输变电设备工频电场的正、逆问题及电磁环境研究

论文摘要

随着我国特高压电网的建设,以及人们对电磁环境日益增加的关注,电力系统的电磁环境评测也越来越重要。论文针对输变电设备电磁环境评测中所涉及到的工频电场的正问题、逆问题以及测量工具展开了研究,主要工作如下:（1）采用模拟电荷法（CSM）计算了在忽略杆塔与绝缘子的影响时高压输电线周围工频电场正问题。（2）提出了一种基于遗传算法（GA）的改进模拟电荷法（IGA-CSM）。验证了算法的正确性,并采用该算法计算了绝缘子电场正问题,介绍了绝缘子电场正问题计算在电力系统绝缘状态检测中的应用。（3）针对目前电力系统环评测试中存在的问题,提出了高压输电线工频电场逆问题的定义。计算了500kV双回输电线电场的逆问题,并采用IES-Electro软件对计算结果进行了验证。提出并计算了绝缘子电场的逆问题。（4）针对目前工频电磁场测量设备在测量时移动不方便、以及可能引入人体干扰的缺点,研制了基于无线传输的工频电磁场测量系统。通过在500kV变电站的测试试验,验证了系统在变电站高压电磁环境下的工作稳定性、无线通信器没有影响设备工频场的分布,并测试了系统的最大稳定无线传输距离。（5）为获取现有变电站内工作环境下的工频电磁场分布情况,在郑州市500kV小刘变电站内进行了电磁场环评测试,分别测量了变电站内工作环境下人体模型不穿屏蔽服与穿着屏蔽服时,模型所处位置电磁场的大小,并对测量结果进行了分析。（6）介绍了目前国内外计算变电站内工频电场的常用方法,分析了各种计算方法的优缺点。提出了考虑站内关键设备影响时,变电站内的工频电场的计算方法,计算了500kV变电站内500kV开关场设备区工频电场,采用IES-Coulomb软件对相同的模型进行了仿真,验证了结果的正确性。（7）在变电站内工频电场正问题计算方法的基础上,研制了高压工频电场计算分析软件（EMPF）。论文的主要创新点有:（1）本文提出的IGA-CSM,与目前的传统模拟电荷法（TCSM）相比,避免了繁冗的校正、调整工作;与目前的GA-CSM相比,采用了实数编码的GA,初始种群的产生方式做了改进,将匹配点的边界条件信息引入到初始种群中,增加了先验信息,提高了收敛速度。方法的具体实现过程为:模型中设置的匹配点数量N为TCSM中匹配点与校验点的数量之和,将校验点信息合并到匹配点中,保证了等效模型的准确性。此时模型中匹配点数量N大于模拟电荷的数量M,根据CSM基本原理得到一个超定方程。根据方程中的变量与GA的基本原理,采用实数对其进行编码。首先随机产生一个初始种群,从N个匹配点中选取M个,解其与M个模拟电荷形成的线性方程,得到模拟电荷的大小,更改初始种群中该部分变量对应的基因,同时根据经验修改模拟电荷的位置,并在初始种群中修改该部分变量对应的基因,然后开始搜索计算。提高了算法的收敛速度,减小优化计算量。（2）提出了高压输电线工频电场与绝缘子工频电场逆问题的定义,利用全局正则化技术处理测量误差与干扰对逆问题解带来的不适定性,采用阻尼高斯-牛顿法对逆问题进行求解。利用输电线电场逆问题的求解,在实际的环评测量中,可以通过测量输电线下方地面附近一定数量测点的电场强度,计算得到输电线周围的实际电场分布,从而以计算代替部分测量工作,降低了测量工作强度。利用绝缘子电场逆问题的求解,在绝缘子检测中可以通过测量绝缘子附近区域一定数量测点的电场强度,判断有无劣质绝缘子。（3）研制的无线工频电磁场测量系统,能够在高压电磁环境下正常工作,最大无线传输距离达到48米,其无线通信器对原场无影响。解决了目前进口的测量仪器存在的问题:a)测量时无需移动整套设备,在最大传输距离内,只需移动探头部分;b)避免了目前仪器测量时,由于人体介入目标场域,导致测量结果的偏差。（4）提出了变电站内工频电场的计算方法。采用CSM计算变电站内母线的自由电荷产生的电场强度,采用边界元法（BEM）计算变电站内主要设备表面的自由电荷、极化电荷产生的电场。根据设备的材料属性与边界条件的不同,推导了绝缘子、悬浮导体的间接边界积分方程,从而得到变电站工频电场的计算方程。与目前单一的BEM计算方法相比,剖分单元少;与单一的CSM计算方法相比,无需增加额外的方程。在此基础上,研制了高压工频电场计算分析软件（EMPF）,为特高压变电站设计时,提供了工频电场计算工具。该软件与目前的商业软件相比,建模简单,同时采用智能化连线,工作效率高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 电力系统电磁兼容
• 1.1.2 高压输电设备的工频场对环境与人的影响
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文研究目的与内容
• 2 高压输电线路与装置工频电场正问题计算
• 2.1 引言
• 2.2 高压输电线工频电场正问题
• 2.2.1 计算模型与方法
• 2.2.2 计算实例
• 2.3 高压绝缘子工频电场正问题
• 2.3.1 TCSM 计算步骤与优缺点
• 2.3.2 基于GA 的改进CSM（IGA-CSM）
• 2.3.3 基于实数编码的GA
• 2.3.4 改进算法的具体实现
• 2.3.5 验证计算
• 2.3.6 绝缘子电场正问题计算
• 2.3.7 工程应用
• 2.4 小结
• 3 高压输电线路与装置工频电场逆问题研究及其应用
• 3.1 引言
• 3.2 高压输电线工频电场逆问题
• 3.2.1 问题的提出及定义
• 3.2.2 计算模型与方程
• 3.2.3 逆问题的病态特性
• 3.2.4 Tikhonov 正则化
• 3.2.5 非线性逆问题的最小二乘解
• 3.2.6 全局正则化与阻尼高斯-牛顿法
• 3.2.7 计算实例
• 3.3 绝缘子电场逆问题研究
• 3.3.1 逆问题方程
• 3.3.2 计算实例
• 3.4 结论
• 4 工频电磁场无线测量分析系统
• 4.1 引言
• 4.2 工频电磁场测量工具研究现状
• 4.3 工频电磁辐射无线测量分析系统
• 4.3.1 系统结构与工作原理
• 4.3.2 系统硬件部分
• 4.3.3 系统软件部分
• 4.4 无线工频电磁测量分析系统测试实验
• 4.4.1 工作稳定性测试试验
• 4.4.2 无线传输模块最大传输距离测试试验
• 4.5 小结
• 5 高压变电站工频电磁环境评测及分析
• 5.1 引言
• 5.2 测试方法
• 5.3 测试数据与分析
• 5.4 结论
• 6 高压变电站工频电场计算方法研究
• 6.1 引言
• 6.2 国内外研究现状
• 6.3 边界元法
• 6.3.1 间接边界积分方程
• 6.3.2 分层介质的间接边界积分方程
• 6.3.3 悬浮导体的间接边界积分方程
• 6.4 三维空间模拟电荷法
• 6.4.1 坐标变换
• 6.4.2 三维空间的直线型模拟电荷
• 6.5 变电站设备工频电场计算
• 6.5.1 模型建立
• 6.5.2 积分方程离散
• 6.6 计算实例
• 6.6.1 单个设备的计算结果
• 6.6.2 单相计算结果
• 6.7 小结
• 7 高压变电站工频电场计算分析软件
• 7.1 引言
• 7.2 功能结构
• 7.2.1 模型管理模块
• 7.2.2 计算管理模块
• 7.2.3 结果处理模块
• 7.2.4 其它模块
• 7.3 小结
• 8 总结与展望
• 8.1 论文总结
• 8.2 对下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录