【摘要】：隨著我國電網建設的不斷進行,越來越多不同作用和類型的電子、電氣設備應用于電力系統(tǒng)中,雖然它們的大小尺寸不同,但是都會產生電磁輻射,從而導致周圍空間的電磁環(huán)境日益復雜。為了分析電子、電氣設備等不同尺度目標與干擾源之間的相互作用并提出快速、準確的電磁耦合計算方法,本文對開孔屏蔽體、貫通傳輸線、多導體傳輸線以及埋地電纜等不同尺度目標的電磁耦合效應問題進行了研究。針對不同的研究目標,建立了相應的計算模型,為研究不同場合中的電磁耦合效應問題提出了理論依據(jù)和參考方法。本文主要的研究工作如下:(1)針對導電材料封堵開孔的多腔體屏蔽體,分別研究了平面波(遠場干擾)和電偶極子(近場干擾)激勵下屏蔽體的屏蔽效能(Shielding Effectiveness,SE)。對于平面波激勵的情況,基于導電材料的轉移阻抗和腔體的格林函數(shù),提出了一種計算具有環(huán)狀開孔屏蔽體屏蔽效能的解析模型,并分析了導電材料厚度和電導率、環(huán)狀開孔位置和尺寸等參數(shù)對屏蔽效能的影響;對于電偶極子激勵的情況,基于廣義BLT(Baum-Liu-Tesche)方程,提出了一種內置電路板的屏蔽體屏蔽效能的解析模型,該模型可以快速分析電偶極子位置、電路板厚度和數(shù)量以及位置對屏蔽效能的影響。利用全波仿真軟件CST(Computer Simulation Technology)對上述解析模型的計算結果進行了驗證,結果表明解析模型具有較好的計算準確性。(2)研究了多腔體屏蔽體的電磁泄漏問題。選擇屏蔽效能作為衡量電磁泄漏的指標,結合Bethe小孔耦合理論、鏡像原理和矢量位,對內置電偶極子激勵的多腔體屏蔽體進行了解析建模。該解析模型可以考慮電偶極子位置、孔陣中心點位置和開孔形狀等參數(shù)對電磁泄漏的影響,并分析了不同參數(shù)對電磁泄漏的影響規(guī)律,其計算結果和CST仿真結果吻合地較好,驗證了解析模型的有效性。(3)屏蔽體中貫通傳輸線的場線耦合問題研究。屏蔽體和貫通傳輸線之間的尺寸差距較大,同時干擾源可以通過多種耦合途徑對傳輸線進行電磁干擾,利用數(shù)值計算方法解決該問題時需要精確建模,計算效率較低。為降低此類問題的分析難度、提高計算效率,基于電磁拓撲理論(Electromagnetic Topology,EMT)和推廣的BLT方程,分析了不同干擾源激勵下開孔屏蔽體-貫通傳輸線系統(tǒng)的電磁耦合問題,提出了一種快速計算貫通傳輸線負載端響應的解析模型。在該解析模型中,首先利用EMT理論分析干擾電磁場與貫通傳輸線的不同耦合途徑;然后計算屏蔽體中的z1合電場分布,利用得到的電場分布建立Agrawal形式推廣的BLT方程;最后計算得到貫通傳輸線的負載端響應。該解析模型可以很方便地計算貫通傳輸線不同長度和位置時的負載端響應,通過與時域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)法的計算結果進行對比,驗證了該解析模型具有計算簡單和高效的優(yōu)勢。(4)為了分析外界干擾源與多導體傳輸線(Multiconductor transmission lines,MTLs)以及埋地電纜的電磁耦合效應問題,本文基于傳輸線的頻域二階基本電流方程,利用伽遼金法、矢量匹配以及迭代卷積,提出了一種僅以電流為迭代變量的改進的時域有限元(Finite-Element Time-Domain,FETD)算法。該算法可以計算外界電磁場激勵下有損大地上多導體傳輸線和埋地電纜的瞬態(tài)響應,克服了 FDTD法為了保證穩(wěn)定性需要滿足CFL(Courant Friedrich Levy)約束條件,具有絕對收斂的優(yōu)勢;改進的FETD算法僅以電流為迭代變量就能實現(xiàn)瞬態(tài)響應的計算,提高了計算效率,特別當多導體傳輸線負載端接有集總參數(shù)網絡時,相較于FDTD法,該算法可以避免列寫復雜的狀態(tài)方程。(5)分析外界電磁場激勵下多導體傳輸線的瞬態(tài)響應問題時,傳統(tǒng)數(shù)值計算方法需要將傳輸線離散成多段,降低了計算效率,同時由于多導體傳輸線之間的相互耦合性,這些數(shù)值方法也無法進行并行運算。為了解決上述問題減少計算時間,本文基于波形松弛技術和 DEPACT(Delay Extraction-based Passive Compact Transmission Line Macromodeling Algorithm)時域宏模型,提出了一種計算有損大地上多導體傳輸線瞬態(tài)響應的時域算法,該算法不僅大幅度減少了傳輸線的離散段數(shù),還可以進行并行運算。根據(jù)以上算法建立傳輸線的等效電路,并利用電路仿真軟件PSCAD計算了傳輸線的瞬態(tài)響應,其準確性和計算效率通過SD-2nd FDTD(Spatial Decomposition and Second-Order Finite-Difference Time-Domain)并行運算方法進行了驗證。
【學位授予單位】：華北電力大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM15
【圖文】：

中有一定的抗干擾能力。逡逑電磁兼容主要包含三個要素：電磁干擾源、耦合途徑和敏感設備ｍ，邋１者之逡逑間的關系如圖１－１所小，該圖描述的關系是：丨？擾源通過某種耦合途徑對敏感設備逡逑產生電磁干擾。在不同系統(tǒng)或設備之間，電磁兼容通常涉及到多個方面的問題，逡逑主要體現(xiàn)在：干擾源產生電磁輻射的同時本身也是敏感設備；ｒ擾源與敏感設備逡逑之Ｎ的耦合途徑是多種渠道的；敏感設備面臨多種不同類型干擾源的影響。逡逑＇邐＾邋焌yU邐，邐、＼，逡逑＼電磁干擾＾邐ｙ邐敏感設備｜逡逑圖１－丨電磁兼容三要素逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｈｅ邋ｔｈｒｅｅ邋ｅｌｅｍｅｎｔｓ邋ｏｆ邋ＥＭＣ逡逑通常情況，空間電磁環(huán)境中存在著不同類型的電磁干擾源，這些干擾源一般逡逑分為兩部分：一部分來自于系統(tǒng)內部，例如隨著電網的不斷復雜，變電站內一次逡逑設備導致的電磁干擾問題日益普遍，變電站內的電壓和電流沿著各種電路傳輸?shù)藉义夏妇�的過程中會經過一些元器件，而這些元器件都相當于一個可以發(fā)射電磁波的逡逑天線，在高頻電磁干擾的影響下，這些器件會向周圍空間輻射電磁場。同時切、逡逑合空載母線產生的瞬態(tài)電磁場不僅通過空間輻射耦合到二次設備

脈沖丨８’９】（Ｎｕｃｌｅａｒ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ邋Ｐｕｌｓｅ，邋ＮＥＭＰ邋）、雷電電磁脈沖丨丨０＇１１］邋（邋Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ逡逑Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ邋Ｐｕｌｓｅ，邋ＬＥＭＰ）、聞功率微波【丨２’１３丨（Ｈｉｇｈ邋Ｐｏｗｅｒ邋Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ，邋ＨＰＭ）等電磁逡逑脈沖產生的輻射電磁場，會在廣闊空間范圍內與架空輸電線路、埋地電纜等產生逡逑耦合作用，在線纜上感應出幅值很高的電壓和電流，嚴重時會燒毀負載端連接的逡逑設備。逡逑電磁耦合途徑是指干擾源產生的電磁能量作用于敏感設備的通道。通常而逡逑言，對于具有金屬屏蔽體保護的電路或設備，干擾源與敏感設備之間的耦合通道逡逑有多種。如圖１－２所示的一個金屬屏蔽體，雖然屏蔽體可以隔離電磁干擾源與內逡逑部設備，阻斷絕大部分電磁能量的傳輸，但是電磁干擾源產生的電磁波仍然能影逡逑響內部設備的正常工作：一是電磁波通過電源線、信號線等傳導耦合途徑影響內逡逑部連接的設備；二是電磁波通過縫隙、通風口等間接耦合途徑影響內部設備。對逡逑于架空輸電線路來說，由于其具有遠距離輸送、規(guī)模大、建立在空曠區(qū)域等特點，逡逑覆蓋范圍較大的強電磁脈沖源的輻射電磁場會直接與線路產生耦合作用，在線路逡逑上產生幅值較大的瞬態(tài)感應電壓和電流，從而影響線路負載端的設備［１４１５］。鋪設逡逑在地下的電纜雖然不直接暴露在空曠區(qū)域，但是由于干擾電磁波會穿透土壤，與逡逑埋地電纜產生耦合作用１１６１７１，進而損壞電纜結構，影響電力和信息的正常傳輸。逡逑

屮北電力大學博上學位論文逡逑２．２導電材料的轉移阻抗逡逑如圖２－１所示，外界入射電磁波通過導電材料封堵的環(huán)狀開孔或矩形開孔進逡逑入到屏蔽體內部，利用矢量電位計算得到屏蔽體中的耦合電磁場分布。矢量電位逡逑與導電材料內表面的等效面磁流相關，若要計算得到面磁流需要先求出內表面的逡逑切向電場分量。逡逑ａ）邐Ｍｅｔａｌｌｉｃ邋ｐｌａｔｅ邋（ＰＥＣ）邋少“邐ｂ．邋Ｍｅｔａｌｌｉｃ邋ｐｌａｔｅ邋（ＰＥＣ）邋ｙ邋ｉ邋ｌ逡逑

【參考文獻】

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本文編號：2756176