Abstract ：

在低压螺旋式绕组中采用换位结构未能完全消除绕组内环流,并联导线间的电流仍存在差异。分析换位结构下绕组电流分布特性是计算绕组短路电磁力的基础和前提。以往在计算短路电磁力时,往往忽略短路电流的分布特性。在考虑换位结构的基础上对两种110 k V变压器低压绕组的电流分布特性进行研究,发现低压绕组导线回路间电流差值与峰值电流平均值的比值最大可达8.67%。绕组结构变化引起的导线回路漏感抗差异是导致并联回路电流分布不均的主要原因。同时,计算获得了不同电流分布情况下低压绕组各线饼中导线受到的电磁力分布规律,发现电流分布不均匀程度越大,导线在换位前后电磁力改变量越大,最大可达5.9%。定义导线回路间电流差值...

Keyword ：

导线间电流差异 短路电磁力 短路电流 换位结构 螺旋式绕组

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Tesla变压器在高功率脉冲电源中占有重要地位,其次级绕组是机械故障损坏的主要部位。为了研究次级绕组充电过程中所受动态电磁力以及绕组机械故障机理,建立了有限元模型与集总电路相结合的绕组受力仿真模型。先使用COMSOL有限元分析软件提取Tesla变压器的分布参数,构建求解集总参数电路得到次级线圈的电位电流分布,然后将电流分布赋给有限元模型中的次级线圈作为磁场场源,计算磁场以及电磁力分布。仿真结果验证了平行于锥形线圈母线上的电磁力分量是引起绕组线圈错位的主要原因,且错位力的分布集中在两端,垂直于线圈母线上的压紧力有抵抗绕组变形的能力,在同样卷绕力下大径端的压紧力最小,是整个绕组受力的薄弱点,与实际...

Keyword ：

Tesla变压器 故障机理 集总电路 有限元 锥形绕组

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气体绝缘开关设备(GIS)在电力传输中具有重要作用,对电力系统安全、稳定运行具有重要意义。目前,利用电力设备扫频特性对GIS机械故障进行检测的方法受到广泛关注,但缺乏对GIS在扫频电流作用下的磁场以及电磁力分布研究。为此,文中建立110 kV三相共体式GIS母线筒的有限元模型,仿真研究不同电流频率下GIS磁场及电磁力分布特征。结果表明,随着电流频率的变化,GIS内部磁场分布规律、GIS外壳和导电杆所受电磁力分布规律均不发生改变;但GIS内部磁通密度会随着电流频率增加而下降,外壳所受电磁力大小会随着电流频率的增加而增大。研究结果为利用GIS扫频特性进行机械故障检测提供了理论基础。

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磁场分布 电磁力分布 气体绝缘开关设备(GIS) 扫频电流 有限元模型

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本公开揭示了一种变压器绕组换位结构有限元建模方法，包括如下步骤：测量变压器绕组在换位过程中导线的高度变化值、半径变化值和旋转角度，构建变压器绕组的参数化方程；对变压器绕组进行差异化建模；在COMSOL有限元分析软件中构建变压器求解域三维模型和铁心三维模型；对变压器绕组施加激励电流，并对由求解域三维模型、铁心三维模型以及变压器绕组三维模型构成的变压器三维模型进行网格划分；利用有限元求解器对网格划分后的变压器三维模型进行峰值电流下的静态磁场计算，获得含有换位结构的变压器的漏磁场分布规律以及各线饼的电磁力分布规律，为评估变压器抗短路能力提供依据。

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气体绝缘开关设备(GIS)在电力传输中具有重要作用,对电力系统安全、稳定运行具有重要意义。目前,利用电力设备扫频特性对GIS机械故障进行检测的方法受到广泛关注,但缺乏对GIS在扫频电流作用下的磁场以及电磁力分布研究。为此,文中建立110 k V三相共体式GIS母线筒的有限元模型,仿真研究不同电流频率下GIS磁场及电磁力分布特征。结果表明,随着电流频率的变化,GIS内部磁场分布规律、GIS外壳和导电杆所受电磁力分布规律均不发生改变;但GIS内部磁通密度会随着电流频率增加而下降,外壳所受电磁力大小会随着电流频率的增加而增大。研究结果为利用GIS扫频特性进行机械故障检测提供了理论基础。

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磁场分布 电磁力分布 气体绝缘开关设备(GIS) 扫频电流 有限元模型

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气体绝缘开关设备(GIS)在电力传输中具有重要作用,对电力系统安全、稳定运行具有重要意义.目前,利用电力设备扫频特性对GIS机械故障进行检测的方法受到广泛关注,但缺乏对GIS在扫频电流作用下的磁场以及电磁力分布研究.为此,文中建立110 kV三相共体式GIS母线筒的有限元模型,仿真研究不同电流频率下GIS磁场及电磁力分布特征.结果表明,随着电流频率的变化,GIS内部磁场分布规律、GIS外壳和导电杆所受电磁力分布规律均不发生改变;但GIS内部磁通密度会随着电流频率增加而下降,外壳所受电磁力大小会随着电流频率的增加而增大.研究结果为利用GIS扫频特性进行机械故障检测提供了理论基础.

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磁场分布 电磁力分布 气体绝缘开关设备(GIS) 扫频电流 有限元模型

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电力变压器绕组受短路电磁力作用后,可能出现可恢复的弹性变形或不可恢复的塑性变形。文中通过电磁-结构耦合有限元分析,对短路电流冲击作用下的变压器绕组弹、塑性变形特性进行理论分析和三维数值模拟,以揭示绕组弹性和塑性变形机理。首先通过有限元电磁计算分析了绕组内部短路电磁力分布,其中绕组线饼的周向电磁力分布不均是导致绕组变形的重要原因。在弹性变形计算的基础上,依据材料学的弹塑性变形分析理论,构建了绕组累积变形的量化分析模型,能够反映多次短路电磁力作用后绕组变形的累积效应。最后,以一台110 kV/25 000 kVA、双绕组电力变压器模型为例,进行绕组弹、塑性变形计算。结果可以为变压器绕组动稳定性能和绕组塑性变形预测研究提供理论参考。

Keyword ：

电力变压器绕组 短路电磁力 累积效应 塑性变形 弹性变形 有限元

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绕组变形作为变压器典型故障之一，一方面会造成绕组机械性能降低，加重绕组结构的累积性损坏；另一方面会威胁变压器整体或局部的绝缘结构，引起局部放电或过电压作用下的绝缘击穿。实际上，变压器运行时突发短路引起的电磁力是造成绕组机械结构变形的主要原因，而频率响应特性等电气表征量通常可作为分析变压器实时状态的重要依据。为更高效科学地评估绕组变形，本文基于变压器绕组状态的力学和电气特性开展了如下关联性研究： 采用有限元仿真方法比较变压器正常稳态和短路暂态运行时内部磁场和电磁力分布特点，分析变压器机械失稳条件。结果显示：变压器绕组短路电磁力峰值可达到正常稳态的数千倍。径向电磁力分量由绕组中部向端部逐渐减小，而轴向分量与之相反，最大值出现在靠近绕组端部区域。为防止绕组发生机械变形，实际设计时应结合绕组临界机械强度对电磁力进行校核。 基于改进的变压器磁-路耦合有限元模型，仿真具有高频电阻-电感-电容效应的多匝线圈系统，建立绕组结构性变形与频率响应特性的联系。通过设置不同类型、位置和程度的结构性变形，获取测试频段的频响曲线。结果显示：不同结构性变形的频响曲线低频段时变化较小，中、高频段出现明显谐振点偏移、增多或减少的现象。根据相关系数、标准差和对数误差三种统计参量可有效反映变压器频响曲线与基准曲线的相似程度随变形程度、位置等因素的变化情况。 鉴于不同绕制方式绕组绝缘结构、线匝相对位置等结构差异，实验研究绕组绕制方式与频率响应特性的关联。以频响法搭建绕组变形基本检测平台，设置不同集中性元件的模拟变形，比较各绕制方式绕组频响曲线相对正常状态的相关因子。结果显示：层式绕组线匝之间耦合强度高，频响曲线谐振点个数较少，而饼式绕组和分段圆筒式绕组在测试频段内分布多个谐振点。根据相同程度模拟变形测试结果，分段圆筒式绕组频响曲线变化最大，而层式绕组频响曲线变化最小。

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机械动力学特性 结构性变形 频率响应特性 绕制方式 绕组变形

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电磁发射，在当今世界的发射研究中逐渐占据了重要的一席之地，有着广阔的发展前景。本文利用磁力线重接式电磁发射技术理论对重接式电磁枪的设计进行了研究，并对影响重接式电磁枪发射性能的相关因素进行了分析，对重接式电磁枪的设计与发射性能的改进提出了几点建议。 本文首先介绍了电磁发射技术特点和发展史，重点阐述了它的分类和基本工作原理。然后以本文的研究对象——磁力线重接式电磁发射装置为模型，指出其是感应线圈炮的实质（弹丸由非铁磁质材料制成），分析了其原理和数学模型，通过电路计算得到了重接式电磁枪弹丸的受力特性和运动特性，为之后的研究做好了基础准备。随后先使用Ansys有限元分析软件对单级重接式电磁枪模型进行了静态下的电磁场仿真，得到了模型的电磁场分布、电磁力分布的特点和等效电感梯度特性规律等。接着，使用Ansys和Matlab软件，结合单级重接式电磁枪的模型和弹丸的受力、运动特性，对重接式电磁枪进行了动态仿真，得到了其发射运动特性。然后改变系统的相关因素变量，比如弹丸初始位置、弹丸初始速度、激励电流峰值、激励电流频率和弹丸直径、弹丸与驱动线圈间的气隙尺寸等，对比不同情况下系统对应的运动特性，揭示了这些因素对系统发射性能的影响规律。在以上分析研究的基础上，分析了三级重接式电磁枪的发射特性，并提出了一种能够提高系统发射性能的改进方案：提前开通下一级驱动线圈的电流。为后续重接式电磁发射的研究提供了一定的参考。 通过仿真结果分析，我们可以得出结论：仿真验证了影响重接式电磁枪发射性能的两个因素：激励电流和驱动线圈的等效电感梯度，改变相关参数的实质就是改变这两个因素从而改变装置的发射性能。通过仿真计算，我们可以归纳出它们和发射特性之间的关系，用来改善发射性能，为设计重接式电磁发射装置提供可靠的建议。

Keyword ：

电磁枪 发射特性 有限元仿真 重接式电磁发射

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随着社会经济的发展，人类对能源的需求日益增大。然而，以天然气、煤为代表的化石燃料具有不可再生性，且存在环境污染问题。风力、太阳能等新能源由于能源密度等无法根本解决能源问题。核聚变能作为一种清洁且取之不尽的能源，是永久解决人类能源问题的关键途径之一。目前，最有希望实现受控核聚变的途径是托卡马克装置。作为我国核聚变研究的主力单位之一，核工业西南物理研究院正在已有中国环流器2号（HL-2A）的基础上，研发建设HL-2M托卡马克装置，将有力推进我国的受控核聚变研究。由于控制等原因，在托卡马克装置内稳定运行的等离子体可能发生失稳破裂。巨大的等离子体电流在几十毫秒内衰减为零，在真空室壁中诱发涡流，并与约束磁场相互作用产生强大电磁力，可能对装置造成严重破坏。为评估等离子体破裂对真空室造成的损害，需要考虑等离子体破裂下真空室结构的电磁力及应力分布。基于以上背景，本文针对HL-2M装置真空室在等离子体破裂条件下的电磁机械耦合振动问题，基于商用软件DINA和Ansys进行了系统的数值模拟，并对耦合效应进行了分析。另一方面，基于电磁力驱动原理的飞行器电磁发射装置和受控核聚变托卡马克装置相同，是一个系列线圈构成的庞大电磁结构系统，其电磁力相关力学问题是其设计和电磁分析的关键之力。研究托卡马克装置电磁结构耦合力学问题，对飞行器电磁发射装置的研究开发也具有重要参考意义。本文的主要研究内容和相关结果如下：1）利用DINA对HL-2M等离子破裂过程进行了数值模拟，获取了主破裂（MD）及向上垂直位移事件（Upward VDE）过程中的等离子体破裂电流时空分布，及相应真空室壁上的电磁力分布。2）基于毕奥沙伐定律，开发了计算HL-2M极向场线圈（PF）及环向场线圈（TF）所产生约束磁场的方法和程序，通过对载流直导线磁场进行数值模拟分析验证了程序的有效性，基于开发程序，估算了PF磁场下TF线圈所受的最大扭矩。3）建立了单层和双层简化真空室模型，基于物理环境顺序耦合分析方法和Ansys APDL平台对MD、Upward VDE等离子体破裂工况下真空室结构的动态响应进行了电磁机械耦合及非耦合数值模拟计算，分析了耦合效应的影响。

Keyword ：

APDL数值分析 HL-2M真空室 等离子体破裂 电磁发射 电磁机械耦合

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