外场激励下多导体传输线响应的节点导纳分析法

基于空间电磁场激励下的Taylor和Agrawal传输线模型,分别推导了Taylor 和Agrawal模型的均匀平面波激励下耦合多导体传输线终端响应的方程.将沿传输线分布的激励源等效为终端等效电流源,根据散射电压、入射电压和总电压的定义以及终端网络的边界条件,分别以传输线终端节点的总电压和散射电压为未知量,推导了均匀平面波激励下端接耦合多导体传输线的节点导纳方程.该方程为分析均匀平面波激励下含有复杂终端网络的传输线以及传输线网络的节点电压电流响应提供了简便途径,概念和计算过程简单,易于计算复杂传输线网络的节点电压.考虑大地的影响,本文全面阐述了传输线耦合电压响应分析过程,并验证了该方法的正确性.对含屏蔽地线的五导体传输线响应进行了数字仿真,并分析了地线对其他三导体响应的影响.     

架空传输线在电偶极子激励下的瞬态电磁响应

利用电磁拓扑学,将电偶极子产生的电磁场与架空传输线的电磁耦合问题进行拓扑分解,推导出用于同时求解传输线瞬态电压响应和空间电场的BLT方程.推导过程中引入电场的分量形式以解决入射场的方向性,考虑了传输线中差模电流和共模电流的辐射,并计及了由传输线初始状态引起的零输入响应.利用本文结果可有效地计算外部电磁场与传输线的耦合问题.     

变电站瞬态电磁场耦合二次电缆数值方法研究

提出瞬态电磁场耦合细线问题的三维时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)数值方法的一种改进模型。基于电磁散射理论推导出有限长直细导线终端以及拐角附近的电磁场分量的离散方程。利用改进模型计算电磁脉冲激励下双导体传输线终端负载上的电流电压响应,并进行实验验证。结果表明计算结果与实验结果吻合较好,说明改进的三维FDTD数值模型对研究瞬态场线感应问题是有效的,可用于变电站瞬态电磁场对二次电缆干扰问题的研究。     

基于拉氏反变换的传输线耦合电流半解析解

根据均匀平面波的特点，可将外场激励下传输线沿线激励的电源视为传输线首端等效电源的延迟，该延迟是空间电磁场相对于传输线入射参数的函数。基于Taylor传输线耦合模型，考虑均匀平面波激励下分布激励源的延迟性，推导了以理想大地为回线拉普拉斯域的传输线终端电流的半解析解公式，然后应用拉普拉斯反变换的性质推导出了时域电流的半解析解。终端耦合电流随着传输线参数和空间电磁场入射参数的变化而变化。仿真结果表明该半解析解公式收敛很快，对分析研究电磁场在传输线上的耦合机理和研究影响耦合电流大小的参数有特别意义。     

外界电磁场在地下多导体系统中感应电流和电位分布的计算方法

本文对外界电磁场源沿地下无限长平行多导体系统感应的电流及电位分布进行了分析;利用镜象法从电磁场基本方程出发,推导出了这些受扰地下导体中感应电流及电位分布的一般表达式;首次提出了地下多导体中感应电流、电位所应满足的传输线方程组。本文中的结论具有普遍意义,对于导体位于大地表面的情况及直流激励的情况等都同样有效。文中对平行双导体在传导性点电极激励下产生的电流、电位分布绐出了计算结果,并与实验结果进行了比较。     

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。     

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。     

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。     

时域有限元法求解传输线瞬态波过程

讨论了求解多导体传输线(multi-conductor transmission line,MTL)的时域有限元法(time domain finite element method,TDFE),并给出了计算动态集中元件的时域处理方法。通过与传统的数值计算方法时域有限差分法(finite difference time domain,FDTD)和国际上通用的电磁暂态计算程序EMTP的计算结果进行比较,验证了TDFE法的正确性。该方法克服了FDTD不能直接计算带有集中参数网络的传输线这一不足,而且在相同条件下,可以有效地抑制由于在FDTD方法中使用中心差分所造成的吉布斯效应。相对于EMTP只能求解所设定传输线两端的响应这一缺憾,该方法的优势在于能够得到沿线所有离散点的电压电流分布。最后,将TDFE应用于500 kV变电站开关操作时,由于电容式电压互感器的影响而在二次电缆上产生的电磁干扰的数值预测。     

计及PWM变换器传输线分布参数模型的宽频建模机理研究

多导体传输线是导致PWM变换器产生电压反射和加剧电磁干扰的关键因素,构建数值计算过程简化并准确表征传输特性的传输线等效模型是实现电压反射衰减以及电磁干扰预测的要点。基于Kirchhoff Law的集总参数模型高频时不能准确描述其自身固有属性,须兼顾参数的频率变化及其趋肤效应等引起的分布特性差异,并通过部分元等效电路法对多导体传输线TEM模式下的频变分布参数等效模型建模。为快速确定等效模型宽频寄生参数,通过Neumann公式与镜像构型理论,并计及导致共模传导干扰加重的接地回路对模型参数的影响,推导出传输线的部分电容参数计算公式。考虑到趋肤效应和邻近效应对导体电流分布密度的影响,利用基于RL梯形等效电路的矢量拟合算法对多导体传输线频域响应有理函数施加迭代计算,消除了最小二乘拟合残差及其收敛性问题,进而完成了估算模型准确逼近与稳定收敛,对PWM变换器系统的电磁兼容研究具有理论指导意义。最终,仿真与测试数据均验证了所提出的多导体传输线分布参数宽频建模机理的有效性和准确性。     

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。     

基于“一致性”原则的“场-多导体”传输线辐射敏感度测试的等效理论及实现

电缆是辐射干扰的一个主要来源,也是电磁耦合的接收器。随着电磁环境的日趋复杂,电缆的辐射敏感度测试已是研究电磁兼容的重点之一,但其传统的测试方法成本较高。为了节省成本且不失测试的有效性,提出一种等效测试方法,即"场-多导体"传输线耦合(FCL)模型和双端口激励下的传输线(ETP)模型之间的等效。基于多导体传输线理论,外施电磁场对传输线的影响可等效为无外施场的情况下外加一根两端接有一定幅值和相位的信号源的干扰线对传输线的响应;基于这一理论对其建模并仿真,证明两模型的等效性。由此,分别在电波暗室建立"场-多导体"耦合实验测试平台和双端口激励下的传输线多导体实验测试平台,并进行相关特性的测试。研究结果表明,在一定的频率范围内,两模型的等效性较好,即外施场对线缆的干扰测试可以用外加特定干扰线对其串扰的测试来等效,这为电缆的辐射敏感度测试问题提供了低成本的新思路,具有一定的应用前景。     

换流站阀厅电磁骚扰强度的计算分析

从时域和频域两个方面总结了应用矩量法计算阀厅内金属导体结构产生的电磁骚扰水平的方法。直接时域方法以电流为激励源进行计算,考虑因素少,计算简单;而直接频域方法由于可以同时考虑线路、金属架构等多种复杂结构的影响,模型更为准确,但是计算速度慢,建模复杂。考虑到常用的矩量法计算软件如NEC、FEKO等,不适合建立大量电流源模型,因此以电压源、导线、金属板和负载为基本元件的直接频域法就非常适合借助于成熟的软件进行工程计算。首先将±500 kV阀塔的元器件、金属导线和金属框架分别用阻抗、线天线和面天线模型进行等效。对一±500 kV换流站阀厅建立了电磁计算模型,研究了换流站在正常工作情况下由阀厅内金属导体结构产生的电磁骚扰特性,主要讨论阀厅墙体附近的辐射电磁场,阀厅外的无线电干扰水平。通过与测试结果和其它相关报告的结果对比验证了该计算方法和模型的有效性和正确性。应用该方法分析了±800 kV换流站阀厅内金属导体结构产生的电磁骚扰水平,并结合相关标准提出了阀厅墙体应具备的屏蔽效能。该研究既可以用来预测换流站内的电磁场分布,也可为阀厅的屏蔽设计提供依据。     

HEMP场激励下交直流高压输电线耦合响应概率分布

应用蒙特卡罗法和传输线耦合响应节点导纳方程,分析了高空核电磁脉冲(HEMP)场激励下交流高压输电线和直流高压输电线耦合响应的分布规律.分析中将电磁波的入射参数,包括极化角、入射角和方位角,作为一组随机变量,并由计算机随机产生.应用瞬态外场激励下多导体传输线节点导纳方程分别分析端接传输线耦合电流和耦合电压响应峰值,并得出...     

多导体配电线路感应雷过电压分析

为分析多导体架空线负载感应雷过电压及架空地线屏蔽特性,利用傅里叶变换计算雷电流的频谱分布,根据求多导体传输线负载响应的BLT方程,在频域内求其外电磁场激励下的电报方程,计算多导体配电线路感应雷过电压的频域响应,再根据傅里叶反变换求得负载端的暂态响应。配电线路感应雷过电压特性及架空地线屏蔽作用的分析结果表明,线路垂直排列时,感应雷在负载端引起的差模干扰较大,大地电导率越小架空地线的屏蔽作用越好。     

电磁注入等效替代辐照理论模型及实现技术

针对高强度辐射场(HIRF)实验室条件下无法构建,单纯辐照法难以有效开展系统级电磁辐射敏感度及安全裕度试验的问题,对电磁注入等效替代辐照理论、方法及实现技术进行了研究。本着有限目标的原则,针对典型互联系统,以设备端口的响应信号相等作为等效依据,建立了注入替代辐照的等效模型和强场条件下注入电压源外推模型,基于Baum-Liu-Tesche(BLT)方程和传输线阻抗分析理论,给出了互联传输线终端响应的计算方法,确定了注入法等效替代辐照法应满足的2个条件,即等效激励源相等和激励源输出阻抗相等,理论推导了注入电压与辐照场强之间的等效对应关系。采用注入耦合模块作为辅助试验设备,实现了互联系统中前向电压信号的提取、干扰信号的注入以及正常传输信号的有效监测;提出的注入与辐照相结合的互联系统电磁辐射效应试验方法,为正确评价互联系统的电磁辐射敏感度与安全裕度提供了切实可行的研究手段和技术支撑。     

基于Bethe小孔耦合理论和镜像原理的双腔体电磁泄漏的解析模型

针对复杂金属屏蔽体一般是由多个空间区域组成的特征,推导一种开有孔阵双金属腔体电磁泄露的解析模型。该模型将电偶极子天线作为激励源放置在一个腔体中,依据Bethe小孔耦合理论和镜像原理将相邻腔体中电磁场分布用等效偶极子表示,最后计算出耦合电磁场通过腔体中的孔阵泄露到腔体外部的辐射场。该解析模型利用屏蔽效能作为参考衡量电磁泄露问题,通过将该模型的计算结果与全波仿真软件CST结果对比,证实所建解析模型的有效性。同时利用该模型分析激励源位置、开孔位置及不同开孔形状对屏蔽效能的影响,从而分析屏蔽体外部泄露场的大小。该模型的建立为多腔体构成的复杂金属屏蔽体的电磁泄漏问题提供了一种可靠有效的参考。     

同轴电缆强电磁脉冲辐照下的终端负载响应规律

为清楚得到设备互联电缆在超宽带辐照条件下的耦合响应规律,以典型射频同轴电缆为受试对象,将电缆终端连接的设备等效为集总负载,通过对其进行超宽带辐照效应试验,分析了受试电缆长度、终端负载状态等对同轴电缆终端负载响应规律的影响。结果表明:同轴电缆对电磁辐照响应具有选频特性,终端负载响应电压的峰值出现在电缆相对长度为1/2的整数倍的频点;同轴电缆受到超宽带辐照后,感应皮电流通过转移阻抗转化为芯线与屏蔽层之间的差模感应电压,而这一感应电压源的内阻就是同轴电缆的特性阻抗;同轴电缆终端等效负载阻值的变化不会对电磁脉冲辐照响应波形产生影响,但影响其响应电压峰-峰值的大小,终端负载与等效感应电压源内阻上的电压响应满足分压原理;屏蔽室内部采用不同长度的连接电缆时,受试电缆超宽带辐照终端负载响应电压相近、峰值响应频点基本相同,说明了屏蔽室内连接电缆的长度对受试电缆超宽带辐照终端负载的响应无明显影响。     

特快速暂态过电压下变压器绕组高频模型的时域分析

基于多导体传输线模型,利用时域有限差分法对变压器绕组的暂态电压分布进行了数值计算。     

传输线残余电荷放电响应模型的研究

残余电荷放电机制研究对开关操作中快速暂态过电压和电磁干扰研究有着重要意义。基于传输线电荷密度与电压之间的关系,建立了以传输线电荷密度和沿线电流为变量的新传输线模型;结合传输线终端条件,给出了端接负载时域有限差分公式,对该差分公式进行修改获得了终端开路和短路时的差分公式。运用时域有限差分法和无损传输线理论,验证了新传输线模型的正确性,比较了新模型与传统模型在分析残余电荷放电时电压响应中的各自特点。从分析结果发现,无论空间和时间离散步长是否满足Courant条件的等式关系,残余电荷释放产生的响应均发生了振荡现象。对比电荷均匀分布和不均分布传输线电压响应可以看出:电荷不均匀分布对电压幅值和传输时延有很大的影响。