多尺度目标电磁耦合效应及其计算方法的研究

发布时间：2020-07-15 07:27

【摘要】：随着我国电网建设的不断进行,越来越多不同作用和类型的电子、电气设备应用于电力系统中,虽然它们的大小尺寸不同,但是都会产生电磁辐射,从而导致周围空间的电磁环境日益复杂。为了分析电子、电气设备等不同尺度目标与干扰源之间的相互作用并提出快速、准确的电磁耦合计算方法,本文对开孔屏蔽体、贯通传输线、多导体传输线以及埋地电缆等不同尺度目标的电磁耦合效应问题进行了研究。针对不同的研究目标,建立了相应的计算模型,为研究不同场合中的电磁耦合效应问题提出了理论依据和参考方法。本文主要的研究工作如下:(1)针对导电材料封堵开孔的多腔体屏蔽体,分别研究了平面波(远场干扰)和电偶极子(近场干扰)激励下屏蔽体的屏蔽效能(Shielding Effectiveness,SE)。对于平面波激励的情况,基于导电材料的转移阻抗和腔体的格林函数,提出了一种计算具有环状开孔屏蔽体屏蔽效能的解析模型,并分析了导电材料厚度和电导率、环状开孔位置和尺寸等参数对屏蔽效能的影响;对于电偶极子激励的情况,基于广义BLT(Baum-Liu-Tesche)方程,提出了一种内置电路板的屏蔽体屏蔽效能的解析模型,该模型可以快速分析电偶极子位置、电路板厚度和数量以及位置对屏蔽效能的影响。利用全波仿真软件CST(Computer Simulation Technology)对上述解析模型的计算结果进行了验证,结果表明解析模型具有较好的计算准确性。(2)研究了多腔体屏蔽体的电磁泄漏问题。选择屏蔽效能作为衡量电磁泄漏的指标,结合Bethe小孔耦合理论、镜像原理和矢量位,对内置电偶极子激励的多腔体屏蔽体进行了解析建模。该解析模型可以考虑电偶极子位置、孔阵中心点位置和开孔形状等参数对电磁泄漏的影响,并分析了不同参数对电磁泄漏的影响规律,其计算结果和CST仿真结果吻合地较好,验证了解析模型的有效性。(3)屏蔽体中贯通传输线的场线耦合问题研究。屏蔽体和贯通传输线之间的尺寸差距较大,同时干扰源可以通过多种耦合途径对传输线进行电磁干扰,利用数值计算方法解决该问题时需要精确建模,计算效率较低。为降低此类问题的分析难度、提高计算效率,基于电磁拓扑理论(Electromagnetic Topology,EMT)和推广的BLT方程,分析了不同干扰源激励下开孔屏蔽体-贯通传输线系统的电磁耦合问题,提出了一种快速计算贯通传输线负载端响应的解析模型。在该解析模型中,首先利用EMT理论分析干扰电磁场与贯通传输线的不同耦合途径;然后计算屏蔽体中的z1合电场分布,利用得到的电场分布建立Agrawal形式推广的BLT方程;最后计算得到贯通传输线的负载端响应。该解析模型可以很方便地计算贯通传输线不同长度和位置时的负载端响应,通过与时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)法的计算结果进行对比,验证了该解析模型具有计算简单和高效的优势。(4)为了分析外界干扰源与多导体传输线(Multiconductor transmission lines,MTLs)以及埋地电缆的电磁耦合效应问题,本文基于传输线的频域二阶基本电流方程,利用伽辽金法、矢量匹配以及迭代卷积,提出了一种仅以电流为迭代变量的改进的时域有限元(Finite-Element Time-Domain,FETD)算法。该算法可以计算外界电磁场激励下有损大地上多导体传输线和埋地电缆的瞬态响应,克服了 FDTD法为了保证稳定性需要满足CFL(Courant Friedrich Levy)约束条件,具有绝对收敛的优势;改进的FETD算法仅以电流为迭代变量就能实现瞬态响应的计算,提高了计算效率,特别当多导体传输线负载端接有集总参数网络时,相较于FDTD法,该算法可以避免列写复杂的状态方程。(5)分析外界电磁场激励下多导体传输线的瞬态响应问题时,传统数值计算方法需要将传输线离散成多段,降低了计算效率,同时由于多导体传输线之间的相互耦合性,这些数值方法也无法进行并行运算。为了解决上述问题减少计算时间,本文基于波形松弛技术和 DEPACT(Delay Extraction-based Passive Compact Transmission Line Macromodeling Algorithm)时域宏模型,提出了一种计算有损大地上多导体传输线瞬态响应的时域算法,该算法不仅大幅度减少了传输线的离散段数,还可以进行并行运算。根据以上算法建立传输线的等效电路,并利用电路仿真软件PSCAD计算了传输线的瞬态响应,其准确性和计算效率通过SD-2nd FDTD(Spatial Decomposition and Second-Order Finite-Difference Time-Domain)并行运算方法进行了验证。
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM15
【图文】：

电磁兼容,三要素,敏感设备

中有一定的抗干扰能力。逡逑电磁兼容主要包含三个要素：电磁干扰源、耦合途径和敏感设备ｍ，邋１者之逡逑间的关系如图１－１所小，该图描述的关系是：丨？扰源通过某种耦合途径对敏感设备逡逑产生电磁干扰。在不同系统或设备之间，电磁兼容通常涉及到多个方面的问题，逡逑主要体现在：干扰源产生电磁辐射的同时本身也是敏感设备；ｒ扰源与敏感设备逡逑之Ｎ的耦合途径是多种渠道的；敏感设备面临多种不同类型干扰源的影响。逡逑＇逦＾邋焌yU逦，逦、＼，逡逑＼电磁干扰＾逦ｙ逦敏感设备｜逡逑图１－丨电磁兼容三要素逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｈｅ邋ｔｈｒｅｅ邋ｅｌｅｍｅｎｔｓ邋ｏｆ邋ＥＭＣ逡逑通常情况，空间电磁环境中存在着不同类型的电磁干扰源，这些干扰源一般逡逑分为两部分：一部分来自于系统内部，例如随着电网的不断复杂，变电站内一次逡逑设备导致的电磁干扰问题日益普遍，变电站内的电压和电流沿着各种电路传输到逡逑母线的过程中会经过一些元器件，而这些元器件都相当于一个可以发射电磁波的逡逑天线，在高频电磁干扰的影响下，这些器件会向周围空间辐射电磁场。同时切、逡逑合空载母线产生的瞬态电磁场不仅通过空间辐射耦合到二次设备

屏蔽体,电磁

脉冲丨８’９】（Ｎｕｃｌｅａｒ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ邋Ｐｕｌｓｅ，邋ＮＥＭＰ邋）、雷电电磁脉冲丨丨０＇１１］邋（邋Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ逡逑Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ邋Ｐｕｌｓｅ，邋ＬＥＭＰ）、闻功率微波【丨２’１３丨（Ｈｉｇｈ邋Ｐｏｗｅｒ邋Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ，邋ＨＰＭ）等电磁逡逑脉冲产生的辐射电磁场，会在广阔空间范围内与架空输电线路、埋地电缆等产生逡逑耦合作用，在线缆上感应出幅值很高的电压和电流，严重时会烧毁负载端连接的逡逑设备。逡逑电磁耦合途径是指干扰源产生的电磁能量作用于敏感设备的通道。通常而逡逑言，对于具有金属屏蔽体保护的电路或设备，干扰源与敏感设备之间的耦合通道逡逑有多种。如图１－２所示的一个金属屏蔽体，虽然屏蔽体可以隔离电磁干扰源与内逡逑部设备，阻断绝大部分电磁能量的传输，但是电磁干扰源产生的电磁波仍然能影逡逑响内部设备的正常工作：一是电磁波通过电源线、信号线等传导耦合途径影响内逡逑部连接的设备；二是电磁波通过缝隙、通风口等间接耦合途径影响内部设备。对逡逑于架空输电线路来说，由于其具有远距离输送、规模大、建立在空旷区域等特点，逡逑覆盖范围较大的强电磁脉冲源的辐射电磁场会直接与线路产生耦合作用，在线路逡逑上产生幅值较大的瞬态感应电压和电流，从而影响线路负载端的设备［１４１５］。铺设逡逑在地下的电缆虽然不直接暴露在空旷区域，但是由于干扰电磁波会穿透土壤，与逡逑埋地电缆产生耦合作用１１６１７１，进而损坏电缆结构，影响电力和信息的正常传输。逡逑

电磁场分布,导电材料,封堵,开孔

屮北电力大学博上学位论文逡逑２．２导电材料的转移阻抗逡逑如图２－１所示，外界入射电磁波通过导电材料封堵的环状开孔或矩形开孔进逡逑入到屏蔽体内部，利用矢量电位计算得到屏蔽体中的耦合电磁场分布。矢量电位逡逑与导电材料内表面的等效面磁流相关，若要计算得到面磁流需要先求出内表面的逡逑切向电场分量。逡逑ａ）逦Ｍｅｔａｌｌｉｃ邋ｐｌａｔｅ邋（ＰＥＣ）邋少“逦ｂ．邋Ｍｅｔａｌｌｉｃ邋ｐｌａｔｅ邋（ＰＥＣ）邋ｙ邋ｉ邋ｌ逡逑

【参考文献】