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輸變電工程電磁場(chǎng)正、逆問題與實(shí)例

出版社：科學(xué)出版社出版時(shí)間：2021-06-01
開本： B5 頁數(shù)： 272
中 圖 價(jià):¥94.8(7.9折) 定價(jià)  ¥120.0 登錄后可看到會(huì)員價(jià)
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輸變電工程電磁場(chǎng)正、逆問題與實(shí)例 版權(quán)信息

輸變電工程電磁場(chǎng)正、逆問題與實(shí)例 內(nèi)容簡(jiǎn)介

輸配電裝備在周圍空間產(chǎn)生具有一定強(qiáng)度和分布特征的電磁場(chǎng)，是其固有特性。電磁場(chǎng)正問題關(guān)注于輸配電裝備的電磁工作原理、電磁環(huán)境評(píng)估、絕緣安全分析、電磁兼容等；電磁場(chǎng)逆問題用于輸配電裝備的結(jié)構(gòu)與材料優(yōu)化設(shè)計(jì)、運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)、故障診斷等。本書系統(tǒng)性地介紹了電磁場(chǎng)正問題、逆問題的基本原理、主要使用的數(shù)值分析方法和優(yōu)化方法，結(jié)合作者長(zhǎng)期從事的面向輸配電工程的科研工作，重點(diǎn)論述對(duì)電磁場(chǎng)正問題、逆問題的研究實(shí)踐，以及針對(duì)特定工程問題對(duì)各類方法的改進(jìn)。

輸變電工程電磁場(chǎng)正、逆問題與實(shí)例 目錄

目錄
前言
**篇 電磁場(chǎng)基本理論及輸變電工程電磁問題概論
第1章 電磁場(chǎng)基礎(chǔ) 3
1.1 電磁場(chǎng)基本方程組 3
1.1.1 麥克斯韋方程組的積分形式 3
1.1.2 麥克斯韋方程組的微分形式 5
1.1.3 介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系 6
1.2 矢量場(chǎng)的**性 7
1.3 矢量場(chǎng)的分類及處理方法 7
1.3.1 矢量場(chǎng)的分類 7
1.3.2 矢量場(chǎng)的處理方法 8
1.4 邊界條件 9
1.4.1 場(chǎng)域邊界條件 9
1.4.2 兩種不同介質(zhì)的邊界條件 10
參考文獻(xiàn) 11
第2章 計(jì)算電磁學(xué)基礎(chǔ) 12
2.1 計(jì)算電磁學(xué)的形成與發(fā)展 12
2.2 工程計(jì)算電磁學(xué)常用方法概述 12
2.2.1 微分方程法與積分方程法 12
2.2.2 時(shí)域分析法與頻域分析法 13
2.3 計(jì)算電磁學(xué)的研究熱點(diǎn) 14
參考文獻(xiàn) 15
第3章 輸變電工程中的典型電磁問題 17
3.1 交流輸電線路的電磁環(huán)境問題 17
3.2 直流輸電線路的電磁問題 18
3.3 變電站的電磁問題 19
3.4 高壓電氣設(shè)備絕緣及優(yōu)化設(shè)計(jì)問題 20
參考文獻(xiàn) 21
第二篇 輸變電工程中的電磁場(chǎng)正問題分析方法及應(yīng)用
第4章 高壓交流輸電線路空間電場(chǎng)與磁場(chǎng)分析 27
4.1 高壓交流輸電線路空間電場(chǎng)分析 27
4.1.1 模擬電荷法基本原理 27
4.1.2 架空輸電線路三維數(shù)學(xué)模型 28
4.1.3 架空輸電線路電壓-電場(chǎng)三維計(jì)算模型 31
4.1.4 算例分析 33
4.2 高壓交流輸電線路空間磁場(chǎng)分析 38
4.2.1 架空輸電線路電流-磁場(chǎng)三維數(shù)學(xué)模型 38
4.2.2 算例分析 39
參考文獻(xiàn) 45
第5章 高壓直流輸電線路空間合成電場(chǎng)分析 46
5.1 高壓直流輸電線路合成電場(chǎng)計(jì)算模型 46
5.2 高壓直流輸電線路合成電場(chǎng)的數(shù)值求解 48
5.2.1 電暈層區(qū)電場(chǎng)和放電離子的計(jì)算方法 48
5.2.2 非電暈層區(qū)的合成電場(chǎng)計(jì)算方法 52
5.3 合成電場(chǎng)正問題求解方法的特性分析 54
參考文獻(xiàn) 59
第6章 變電站復(fù)雜工頻電場(chǎng)計(jì)算方法 61
6.1 邊界元法數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 61
6.1.1 邊界積分方程的建立 62
6.1.2 邊界積分方程的離散 64
6.2 變電站工頻電場(chǎng)邊界元方程組的建立與求解 68
6.2.1 邊界元方程組的建立 68
6.2.2 邊界元方程組的求解 72
6.3 新型快速多極邊界元算法 73
6.3.1 快速多極子算法基礎(chǔ) 73
6.3.2 自適應(yīng)樹結(jié)構(gòu) 76
6.4 變電站工頻電場(chǎng)求解的新型自適應(yīng)快速多極邊界元法 77
6.4.1 邊界積分表達(dá)式的展開與傳遞 77
6.4.2 快速多極邊界元算法的實(shí)現(xiàn) 79
6.4.3 旋轉(zhuǎn)算子 80
6.4.4 新型快速多極子算法介紹 81
6.4.5 新型快速多極子算法的實(shí)現(xiàn) 85
6.5 快速多極子邊界元優(yōu)化算法 85
6.5.1 線卷積的快速傅里葉變換計(jì)算 85
6.5.2 樹結(jié)構(gòu)下快速傅里葉變換的引入 87
6.5.3 不采用樹結(jié)構(gòu)快速傅里葉變換算法的引入 89
6.5.4 優(yōu)化算法計(jì)算精度和計(jì)算復(fù)雜度分析 91
6.6 試驗(yàn)及仿真驗(yàn)證 92
參考文獻(xiàn) 95
第7章 變電站開關(guān)操作空間瞬態(tài)電場(chǎng)分析 96
7.1 開關(guān)操作產(chǎn)生瞬態(tài)電磁干擾的機(jī)理 96
7.1.1 隔離開關(guān)操作引起的波過程 96
7.1.2 母線電流計(jì)算 97
7.2 FDTD法 98
7.2.1 麥克斯韋方程和Yee氏網(wǎng)格 99
7.2.2 數(shù)值穩(wěn)定性分析 101
7.2.3 吸收邊界條件 101
7.3 變電站瞬態(tài)電磁場(chǎng)計(jì)算 102
7.3.1 FDTD離散方程及吸收邊界條件設(shè)置 102
7.3.2 空間瞬態(tài)電場(chǎng)計(jì)算 105
參考文獻(xiàn) 109
第三篇 輸變電工程中的電磁場(chǎng)逆問題分析方法及應(yīng)用
第8章 交流架空輸電線路電參量反演方法研究 113
8.1 粒子群優(yōu)化算法概述 113
8.1.1 基本原理 113
8.1.2 粒子群優(yōu)化算法中參數(shù)對(duì)性能的影響 114
8.1.3 算法改進(jìn)方向和步驟 115
8.2 遺傳算法概述 115
8.2.1 基本原理 115
8.2.2 基本流程 116
8.2.3 遺傳算法的特點(diǎn) 120
8.3 電場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)布點(diǎn)方案 121
8.3.1 逆問題的不適定性分析 121
8.3.2 電場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)的位置尋優(yōu) 122
8.3.3 不同導(dǎo)線排列方式下的*優(yōu)電場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)布點(diǎn)方案 123
8.4 改進(jìn)的電壓逆推尋優(yōu)算法 125
8.4.1 電壓逆推尋優(yōu)算法流程和約束條件 125
8.4.2 電場(chǎng)分量的逆推分析 128
8.5 電壓逆推尋優(yōu)算法的算例分析 130
8.5.1 等高輸電線路不同導(dǎo)線排列方式的電壓逆推分析 130
8.5.2 不等高輸電線路不同導(dǎo)線排列方式的電壓逆推分析 132
8.5.3 輸電線路三維模型與二維模型的電壓逆推分析 134
8.5.4 輸電線路三相不平衡狀態(tài)的電壓逆推分析 135
8.5.5 輸電線路風(fēng)偏狀態(tài)的電壓逆推分析 136
8.5.6 輸電線路含諧波情況的電壓逆推分析 138
參考文獻(xiàn) 142
第9章 高壓直流輸電線路合成電場(chǎng)及無線電干擾逆問題研究 144
9.1 高壓直流輸電線路合成電場(chǎng)及無線電干擾逆問題模型 144
9.1.1 高壓直流輸電線路合成電場(chǎng)及無線電干擾逆問題電荷分布研究 144
9.1.2 基于遺傳算法的模擬電荷空間位置優(yōu)化 148
9.2 高壓直流輸電線路合成電場(chǎng)及無線電干擾逆問題的收斂性分析 150
參考文獻(xiàn) 151
第10章 絕緣子工頻電場(chǎng)逆向檢測(cè)及優(yōu)化方法 153
10.1 絕緣子工頻電場(chǎng)正、逆問題計(jì)算模型 153
10.1.1 絕緣子工頻電場(chǎng)正問題計(jì)算模型 153
10.1.2 絕緣子工頻電場(chǎng)逆問題計(jì)算模型 156
10.2 絕緣子電場(chǎng)逆問題求解中的遺傳算法分析 157
10.2.1 算法流程 157
10.2.2 結(jié)果分析 158
10.3 絕緣子電場(chǎng)逆問題求解中的粒子群優(yōu)化算法分析 160
10.3.1 算法流程 160
10.3.2 結(jié)果分析 161
10.4 絕緣子電場(chǎng)逆問題求解中的Tikhonov正則化方法分析 163
10.4.1 算法流程 163
10.4.2 結(jié)果分析 165
10.5 優(yōu)化算法對(duì)比分析與方法改進(jìn) 166
10.5.1 優(yōu)化算法對(duì)比分析 166
10.5.2 基于遺傳算法的Tikhonov正則化方法改進(jìn) 170
10.5.3 改進(jìn)算法分析 171
參考文獻(xiàn) 173
第四篇 輸變電工程中的電磁場(chǎng)測(cè)量
第11章 球型電場(chǎng)傳感器測(cè)量系統(tǒng)的研究及應(yīng)用 177
11.1 球型電場(chǎng)傳感器測(cè)量原理和對(duì)電場(chǎng)畸變影響的分析 177
11.1.1 球型電場(chǎng)傳感器測(cè)量原理與數(shù)學(xué)建模 177
11.1.2 傳感器空間占位對(duì)電場(chǎng)畸變的分析 181
11.1.3 測(cè)量電極間的耦合畸變分析 188
11.1.4 電場(chǎng)畸變校正研究 190
11.2 電場(chǎng)傳感器測(cè)量系統(tǒng)研究 192
11.2.1 傳感器探頭設(shè)計(jì)與等效分析 192
11.2.2 信號(hào)處理電路 194
11.2.3 PIC單片機(jī)處理電路 204
11.2.4 通信接口電路 206
11.2.5 電源電路 209
11.2.6 PCB電路整體設(shè)計(jì) 210
11.3 測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 212
11.3.1 程序總體流程介紹 212
11.3.2 系統(tǒng)各模塊的軟件設(shè)計(jì) 212
11.4 系統(tǒng)試驗(yàn)研究 215
11.4.1 變電站外測(cè)量試驗(yàn) 215
11.4.2 輸電線下測(cè)量試驗(yàn) 217
參考文獻(xiàn) 219
第12章 可穿戴式電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn) 221
12.1 可穿戴式電場(chǎng)傳感器測(cè)量原理理論分析 221
12.1.1 雙球殼型傳感器的提出 222
12.1.2 雙球殼型電場(chǎng)傳感器對(duì)空間電場(chǎng)分布影響的分析 223
12.1.3 傳感器輸出電壓與空間原電場(chǎng)的關(guān)系 226
12.1.4 傳感器等效電路分析 228
12.1.5 雙球殼型電場(chǎng)傳感器的仿真及參數(shù)選擇 229
12.2 人體模型及其對(duì)電場(chǎng)影響的仿真研究 234
12.2.1 人體模型的建立 234
12.2.2 人體對(duì)電場(chǎng)分布的影響 236
12.3 可穿戴式電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 245
12.3.1 傳感器探頭制作與參數(shù)計(jì)算 245
12.3.2 測(cè)量系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 246
12.4 可穿戴式電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 254
12.5 可穿戴式電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)試驗(yàn)研究 256
12.5.1 測(cè)量?jī)x準(zhǔn)確性驗(yàn)證 257
12.5.2 穿戴式測(cè)量試驗(yàn) 259
12.5.3 人體動(dòng)作對(duì)穿戴式測(cè)量的影響 260
參考文獻(xiàn) 260
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輸變電工程電磁場(chǎng)正、逆問題與實(shí)例 節(jié)選

**篇 電磁場(chǎng)基本理論及輸變電工程電磁問題概論 第1章 電磁場(chǎng)基礎(chǔ) 1.1 電磁場(chǎng)基本方程組 電磁場(chǎng)理論是研究電磁場(chǎng)中各物理量之間關(guān)系及空間分布和時(shí)間變化的理論，電磁場(chǎng)理論的產(chǎn)生是物理學(xué)史上的里程碑之一。電磁場(chǎng)理論體系的核心是麥克斯韋方程組。英國物理學(xué)家麥克斯韋全面總結(jié)了在他之前出現(xiàn)的所有電磁學(xué)研究成果，提出了渦旋電場(chǎng)和位移電流兩個(gè)基本假說，總結(jié)了電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律，建立了完整的電磁場(chǎng)理論體系，揭示了光、電、磁現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系及統(tǒng)一性，完成了物理學(xué)的第三次大綜合。他的理論成果為電工、電子及無線電工業(yè)發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)，促使現(xiàn)代電工、電子、有線及無線通信、雷達(dá)、波導(dǎo)、微波等民用或軍用技術(shù)的快速發(fā)展。電磁場(chǎng)理論的發(fā)展拓寬了科學(xué)研究的領(lǐng)域，在此基礎(chǔ)上，誕生了無線電學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、微電子學(xué)、射電天文學(xué)、X射線學(xué)、高能物理學(xué)及量子力學(xué)等一大批新興學(xué)科。經(jīng)典電磁場(chǎng)理論及以此為基礎(chǔ)誕生的新興科學(xué)的應(yīng)用促使人類的生產(chǎn)和生活走向現(xiàn)代化，對(duì)世界經(jīng)濟(jì)、政治和文化的發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響。 1.1.1 麥克斯韋方程組的積分形式 1)高斯定律 根據(jù)庫侖定律，點(diǎn)電荷q在介質(zhì)中產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度E為 (1.1) 式中，ε為介質(zhì)的介電常數(shù)；r為點(diǎn)電荷q到觀測(cè)點(diǎn)的距離；r0為點(diǎn)電荷q指向觀測(cè)點(diǎn)的單位矢量。 在各向同性介質(zhì)中，觀測(cè)點(diǎn)處的電位移矢量D與電場(chǎng)強(qiáng)度E的關(guān)系為 (1.2) 假設(shè)有N個(gè)點(diǎn)共同在觀測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生電場(chǎng)，則有 (1.3) 進(jìn)一步得到穿過任意閉曲面的電通量等于該閉曲面包圍的總電荷量Q，即 (1.4) 如果閉曲面包圍體積V內(nèi)的電荷密度為ρ，則有 (1.5) 這就是積分形式的高斯定律，它指出任意閉曲面S上的電位移矢量面積分等于該曲面內(nèi)的總自由電荷。 2)磁通連續(xù)性定律 世界上沒有單獨(dú)的磁極或磁荷存在，磁感應(yīng)線構(gòu)成閉合回路，既無始端也無終端。在磁場(chǎng)中，穿進(jìn)任意閉曲面的磁通量Фin等于穿出該閉曲面的磁通量Фout，即穿進(jìn)或穿出閉曲面的凈磁通量等于零： (1.6) 3)電磁感應(yīng)定律 1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，即如果穿過閉合回路l所包圍面積的磁通量Ф隨時(shí)間變化，則會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)?，有 (1.7) 當(dāng)場(chǎng)域中存在局外電場(chǎng)時(shí)，有 (1.8) 此外 (1.9) 則可得 (1.10) 4)全電流定律 1873年麥克斯韋在研究電容器電流時(shí)提出位移電流的概念。電容器極板處傳導(dǎo)電流的不連續(xù)引起極板上電荷的變化，因而產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，存在。電位移矢量D的變化率即為位移電流密度Jd[1]。傳導(dǎo)電流I和位移電流Id的總和稱為全電流It，在傳導(dǎo)電流不連續(xù)的地方產(chǎn)生位移電流，全電流是連續(xù)的。磁場(chǎng)強(qiáng)度H沿任意閉合回路l的線積分等于穿過該閉合回路l所包圍面積S的全電流： (1.11) 設(shè)傳導(dǎo)電流密度為J，有 (1.12) 以及 (1.13) 由此可得 (1.14) 現(xiàn)將全電流定律、電磁感應(yīng)定律、磁通連續(xù)性定律、高斯定律的積分形式重寫如下： (1.15) 1.1.2 麥克斯韋方程組的微分形式 根據(jù)矢量場(chǎng)的斯托克斯定理，對(duì)于矢量場(chǎng)M存在 (1.16) 式(1.15)的后兩項(xiàng)可以改寫為 (1.17) (1.18) 根據(jù)矢量場(chǎng)的散度定理 (1.19) 式(1.15)的后兩項(xiàng)又可以改寫為 (1.20) (1.21) 麥克斯韋方程組的微分形式只能應(yīng)用于連續(xù)介質(zhì)中，在介質(zhì)分界面上不成立，后面將給出不同介質(zhì)的分界面條件。 1.1.3 介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系 介質(zhì)在電磁場(chǎng)的作用下，存在極化和磁化現(xiàn)象[2]。 介質(zhì)的極化是指介質(zhì)中的束縛電荷在電磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生微小運(yùn)動(dòng)，其宏觀效應(yīng)可用正負(fù)電荷間的微小位移來表示，即相當(dāng)于偶極矩。極化強(qiáng)度P表示單位體積內(nèi)具有的電偶極矩。在各向同性介質(zhì)中，極化強(qiáng)度P與電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比，存在如下本構(gòu)關(guān)系： (1.22) 式中，、分別為空氣、介質(zhì)的介電常數(shù)；為介質(zhì)的電極化率。 介質(zhì)的磁化是指介質(zhì)中的分子電流所形成的分子磁偶極矩在受到磁場(chǎng)作用時(shí)，其大小和方向發(fā)生變化而出現(xiàn)的宏觀磁偶極矩。磁化強(qiáng)度M表示單位體積內(nèi)具有的磁偶極矩。在各向同性介質(zhì)中，磁化強(qiáng)度M與磁場(chǎng)強(qiáng)度H成正比，存在如下本構(gòu)關(guān)系： (1.23) 式中，、分別為空氣、介質(zhì)的磁導(dǎo)率；為介質(zhì)的磁化率。 在導(dǎo)電介質(zhì)中建立電場(chǎng)，導(dǎo)電介質(zhì)中的自由電子受電場(chǎng)力作用加速運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生沿電場(chǎng)強(qiáng)度E方向的電流密度J。在各向同性靜止介質(zhì)中，某點(diǎn)的J與該點(diǎn)的E成正比，存在如下本構(gòu)關(guān)系：

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