论文翻译-Finite-ElementAnalysisofShort-CircuitElectrom

本科生毕业设计（论文）参考文献译文本译文出处：Hyun-MoAhn,Ji-YeonLee,Joong-KyoungKim,Yeon-HoOh,Sang-YongJung，Sung-ChinHahn.Finite-ElementAnalysisofShort-CircuitElectromagneticForceinPowerTransformer.IEEETransactionsonIndustryApplications,2011,47(3):1267-1271院系电气与电子工程学院专业班级电气1202姓名郑荣锋学号U201211739指导教师张丹丹2016年2月译文要求一、译文内容须与课题（或专业内容）联系，并需在封面注明详细出处。二、出处格式为图书：作者.书名.版本（第×版）.译者.出版地：出版者，出版年.起页～止页期刊：作者.文章名称.期刊名称，年号，卷号（期号）：起页～止页三、译文不少于5000汉字（或2万印刷符）。四、翻译内容用五号宋体字编辑，采用A4号纸双面打印，封面与封底采用浅蓝色封面纸（卡纸）打印。要求内容明确，语句通顺。五、译文及其相应参考文献一起装订，顺序依次为封面、译文、文献。六、翻译应在第七学期完成。译文评阅导师评语应根据学校“译文要求”，对学生译文翻译的准确性、翻译数量以及译文的文字表述情况等做具体的评价后，再评分。评分：___________________（百分制）指导教师（签名）：___________________年月日基于有限元分析的电力变压器短路电磁力Hyun-MoAhn,Ji-YeonLee,Joong-KyoungKim,Yeon-HoOh,Sang-YongJung,Member,IEEE,andSung-ChinHahn,Member,IEEE１摘要：变压器突发短路时,径向和轴向的暂态电磁力作用在绕组上，产生临界机械应力。在本文中，对变压器绕组受到的短路电磁力进行了研究。本文采用一个三维变压器模型，计算其暂态电磁力。对变压器进行机电耦合的有限元法分析，得出暂态短路电流，进一步求出磁矢势，磁通密度以及电磁力，然后将所得结果与理论分析进行比较，最后令人满意。在本文中采用的数值模拟技术，对变压器的设计将是有益的。关键词：电磁力；有限元法；电力变压器；短路电流；短路力１前言当变压器发生短路时，变压器中的电磁力作用在绕组上。这种瞬时力会对变压器造成严重的机械损坏，如弯曲变形，严重时甚至导致变压器发生爆炸。因此，对电力变压器的基本要求便是能够承受短路电流[1]。为保证变压器安全运行，在现场安装之前，必须在设计阶段就预测出由短路电流产生的电磁力。此外，由于短路测试需要特殊的测试工具设备和人员，如果能够预测电磁力，在变压器的容量增大时，可减少试验次数，节约工具设备。因此，在预测变压器短路时的暂态电磁力时，必须建立一个数值模型[2]。本文采用有限元法，预测作用在变压器绕组上的暂态电磁力。短路类型为变压器末端发生单相接地短路。本文采用一个三维变压器模型，计算其暂态电磁力。对变压器进行机电耦合的有限元法分析，得出暂态短路电流，进一步求出磁矢势，磁通密度以及电磁力。计算变压器模型轴向和径向的电磁力后，与理论值进行比较。2机电场分析2.1电磁控制方程通过对变压器的局部磁通密度计算，得出电磁力。当电流流入变压器的绕组时，磁场的控制方程如下[3]：1()AAJst(1)式中是磁导率，单位为亨每米；A为磁矢势；Js为电流密度，单位为安每平方米；为电导，单位为西每米；利用三维有限元模型计算绕组中的漏磁通。2.2短路电流在计算电磁力时，绕组中的暂态电流是一个重要参数。变压器短路时对系统造成干扰，并常常产生十倍于正常值的干扰电流。暂态电流可以近似表示为如下[4]：022()sin()RtmLSCVItIetRX(2)式中0I为初始电流，单位为安培；R、L和X分别为电阻，单位为欧姆；电感，单位为亨；电抗，单位为欧姆；mV为最大电压，单位为伏特。2.3漏磁通密度本文利用暂态电流和漏磁通密度的值，估算绕组中的暂态电磁力。换言之，绕组中的电磁力是由暂态电流和漏磁通相互作用产生的[5]。因此，变压器受到的力可由如下洛伦兹力表示：dFidlB(3)式中F表示洛伦兹力，单位为牛顿；B表示磁通密度，单位为特斯拉。如上所示，通过磁场分析计算出的磁矢势是在计算电磁力时的一个重要参数。径向和轴向的磁通密度分量分别表示为[6]1,0,rZArABBBzrr(4)其中rB、B和ZB分别表示圆柱坐标系中磁通密度的单位矢量。由于磁通密度被分解成其径向和轴向分量，故电磁力也可以分解为径向和轴向分量ˆˆˆˆˆ=()rzrzFJBrBzdFrFz(5)其中J表示方向的短路电流密度，ˆr、ˆ和ˆz是圆柱坐标系中的三个单位向量，d表示体积增量。如（5）所示，径向力取决于磁通密度的轴向分量，而轴向力取决于磁通密度的径向分量[5]。变压器绕组的结构如图1。在这种绕组模型中，作用在内部绕组上的径向力是压缩力，指向铁芯；作用在外部绕组上的径向力是拉伸力，指向油箱。此外，电磁力的径向分量会破坏铁芯与绕组以及绕组层之间的绝缘材料，导致变压器的温度上升[6]。图1变压器同心绕组的电磁力和漏磁通密度另一方面，作用在内外部绕组中心侧上的轴向力均为压缩力。电磁力的轴向分量会使绕组结构弯曲[7]。3变压器模型在本文中我们计算的是一个芯型变压器（22.9/3.3kV，1MVA，单相），图2即为芯型变压器的模型图。为了有效地减少计算时间，在该模型中忽略了绝缘材料和支撑结构。此外，在模型中将铁芯视为同心结构。功率变压器模型的规格如表一所示。如表1所示，铁心材料由硅钢板组成。图2芯型变压器模型如表一所示，高压绕组有854匝，低压绕组有123匝。此外，为了计算此模型的电磁力，初级绕组和次级绕组均被分为30个导体单元，如图3所示。通过计算每个单元中的电磁力，累加后得到最终的电磁力[8]。图3变压器绕组的分裂导线单元模型表1电力变压器规格分类规格说明相数单相结构芯型频率60[Hz]额定功率1[MVA]初级/次级电压22.9/3.3[kV]初级/次级电流43.67/303[A]初级/次级匝数比854/1234实验结果与分析4.1短路系统当突发短路时，变压器可能由于暂态电流而导致损坏。为了便于电磁分析，本文采用图4所示短路系统，使用MaxwellCircuitEditv12.1软件进行编程。暂态电流的持续时间为0到50毫秒，低压和高压绕组的最大电流分别为6142.5和746.1安。短路电流如图5所示。图4短路系统图5短路电流波形4.2漏磁通密度磁场分析中的磁矢势用于计算绕组中的磁通密度和电磁力。在正常运行状态下的磁通密度分布如图6所示。如图所示，铁芯的磁通密度是均匀分布的。图7为暂态情况下的磁通分布。磁芯中的磁通密度在某些区域是饱和的，绕组周围的漏磁通也如图所示。这种漏磁通引起的瞬态电磁力大小与变压器中的温度成正相关。图6正常状态下的磁通密度分布图7短路后某时刻的磁通密度分布4.3电磁力变压器绕组中的电磁力由漏磁通和暂态电流计算而得。高压和低压绕组中的每个导体单元的径向力分别如图8和图9所示。通过每个导体单元的漏磁通轴向分量计算径向力。图10为高压绕组中每个导体单元的径向力；该径向力为正，指向油箱。同时，图9中低压绕组中的径向力为负，指向铁芯。图8高压绕组径向力图8低压绕组径向力图10(a)为绕组模型的俯视图，分为16个部分，图10(b)和图10(c)分别为初级绕组和次级绕组各部分的力。如图10(b)所示，虚线是高压绕组各点处的径向力，其值的范围为5533N到6709N。然而低压绕组中，电磁力范围为-11705N到-12086N，变化不大。高压绕组和低压绕组中各个导体单元中的轴向力分别如图11(a)和图12(a)所示。由于每个导体单元的轴向力相互影响，累加后的力分别如图11(b)和图12(b)所示。将高压绕组均分为上下两部分，中间为z=0轴，上半部分的轴向力为-z方向，下半部分的轴向力为+z方向，故最后的力体现为垂直压缩力。相反的，对于低压绕组，上下两部分定义的力的方向与高压绕组相反。即上半部分的轴向力为+z方向，下半部分的轴向力为-z方向，故最后的力体现为垂直拉伸力。图10(a)变压器俯视图(b)高压绕组各点径向力(c)低压绕组各点径向力图11(a)高压绕组各单元轴向力(b)高压绕组轴向合力图12(a)低压绕组各单元轴向力(b)低压绕组轴向合力由于在轴向上，低压绕组比高压绕组长，所以轴向力的分布图12(a)与11(a)不同。此外，绕组的轴向长度的差异会导致高压绕组比低压绕组的轴向力更大。漏磁通使得绕组端部的每个导体单元的轴向力增加，然而在高压绕组的中部以及低压绕组的端部，累积轴向力有最大值。此外，我们已经证明绕组上受到的力主要为轴向力，如图11(b)与12(b)所示。在表二中，对变压器电磁力的实验值与理论值进行了比较。图8和图9的平均值为径向力，图11(a)和12(a)的平均值为轴向力，所得结果与理论值相符。5结论在本文中，采用有限元法计算作用在变压器绕组上的暂态电磁力。由此，变压器单相接地短路下的暂态电磁力计算得到了解决。本文采用三维变压器模型计算暂态电磁力，通过机电耦合的有限元法分析出变压器绕组的暂态电流，进一步求出磁矢势、磁通密度和电磁力，最后计算得出轴向和径向的电磁力并于理论值进行比较分析。本文计算了变压器单相接地故障时的暂态电流，在某一时刻，高压绕组的径向力和轴向力分别为5568N和2851N。然而在低压绕组中，此时的径向力和轴向力分别为11698N和2597N。以上结果与理论值接近。在本文中采用的数值模拟技术，预计对变压器的设计具有指导作用。参考文献[1]J.-Y.Lee,H.-M.Ahn,J.-K.Kim,Y.-H.Oh,andS.-C.Hahn,“Finiteelementanalysisofshortcircuitelectromagneticforceinpowertransformer,”inProc.ICEMS,Tokyo,Japan,2009,pp.1–4.[2]S.Jamali,M.Ardebili,andK.Abbaszadh,“Calculationofshortcircuitreactanceandelectromagneticforceinthreephasetransformerbyfiniteelementmethod,”inProc.Int.Conf.Elect.Mach.Syst.,2005,vol.3,pp.1725–1730.[3]S.J.Salon,FiniteElementAnalysisofElectricalMachines.Troy,NewYork:RensselaerPolytech.Inst.,1995.[4]S.V.KulkarniandS.A.Khaparde,TransformerEngineering.NewYork:MarcelDekker,2004.[5]G.Bertagnolli,Short-CircuitDutyofPowerTransformer.Zurich,Switzerland:ABBLtd.,2007.[6]M.R.FeyziandM.Sabahi,“Finiteelementanalysisofshortcircuitforcesinpowertransformerswithasymmetricconditions,”inProc.IEEEInt.Symp.Ind.Electron.,2008,pp.576–581.[7]W.ColonelandT.Mclyman,TransformerandInductorDesignHandbook.NewYork:MarcelDekker,2004.[8]G.B.KumbharandS.V.Kulkarni,“Analysisofshort-circuit