变电站开关瞬态场及其对二次电缆的耦合机理研究

论文摘要

随着电网向特高压、集约化方向发展和微电子技术在二次设备中的广泛应用,变电站电磁环境日趋恶化,二次设备的电磁兼容问题日益突出,研究变电站开关瞬态场及其对二次电缆的耦合机理具有重要的理论意义和应用价值。本论文基于时域有限差分（FDTD）方法,研究了变电站开关瞬态场的时域仿真方法,变电站土壤中和电缆沟内的瞬态电磁场分布,有界波电磁脉冲（EMP）模拟器的传输线设计,近场对有限长线缆的耦合机理,以及瞬态电磁场耦合电缆的数值计算方法。论文主要研究成果如下:1.建立了变电站开关瞬态场的时域仿真模型,基于火花放电理论,提出了隔离开关操作时电弧放电通道的时变电阻和电感公式。通过拟合典型变电站开关瞬态场实测数据获得了开关电弧放电通道时变电阻的变化范围。基于该模型研究了影响开关瞬态场强度和上升时间的多种参数,为超高压和特高压变电站开关瞬态场研究提供了理论基础。2.针对变电站电缆沟内瞬态电磁场分布,提出了非均匀网格FDTD法,获得了变电站土壤中和电缆沟内不同截面上的开关瞬态场分布规律。深入研究了盖板参数对电缆沟内开关瞬态场强度的影响,为电缆沟设计和二次电缆布线提供了理论依据。3.针对变电站电磁脉冲（EMP）模拟技术,首次研究了有界波EMP模拟器的传输线部分的长度、宽度以及有耗大地介电常数、电导率对其工作区间内电磁波传播模式的影响,结果表明传输线宽度是主要影响因素。该结论可指导有界波EMP模拟器传输线设计。4.提出了近场对有限长线缆耦合的时域计算方法,系统地推导了与多种细导线相交的网格面上的电磁场分量的FDTD差分方程,该方法的优点是直接在时域内对近场和传输线进行整体建模计算。本论文比较了研究场线耦合问题的时域近场方法和远场方法。基于该方法研究了电场分量和磁场分量对线缆的耦合机理和不同回路间的串扰问题。5.提出了瞬态电磁场对电缆耦合的区域分解时域有限差分（DD-FDTD）计算方法,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。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。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 引言
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 二次设备的电磁兼容问题
• 1.2.2 变电站开关瞬态场数值分析
• 1.2.3 电磁脉冲模拟技术
• 1.2.4 瞬态电磁场对线缆耦合的计算方法
• 1.3 论文主要工作
• 第二章 变电站开关瞬态场及其分布研究
• 2.1 时域有限差分（FDTD）法
• 2.1.1 FDTD 法求解瞬态问题的优点
• 2.1.2 FDTD 法基本原理
• 2.1.2.1 Maxwell 方程和Yee 网格
• 2.1.2.2 数值稳定性
• 2.1.3 FDTD 法激励源设置
• 2.1.3.1 强迫激励源
• 2.1.3.2 总场边界条件
• 2.1.3.3 平面波的加入
• 2.1.4 FDTD 法吸收边界条件
• 2.1.4.1 Mur 吸收边界条件
• 2.1.4.2 Berenger 完全匹配层
• 2.1.5 FDTD 法小结
• 2.2 变电站开关瞬态场时域计算方法
• 2.2.1 变电站开关瞬态场时域模型
• 2.2.2 有集中元件的 FDTD 法
• 2.2.3 介质界面电磁参数选取
• 2.2.4 电弧放电通道等效电路
• 2.2.5 电弧放电通道的时变电阻和电感公式
• 2.2.6 计算实例
• 2.2.6.1 隔离开关操作空载母线时开关瞬态场
• 2.2.6.2 隔离开关操作设备连线时开关瞬态场
• 2.3 变电站瞬态电磁环境
• 2.3.1 变电站地面附近开关瞬态场分布
• 2.3.1.1 隔离开关合闸初期开关瞬态场分布
• 2.3.1.2 隔离开关合闸末期开关瞬态场分布
• 2.3.1.3 隔离开关间隙对开关瞬态场分布的影响
• 2.3.2 变电站土壤内开关瞬态场分布
• 2.3.2.1 纵截面开关瞬态场
• 2.3.2.2 横截面开关瞬态场
• 2.3.3 变电站电缆沟内开关瞬态场分布
• 2.3.3.1 非均匀网格FDTD 法
• 2.3.3.2 变电站电缆沟内开关瞬态场
• 2.3.3.3 盖板参数对透入到电缆沟内的瞬态场影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 有界波 EMP 模拟器的传输线研究
• 3.1 有界波 EMP 模拟器数值分析方法
• 3.1.1 平行线栅有界波 EMP 模拟器
• 3.1.2 数值分析模型
• 3.1.2.1 导体面上电磁场的处理方法
• 3.1.2.2 激励源设置
• 3.1.2.3 终端负载处理方法
• 3.1.3 计算结果
• 3.2 有界波 EMP 模拟器工作区间内电磁场分布规律
• 3.3 有界波 EMP 模拟器工作区间外电磁场分布规律
• 3.4 有界波 EMP 模拟器工作区间内电磁波传播模式研究
• 3.4.1 倾斜金属板处理方法
• 3.4.2 对影响工作区间内电磁波传播模式的参数的研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 近场对有限长线缆耦合的时域计算方法
• 4.1 有限长直细导线周围电磁场分布
• 4.2 细导线 FDTD 法
• 4.3 有限长细导线 FDTD 法
• 4.3.1 单向有限长直细导线端部电磁场分布
• 4.3.2 多向有限长直细导线拐角附近电磁场分布
• 4.3.3 有限长倾斜细导线附近电磁场分布
• 4.3.4 有限长细导线FDTD 法与细导线FDTD 法计算精度比较
• 4.4 电流电压分量的 FDTD 差分公式
• 4.5 场线耦合时域近场方法计算实例
• 4.6 时域近场方法与远场方法比较
• 4.7 电场和磁场对线缆的耦合机理
• 4.8 不同回路间的串扰问题研究
• 4.9 本章小结
• 第五章 瞬态电磁场对屏蔽电缆的耦合机理研究
• 5.1 柱坐标 FDTD 法
• 5.2 瞬态场对电缆耦合的 DD-FDTD 计算方法
• 5.2.1 直角坐标与圆柱坐标重叠区域内的数据交换
• 5.2.2 柱坐标系中三角型网格的处理方法
• 5.3 瞬态电磁场耦合屏蔽电缆数值分析
• 5.3.1 屏蔽电缆不同截面上电磁场分布
• 5.3.2 电缆屏蔽层上电流密度分布
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 论文结论
• 6.2 对下一步工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、攻读博士学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参加的科研工作