变电站电磁脉冲耦合倾斜二次电缆数值分析

为了研究电磁脉冲耦合二次电缆的机理,基于电磁散射理论建立了脉冲场耦合传输线的三维倾斜时间域有限差分(FDTD)数值分析模型,推导出了三角形网格内的电磁场修正方程,进而计算了电磁脉冲激励下理想导体面上倾斜单导体传输线终端负载上的电流响应。结果表明,随着一端负载逐渐增大另一端负载上电流幅值逐渐减小,但反射逐渐增大。用电磁脉冲模拟器进行的实验验证结果表明,传输线终端负载上电流测量结果与计算结果比较符合,证明建立的三维倾斜FDTD数值模型可用于变电站电磁脉冲耦合二次电缆问题的研究。     

电磁脉冲模拟器仿真与实验研究

为了获得电磁脉冲模拟器工作区间内瞬态电磁场的分布情况并用时域有限差分法对自建的电磁脉冲模拟器进行了建模和数值仿真,并用三维瞬态电场测量系统和瞬态磁场测量系统实际测量了模拟器工作区间内的瞬态电磁场。仿真和测量结果表明,该电磁脉冲模拟器可产生上升沿为20~30ns的强电磁脉冲,且二者吻合较好。基于建立的模型得到了有界波电磁脉冲模拟器工作区间内瞬态电磁场的分布规律:电磁脉冲强度由工作区间中心向两侧逐渐减小,随高度的增加,电磁脉冲强度逐渐增大。基于上述模型通过数值仿真可检验电磁干扰和电磁防护实验结果的准确性。     

线缆集总等效电磁干扰源测量模型研究

复杂电磁场激励下线缆终端的响应很难通过数值计算的方法准确获得。基于场线耦合理论,提出了线缆的集总等效电磁干扰源的测量模型。根据集总等效源与终端负载无关的性质,得到这一激励下的线缆终端的集总等效源,为分析和研究相同外场激励不同终端负载下的终端响应提供了条件。利用两线架空线模型,通过理论分析验证了该模型的有效性,并研究了终端含有动态元件网络的电磁干扰问题,该模型分析结果与时域有限差分法得到的瞬态时域结果波形和幅值均一致。应用该方法获得了两线串扰问题的集总等效源,并通过计算获得了不同端部负载下的电压响应,计算结果与实验结果误差≤8%。准确地获得电磁干扰等效源,通过建立抑制元件的宽频模型,可以系统地研究抑制措施的抑制效能。     

基于有限元的场路模型在变压器直流偏磁中的应用

变压器直流偏磁三维电磁场的数值计算是备受关注的前沿课题。文中提出场路模型的分析方法,建立变压器电磁场模型,推导瞬态激励下的系统响应方程。运用有限元进行电磁场数值分析,并将计算结果反馈电路系统。通过实际单相变压器建模,进行负载和空载数值计算,并成功仿真直流偏磁问题,结果验证场路方法的合理性和有效性,通过总结其规律,为大型电力变压器暂态建模分析提供依据。     

IGBT电力电子系统小时间尺度动态性能分析与计算的电磁场-电路耦合模型

为了解决现有模型不完全适用于小时间尺度电力电子系统瞬态性能分析与计算的不足,建立用于IGBT电力电子系统小时间尺度动态特性分析、计算的三维电磁场-电路耦合计算模型,并提出其求解的迭代计算方法。为精确描述小时间尺度下IGBT内部瞬态电磁场及其分布规律,建立的IGBT本体三维有限元模型考虑位移电流、趋肤效应和引线邻近效应等复杂因素的影响;为考虑极小时间尺度下线路中杂散参数的电磁效应,高阶杂散参数电路模型采用多段等效电路模拟杂散参数的影响,同时采用谐态电磁场数值分析计算方法提取模型参数以考虑趋肤效应等的影响。基于IGBT内部电磁暂态过程的分析,提出一种改进的IGBT电路模型;为兼顾计算精度和计算时间的要求,提出等效高阶电路模型的一种降阶方法。仿真计算和实验测试结果证明了所建模型及求解方法的有效性和正确性。     

GIS变电站开关操作过程中架空线产生的暂态电磁场计算

随着电力系统的快速发展,气体绝缘变电站(GIS)广泛应用于高压电力系统中。GIS变电站中的开关操作会产生强烈的瞬态空间电磁场,进而威胁到变电站中电子设备的电磁兼容性(EMC)。文中计算了GIS变电站中架空线路在开关过程中产生的空间电磁场。利用数值拟合法得到了开关操作过程中的快速暂态过电流,采用时域有限差分法(FDTD)计算了架空线路产生的暂态空间电磁场,未对接地管壳和绝缘套管等电力设备建模;分析了空间暂态电磁场随距离、时间、频率变化的情况,计算结果可为GIS变电站的电磁兼容设计提供参考。     

瞬态电磁场对屏蔽电缆的耦合机理

为了研究瞬态电磁场对屏蔽电缆的耦合机理,提出了区域分解时域有限差分法。基于法拉第定律的积分形式推导出了圆柱坐标系下三角形网格内磁场分量的FDTD差分方程,获得了屏蔽电缆不同截面上电磁场分布和屏蔽层上电流密度分布的规律。初步研究表明快速瞬态电磁场难以透过电缆屏蔽层耦合电缆芯线,缝隙耦合可能是瞬态电磁场耦合电缆的主要途径。     

GIS拐弯段的补偿电容研究

在气体绝缘组合电器设备(GIS)中,隔离开关操作所产生的特快速瞬态过电压(VFTO)可能会对GIS内部绝缘结构造成影响。为了研究VFTO波形及其规律,建立GIS内部准确的计算模型非常重要。文中分别采用电磁场全波方法(时域有限差分法)和传输线方法,对GIS拐弯段即L型GIS进行了建模与计算。传输线方法由于其方法本身限制,无法考虑拐弯段电磁波畸变产生的影响,而电磁场全波方法从麦克斯韦方程出发,建立三维电磁场模型,能够考虑各种特殊结构情况下电磁场畸变情况。文中利用FDTD即时域有限差分法进行全波求解计算并和传输线方法进行对比,计算结果表明对同一段L型GIS,两种建模方法的却存在较大差异。为了修正传输线方法,通过比较两种方法的计算结果,在传输线模型中增加了L型GIS部分的补偿电容,来表示电磁波在L型GIS结构处的畸变影响。通过对1 000 k V及500 k V含有L型拐弯段的GIS管道计算,获得了两种电压等级情况下GIS拐弯段的最佳补偿电容值分别5 p F与7.5 p F。     

电力电子系统电磁干扰数值建模分析

随着半导体器件功率等级提高、开关速度加快,开关过程引起的电磁干扰(EMI)问题也日渐突出.与传统的EMI问题不同,电力电子系统的EMI问题由功率半导体器件的开关瞬态过程引起,其本质上是一个能量瞬变问题而非信号传输问题,变换形式为脉冲型而非连续型波形,传输载体和路径本质上是空间电磁场而非仅是电路电压电流.这三个特点决定了传统上从信号传播、正弦周期量变换和集总参数等效电路的角度研究EMI的方法难以揭示电力电子系统EMI问题的本质特点和规律.为此,该文从能量脉冲和电磁场瞬变过程的角度,对电磁场和载流子场耦合作用下的电力电子系统中的电磁脉冲进行建模分析.建立了面向电力电子系统EMI机理研究的三维电磁场数值模型,解算了微纳秒级开关瞬态过程中功率器件内部和空间中电磁场的分布及变化情况,并从数值计算和原理分析角度验证了所建三维电磁场数值模型的正确性.该文为电力电子系统EMI机理研究提供了有效的数值分析基础.     

三维直线感应电动机牵引力计算方法

二维有限元计算方法不能考虑电机横向有限宽度的影响,而三维有限元计算方法耗时巨大。在二维多层理论的基础上,对电机横向初级电流进行周期延拓,采用傅里叶谐波法,建立了直线感应电动机三维电磁场模型。通过计算三维电磁场量来得到电机牵引力,计算结果与实验测试结果进行了比较。     

Simulation and experimental analyses of electromagnetic transients behaviors of lightning surge on vertical conductors

Simulation of very fast surge phenomena in a three-dimensional (3-D) structure requires a method based on Maxwell's equations, such as the finite-difference time-domain (FDTD) method or the method of moments, because circuit-equation-based methods cannot handle the phenomena. This paper uses a method of thin-wire representation of the vertical conductor system for the FDTD method which is suitable for the 3-D surge simulation. The thin-wire representation is indispensable to simulate electromagnetic surges on wires or steel frames in which the radius is smaller than a discretized space step used in the FDTD simulation. In this paper, a general surge analysis program named the virtual surge test lab based on the Maxwell's equations formulated by the FDTD method, is used to simulate the surge phenomena of a vertical conductor, including the effects of horizontal wave incidence and vertical wave incidence. Experimental results on the reduced scale model have been presented in order to compare among the simulation results by the FDTD method and the results using numerical electromagnetic code based on the MoM.     

ESD辐射场的计算及对传输线的耦合研究

为分析静电放电的辐射场及其对传输线与负载终端的影响,采用了一种基于脉冲函数的静电放电电流波形解析表达式计算了静电放电电磁脉冲辐射场并给出了近场和远场波形。结果表明放电电场包括由初始电荷引起的静电场和由放电电流引起的辐射场,在放电电极附近,静电场远大于辐射场,但静电场随空间距离衰减得很快,在远区场主要由放电电流引起的辐射场。利用传输线理论建立静电放电场对电长导线的耦合计算模型得出了静电放电辐射场在线上的感应电压和感应电流计算方程。     

含分布源传输线方程的时域求解

变电站内雷击、故障和开关操作引起的瞬态电磁脉冲通过空间耦合作用在二次电缆上产生的感应电压和电流将干扰终端保护、自动装置等设备,感应电压和电流的大小可通过含分布源的传输线方程算出。均匀传输线在频域可方便求解,但非均匀传输线方程,在频域求解会很困难。为此运用时域有限差分法FDTD在时间和一维空间离散求解传输线方程,考虑到外界电磁脉冲对传输线的耦合,将其表示为分布源,从而算出终端负载的响应。计算与频域两种算法的结果吻合,验证了此算法适用于非均匀传输线方程的求解。     

屏蔽电缆参数计算及屏蔽层与芯线间的串扰

为分析线缆间的串扰问题,基于有限元软件ANSYS分析了屏蔽电缆周围的电磁场分布,通过计算导体所带电荷量以及磁链,求得了多导体传输线系统的电感电容矩阵。针对位于地面上方的屏蔽电缆系统提出了一种新的表示其传输线参数的模型,即以大地为参考导体,建立包括芯线、屏蔽层、大地的统一模型,计算其相应的传输线参数;运用所得屏蔽电缆的传输线参数,结合传输线时域有限差分(FDTD)法,仿真分析了屏蔽电缆屏蔽层中的电压、电流在电缆芯线中的耦合响应问题;基于实验室研究设备,对同轴电缆屏蔽层与芯线之间的耦合问题进行了实验测量,验证了理论研究的正确性。     

Transient analysis of inductive induced voltage between power line and nearby pipeline

Among the available literature on electromagnetic interference between high voltage power lines and nearby pipelines, the topic of transient induced voltage on the pipelines are rarely discussed. Fault in high voltage transmission systems is usually cleared in several cycles, sometimes even before the fault current reaches the steady state. This paper proposes an analytical approach for calculating the transient induced voltage and current on a pipeline due to inductive coupling using a circuit model. A numerical example is studied to demonstrate the waveforms of transient induced voltage and current on the pipeline. Simulation results show that the transient peak of the induced voltage is greater than steady state values. Therefore, it is necessary to study the induced voltage and current during the transient period.     

同杆双回线路感应电压和感应电流测量与计算

为了解决同杆双回输电线路在一回运行、一回检修时,由于两回输电线路间的静电耦合和电磁耦合作用,在检修回路中会产生感应电压和感应电流,可能对正在检修的工作人员的安全造成危害,同时对接地开关的操作带来不利的影响的问题,对同杆双回线路感应电压、感应电流及其影响因素进行了实际计算和理论分析,带并补的同杆双回线路和部分同杆架设双回线路的感应电压和感应电流采用分布参数法、电磁感应理论等进行简要分析,最后对几条330kV同杆双回线路的感应电压、感应电流进行了现场实测和电磁暂态仿真计算,在此基础上提出了检修人员应需全套屏蔽服、采用地电位作业的检修防护措施。     

基于非均匀FDTD混合算法的微带电路电磁耦合分析

微带电路包含微带线以及电路元件等局部精细结构,采用传统的FDTD方法进行电磁波照射PCB板电磁耦合的全波模拟,因网格剖分得很细,导致网格量大,计算效率低下.将非均匀FDTD方法与多网格集总元件FDTD方法结合起来,形成一种新的FDTD混合算法,模拟了电磁脉冲对带有集总元件微带电路的电磁耦合,能够快速计算得到集总元件上耦合产生的瞬态电压和电流响应.通过与有限积分法软件的仿真结果进行对比,验证了该时域混合算法的正确性,并分析了不同电磁脉冲类型以及微带线线间距对微带电路电磁耦合的影响.     

An FDTD analysis of electromagnetic fields caused by electrostatic discharge between metals with ferrite material attachments

The transient electromagnetic fields due to electrostatic discharge (ESD) between charged metals have wide‐band frequency spectra up to the microwave region, which create a serious malfunction for high‐tech information devices. For the above ESD fields, we previously analyzed them, using the finite‐difference time‐domain (FDTD) method, and showed that the metals enhance the field level according to the metal dimension. From the standpoint of reducing such ESD fields, the electromagnetic fields caused by the spark between the metals with ferrite core attachments were investigated. The FDTD method was also used to compute the ESD fields. An FDTD algorithm for the magnetic field inside the ferrite core was newly derived. The results show that the cores attached near the spark gap considerably reduce the magnetic field level, which is also confirmed experimentally. © 2001 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 138(1): 34–41, 2002     

带散射体的电力系统多级传输线高频耦合模型

高频电磁场会与架空输电线路产生耦合,一旦高频电磁场的波长小于传输线的高度,经典传输线理论就不再适用。传统的全波数值算法虽然可以解决这一问题,但它的求解效率不高,需要消耗大量的时间与计算资源。此外,电力系统输电线路往往有多个垂直端,线路布局复杂。为了解决这些问题,本文提出了一种理论有效的方法来解决有损耗地面上方带有散射体的电力系统多级传输线的高频电磁场耦合问题。采用计算效率高的渐近法,并在渐近法中引入散射体的概念,以考虑更复杂的电路结构。最后用数值算例验证了该方法的准确性和有效性。