本科论文翻译

本科生毕业设计（论文）参考文献译文本译文出处：Hyun-MoAhn,Yeon-HoOh,Joong-KyoungKim,Jae-SungSongandSung-ChinHahn.ExperimentalVerificationandFiniteElementAnalysisofShort-CircuitElectromagneticForceforDry-TypeTransformer.IEEETransactionsonMagnetics,2012,48(2):819-822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）：___________________年月日基于试验和有限元分析的干式变压器短路电磁力安贤默１，吴连镐２，金钟铉３，宋在城２，韩成庆１１东亚大学电气工程系韩国釜山604-714２韩国电气研究院韩国昌原641-120３晓星株式会社电力和工业系统性能组研发中心韩国昌原641-712摘要：电力变压器突发短路时,形成的短路电磁力使得电力变压器的绕组将承受强大的机械应力。本文以一台50kVA干式变压器为例，结合试验与有限元方法（FEA）分析电力变压器所受到的短路力。为了尽量接近实际中电力变压器的绕组结构，我们可以将高压绕组分为20个区域，低压绕组分为22个区域。采用这种建模技术，我们可以计算在短路条件下，干式变压器绕组的各区域承受的电磁力大小。通过有限元分析法，计算包括磁矢势，磁通密度，电磁力以及短路电流等参数的大小。电磁力值由短路电流和漏磁通密度共同决定，且可分解为径向电磁力和轴向电磁力。然后将上述结果作为序贯有限元法的输入量，在考虑应力分布与绕组变形等机械特征的情况下,求解机械合力。最后将计算所得的高压绕组的机械合力与验证试验结果进行比较。关键词：干式变压器；机械合力；序贯有限元法；短路力１前言当电力系统突然发生短路时，电力变压器绕组将承受短路电流的冲击。暂态短路电流引起的短路电磁力作用在电力变压器上，将产生临界机械应力。因此，在电力变压器设计时，需要考虑由于电力系统的故障，引起的浪涌电流的冲击，例如发生单相接地短路，三相短路等等[1][2]。为了保证电力系统的安全运行，在安装电力变压器前，应当计算出短路电流产生的电磁力的大小。但是由于电力变压器的绕组其结构比较复杂，因此不容易准确地计算出暂态电磁力的大小[3]。G.B.kumbhar和S.V.Kulkarni[4]提出了一种采用分裂绕组变压器去耦合电路的短路分析法。之后JawadFaiz和TahereNoori[5]通过有限元分析，解决了二维以及三维芯式变压器的短路电磁力的计算问题。尽管通过这些研究，他们得出了一些有用的结果，但是他们在估算短路电磁力时，只能使用有限元法去分析模型，这是因为他们主要是基于电磁场分析去研究绕组上的电磁力大小。在这些研究中，他们把初级绕组和次级绕组作为了相互独立的部分，没有考虑它们之间的相互作用，所以他们不能预测出绕组中任一特定位置（或部分）的电磁力大小，并且他们也没有考虑绕组在受到电磁力后的变形，将其变形情况作为理想条件后省略掉了。在本文中，为了尽量接近实际中电力变压器的绕组结构，我们可以将高压绕组分为20个区域，低压绕组分为22个区域。采用这种建模技术，我们可以计算出在短路条件下，干式变压器绕组的各个区域承受的电磁力大小。首先从电路方程中，可以计算出电力变压器绕组的短路电流大小。然后利用基于电磁法的有限元分析法，可以求解磁矢势、磁通密度和电磁力的大小。如图1所示，图中标明了电磁力、电流和漏磁通密度的方向。电磁力的值由短路电流以及漏磁通密度共同决定，且可以分解为径向电磁力和轴向电磁力[6]。IEEETransactionsonMagnetics,Vol.48,No.2,February,2012图1电力变压器的电磁力、电流和漏磁通然后将上述计算结果作为序贯有限元法（FEM）的输入量，在考虑应力分布以及绕组变形等机械特征的情况下,求解出机械合力。为了验证本文所提出的序贯有序元法的有效性，最后可以将计算所得的高压绕组所受的机械合力与实际实验得出的机械合力进行比较并验证。2电力变压器的分析模型在本文中，我们着手解决芯型干式变压器（50kVA，单相）的机械合力计算问题。序贯有限元法可以分为两个步骤，首先，通过电磁模型计算出电磁力大小，并将其作为结构分析的输入数据。然后在力学模型中,考虑应力分布以及绕组变形等机械特征,求解出机械合力。干式变压器的分析模型分别如图2（a）和2（b）所示。表１给出了本文中使用的干式变压器的型号以及规格。图2分析模型（a），电磁模型（b）表1干式变压器规格分类规格说明额定功率50[KVA]额定电压220/240[V]频率60[Hz]3短路电磁力分析3.1电磁机械场分析法短路电流以及漏磁通共同引起洛伦兹力，洛仑兹力作用在电力变压器的绕组上，产生机械应力和应变，导致绕组发生变形。为了计算出电力变压器绕组的机械合力大小，我们采用序贯有序元法。流程图如图3所示。图3短路分析的流程图3.2短路电流和漏磁通估算电力变压器突然发生短路时，其绕组流入极高的暂态短路电流。短路电流与电力变压器的阻抗、系统阻抗之和成反比。对于单相电力变压器，暂态条件下的短路电流可以近似表示为如下公式[3][7]022()=cosRtmLSCVItIetRX（1）在上式中，SCI为短路电流，单位为A；0I是初始电流，单位为A；R，L和X分别为电阻，单位为；电感，单位为H和电抗，单位为；mV为最大电压，单位为V。利用公式（1），计算得到的暂态短路电流如图4所示。可以看到低压绕组的最大短路电流为9.3A,高压绕组的最大短路电流为4.6A。IEEETransactionsonMagnetics,Vol.48,No.2,February,2012图4短路电流变化波形图磁链和漏磁通的暂态值取决于铁芯磁化特性[8]。特别是在发生短路时，由于短路电流激发的漏磁通密度比稳态时增加了好几倍。通常将漏磁通分解为径向分量和轴向分量。漏磁通由下面的三个矢量表示[9]。1,0,rZArABBBzrr（2）在上式中，,,rZBBB分别为漏磁通密度的三个方向矢量，单位为T；A是磁矢势。3.3电磁力计算电力变压器绕组上的电磁力是由短路电流和漏磁通共同作用引起的，如图5所示[7]。图5短路电流，漏磁通密度和电磁力的方向作用在电力变压器上的电磁力即为洛伦兹力，它们的关系如下式[10]dFidlB(3)在上式中，()Ft表示电磁力，单位为N；mF表示最大电磁力，单位为N；B表示漏磁通密度，单位为T。绕组将会受到向外的拉力和向内的压缩力。电磁力与电流的平方成正比，因此电磁力是单向脉冲的。当发生短路故障时，电磁力表示式如下[7][11]211()=[+-2coscos2]22RRttLLmFtFeett(4)如图6所示，可以看到短路电磁力的幅值仅仅在几个周期后就出现了大幅的下降。短路电磁力由径向分量和轴向分量组成，表达式如式5ˆˆˆˆˆ=()rzrzFJBrBzdFrFz（5）在上式中，J表示方向的短路电流密度，ˆˆˆrz，和是圆柱坐标系中的三个单位向量，d表示体积增量。用电磁分析法计算出绕组各套管上的径向力和轴向力的大小。图6绕组的短路电磁力如图7所示，高压绕组（图中外部红色圆环）的每个区域都有方向为正，指向外部的径向力。同样的，低压绕组（图中内部蓝色圆环）的每个区域也有方向为负，指向铁芯的径向力。因此高压绕组有向外扩张的趋势，而低压绕组有向内收缩的趋势。高压绕组的最大径向力为624.7N，低压绕组的最大径向力为546.6N。图7各部分的径向力IEEETransactionsonMagnetics,Vol.48,No.2,February,2012如图8所示，高压绕组和低压绕组的轴向力方向相同，均为压力。也就是说，无论高压绕组还是低压绕组，上半部分的轴向力均为负z轴方向，下半部分的轴向力均为正z轴方向。高压绕组的最大轴向力为329.8N，低压绕组的最大轴向力为373.2N。图8高压绕组和低压绕组各部分的轴向力仅仅从电磁分析中获得的短路电磁力，并没有考虑到结构问题，因此将上述计算结果作为结构分析的输入量，以此结合结构因素分析短路力的特性，完善计算模型。3.4应力以及应变的预测机械分析法可以计算出电力变压器的机械应力，分析出结构的变形。机械分析法由以下三个方程约束[12][13]平衡方程（负荷--应力）{}[]{}fKd（6）构造方程（应力--应变）{}[]{}D（7）相容方程（应变--位移）{}[]+{}Bu（8）在式（6）中，{}f表示结构的负荷，单位为N；{}d表示轴向应力（）以及剪应力（），单位均为2N/m；{}表示应变，{}u表示位移，单位均为m。[D]表示弹性模量（Ｅ），剪切弹性模量（G）和泊松比()，[][]KB和分别为不同的形状函数。由于电磁分析法没有考虑结构问题，为了更准确地计算出电力变压器绕组的短路力，本文采用了序贯有限元法。序贯有限元法（FEM）将计算所得的电磁力作为输入数据，在考虑应力分布以及绕组变形等机械特征的情况下,求解出机械合力。如图9所示，通过结构分析能够预测出机械应力和高压绕组的变形。如图9所示，电磁力使高压绕组产生了变形。其中高压绕组受到的最大应力为2Mpa，这个值没有超过屈服强度。在受到最大应力的条件下，高压绕组产生的不是塑性变形，而是弹性变形。在短路故障排除后，即短路电流消失后，高压绕组能够恢复原来的形状，继续正常工作。如图10所示，将序贯有序元法得到的机械合力与测量得到的机械合力的进行比较，整体的趋势相同。在位置4，序贯有序元法得到的高压绕组中短路电磁力的最大值为347.9N，与试验值相差不大。图9高压绕组结构分析（a）应力分布（b）绕组变形图10高压绕组的分析值与实验值比较IEEETransactionsonMagnetics,Vol.48,No.2,February,20124结论在本文中，采用了序贯有序元法计算出干式变压器绕组所受到的机械合力。特别是为尽量接近实际电力变压器的绕组结构，我们将高压绕组分为20个区域，低压绕组分为22个区域。采用这种建模技术，计算出在短路条件下，干式变压器绕组各个区域承受的电磁力大小。电磁力的值由短路电流和漏磁通密度共同决定，且可分解为径向电磁力和轴向电磁力，方便模拟与仿真。采用序贯有限元法（FEM），将磁矢势、磁通密度、电磁力以及短路电流等作为输入数据，在考虑应力分布与绕组变形等机械特征的情况下,求解出机械合力。最后将所得的高压绕组机械合力与实验结果进行比较，得出了令人比较满意的结果。因此，我们认为提议的序贯有序元法对于电力变压器的结构设计是有用的。特别鸣谢这次实验的成功，是各部门联合开展基本学术项目的成果。其中包括知识与经济部，韩国电力研究所，以及由韩国知识经济部斥资打造的韩国能源科技评估与计划院的人力资源开发部，此向他(她)们表示衷心的感谢。（编号20114030200030）参考文献[1]K.Zakrzewski,B.Tomczuk,andD.Koteras,“Simulationofforce