时频电磁暂态分析理论与方法PDF电子书下载

第1章 概述 1

1.1 电磁暂态的危害 1

1.2 电力系统的电磁暂态 2

1.3 电磁暂态分析的数学方法 3

1.3.1 电磁暂态分析的数学模型 3

1.3.2 计算方法的分类 5

1.3.3 电磁暂态的数值分析方法 6

1.4 传导电磁暂态分析理论与方法 8

1.4.1 电磁暂态分析技术的发展过程 8

1.4.2 传导电磁暂态的主要研究方向 10

参考文献 14

第2章 电磁暂态波传导理论 16

2.1 波过程的物理概念 16

2.2 波动方程 17

2.2.1 波动方程的解 17

2.2.2 前行波和反行波 19

2.2.3 波的折射和反射 20

2.3 传输线波过程的集总参数等值电路 23

2.3.1 单根传输线波过程的彼德逊法则 23

2.3.2 多根传输线波过程的等值波法则 24

2.4 波经过电容和电感 25

2.4.1 丢阿摩尔积分 25

2.4.2 波经过电容和电感 26

2.4.3 电感和电容削弱波的陡度 27

2.5 计算波过程的特征线法 29

2.5.1 计算波过程的特征线法 29

2.5.2 特征线方程的物理意义 30

2.5.3 应用特征线法求解线路波过程的方法 31

2.6 波的衰减和变形 32

2.6.1 波沿导线传播时的衰减和变形 32

2.6.2 冲击电晕特性 33

2.6.3 冲击电晕对波过程的影响 39

参考文献 41

第3章 平行多导线系统的参数计算方法 43

3.1 波在平行多导线系统传播的静电方程 43

3.1.1 波传播的静电方程 43

3.1.2 平行多导线的耦合系数 44

3.2 平行多导线参数计算 47

3.2.1 电位系数矩阵 47

3.2.2 电容系数矩阵 47

3.2.3 阻抗矩阵 51

3.3 输电线路模型 55

3.3.1 对称分量模型 55

3.3.2 支路参数模型 57

3.4 非理想导体大地对架空线路参数的影响 58

3.4.1 非理想导体大地的复透入深度 58

3.4.2 考虑非理想大地时导线阻抗的修正方法 64

3.4.3 阻抗修正公式的数值积分方法 67

3.5 导体的趋肤效应 67

3.6 土壤参数频变特性对线路参数的影响 71

3.6.1 土壤参数的频变特性 71

3.6.2 土壤参数频变特性对输电线路参数的影响 72

3.7 电缆的参数计算 74

3.7.1 单相单芯电缆的阻抗 75

3.7.2 三相单芯电缆阻抗 79

3.7.3 电缆的导纳矩阵 81

3.8 电缆暂态参数的数值计算方法 83

3.8.1 解析法求解单芯同轴电缆的阻抗和导纳 83

3.8.2 解析法求三芯电缆的阻抗和导纳 87

3.8.3 分离元法 90

3.8.4 线单元分离元法 94

3.8.5 有限元法 95

3.8.6 电缆参数计算方法的比较 99

参考文献 102

第4章 基于贝杰隆特征线法的波过程数值计算方法 106

4.1 贝杰隆特征线法求解单导线波过程 107

4.1.1 单根无损线的贝杰隆等值计算电路 107

4.1.2 集中储能元件的暂态等值计算电路 108

4.1.3 线路损耗的近似处理方法 111

4.1.4 节点电压方程和节点导纳矩阵 114

4.1.5 电源支路的处理 116

4.2 平行多导体线路波动方程和模变换方法 119

4.2.1 平行多导体线路的波动方程 119

4.2.2 平行多导体线路的模变换方法 120

4.2.3 平衡线路的模变换矩阵 121

4.2.4 平衡线路模量上的波速度 126

4.2.5 平衡线路模量上的线路参数 126

4.2.6 平衡线路模量上的波阻抗 127

4.3 不平衡线路的模变换的数值计算方法 131

4.3.1 不平衡线路的模变换矩阵 131

4.3.2 实域中求解不平衡线路的模变换矩阵 132

4.3.3 复数域中求解不平衡线路的特征值和模变换矩阵 133

4.3.4 不平衡线路的模量传播参数 136

4.4 多导线线路模量上的电阻参数 138

4.4.1 均匀换位线路模量上的电阻参数 139

4.4.2 不换位线路模量上的电阻参数 139

4.5 平行多导体线路的等值电路 140

4.5.1 模量上的等值计算电路 140

4.5.2 相量上的等值计算电路 143

4.6 电磁耦合电路的暂态等值计算电路 146

4.6.1 电感耦合电路 146

4.6.2 电容耦合电路 148

4.6.3 有耦合电感和电阻串联时的暂态等值计算电路 152

4.7 电缆系统的相模变换方法 153

4.8 激励源模型 161

4.8.1 典型的激励源波形 162

4.8.2 外特性模型 165

4.8.3 等值电路模型 166

参考文献 166

第5章 电力设备及部件的电磁暂态分析模型 168

5.1 非线性元件的电磁暂态计算模型 168

5.1.1 时变非线性元件 169

5.1.2 处理时变非线性元件的分段线性化方法 173

5.1.3 金属氧化物避雷器的暂态模型 176

5.1.4 计算含非线性时变元件电路的补偿法 178

5.1.5 非线性频变阻抗的电磁暂态计算模型 184

5.2 地上及地下复杂导体结构的电磁暂态模型 189

5.2.1 输电线路杆塔的等值波阻抗模型 189

5.2.2 地中接地装置的电磁暂态模型 191

5.3 绝缘子的雷电冲击闪络模型 194

5.3.1 绝缘子的基本冲击闪络模型 194

5.3.2 绝缘子串破坏效应系数法闪络判据 198

5.3.3 绝缘子串先导发展法闪络判据 199

5.4 开关操作的电磁暂态计算方法 202

5.4.1 开关的类型 202

5.4.2 开关操作引起跃变时的暂态计算 206

5.4.3 用叠加原理处理开关操作 211

5.5 开关操作过程的电弧模型 219

5.5.1 开关操作电弧特性 219

5.5.2 开关电弧模型 221

参考文献 225

第6章 带磁芯及绕组设备的电磁暂态模型 230

6.1 变压器的电磁暂态模型 230

6.1.1 变压器中低频暂态模型 230

6.1.2 变压器中低频暂态模型的参数确定 237

6.1.3 涡流效应的模拟 249

6.1.4 变压器高频电磁暂态分析模型 251

6.2 变压器铁芯动态磁滞损耗模型 258

6.2.1 铁磁材料的磁滞现象及分析模型 258

6.2.2 Jiles-Atherton基本磁滞理论 259

6.2.3 铁芯动态磁滞损耗模型 261

6.2.4 动态损耗系数和频率的影响 264

6.3 互感器的电磁暂态模型 266

6.3.1 互感器的中低频等值电路模型 266

6.3.2 互感器的高频等值电路模型 270

6.3.3 互感器的宽频传输特性模型 274

6.4 旋转电机电磁暂态模型 282

6.4.1 同步电机电磁模型 283

6.4.2 机电模型 290

6.4.3 电机与电网连接 291

6.4.4 对饱和的考虑 294

参考文献 296

第7章 电力电子器件及控制系统的电磁暂态计算模型 304

7.1 电力电子器件组成和分类 304

7.1.1 电力电子器件组成 304

7.1.2 电力电子器件分类 305

7.1.3 电力电子器件模型分类 305

7.2 不控型器件模型 308

7.2.1 二极管特性 308

7.2.2 二极管分析模型 310

7.2.3 二极管详细分析模型 311

7.3 半控型器件模型 311

7.3.1 晶闸管特性 312

7.3.2 晶闸管物理模型 313

7.3.3 晶闸管简化模型 315

7.3.4 晶闸管宏模型 316

7.3.5 暂态特性外部影响因素分析 318

7.4 全控型器件模型 321

7.4.1 IGBT特性 321

7.4.2 IGBT的阻抗拟合模型 323

7.4.3 IGBT的电路模型 326

7.5 大型换流器暂态分析模型 329

7.5.1 HVDC换流器基本结构 329

7.5.2 换流阀电磁暂态特性 331

7.5.3 换流阀等值电路模型 335

7.5.4 换流阀的杂散电容 336

7.5.5 换流器等值电路模型 338

7.6 控制系统暂态分析模型 339

7.6.1 控制系统的暂态分析 339

7.6.2 考虑数据路径时延的暂态模型 341

7.6.3 不考虑数据路径时延的暂态模型 341

7.6.4 根匹配方法建立控制系统的暂态模型 342

7.6.5 电磁暂态计算过程 342

7.7 继电器的暂态分析模型 343

参考文献 344

第8章 新能源装置的电磁暂态模型 347

8.1 风力发电机 347

8.1.1 风力发电机的电磁暂态模拟 348

8.1.2 风力发电机的机械模型 350

8.1.3 外联系统的集成 351

8.2 光伏电池 352

8.2.1 光伏电池模型 352

8.2.2 光伏电池模型参数 355

8.2.3 太阳能电池板阵列细线导体等效模型 358

8.3 燃料电池 359

8.3.1 燃料电池的基本原理 359

8.3.2 电极的气体扩散模型 364

8.3.3 物质守恒方程 366

8.3.4 燃料电池的输出电压 367

8.3.5 燃料电池的双电层充电效应模型 369

8.3.6 热动态能量平衡模型 369

8.3.7 嵌入式等值电路 370

8.4 储能电容器 374

8.4.1 超级电容器的简化电路 374

8.4.2 超级电容器阻抗特性等效电路 376

参考文献 377

第9章 参数频变的平行多导体电磁暂态计算方法 383

9.1 平行多导体波过程的频域解 383

9.2 权函数法 387

9.2.1 线路导纳权函数法 387

9.2.2 前、反行波权函数法 388

9.3 处理平行多导体参数频率特性的Marti模型 391

9.3.1 线路频变阻抗的有理逼近 391

9.3.2 线路频变参数的一般时域处理方法 393

9.3.3 权函数a1（t）的等值与卷积 394

9.3.4 Marti线路模型等值电源的计算 397

9.3.5 Marti线路模型等值特征阻抗的计算 398

9.4 频变非均匀传输线的特征线法 401

9.4.1 多导体传输线方程 402

9.4.2 特征线方法 404

9.4.3 卷积项的递归格式 406

9.4.4 数值计算方法 407

9.4.5 边界条件的处理 408

9.5 综合无损传输线和有损阻抗的时域分析方法 410

9.5.1 计算原理 410

9.5.2 理想传输线部分的处理方法 411

9.5.3 频变阻抗的处理方法 412

9.6 考虑线路频变阻抗的z变换方法 413

9.6.1 z变换方法原理 413

9.6.2 z变换法求解拟合函数 414

9.6.3 频变z变换的通用方法 415

9.6.4 线路电磁暂态计算的z变换方法 417

9.6.5 采用z变换计算电缆电磁暂态实例 422

参考文献 427

第10章 平行多导体电磁暂态的时域计算方法 430

10.1 基于Chebyshev展开的单根传输线离散方程 431

10.1.1 Chebyshev展开式及其性质 431

10.1.2 基于Chebyshev展开的单根传输线离散方程 432

10.2 基于Chebyshev展开的多导体传输线的处理方法 442

10.3 基于Chebyshev展开的频变传输线的处理方法 445

10.3.1 频域传输线的处理 445

10.3.2 采用递归卷积方法求解频域传输线方程 446

10.3.3 算法应用的一些技巧和改进 447

10.4 电磁暂态分析的时域有限差分法 451

10.4.1 时域有限差分法基本原理 451

10.4.2 端接集总参数网络的处理 453

10.4.3 端接网络的状态方程表示及差分处理 455

10.4.4 级联点集总参数网络的处理方法 458

10.4.5 分支点的处理方法 463

10.4.6 长传输线的处理方法 465

10.5 含频变参数多导体传输线的时域有限差分法 467

10.5.1 含频变参数多导体传输线的电报方程 467

10.5.2 从时域卷积到递归卷积 468

10.5.3 应用Prony方法处理导线内阻抗Zc 470

10.5.4 应用矢量匹配的方法处理导线土壤阻抗 472

10.5.5 应用Pade逼近处理导线土壤阻抗 475

10.5.6 土壤阻抗的时域表示 477

10.5.7 考虑有损土壤时的FDTD迭代公式 477

10.6 非均匀多导体传输线的时域有限差分法 479

10.6.1 采用阶梯式逼近的时域有限差分法 480

10.6.2 采用指数逼近的时域有限差分法 480

10.7 集总元件支路模型的时域有限差分计算方法 486

10.7.1 绝缘子支路的时域有限差分计算方法 486

10.7.2 亚网格技术 488

10.7.3 非线性元件支路的时域有限差分计算方法 490

10.7.4 柱上变压器的FDTD算法 490

参考文献 492

第11章 考虑空间场耦合的传输线电磁暂态分析 496

11.1 场线耦合的传输线分析方法 496

11.2 双线传输线电磁耦合模型 497

11.2.1 两导体传输线的Taylor模型 497

11.2.2 Agrawal模型 501

11.2.3 Rachidi模型 503

11.2.4 Rusck模型 504

11.2.5 Chowdhuri-Gross模型 504

11.3 有限导电地面上的传输线电磁耦合方程 505

11.4 理想导体平面上单根导体传输线 510

11.5 平面波激励下传输线的响应 511

11.6 平面波激励下均匀多导体传输线响应的时域分析方法 513

11.6.1 外场激励时的均匀多导体传输线方程 513

11.6.2 均匀平面波激励下均匀多导体传输线响应的时域分析 513

11.6.3 均匀平面波激励时多导体传输线的时域有限差分方法 515

11.7 雷电对传输线的感应电压 520

11.7.1 雷电感应过电压的形成过程 520

11.7.2 主放电电流模型 522

11.7.3 雷电电磁场计算 524

11.7.4 雷电电磁场对传输线的耦合 527

11.7.5 雷电感应过电压计算实例 528

参考文献 529

第12章 半空间复杂导体结构电磁暂态的时域求解 532

12.1 准静态假设下复杂导体结构暂态的时域求解 532

12.1.1 求解复杂导体结构的改进回路电流模型 533

12.1.2 土壤内外导体结构的时域求解 539

12.1.3 计算实例：建筑物LPS的雷电暂态求解 544

12.1.4 准静态模型与传输线方法和全波方法的比较 545

12.2 有损全空间导体结构电磁暂态的时域解法 548

12.2.1 有损全空间的一种时域积分方程形式 549

12.2.2 有损全空间格林函数的有理逼近 555

12.2.3 结合递归卷积的时域积分方程快速求解 567

12.3 有损半空间内外导体结构电磁暂态的时域解法 573

12.3.1 半空间格林函数 574

12.3.2 Laplace域半空间格林函数的特性 578

12.3.3 半空间格林函数的直接反射波分量和侧面波分量 587

12.3.4 半空间格林函数的时域近似 591

12.3.5 半空间时域混合位积分方程 594

12.3.6 方法应用：雷击高速铁路的电磁暂态计算 595

参考文献 597

第13章 电磁暂态分析的智能模型拟合方法 600

13.1 智能模型拟合方法 600

13.2 基模参数辨识方法 604

13.2.1 时域基模参数辨识方法 605

13.2.2 频域基模参数辨识方法 607

13.2.3 多维基模参数辨识方法 609

13.2.4 对基模参数辨识方法的改进 612

13.3 矩阵束方法 618

13.4 基于Stoer-Bulirsch方法的自适应拟合算法 620

13.4.1 一维有理函数模型及构造方法 620

13.4.2 一维自适应拟合方法 621

13.4.3 多维自适应拟合方法 625

13.4.4 模型校验过程 627

13.5 时域频域双内插法 629

13.5.1 Hermite基函数法 629

13.5.2 Hermite基函数法的改进 635

13.5.3 利用离散傅里叶变换实现时频两域双内插的方法 640

13.6 其他拟合方法 642

13.6.1 渐近波形估计算法 643

13.6.2 TDFT方法 645

13.6.3 谱域展开法 646

参考文献 646

第14章 电磁暂态信号的小波变换及应用 651

14.1 电磁暂态信号分类 651

14.2 小波变换基础 653

14.2.1 小波变换定义 653

14.2.2 小波变换的恒Q性质 655

14.2.3 常用小波 656

14.2.4 离散小波变换的多分辨率分析 659

14.2.5 小波包 661

14.2.6 小波变换的模极大值 662

14.2.7 小波能量谱 664

14.2.8 小波熵 664

14.3 暂态信号小波变换特征 665

14.3.1 电力系统开关操作引起的暂态小波特征 666

14.3.2 故障引起的暂态小波变换特征 668

14.3.3 直击雷引起的暂态小波变换特征 669

14.3.4 三种故障状态下暂态电流的小波能量谱特征 670

14.4 故障定位分析的行波法 673

14.4.1 行波法 673

14.4.2 现代行波法 675

14.4.3 高频行波法 675

14.4.4 故障定位系统 677

14.5 小波变换在行波法故障定位中的应用 678

14.5.1 基于小波分析的行波测距基本原理 678

14.5.2 基于离散小波变换和人工智能算法的输电线路测距方法 682

14.5.3 基于行波固有频率的输电线路测距方法 683

参考文献 685

名词对照与索引 688