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輸變電工程電磁場正、逆問題與實例 版權信息
- ISBN：9787030674647
- 條形碼：9787030674647 ; 978-7-03-067464-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
輸變電工程電磁場正、逆問題與實例 內容簡介
輸配電裝備在周圍空間產生具有一定強度和分布特征的電磁場，是其固有特性。電磁場正問題關注于輸配電裝備的電磁工作原理、電磁環境評估、絕緣安全分析、電磁兼容等；電磁場逆問題用于輸配電裝備的結構與材料優化設計、運行狀態在線監測、故障診斷等。本書系統性地介紹了電磁場正問題、逆問題的基本原理、主要使用的數值分析方法和優化方法，結合作者長期從事的面向輸配電工程的科研工作，重點論述對電磁場正問題、逆問題的研究實踐，以及針對特定工程問題對各類方法的改進。
輸變電工程電磁場正、逆問題與實例 目錄
目錄
前言
**篇 電磁場基本理論及輸變電工程電磁問題概論
第1章 電磁場基礎 3
1.1 電磁場基本方程組 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 介質的本構關系 6
1.2 矢量場的**性 7
1.3 矢量場的分類及處理方法 7
1.3.1 矢量場的分類 7
1.3.2 矢量場的處理方法 8
1.4 邊界條件 9
1.4.1 場域邊界條件 9
1.4.2 兩種不同介質的邊界條件 10
參考文獻 11
第2章 計算電磁學基礎 12
2.1 計算電磁學的形成與發展 12
2.2 工程計算電磁學常用方法概述 12
2.2.1 微分方程法與積分方程法 12
2.2.2 時域分析法與頻域分析法 13
2.3 計算電磁學的研究熱點 14
參考文獻 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 高壓電氣設備絕緣及優化設計問題 20
參考文獻 21
第二篇 輸變電工程中的電磁場正問題分析方法及應用
第4章 高壓交流輸電線路空間電場與磁場分析 27
4.1 高壓交流輸電線路空間電場分析 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學模型 28
4.1.3 架空輸電線路電壓-電場三維計算模型 31
4.1.4 算例分析 33
4.2 高壓交流輸電線路空間磁場分析 38
4.2.1 架空輸電線路電流-磁場三維數學模型 38
4.2.2 算例分析 39
參考文獻 45
第5章 高壓直流輸電線路空間合成電場分析 46
5.1 高壓直流輸電線路合成電場計算模型 46
5.2 高壓直流輸電線路合成電場的數值求解 48
5.2.1 電暈層區電場和放電離子的計算方法 48
5.2.2 非電暈層區的合成電場計算方法 52
5.3 合成電場正問題求解方法的特性分析 54
參考文獻 59
第6章 變電站復雜工頻電場計算方法 61
6.1 邊界元法數學基礎 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 73
6.3.2 自適應樹結構 76
6.4 變電站工頻電場求解的新型自適應快速多極邊界元法 77
6.4.1 邊界積分表達式的展開與傳遞 77
6.4.2 快速多極邊界元算法的實現 79
6.4.3 旋轉算子 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現 85
6.5 快速多極子邊界元優化算法 85
6.5.1 線卷積的快速傅里葉變換計算 85
6.5.2 樹結構下快速傅里葉變換的引入 87
6.5.3 不采用樹結構快速傅里葉變換算法的引入 89
6.5.4 優化算法計算精度和計算復雜度分析 91
6.6 試驗及仿真驗證 92
參考文獻 95
第7章 變電站開關操作空間瞬態電場分析 96
7.1 開關操作產生瞬態電磁干擾的機理 96
7.1.1 隔離開關操作引起的波過程 96
7.1.2 母線電流計算 97
7.2 FDTD法 98
7.2.1 麥克斯韋方程和Yee氏網格 99
7.2.2 數值穩定性分析 101
7.2.3 吸收邊界條件 101
7.3 變電站瞬態電磁場計算 102
7.3.1 FDTD離散方程及吸收邊界條件設置 102
7.3.2 空間瞬態電場計算 105
參考文獻 109
第三篇 輸變電工程中的電磁場逆問題分析方法及應用
第8章 交流架空輸電線路電參量反演方法研究 113
8.1 粒子群優化算法概述 113
8.1.1 基本原理 113
8.1.2 粒子群優化算法中參數對性能的影響 114
8.1.3 算法改進方向和步驟 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 120
8.3 電場測量點布點方案 121
8.3.1 逆問題的不適定性分析 121
8.3.2 電場測量點的位置尋優 122
8.3.3 不同導線排列方式下的*優電場測量點布點方案 123
8.4 改進的電壓逆推尋優算法 125
8.4.1 電壓逆推尋優算法流程和約束條件 125
8.4.2 電場分量的逆推分析 128
8.5 電壓逆推尋優算法的算例分析 130
8.5.1 等高輸電線路不同導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的電壓逆推分析 135
8.5.5 輸電線路風偏狀態的電壓逆推分析 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 142
第9章 高壓直流輸電線路合成電場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化 148
9.2 高壓直流輸電線路合成電場及無線電干擾逆問題的收斂性分析 150
參考文獻 151
第10章 絕緣子工頻電場逆向檢測及優化方法 153
10.1 絕緣子工頻電場正、逆問題計算模型 153
10.1.1 絕緣子工頻電場正問題計算模型 153
10.1.2 絕緣子工頻電場逆問題計算模型 156
10.2 絕緣子電場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 結果分析 158
10.3 絕緣子電場逆問題求解中的粒子群優化算法分析 160
10.3.1 算法流程 160
10.3.2 結果分析 161
10.4 絕緣子電場逆問題求解中的Tikhonov正則化方法分析 163
10.4.1 算法流程 163
10.4.2 結果分析 165
10.5 優化算法對比分析與方法改進 166
10.5.1 優化算法對比分析 166
10.5.2 基于遺傳算法的Tikhonov正則化方法改進 170
10.5.3 改進算法分析 171
參考文獻 173
第四篇 輸變電工程中的電磁場測量
第11章 球型電場傳感器測量系統的研究及應用 177
11.1 球型電場傳感器測量原理和對電場畸變影響的分析 177
11.1.1 球型電場傳感器測量原理與數學建模 177
11.1.2 傳感器空間占位對電場畸變的分析 181
11.1.3 測量電極間的耦合畸變分析 188
11.1.4 電場畸變校正研究 190
11.2 電場傳感器測量系統研究 192
11.2.1 傳感器探頭設計與等效分析 192
11.2.2 信號處理電路 194
11.2.3 PIC單片機處理電路 204
11.2.4 通信接口電路 206
11.2.5 電源電路 209
11.2.6 PCB電路整體設計 210
11.3 測量系統的軟件設計與實現 212
11.3.1 程序總體流程介紹 212
11.3.2 系統各模塊的軟件設計 212
11.4 系統試驗研究 215
11.4.1 變電站外測量試驗 215
11.4.2 輸電線下測量試驗 217
參考文獻 219
第12章 可穿戴式電場測量系統研究與實現 221
12.1 可穿戴式電場傳感器測量原理理論分析 221
12.1.1 雙球殼型傳感器的提出 222
12.1.2 雙球殼型電場傳感器對空間電場分布影響的分析 223
12.1.3 傳感器輸出電壓與空間原電場的關系 226
12.1.4 傳感器等效電路分析 228
12.1.5 雙球殼型電場傳感器的仿真及參數選擇 229
12.2 人體模型及其對電場影響的仿真研究 234
12.2.1 人體模型的建立 234
12.2.2 人體對電場分布的影響 236
12.3 可穿戴式電場測量系統硬件設計 245
12.3.1 傳感器探頭制作與參數計算 245
12.3.2 測量系統硬件電路設計 246
12.4 可穿戴式電場測量系統軟件設計 254
12.5 可穿戴式電場測量系統試驗研究 256
12.5.1 測量儀準確性驗證 257
12.5.2 穿戴式測量試驗 259
12.5.3 人體動作對穿戴式測量的影響 260
參考文獻 260
前言
**篇 電磁場基本理論及輸變電工程電磁問題概論
第1章 電磁場基礎 3
1.1 電磁場基本方程組 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 介質的本構關系 6
1.2 矢量場的**性 7
1.3 矢量場的分類及處理方法 7
1.3.1 矢量場的分類 7
1.3.2 矢量場的處理方法 8
1.4 邊界條件 9
1.4.1 場域邊界條件 9
1.4.2 兩種不同介質的邊界條件 10
參考文獻 11
第2章 計算電磁學基礎 12
2.1 計算電磁學的形成與發展 12
2.2 工程計算電磁學常用方法概述 12
2.2.1 微分方程法與積分方程法 12
2.2.2 時域分析法與頻域分析法 13
2.3 計算電磁學的研究熱點 14
參考文獻 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 高壓電氣設備絕緣及優化設計問題 20
參考文獻 21
第二篇 輸變電工程中的電磁場正問題分析方法及應用
第4章 高壓交流輸電線路空間電場與磁場分析 27
4.1 高壓交流輸電線路空間電場分析 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學模型 28
4.1.3 架空輸電線路電壓-電場三維計算模型 31
4.1.4 算例分析 33
4.2 高壓交流輸電線路空間磁場分析 38
4.2.1 架空輸電線路電流-磁場三維數學模型 38
4.2.2 算例分析 39
參考文獻 45
第5章 高壓直流輸電線路空間合成電場分析 46
5.1 高壓直流輸電線路合成電場計算模型 46
5.2 高壓直流輸電線路合成電場的數值求解 48
5.2.1 電暈層區電場和放電離子的計算方法 48
5.2.2 非電暈層區的合成電場計算方法 52
5.3 合成電場正問題求解方法的特性分析 54
參考文獻 59
第6章 變電站復雜工頻電場計算方法 61
6.1 邊界元法數學基礎 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 73
6.3.2 自適應樹結構 76
6.4 變電站工頻電場求解的新型自適應快速多極邊界元法 77
6.4.1 邊界積分表達式的展開與傳遞 77
6.4.2 快速多極邊界元算法的實現 79
6.4.3 旋轉算子 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現 85
6.5 快速多極子邊界元優化算法 85
6.5.1 線卷積的快速傅里葉變換計算 85
6.5.2 樹結構下快速傅里葉變換的引入 87
6.5.3 不采用樹結構快速傅里葉變換算法的引入 89
6.5.4 優化算法計算精度和計算復雜度分析 91
6.6 試驗及仿真驗證 92
參考文獻 95
第7章 變電站開關操作空間瞬態電場分析 96
7.1 開關操作產生瞬態電磁干擾的機理 96
7.1.1 隔離開關操作引起的波過程 96
7.1.2 母線電流計算 97
7.2 FDTD法 98
7.2.1 麥克斯韋方程和Yee氏網格 99
7.2.2 數值穩定性分析 101
7.2.3 吸收邊界條件 101
7.3 變電站瞬態電磁場計算 102
7.3.1 FDTD離散方程及吸收邊界條件設置 102
7.3.2 空間瞬態電場計算 105
參考文獻 109
第三篇 輸變電工程中的電磁場逆問題分析方法及應用
第8章 交流架空輸電線路電參量反演方法研究 113
8.1 粒子群優化算法概述 113
8.1.1 基本原理 113
8.1.2 粒子群優化算法中參數對性能的影響 114
8.1.3 算法改進方向和步驟 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 120
8.3 電場測量點布點方案 121
8.3.1 逆問題的不適定性分析 121
8.3.2 電場測量點的位置尋優 122
8.3.3 不同導線排列方式下的*優電場測量點布點方案 123
8.4 改進的電壓逆推尋優算法 125
8.4.1 電壓逆推尋優算法流程和約束條件 125
8.4.2 電場分量的逆推分析 128
8.5 電壓逆推尋優算法的算例分析 130
8.5.1 等高輸電線路不同導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的電壓逆推分析 135
8.5.5 輸電線路風偏狀態的電壓逆推分析 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 142
第9章 高壓直流輸電線路合成電場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化 148
9.2 高壓直流輸電線路合成電場及無線電干擾逆問題的收斂性分析 150
參考文獻 151
第10章 絕緣子工頻電場逆向檢測及優化方法 153
10.1 絕緣子工頻電場正、逆問題計算模型 153
10.1.1 絕緣子工頻電場正問題計算模型 153
10.1.2 絕緣子工頻電場逆問題計算模型 156
10.2 絕緣子電場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 結果分析 158
10.3 絕緣子電場逆問題求解中的粒子群優化算法分析 160
10.3.1 算法流程 160
10.3.2 結果分析 161
10.4 絕緣子電場逆問題求解中的Tikhonov正則化方法分析 163
10.4.1 算法流程 163
10.4.2 結果分析 165
10.5 優化算法對比分析與方法改進 166
10.5.1 優化算法對比分析 166
10.5.2 基于遺傳算法的Tikhonov正則化方法改進 170
10.5.3 改進算法分析 171
參考文獻 173
第四篇 輸變電工程中的電磁場測量
第11章 球型電場傳感器測量系統的研究及應用 177
11.1 球型電場傳感器測量原理和對電場畸變影響的分析 177
11.1.1 球型電場傳感器測量原理與數學建模 177
11.1.2 傳感器空間占位對電場畸變的分析 181
11.1.3 測量電極間的耦合畸變分析 188
11.1.4 電場畸變校正研究 190
11.2 電場傳感器測量系統研究 192
11.2.1 傳感器探頭設計與等效分析 192
11.2.2 信號處理電路 194
11.2.3 PIC單片機處理電路 204
11.2.4 通信接口電路 206
11.2.5 電源電路 209
11.2.6 PCB電路整體設計 210
11.3 測量系統的軟件設計與實現 212
11.3.1 程序總體流程介紹 212
11.3.2 系統各模塊的軟件設計 212
11.4 系統試驗研究 215
11.4.1 變電站外測量試驗 215
11.4.2 輸電線下測量試驗 217
參考文獻 219
第12章 可穿戴式電場測量系統研究與實現 221
12.1 可穿戴式電場傳感器測量原理理論分析 221
12.1.1 雙球殼型傳感器的提出 222
12.1.2 雙球殼型電場傳感器對空間電場分布影響的分析 223
12.1.3 傳感器輸出電壓與空間原電場的關系 226
12.1.4 傳感器等效電路分析 228
12.1.5 雙球殼型電場傳感器的仿真及參數選擇 229
12.2 人體模型及其對電場影響的仿真研究 234
12.2.1 人體模型的建立 234
12.2.2 人體對電場分布的影響 236
12.3 可穿戴式電場測量系統硬件設計 245
12.3.1 傳感器探頭制作與參數計算 245
12.3.2 測量系統硬件電路設計 246
12.4 可穿戴式電場測量系統軟件設計 254
12.5 可穿戴式電場測量系統試驗研究 256
12.5.1 測量儀準確性驗證 257
12.5.2 穿戴式測量試驗 259
12.5.3 人體動作對穿戴式測量的影響 260
參考文獻 260
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輸變電工程電磁場正、逆問題與實例 節選
**篇 電磁場基本理論及輸變電工程電磁問題概論 第1章 電磁場基礎 1.1 電磁場基本方程組 電磁場理論是研究電磁場中各物理量之間關系及空間分布和時間變化的理論，電磁場理論的產生是物理學史上的里程碑之一。電磁場理論體系的核心是麥克斯韋方程組。英國物理學家麥克斯韋全面總結了在他之前出現的所有電磁學研究成果，提出了渦旋電場和位移電流兩個基本假說，總結了電磁現象的基本規律，建立了完整的電磁場理論體系，揭示了光、電、磁現象的內在聯系及統一性，完成了物理學的第三次大綜合。他的理論成果為電工、電子及無線電工業發展奠定了理論基礎，促使現代電工、電子、有線及無線通信、雷達、波導、微波等民用或軍用技術的快速發展。電磁場理論的發展拓寬了科學研究的領域，在此基礎上，誕生了無線電學、計算機學、微電子學、射電天文學、X射線學、高能物理學及量子力學等一大批新興學科。經典電磁場理論及以此為基礎誕生的新興科學的應用促使人類的生產和生活走向現代化，對世界經濟、政治和文化的發展具有深遠影響。 1.1.1 麥克斯韋方程組的積分形式 1)高斯定律 根據庫侖定律，點電荷q在介質中產生的電場強度E為 (1.1) 式中，ε為介質的介電常數；r為點電荷q到觀測點的距離；r0為點電荷q指向觀測點的單位矢量。 在各向同性介質中，觀測點處的電位移矢量D與電場強度E的關系為 (1.2) 假設有N個點共同在觀測點產生電場，則有 (1.3) 進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的總自由電荷。 2)磁通連續性定律 世界上沒有單獨的磁極或磁荷存在，磁感應線構成閉合回路，既無始端也無終端。在磁場中，穿進任意閉曲面的磁通量Фin等于穿出該閉曲面的磁通量Фout，即穿進或穿出閉曲面的凈磁通量等于零： (1.6) 3)電磁感應定律 1831年法拉第發現電磁感應現象，即如果穿過閉合回路l所包圍面積的磁通量Ф隨時間變化，則會產生感應電動勢?，有 (1.7) 當場域中存在局外電場時，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提出位移電流的概念。電容器極板處傳導電流的不連續引起極板上電荷的變化，因而產生變化的電場，存在。電位移矢量D的變化率即為位移電流密度Jd[1]。傳導電流I和位移電流Id的總和稱為全電流It，在傳導電流不連續的地方產生位移電流，全電流是連續的。磁場強度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) 設傳導電流密度為J，有 (1.12) 以及 (1.13) 由此可得 (1.14) 現將全電流定律、電磁感應定律、磁通連續性定律、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 根據矢量場的斯托克斯定理，對于矢量場M存在 (1.16) 式(1.15)的后兩項可以改寫為 (1.17) (1.18) 根據矢量場的散度定理 (1.19) 式(1.15)的后兩項又可以改寫為 (1.20) (1.21) 麥克斯韋方程組的微分形式只能應用于連續介質中，在介質分界面上不成立，后面將給出不同介質的分界面條件。 1.1.3 介質的本構關系 介質在電磁場的作用下，存在極化和磁化現象[2]。 介質的極化是指介質中的束縛電荷在電磁場作用下產生微小運動，其宏觀效應可用正負電荷間的微小位移來表示，即相當于偶極矩。極化強度P表示單位體積內具有的電偶極矩。在各向同性介質中，極化強度P與電場強度E成正比，存在如下本構關系： (1.22) 式中，、分別為空氣、介質的介電常數；為介質的電極化率。 介質的磁化是指介質中的分子電流所形成的分子磁偶極矩在受到磁場作用時，其大小和方向發生變化而出現的宏觀磁偶極矩。磁化強度M表示單位體積內具有的磁偶極矩。在各向同性介質中，磁化強度M與磁場強度H成正比，存在如下本構關系： (1.23) 式中，、分別為空氣、介質的磁導率；為介質的磁化率。 在導電介質中建立電場，導電介質中的自由電子受電場力作用加速運動，從而產生沿電場強度E方向的電流密度J。在各向同性靜止介質中，某點的J與該點的E成正比，存在如下本構關系：
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