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输变电工程电磁场正、逆问题与实例 版权信息
- ISBN：9787030674647
- 条形码：9787030674647 ; 978-7-03-067464-7
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>>
输变电工程电磁场正、逆问题与实例 内容简介
输配电装备在周围空间产生具有一定强度和分布特征的电磁场，是其固有特性。电磁场正问题关注于输配电装备的电磁工作原理、电磁环境评估、绝缘安全分析、电磁兼容等；电磁场逆问题用于输配电装备的结构与材料优化设计、运行状态在线监测、故障诊断等。本书系统性地介绍了电磁场正问题、逆问题的基本原理、主要使用的数值分析方法和优化方法，结合作者长期从事的面向输配电工程的科研工作，重点论述对电磁场正问题、逆问题的研究实践，以及针对特定工程问题对各类方法的改进。
输变电工程电磁场正、逆问题与实例 目录
目录
前言
**篇 电磁场基本理论及输变电工程电磁问题概论
第1章 电磁场基础 3
1.1 电磁场基本方程组 3
1.1.1 麦克斯韦方程组的积分形式 3
1.1.2 麦克斯韦方程组的微分形式 5
1.1.3 介质的本构关系 6
1.2 矢量场的**性 7
1.3 矢量场的分类及处理方法 7
1.3.1 矢量场的分类 7
1.3.2 矢量场的处理方法 8
1.4 边界条件 9
1.4.1 场域边界条件 9
1.4.2 两种不同介质的边界条件 10
参考文献 11
第2章 计算电磁学基础 12
2.1 计算电磁学的形成与发展 12
2.2 工程计算电磁学常用方法概述 12
2.2.1 微分方程法与积分方程法 12
2.2.2 时域分析法与频域分析法 13
2.3 计算电磁学的研究热点 14
参考文献 15
第3章 输变电工程中的典型电磁问题 17
3.1 交流输电线路的电磁环境问题 17
3.2 直流输电线路的电磁问题 18
3.3 变电站的电磁问题 19
3.4 高压电气设备绝缘及优化设计问题 20
参考文献 21
第二篇 输变电工程中的电磁场正问题分析方法及应用
第4章 高压交流输电线路空间电场与磁场分析 27
4.1 高压交流输电线路空间电场分析 27
4.1.1 模拟电荷法基本原理 27
4.1.2 架空输电线路三维数学模型 28
4.1.3 架空输电线路电压-电场三维计算模型 31
4.1.4 算例分析 33
4.2 高压交流输电线路空间磁场分析 38
4.2.1 架空输电线路电流-磁场三维数学模型 38
4.2.2 算例分析 39
参考文献 45
第5章 高压直流输电线路空间合成电场分析 46
5.1 高压直流输电线路合成电场计算模型 46
5.2 高压直流输电线路合成电场的数值求解 48
5.2.1 电晕层区电场和放电离子的计算方法 48
5.2.2 非电晕层区的合成电场计算方法 52
5.3 合成电场正问题求解方法的特性分析 54
参考文献 59
第6章 变电站复杂工频电场计算方法 61
6.1 边界元法数学基础 61
6.1.1 边界积分方程的建立 62
6.1.2 边界积分方程的离散 64
6.2 变电站工频电场边界元方程组的建立与求解 68
6.2.1 边界元方程组的建立 68
6.2.2 边界元方程组的求解 72
6.3 新型快速多极边界元算法 73
6.3.1 快速多极子算法基础 73
6.3.2 自适应树结构 76
6.4 变电站工频电场求解的新型自适应快速多极边界元法 77
6.4.1 边界积分表达式的展开与传递 77
6.4.2 快速多极边界元算法的实现 79
6.4.3 旋转算子 80
6.4.4 新型快速多极子算法介绍 81
6.4.5 新型快速多极子算法的实现 85
6.5 快速多极子边界元优化算法 85
6.5.1 线卷积的快速傅里叶变换计算 85
6.5.2 树结构下快速傅里叶变换的引入 87
6.5.3 不采用树结构快速傅里叶变换算法的引入 89
6.5.4 优化算法计算精度和计算复杂度分析 91
6.6 试验及仿真验证 92
参考文献 95
第7章 变电站开关操作空间瞬态电场分析 96
7.1 开关操作产生瞬态电磁干扰的机理 96
7.1.1 隔离开关操作引起的波过程 96
7.1.2 母线电流计算 97
7.2 FDTD法 98
7.2.1 麦克斯韦方程和Yee氏网格 99
7.2.2 数值稳定性分析 101
7.2.3 吸收边界条件 101
7.3 变电站瞬态电磁场计算 102
7.3.1 FDTD离散方程及吸收边界条件设置 102
7.3.2 空间瞬态电场计算 105
参考文献 109
第三篇 输变电工程中的电磁场逆问题分析方法及应用
第8章 交流架空输电线路电参量反演方法研究 113
8.1 粒子群优化算法概述 113
8.1.1 基本原理 113
8.1.2 粒子群优化算法中参数对性能的影响 114
8.1.3 算法改进方向和步骤 115
8.2 遗传算法概述 115
8.2.1 基本原理 115
8.2.2 基本流程 116
8.2.3 遗传算法的特点 120
8.3 电场测量点布点方案 121
8.3.1 逆问题的不适定性分析 121
8.3.2 电场测量点的位置寻优 122
8.3.3 不同导线排列方式下的*优电场测量点布点方案 123
8.4 改进的电压逆推寻优算法 125
8.4.1 电压逆推寻优算法流程和约束条件 125
8.4.2 电场分量的逆推分析 128
8.5 电压逆推寻优算法的算例分析 130
8.5.1 等高输电线路不同导线排列方式的电压逆推分析 130
8.5.2 不等高输电线路不同导线排列方式的电压逆推分析 132
8.5.3 输电线路三维模型与二维模型的电压逆推分析 134
8.5.4 输电线路三相不平衡状态的电压逆推分析 135
8.5.5 输电线路风偏状态的电压逆推分析 136
8.5.6 输电线路含谐波情况的电压逆推分析 138
参考文献 142
第9章 高压直流输电线路合成电场及无线电干扰逆问题研究 144
9.1 高压直流输电线路合成电场及无线电干扰逆问题模型 144
9.1.1 高压直流输电线路合成电场及无线电干扰逆问题电荷分布研究 144
9.1.2 基于遗传算法的模拟电荷空间位置优化 148
9.2 高压直流输电线路合成电场及无线电干扰逆问题的收敛性分析 150
参考文献 151
第10章 绝缘子工频电场逆向检测及优化方法 153
10.1 绝缘子工频电场正、逆问题计算模型 153
10.1.1 绝缘子工频电场正问题计算模型 153
10.1.2 绝缘子工频电场逆问题计算模型 156
10.2 绝缘子电场逆问题求解中的遗传算法分析 157
10.2.1 算法流程 157
10.2.2 结果分析 158
10.3 绝缘子电场逆问题求解中的粒子群优化算法分析 160
10.3.1 算法流程 160
10.3.2 结果分析 161
10.4 绝缘子电场逆问题求解中的Tikhonov正则化方法分析 163
10.4.1 算法流程 163
10.4.2 结果分析 165
10.5 优化算法对比分析与方法改进 166
10.5.1 优化算法对比分析 166
10.5.2 基于遗传算法的Tikhonov正则化方法改进 170
10.5.3 改进算法分析 171
参考文献 173
第四篇 输变电工程中的电磁场测量
第11章 球型电场传感器测量系统的研究及应用 177
11.1 球型电场传感器测量原理和对电场畸变影响的分析 177
11.1.1 球型电场传感器测量原理与数学建模 177
11.1.2 传感器空间占位对电场畸变的分析 181
11.1.3 测量电极间的耦合畸变分析 188
11.1.4 电场畸变校正研究 190
11.2 电场传感器测量系统研究 192
11.2.1 传感器探头设计与等效分析 192
11.2.2 信号处理电路 194
11.2.3 PIC单片机处理电路 204
11.2.4 通信接口电路 206
11.2.5 电源电路 209
11.2.6 PCB电路整体设计 210
11.3 测量系统的软件设计与实现 212
11.3.1 程序总体流程介绍 212
11.3.2 系统各模块的软件设计 212
11.4 系统试验研究 215
11.4.1 变电站外测量试验 215
11.4.2 输电线下测量试验 217
参考文献 219
第12章 可穿戴式电场测量系统研究与实现 221
12.1 可穿戴式电场传感器测量原理理论分析 221
12.1.1 双球壳型传感器的提出 222
12.1.2 双球壳型电场传感器对空间电场分布影响的分析 223
12.1.3 传感器输出电压与空间原电场的关系 226
12.1.4 传感器等效电路分析 228
12.1.5 双球壳型电场传感器的仿真及参数选择 229
12.2 人体模型及其对电场影响的仿真研究 234
12.2.1 人体模型的建立 234
12.2.2 人体对电场分布的影响 236
12.3 可穿戴式电场测量系统硬件设计 245
12.3.1 传感器探头制作与参数计算 245
12.3.2 测量系统硬件电路设计 246
12.4 可穿戴式电场测量系统软件设计 254
12.5 可穿戴式电场测量系统试验研究 256
12.5.1 测量仪准确性验证 257
12.5.2 穿戴式测量试验 259
12.5.3 人体动作对穿戴式测量的影响 260
参考文献 260
前言
**篇 电磁场基本理论及输变电工程电磁问题概论
第1章 电磁场基础 3
1.1 电磁场基本方程组 3
1.1.1 麦克斯韦方程组的积分形式 3
1.1.2 麦克斯韦方程组的微分形式 5
1.1.3 介质的本构关系 6
1.2 矢量场的**性 7
1.3 矢量场的分类及处理方法 7
1.3.1 矢量场的分类 7
1.3.2 矢量场的处理方法 8
1.4 边界条件 9
1.4.1 场域边界条件 9
1.4.2 两种不同介质的边界条件 10
参考文献 11
第2章 计算电磁学基础 12
2.1 计算电磁学的形成与发展 12
2.2 工程计算电磁学常用方法概述 12
2.2.1 微分方程法与积分方程法 12
2.2.2 时域分析法与频域分析法 13
2.3 计算电磁学的研究热点 14
参考文献 15
第3章 输变电工程中的典型电磁问题 17
3.1 交流输电线路的电磁环境问题 17
3.2 直流输电线路的电磁问题 18
3.3 变电站的电磁问题 19
3.4 高压电气设备绝缘及优化设计问题 20
参考文献 21
第二篇 输变电工程中的电磁场正问题分析方法及应用
第4章 高压交流输电线路空间电场与磁场分析 27
4.1 高压交流输电线路空间电场分析 27
4.1.1 模拟电荷法基本原理 27
4.1.2 架空输电线路三维数学模型 28
4.1.3 架空输电线路电压-电场三维计算模型 31
4.1.4 算例分析 33
4.2 高压交流输电线路空间磁场分析 38
4.2.1 架空输电线路电流-磁场三维数学模型 38
4.2.2 算例分析 39
参考文献 45
第5章 高压直流输电线路空间合成电场分析 46
5.1 高压直流输电线路合成电场计算模型 46
5.2 高压直流输电线路合成电场的数值求解 48
5.2.1 电晕层区电场和放电离子的计算方法 48
5.2.2 非电晕层区的合成电场计算方法 52
5.3 合成电场正问题求解方法的特性分析 54
参考文献 59
第6章 变电站复杂工频电场计算方法 61
6.1 边界元法数学基础 61
6.1.1 边界积分方程的建立 62
6.1.2 边界积分方程的离散 64
6.2 变电站工频电场边界元方程组的建立与求解 68
6.2.1 边界元方程组的建立 68
6.2.2 边界元方程组的求解 72
6.3 新型快速多极边界元算法 73
6.3.1 快速多极子算法基础 73
6.3.2 自适应树结构 76
6.4 变电站工频电场求解的新型自适应快速多极边界元法 77
6.4.1 边界积分表达式的展开与传递 77
6.4.2 快速多极边界元算法的实现 79
6.4.3 旋转算子 80
6.4.4 新型快速多极子算法介绍 81
6.4.5 新型快速多极子算法的实现 85
6.5 快速多极子边界元优化算法 85
6.5.1 线卷积的快速傅里叶变换计算 85
6.5.2 树结构下快速傅里叶变换的引入 87
6.5.3 不采用树结构快速傅里叶变换算法的引入 89
6.5.4 优化算法计算精度和计算复杂度分析 91
6.6 试验及仿真验证 92
参考文献 95
第7章 变电站开关操作空间瞬态电场分析 96
7.1 开关操作产生瞬态电磁干扰的机理 96
7.1.1 隔离开关操作引起的波过程 96
7.1.2 母线电流计算 97
7.2 FDTD法 98
7.2.1 麦克斯韦方程和Yee氏网格 99
7.2.2 数值稳定性分析 101
7.2.3 吸收边界条件 101
7.3 变电站瞬态电磁场计算 102
7.3.1 FDTD离散方程及吸收边界条件设置 102
7.3.2 空间瞬态电场计算 105
参考文献 109
第三篇 输变电工程中的电磁场逆问题分析方法及应用
第8章 交流架空输电线路电参量反演方法研究 113
8.1 粒子群优化算法概述 113
8.1.1 基本原理 113
8.1.2 粒子群优化算法中参数对性能的影响 114
8.1.3 算法改进方向和步骤 115
8.2 遗传算法概述 115
8.2.1 基本原理 115
8.2.2 基本流程 116
8.2.3 遗传算法的特点 120
8.3 电场测量点布点方案 121
8.3.1 逆问题的不适定性分析 121
8.3.2 电场测量点的位置寻优 122
8.3.3 不同导线排列方式下的*优电场测量点布点方案 123
8.4 改进的电压逆推寻优算法 125
8.4.1 电压逆推寻优算法流程和约束条件 125
8.4.2 电场分量的逆推分析 128
8.5 电压逆推寻优算法的算例分析 130
8.5.1 等高输电线路不同导线排列方式的电压逆推分析 130
8.5.2 不等高输电线路不同导线排列方式的电压逆推分析 132
8.5.3 输电线路三维模型与二维模型的电压逆推分析 134
8.5.4 输电线路三相不平衡状态的电压逆推分析 135
8.5.5 输电线路风偏状态的电压逆推分析 136
8.5.6 输电线路含谐波情况的电压逆推分析 138
参考文献 142
第9章 高压直流输电线路合成电场及无线电干扰逆问题研究 144
9.1 高压直流输电线路合成电场及无线电干扰逆问题模型 144
9.1.1 高压直流输电线路合成电场及无线电干扰逆问题电荷分布研究 144
9.1.2 基于遗传算法的模拟电荷空间位置优化 148
9.2 高压直流输电线路合成电场及无线电干扰逆问题的收敛性分析 150
参考文献 151
第10章 绝缘子工频电场逆向检测及优化方法 153
10.1 绝缘子工频电场正、逆问题计算模型 153
10.1.1 绝缘子工频电场正问题计算模型 153
10.1.2 绝缘子工频电场逆问题计算模型 156
10.2 绝缘子电场逆问题求解中的遗传算法分析 157
10.2.1 算法流程 157
10.2.2 结果分析 158
10.3 绝缘子电场逆问题求解中的粒子群优化算法分析 160
10.3.1 算法流程 160
10.3.2 结果分析 161
10.4 绝缘子电场逆问题求解中的Tikhonov正则化方法分析 163
10.4.1 算法流程 163
10.4.2 结果分析 165
10.5 优化算法对比分析与方法改进 166
10.5.1 优化算法对比分析 166
10.5.2 基于遗传算法的Tikhonov正则化方法改进 170
10.5.3 改进算法分析 171
参考文献 173
第四篇 输变电工程中的电磁场测量
第11章 球型电场传感器测量系统的研究及应用 177
11.1 球型电场传感器测量原理和对电场畸变影响的分析 177
11.1.1 球型电场传感器测量原理与数学建模 177
11.1.2 传感器空间占位对电场畸变的分析 181
11.1.3 测量电极间的耦合畸变分析 188
11.1.4 电场畸变校正研究 190
11.2 电场传感器测量系统研究 192
11.2.1 传感器探头设计与等效分析 192
11.2.2 信号处理电路 194
11.2.3 PIC单片机处理电路 204
11.2.4 通信接口电路 206
11.2.5 电源电路 209
11.2.6 PCB电路整体设计 210
11.3 测量系统的软件设计与实现 212
11.3.1 程序总体流程介绍 212
11.3.2 系统各模块的软件设计 212
11.4 系统试验研究 215
11.4.1 变电站外测量试验 215
11.4.2 输电线下测量试验 217
参考文献 219
第12章 可穿戴式电场测量系统研究与实现 221
12.1 可穿戴式电场传感器测量原理理论分析 221
12.1.1 双球壳型传感器的提出 222
12.1.2 双球壳型电场传感器对空间电场分布影响的分析 223
12.1.3 传感器输出电压与空间原电场的关系 226
12.1.4 传感器等效电路分析 228
12.1.5 双球壳型电场传感器的仿真及参数选择 229
12.2 人体模型及其对电场影响的仿真研究 234
12.2.1 人体模型的建立 234
12.2.2 人体对电场分布的影响 236
12.3 可穿戴式电场测量系统硬件设计 245
12.3.1 传感器探头制作与参数计算 245
12.3.2 测量系统硬件电路设计 246
12.4 可穿戴式电场测量系统软件设计 254
12.5 可穿戴式电场测量系统试验研究 256
12.5.1 测量仪准确性验证 257
12.5.2 穿戴式测量试验 259
12.5.3 人体动作对穿戴式测量的影响 260
参考文献 260
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输变电工程电磁场正、逆问题与实例 节选
**篇 电磁场基本理论及输变电工程电磁问题概论 第1章 电磁场基础 1.1 电磁场基本方程组 电磁场理论是研究电磁场中各物理量之间关系及空间分布和时间变化的理论，电磁场理论的产生是物理学史上的里程碑之一。电磁场理论体系的核心是麦克斯韦方程组。英国物理学家麦克斯韦全面总结了在他之前出现的所有电磁学研究成果，提出了涡旋电场和位移电流两个基本假说，总结了电磁现象的基本规律，建立了完整的电磁场理论体系，揭示了光、电、磁现象的内在联系及统一性，完成了物理学的第三次大综合。他的理论成果为电工、电子及无线电工业发展奠定了理论基础，促使现代电工、电子、有线及无线通信、雷达、波导、微波等民用或军用技术的快速发展。电磁场理论的发展拓宽了科学研究的领域，在此基础上，诞生了无线电学、计算机学、微电子学、射电天文学、X射线学、高能物理学及量子力学等一大批新兴学科。经典电磁场理论及以此为基础诞生的新兴科学的应用促使人类的生产和生活走向现代化，对世界经济、政治和文化的发展具有深远影响。 1.1.1 麦克斯韦方程组的积分形式 1)高斯定律 根据库仑定律，点电荷q在介质中产生的电场强度E为 (1.1) 式中，ε为介质的介电常数；r为点电荷q到观测点的距离；r0为点电荷q指向观测点的单位矢量。 在各向同性介质中，观测点处的电位移矢量D与电场强度E的关系为 (1.2) 假设有N个点共同在观测点产生电场，则有 (1.3) 进一步得到穿过任意闭曲面的电通量等于该闭曲面包围的总电荷量Q，即 (1.4) 如果闭曲面包围体积V内的电荷密度为ρ，则有 (1.5) 这就是积分形式的高斯定律，它指出任意闭曲面S上的电位移矢量面积分等于该曲面内的总自由电荷。 2)磁通连续性定律 世界上没有单独的磁极或磁荷存在，磁感应线构成闭合回路，既无始端也无终端。在磁场中，穿进任意闭曲面的磁通量Фin等于穿出该闭曲面的磁通量Фout，即穿进或穿出闭曲面的净磁通量等于零： (1.6) 3)电磁感应定律 1831年法拉第发现电磁感应现象，即如果穿过闭合回路l所包围面积的磁通量Ф随时间变化，则会产生感应电动势?，有 (1.7) 当场域中存在局外电场时，有 (1.8) 此外 (1.9) 则可得 (1.10) 4)全电流定律 1873年麦克斯韦在研究电容器电流时提出位移电流的概念。电容器极板处传导电流的不连续引起极板上电荷的变化，因而产生变化的电场，存在。电位移矢量D的变化率即为位移电流密度Jd[1]。传导电流I和位移电流Id的总和称为全电流It，在传导电流不连续的地方产生位移电流，全电流是连续的。磁场强度H沿任意闭合回路l的线积分等于穿过该闭合回路l所包围面积S的全电流： (1.11) 设传导电流密度为J，有 (1.12) 以及 (1.13) 由此可得 (1.14) 现将全电流定律、电磁感应定律、磁通连续性定律、高斯定律的积分形式重写如下： (1.15) 1.1.2 麦克斯韦方程组的微分形式 根据矢量场的斯托克斯定理，对于矢量场M存在 (1.16) 式(1.15)的后两项可以改写为 (1.17) (1.18) 根据矢量场的散度定理 (1.19) 式(1.15)的后两项又可以改写为 (1.20) (1.21) 麦克斯韦方程组的微分形式只能应用于连续介质中，在介质分界面上不成立，后面将给出不同介质的分界面条件。 1.1.3 介质的本构关系 介质在电磁场的作用下，存在极化和磁化现象[2]。 介质的极化是指介质中的束缚电荷在电磁场作用下产生微小运动，其宏观效应可用正负电荷间的微小位移来表示，即相当于偶极矩。极化强度P表示单位体积内具有的电偶极矩。在各向同性介质中，极化强度P与电场强度E成正比，存在如下本构关系： (1.22) 式中，、分别为空气、介质的介电常数；为介质的电极化率。 介质的磁化是指介质中的分子电流所形成的分子磁偶极矩在受到磁场作用时，其大小和方向发生变化而出现的宏观磁偶极矩。磁化强度M表示单位体积内具有的磁偶极矩。在各向同性介质中，磁化强度M与磁场强度H成正比，存在如下本构关系： (1.23) 式中，、分别为空气、介质的磁导率；为介质的磁化率。 在导电介质中建立电场，导电介质中的自由电子受电场力作用加速运动，从而产生沿电场强度E方向的电流密度J。在各向同性静止介质中，某点的J与该点的E成正比，存在如下本构关系：
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