空心电力电抗器设计计算相关问题及计算机辅助设计
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摘要
空心电力电抗器目前已经成为电力系统中的重要设备。我国自主研发空心电力电抗器起步较晚，设计与制造的自动化程度不高。计算机辅助设计技术是设计与制造业发展里程上的一次重要革命。社会的发展与需求表明，电抗器计算机辅助系统的开发和应用已经迫在眉睫。
本文首先对空心电力电抗器设计计算相关的基础技术问题进行了全面的分析。总结了其中几个重要方面已有的较好的数学模型，包括同轴方式下线圈的自感和互感的计算公式，涡流损耗计算公式，磁场计算公式等。本文还从电磁场的基本原理出发，求得了非同轴平行螺线管之间的互感计算公式和大型空心电力电抗器电磁力的解析表达式。其次，本文对单相空心电力电抗器和三相空心电力电抗器的整体设计方法进行了探讨。在以上有关空心电抗器设计的理论基础之上，开发了基于Windows操作系统的空心电抗器计算机辅助设计系统。
空心电抗器计算机辅助设计系统的开发是本课题的关键任务。为了提高软件的适用性和扩展性，软件制作过程中尽量选用工业标准技术和具有广泛适用性的技术：以Windows为平台，以Visual C++为开发工具，从底层自主开发；软件开发中采用了面向对象方法作为指导思想，开发出一套合理的系统分类方案；利用多线程技术实现复杂的计算过程；利用数据库技术实现资源共享和数据维护；选用OpenGL完成图形绘制任务，实现空心电抗器的可视化设计。本文开发的空心电抗器计算机辅助设计系统能够完成多种空心电抗器产品的智能化设计，可以对设计结果进行可视化工程分析，并自动绘制各种信息图表，生成独具特色的打印报表。
Air-core power reactor has been important equipment in power system at the present time. It starts later for developing air-core power reactor by ourselves in china, but also it is not high for automaticity of design and manufacture. The technique of computer-aided design is an important revolution in course of evolution for design and manufacture industry. From social development and requirement, it is utmost urgency for developing and applying of computer-aided design for air-core power reactor.
Firstly, a careful analysis on basic technique about designing air-core power reactor is presented in the thesis. Several better mathematic models are summarized, including the formula of self-inductance and mutual inductance for two coils co-axially located, the formula of eddy current loss, the formula of magnetic field, and so on. The formulas used to calculate the mutual inductance between coils non-axially, and used to calculate electromagnetic force acted on air-core power reactor under the condition of power system short-circuit are also presented, it start from the basic principle of electromagnetic field. Secondly, the monolithic design method for single-phase air-core reactor and three-phase air-core reactor is considered. Based on these basic theories about design for air-core reactor, computer-aided design system for air-core power reactor is developed in Windows OS.
It is the crucial task of this program that develops computer-aided design system for air-core reactor. To raise the applicability and development of the software, the industrial standard technique and that has extensive applicability is chose as far as possible in course of software development: develop independently from bottom layer with Windows as platform, and Visual C++ as development tool; develop a set of reasonable class hierarchy with object oriented method as guidance; make use of multiple threads technology to implement complex calculation; use database to realize resource sharing and data maintaining; choose OpenGL to draw and
implement visualization design of air-core reactor.
Intelligent design of various air-core reactor can be completed by this computer-aided design system for air-core reactor, and engineering visualization analysis can be went on to design result, the various graph about information can be drawn, characteristic print form can be generated.
本文首先对空心电力电抗器设计计算相关的基础技术问题进行了全面的分析。总结了其中几个重要方面已有的较好的数学模型，包括同轴方式下线圈的自感和互感的计算公式，涡流损耗计算公式，磁场计算公式等。本文还从电磁场的基本原理出发，求得了非同轴平行螺线管之间的互感计算公式和大型空心电力电抗器电磁力的解析表达式。其次，本文对单相空心电力电抗器和三相空心电力电抗器的整体设计方法进行了探讨。在以上有关空心电抗器设计的理论基础之上，开发了基于Windows操作系统的空心电抗器计算机辅助设计系统。
空心电抗器计算机辅助设计系统的开发是本课题的关键任务。为了提高软件的适用性和扩展性，软件制作过程中尽量选用工业标准技术和具有广泛适用性的技术：以Windows为平台，以Visual C++为开发工具，从底层自主开发；软件开发中采用了面向对象方法作为指导思想，开发出一套合理的系统分类方案；利用多线程技术实现复杂的计算过程；利用数据库技术实现资源共享和数据维护；选用OpenGL完成图形绘制任务，实现空心电抗器的可视化设计。本文开发的空心电抗器计算机辅助设计系统能够完成多种空心电抗器产品的智能化设计，可以对设计结果进行可视化工程分析，并自动绘制各种信息图表，生成独具特色的打印报表。
Air-core power reactor has been important equipment in power system at the present time. It starts later for developing air-core power reactor by ourselves in china, but also it is not high for automaticity of design and manufacture. The technique of computer-aided design is an important revolution in course of evolution for design and manufacture industry. From social development and requirement, it is utmost urgency for developing and applying of computer-aided design for air-core power reactor.
Firstly, a careful analysis on basic technique about designing air-core power reactor is presented in the thesis. Several better mathematic models are summarized, including the formula of self-inductance and mutual inductance for two coils co-axially located, the formula of eddy current loss, the formula of magnetic field, and so on. The formulas used to calculate the mutual inductance between coils non-axially, and used to calculate electromagnetic force acted on air-core power reactor under the condition of power system short-circuit are also presented, it start from the basic principle of electromagnetic field. Secondly, the monolithic design method for single-phase air-core reactor and three-phase air-core reactor is considered. Based on these basic theories about design for air-core reactor, computer-aided design system for air-core power reactor is developed in Windows OS.
It is the crucial task of this program that develops computer-aided design system for air-core reactor. To raise the applicability and development of the software, the industrial standard technique and that has extensive applicability is chose as far as possible in course of software development: develop independently from bottom layer with Windows as platform, and Visual C++ as development tool; develop a set of reasonable class hierarchy with object oriented method as guidance; make use of multiple threads technology to implement complex calculation; use database to realize resource sharing and data maintaining; choose OpenGL to draw and
implement visualization design of air-core reactor.
Intelligent design of various air-core reactor can be completed by this computer-aided design system for air-core reactor, and engineering visualization analysis can be went on to design result, the various graph about information can be drawn, characteristic print form can be generated.
引文
1 Matsushita K.，Tazumi Y.，Ishiguro F.，Kohno Y. Applications of Mutually Coupled Reactor. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Mar 1984，103(3)：530~535
2 黄春生. XKG型空心电力电抗器. 变压器, 1989，26(12)：13~14
3 陈崇源，金玮. 用CKKHT系列新型户外空心电力电抗器装备电气化铁道. 电新产品导报，2001，(1)：17~20
4 Anon. Dry Type Air Cored Reactors for Outdoor Use. Elektron，Sep 1989， 6(9)：9~10
5 Varricchio S.L. Electrical Strength in Air Core Reactors. Proceedings of the IEEE International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials，1994，3(8)：876~879
6 卡兰塔罗夫，采伊特林. 电感计算手册. 陈汤铭，刘保安.机械工业出版社，1992：208~372
7 Tharwat H. Fawzi， E Burke. The Accurate Computation of Self and Mutual Inductance of Circular Coils. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems， Apr 1978， Vol. PAS-97(2)：464~468
8 陈乔夫，李湘生. 空心电力电抗器的电感计算. 华中理工大学学报，1994，22(4)：11~15
9 Marc T. Thompson. Inductance Calculation Techniques. Power control and intelligent motion，December 1999，25(12)：40~45
10 曹云东，夏天伟等. 高压空心电力电抗器的磁场分析及电感计算. 变压器，1995，32(5)：21~23，26
11 夏天伟，曹云东，闫英敏. 三相干式空心电抗器组等效感抗的计算. 电工技术学报，1999，14(3)：61~64
12 Burke P. E. Shielding of Air Core-Reactors. IEEE Transactions on Magnetics，Sep 1983，19(5)：2070~2072
魏新劳，麻森. 多层并联空心电力电抗器磁场的解析计算方法. 变压
13 器，1993，2：12~15
14 Yu Qin，Simplified magnetic field modeling and calculation of large air-core reactor coils， IEEE Transactions on Magnetics， Vol.32， No.2， Sep 1996， p 4281~4283
15 杨海芳，赵海翔. 干式空心电抗器三相磁场的解析计算. 变压器，1998，35（9）：5~9
16 杨海芳，赵海翔. 干式空心电力电抗器短路电动力的计算. 电工技术杂志，1999，(5)：18~22
17 Yamaguchi Hiroshi，Kataoka Teruo. Stability Analysis of Air-Core Superconducting Power Transformer. IEEE Transactions on Applied Superconductivity，1997，7(2)：1013~1016
18 Zhan W.， Shi and Chinniah B. Rajianathan. A Method of Reducing Errors in the Calculation of Electromagnetic Forces by Maxwell Stress Summation Method. IEEE transaction on magnetics，1999.05， 35(3)：1358~1361
19 Hiroshi Yamaguchi， Teruo Kataoka， Hiroki Matsuoka， Tomohide Mouri， Shoji Nishikata， Yukihiko Sato. Magnetic Field and Electromagnetic Force Analysis of 3-Phase Air-Core Superconducting Power Transformer. IEEE Trans. on applied superconductivity，2001.03，11(1)：1490~1493
20 罗孟杰，丁旭.叠装式空心电力电抗器短路强度研究.沈阳工业大学学报，1997，(5)：16~18
21 叶占刚. 干式空心限流电抗器的温升对产品质量的影响及其控制方法. 电工技术杂志，1997，(3)：21~23
22 程卫英，倪光正等. 空心电力电抗器涡流场的B样条有限元数值分析. 中国电机工程学报，1994，14(1)：7~13
23 Fawzi T. H.，Burke P. E.，Lau T. C. H. Bie Analysis of Eddy Current Losses in Rectangular Busbars in Nonuniform Fields. IEEE Transactions on Magnetics，Nov 1982，18(6)：1061~1063
24 夏天伟， 曹云东等. 干式空心电力电抗器温度场分析. 高电压技术，1999，(4)：11~14
25 黄缉熙，肖志华等. 空心电力电抗器计算和设计. 电气传动，1991，21(5)：46~55
26 吴声治，吴迪顺等. 干式空心电力电抗器设计和计算方法的探讨，变压器. 1997，34(3)：18~22
27 曹滨，许家文等. 三相垂直叠放户外空心干式电抗器的设计. 黑龙江电力， 1999，(2)：37~38
28 曹云东，夏天伟等. 干式空心电力电抗器优化设计中等式约束处理的研究. 电工技术学报，1999，(4)：36~38
29 魏新劳.大型干式空心电力电抗器设计计算相关理论研究.哈尔滨工业大学博士论文， 2002：1~70
30 廖建勇. 计算机辅助设计的发展与应用. 株洲工学院学报，1998，12(3，4)：35~39
31 林慧珠，杜存臣. 计算机辅助设计的产生和发展. 化学工业与工业技术，2001，22(2)：46~48
32 吴险峰，刘新. Windows 95下利用OpenGL进行CAD开发的研究. 计算机辅助工程，2000，(1)：65~69
33 黄永红，杨东等. Windows环境下CAD用户界面的设计与实现. 计算机辅助工程，1997，(1)：6~14
34 骆昌勤，温建勇等. 面向对象的级进模结构约束描述模型. 计算机辅助工程，2001，(1)：36~41
35 任颂华，周超骏. 船舶设计中面向对象建模初探.计算机辅助工程，1997，(1)：25-30
36 Kate Gregory. Visual C++ 6开发使用手册. 前导工作室. 机械工业出版社，1998：485~503
37 唐泽圣，孙延奎等. 科学计算可视化理论与应用研究进展. 清华大学学报（自然科学版），2001，41(4/5)：199-202
38 吴斌，毕丽蕴. OpenGL编程实例与技巧. 人民邮电出版社，1999：81~415
39 韩祯祥，吕捷等. 科学计算可视化及其在电力系统中的应用前景. 电网技术，1996，(7)：22~27
童劲松，蔡青. 电磁场的科学计算可视化.西北工业大学学报，1996，
40 14(4)：633~637
41 唐炳华，赵世杰. 大学物理学（第二册）. 学苑出版社，1995：93~144
42 毛钧杰，何建国. 电磁场理论. 国防科技大学出版社，1998：1~17
43 孙家广，许隆文. 计算机图形学. 清华大学出版社，1986：66~72
44 冯英进，张晓帆等. 矩形网格绘制等值线图中二义性问题的一种算法. 新疆大学学报（理工版）， 2001，18(2)：196~199
45 刘勇奎. 计算机图形学的基础算法. 科学出版社，2001：52~59
46 David J. Kruglinski， Scot Wingo， George Shepherd. Visual C++ 6.0 技术内幕（第五版）. 北京希望电子出版社. 希望图书创作室，2001：1~950
47 编程高手工作室. Visual C++ 6.0编程高手.北京希望电子出版社，1999：1~369
2 黄春生. XKG型空心电力电抗器. 变压器, 1989，26(12)：13~14
3 陈崇源，金玮. 用CKKHT系列新型户外空心电力电抗器装备电气化铁道. 电新产品导报，2001，(1)：17~20
4 Anon. Dry Type Air Cored Reactors for Outdoor Use. Elektron，Sep 1989， 6(9)：9~10
5 Varricchio S.L. Electrical Strength in Air Core Reactors. Proceedings of the IEEE International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials，1994，3(8)：876~879
6 卡兰塔罗夫，采伊特林. 电感计算手册. 陈汤铭，刘保安.机械工业出版社，1992：208~372
7 Tharwat H. Fawzi， E Burke. The Accurate Computation of Self and Mutual Inductance of Circular Coils. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems， Apr 1978， Vol. PAS-97(2)：464~468
8 陈乔夫，李湘生. 空心电力电抗器的电感计算. 华中理工大学学报，1994，22(4)：11~15
9 Marc T. Thompson. Inductance Calculation Techniques. Power control and intelligent motion，December 1999，25(12)：40~45
10 曹云东，夏天伟等. 高压空心电力电抗器的磁场分析及电感计算. 变压器，1995，32(5)：21~23，26
11 夏天伟，曹云东，闫英敏. 三相干式空心电抗器组等效感抗的计算. 电工技术学报，1999，14(3)：61~64
12 Burke P. E. Shielding of Air Core-Reactors. IEEE Transactions on Magnetics，Sep 1983，19(5)：2070~2072
魏新劳，麻森. 多层并联空心电力电抗器磁场的解析计算方法. 变压
13 器，1993，2：12~15
14 Yu Qin，Simplified magnetic field modeling and calculation of large air-core reactor coils， IEEE Transactions on Magnetics， Vol.32， No.2， Sep 1996， p 4281~4283
15 杨海芳，赵海翔. 干式空心电抗器三相磁场的解析计算. 变压器，1998，35（9）：5~9
16 杨海芳，赵海翔. 干式空心电力电抗器短路电动力的计算. 电工技术杂志，1999，(5)：18~22
17 Yamaguchi Hiroshi，Kataoka Teruo. Stability Analysis of Air-Core Superconducting Power Transformer. IEEE Transactions on Applied Superconductivity，1997，7(2)：1013~1016
18 Zhan W.， Shi and Chinniah B. Rajianathan. A Method of Reducing Errors in the Calculation of Electromagnetic Forces by Maxwell Stress Summation Method. IEEE transaction on magnetics，1999.05， 35(3)：1358~1361
19 Hiroshi Yamaguchi， Teruo Kataoka， Hiroki Matsuoka， Tomohide Mouri， Shoji Nishikata， Yukihiko Sato. Magnetic Field and Electromagnetic Force Analysis of 3-Phase Air-Core Superconducting Power Transformer. IEEE Trans. on applied superconductivity，2001.03，11(1)：1490~1493
20 罗孟杰，丁旭.叠装式空心电力电抗器短路强度研究.沈阳工业大学学报，1997，(5)：16~18
21 叶占刚. 干式空心限流电抗器的温升对产品质量的影响及其控制方法. 电工技术杂志，1997，(3)：21~23
22 程卫英，倪光正等. 空心电力电抗器涡流场的B样条有限元数值分析. 中国电机工程学报，1994，14(1)：7~13
23 Fawzi T. H.，Burke P. E.，Lau T. C. H. Bie Analysis of Eddy Current Losses in Rectangular Busbars in Nonuniform Fields. IEEE Transactions on Magnetics，Nov 1982，18(6)：1061~1063
24 夏天伟， 曹云东等. 干式空心电力电抗器温度场分析. 高电压技术，1999，(4)：11~14
25 黄缉熙，肖志华等. 空心电力电抗器计算和设计. 电气传动，1991，21(5)：46~55
26 吴声治，吴迪顺等. 干式空心电力电抗器设计和计算方法的探讨，变压器. 1997，34(3)：18~22
27 曹滨，许家文等. 三相垂直叠放户外空心干式电抗器的设计. 黑龙江电力， 1999，(2)：37~38
28 曹云东，夏天伟等. 干式空心电力电抗器优化设计中等式约束处理的研究. 电工技术学报，1999，(4)：36~38
29 魏新劳.大型干式空心电力电抗器设计计算相关理论研究.哈尔滨工业大学博士论文， 2002：1~70
30 廖建勇. 计算机辅助设计的发展与应用. 株洲工学院学报，1998，12(3，4)：35~39
31 林慧珠，杜存臣. 计算机辅助设计的产生和发展. 化学工业与工业技术，2001，22(2)：46~48
32 吴险峰，刘新. Windows 95下利用OpenGL进行CAD开发的研究. 计算机辅助工程，2000，(1)：65~69
33 黄永红，杨东等. Windows环境下CAD用户界面的设计与实现. 计算机辅助工程，1997，(1)：6~14
34 骆昌勤，温建勇等. 面向对象的级进模结构约束描述模型. 计算机辅助工程，2001，(1)：36~41
35 任颂华，周超骏. 船舶设计中面向对象建模初探.计算机辅助工程，1997，(1)：25-30
36 Kate Gregory. Visual C++ 6开发使用手册. 前导工作室. 机械工业出版社，1998：485~503
37 唐泽圣，孙延奎等. 科学计算可视化理论与应用研究进展. 清华大学学报（自然科学版），2001，41(4/5)：199-202
38 吴斌，毕丽蕴. OpenGL编程实例与技巧. 人民邮电出版社，1999：81~415
39 韩祯祥，吕捷等. 科学计算可视化及其在电力系统中的应用前景. 电网技术，1996，(7)：22~27
童劲松，蔡青. 电磁场的科学计算可视化.西北工业大学学报，1996，
40 14(4)：633~637
41 唐炳华，赵世杰. 大学物理学（第二册）. 学苑出版社，1995：93~144
42 毛钧杰，何建国. 电磁场理论. 国防科技大学出版社，1998：1~17
43 孙家广，许隆文. 计算机图形学. 清华大学出版社，1986：66~72
44 冯英进，张晓帆等. 矩形网格绘制等值线图中二义性问题的一种算法. 新疆大学学报（理工版）， 2001，18(2)：196~199
45 刘勇奎. 计算机图形学的基础算法. 科学出版社，2001：52~59
46 David J. Kruglinski， Scot Wingo， George Shepherd. Visual C++ 6.0 技术内幕（第五版）. 北京希望电子出版社. 希望图书创作室，2001：1~950
47 编程高手工作室. Visual C++ 6.0编程高手.北京希望电子出版社，1999：1~369