的50赫茲功頻電源下進(jìn)行。因此，被施加了交流電壓的連接器兩側(cè)需要提供同樣的電流流通量。邊界條件的處理在六邊形外部空氣邊界施加標(biāo)量的磁場及零電勢。4.仿真結(jié)果在這一節(jié)中，將進(jìn)行三維有限元的電磁和熱模擬實(shí)驗(yàn)。兩變電站連接器的幾何形狀，在第2節(jié)中進(jìn)行了詳細(xì)分析和比較。為了了解鄰近效應(yīng)對連接器性質(zhì)的的影響，圖4顯示了導(dǎo)線1和

16、2周圍在YZ對稱平面的磁場分布。應(yīng)該指出的是，由于連接器的對稱性，導(dǎo)體4和3中的電流分布分別與1和2相同。圖4a顯示：由于鄰近效應(yīng)導(dǎo)致在磁場B繞線1和2的的電流密度分布不均勻，因此這些導(dǎo)線非對稱分布。因此，由于在導(dǎo)線1和2附近的磁場分布的不對稱性（即與導(dǎo)線4和3分別對稱），通過這些導(dǎo)線的電流也必須不均勻地分配。通過比較圖4A和B，結(jié)果表明連接器V1比連接器V0提供了一個更對稱的磁場分布。因此，通過連接器V1四根導(dǎo)線的電流預(yù)計(jì)將更加平衡。表2顯示通過分析四根導(dǎo)線的幾何形狀，得到電流的不均勻分布，產(chǎn)生不平衡的磁場。從表2的結(jié)果清楚地表明，該原始設(shè)計(jì)ssxh15變電站擴(kuò)展連接器提供了導(dǎo)線1-4之間約

17、38%的更不平衡的電流分布。此外，V1連接器可以更好地平衡電流，因此相對差異低于9%。因此，連接器V1預(yù)計(jì)將比連接器V0具有更強(qiáng)的熱性能。通過整合（6）在分析體積，總的功率損耗Q（W）在解析域中這樣進(jìn)行計(jì)算，在任何導(dǎo)線的功率損失在很大程度上取決于：沿這根電線整體的電流密度分布，產(chǎn)生的渦流以及導(dǎo)線長度。因此，由于電流密度的不均勻分布，分析連接器時，每根電線將會得到不同的功率損耗。圖5顯示在分析子站連接器時得到的每一根線的的功率損耗密度。在圖5中顯示出：由于連接器復(fù)雜的幾何形狀，沿導(dǎo)線功率損耗密度的分配不平等。表3顯示在分析連接器得到的每根導(dǎo)線總功率損失。表3表明一個重要的結(jié)果：在連接器V0中導(dǎo)線

18、功率損耗不平衡，而這種影響在連接器V1中大大減少了。這些結(jié)果還表明，原來的連接器設(shè)計(jì)（V0）比連接器V1功率損失稍低一些。這種影響主要是由于在導(dǎo)線橫截面積相同的情況下連接器V1導(dǎo)線的長度比連接器V0稍長一些。盡管功率損耗有輕微的增加，連接器V1導(dǎo)線外表面有更強(qiáng)的散熱能力同時連接器本身的溫度也會降低，如圖6所示。圖6顯示的是三維有限元熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)圖6可得，連接器V0導(dǎo)線的溫度是不均衡的。這個結(jié)果與表2的數(shù)據(jù)一致，因?yàn)樵趯?dǎo)線內(nèi)部的電流比外層低很多。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，連接器V0的內(nèi)部導(dǎo)線（2）和（3）達(dá)到58C，而外部導(dǎo)線（1）和（4）的溫度將達(dá)到83C，產(chǎn)生了一個43%的相對溫度差。然而，仿真

19、結(jié)果表明：對于連接器V1，上述值分別是66C（導(dǎo)線2和3）和72C（導(dǎo)線1和4），產(chǎn)生了一個- 9%的相對溫度差。這些結(jié)果表明，V1連接器的熱性質(zhì)得到了顯著改善。5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果在這一節(jié)的溫升實(shí)驗(yàn)中，在分析連接器時，加上了一個3000安的電流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與在第4節(jié)通過三維有限元模擬的方法研究結(jié)果相比，在這次的研究中采用了一種新的模擬方法。實(shí)驗(yàn)測試是在當(dāng)?shù)氐拇髿鈼l件（25C、982.7 HPA和相對濕度54.9 %）下進(jìn)行的。盡管起始的環(huán)境溫度只有25 C ，循環(huán)試驗(yàn)的熱效應(yīng)結(jié)果是平均環(huán)境溫度超過27 C。因此，將27 C的參考溫度應(yīng)用于模擬實(shí)驗(yàn)。建立一個溫升試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置是由一個單相調(diào)壓器及一個與其

20、相連的單相變壓器組組成的（120千伏，010 千安，50赫茲）。它們被連接到一個包括已通過測試的擴(kuò)展變電站連接器和變電站母線的鋁環(huán)。一個10000 / 50 mV校準(zhǔn)過的分流器是用來測量由變壓器提供的輸出電流的大小。電流的測量有2%的誤差。在圖7中可以看到，在鋁環(huán)的回流中產(chǎn)生的磁場可能受到四條連接器導(dǎo)線之間的電流共享的影響。為了減少這種影響，連接器被放置在對側(cè)的矩形鋁合金導(dǎo)線回路中。鋁環(huán)和變壓器輸出端之間用銅線來連接。環(huán)的近似尺寸是1.5米寬、5米長，如圖7所示。為了測量溫度的變化，采用K型熱電偶與直徑1毫米的AISI 316熱套。他們被放置在每根導(dǎo)線的最高點(diǎn)，如圖6所示。注意到每個熱電偶插在

21、一個很小的孔鉆入連接器導(dǎo)線中。硅半導(dǎo)體糊劑用于提高熱電偶和導(dǎo)線之間的熱接觸。由熱電偶提供的數(shù)據(jù)是由連接到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集板獲取的。為了避免電磁干擾，同光纖鏈路連接采集系統(tǒng)和熱電偶。圖8顯示測量到的每一個連接器四根導(dǎo)線中最熱點(diǎn)的溫度變化，對應(yīng)于點(diǎn)14如圖6所示。如圖8所示，從仿真結(jié)果圖（如圖4-6及表2）中可以預(yù)計(jì)到：該變電站原始設(shè)計(jì)ssxh15變電站連接器的熱性能比重新設(shè)計(jì)的版本要差。這主要是由于鄰近效應(yīng)產(chǎn)生的不平衡電流，這表明需要重新設(shè)計(jì)連接器。從圖8b還推導(dǎo)出當(dāng)分析連接器V1時，導(dǎo)線1和2之間的溫度不對稱性大大降低。6.總結(jié)設(shè)計(jì)用于在超高壓和特高壓電壓等級下運(yùn)行的電氣設(shè)備，要求在非常大、昂

22、貴的高壓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試。溫升試驗(yàn)是昂貴和費(fèi)時的，需要大量的電能。因此，選擇一個可靠的設(shè)計(jì)工具來保證接觸器的改進(jìn)設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的。通過這種方式，目前連接器電和熱的標(biāo)準(zhǔn)可以得到滿足，從而保證變電站連接器足夠的電和熱性能。在本文中，對一個額定電壓400千伏，3000安和50赫茲的變電擴(kuò)展四分裂鋁導(dǎo)線連接器進(jìn)行了分析。初步設(shè)計(jì)顯示，由于鄰近效應(yīng)，通過變電站連接器四根導(dǎo)線的電流分布不合理。因此，糾正措施得到采用，提出了一個通過三維有限元的電磁和熱模擬實(shí)驗(yàn)改進(jìn)幾何結(jié)構(gòu)的方案，顯示出了更優(yōu)異的性能。為了驗(yàn)證本文提出方法的有效性，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于新分析出的幾何結(jié)構(gòu)，這也證實(shí)了仿真結(jié)果的正確性。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)

23、證了所提出的方法的可行性和實(shí)用性，是一個協(xié)助變電站連接器的設(shè)計(jì)過程和減少導(dǎo)線中的不平衡電流的有價值的工具，從而連接器的熱性能、可靠性得到提高，預(yù)期壽命得以延長。感謝作者真誠感謝收到CDTI（Centro para el DesarrolloTcnico e Industrial of the Ministerio de Ciencia e Innovacin de Espaa）的資金支持，百萬伏特的研究項(xiàng)目下的這項(xiàng)工作才得以進(jìn)行展開。參考1 N. Perera, A.D. Rajapakse, Development and hardware implementation of a fault

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