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变电站开关瞬态场及其对二次电缆的耦合机理研究

李云伟  
【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。


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