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时频电磁暂态分析理论与方法

“十二五”国家重点图书出版规划项目

作者:何金良
定价:150
印次:1-1
ISBN:9787302418771
出版日期:2015.11.01
印刷日期:2015.12.08

电磁暂态威胁电力系统、电子系统及建筑物等的可靠运行和安全。科学、合理地预测电磁暂态特性是电气、电子设备及系统设计与选型的关键基础。本书既涵盖了传统的波过程理论及电磁暂态基本计算方法,同时根据作者及国内外其他学者多年来的相关研究成果,力图全面梳理电磁暂态分析的理论和计算方法的最新研究成果,系统介绍具有时域特性和频域特性的电磁暂态分析的基础理论和数值计算方法,包括具有复杂电磁耦合的半空间全波电磁暂态的数值计算方法,以及电磁暂态分析的智能拟合算法;另外重点介绍了不同电力系统设备、电力电子器件及控制系统、新能源装置等的电磁暂态分析模型;最后介绍了电磁暂态特征提取的小波变换理论及计算方法。 本书可供高校和科研院所电气、电子等专业的师生阅读,也可供电力行业和其他相关行业的工程技术人员参考。

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雷电及其他电磁暂态现象会威胁电力系统、电子系统及建筑物的运行安全。科学、合理地预测电磁暂态特性是电气、电子设备及系统设计与选型的关键基础。电磁暂态产生的根本原因是网络参数的突变。电力系统电磁暂态,也称电力系统过电压,是发展高压和超高压电网所必须研究的重要课题,它不仅影响变压器、断路器、输电线路等电力设备绝缘强度的合理设计,而且还直接关系到电力系统能否安全可靠地运行。各种类型的过电压,如正常运行或切除故障所引起的操作过电压,雷闪放电引起的大气过电压等,都是由电力系统中突然出现的电磁暂态过程激发而产生的。电力系统含有非线性特性的避雷器、铁磁电感,以及具有分布参数特性的输电线路等电磁元件,有时还需要考虑输电线路参数随频率变化的特性和线路发生电晕以后的伏库特性等。因此,电气系统中的电磁暂态过程往往是很复杂的,解析方法只适用于过电压的原理分析和简单情况下的计算,而电磁暂态过程的深入解析则必须借助于数值计算方法。 随着计算机技术的发展,电磁暂态数值计算技术得到了长足的进步。目前已形成一些比较成熟的算法和计算程序。例如,由加拿大UBC的H. W. Dommel教授创建并经过许多人的共同努力而完成的电磁暂态计算程序EMTP,已经成为国际上普遍采用的大型计算程序,并发展成重要的两个分支,一是北美的PSCAD/EMTDC/RTDS程序,走的是商业路线,目前可以实现实时仿真;二是欧洲的ATP版本,属于免费版本。另外,在广为应用的工具软件MATLAB中有一个Power System Blockset模块,也能够进行电磁暂态计算。应用数值计算方法研究电力系统过电压等电磁暂态过程,在通用性、灵活性、计算精度和功能等方面日益显示出它的优越性,可以满足在电网实际条件下计算各种类型过电压的工程要求。目前,电磁暂态分析软件已从过去的DOS版本升级为Windows版本,可以直接搭建所需解决的电路,非常方便实用。 传统的电磁暂态计算方法只能解决相对简单的传导电磁暂态的时域计算问题,目前随着科学技术的发展,电力系统及其他电气系统对电磁暂态精确建模和计算提出了更为苛刻的需求,而当前广为采用的电磁暂态计算程序对很多工程问题都无法进行计算,电磁暂态分析正朝着充分考虑系统及装置的时频特性和全波电磁暂态分析方向发展。另外,各种新的器件及设备,特别是各种新能源发电装置的使用,也给电磁暂态分析带来了新的挑战。 本书力图全面梳理电磁暂态分析理论和计算方法的最新研究成果,包括传统的波过程理论及电磁暂态基本计算方法,也包括具有时域特性和频域特性的电磁暂态分析的基础理论和数值计算方法。 本书内容共划分为14章。第1章为概论,第2章介绍传统的波过程基本理论,第3章介绍平行多导线系统的参数计算方法,第4章介绍平行多导线波过程的数值计算方法。第3章的部分、第4章、第9章的部分内容继承了清华大学电机工程与应用电子技术系吴维韩、张芳榴、高玉明、张纬钹和黄炜纲五位教授编著的《电力系统过电压数值计算》的精华,介绍了传统的电磁暂态计算程序(EMTP)的基本理论及计算方法,同时也补充了最新的研究成果,如如何在线路参数计算中考虑土壤的有限导电特性,电缆参数的计算方法,土壤参数频变特性对线路参数的影响,输电线路的雷电冲击和操作冲击电晕特性等。本书第5~8章主要介绍不同电力系统元件、装置及系统的电磁暂态模型,包括绝缘子闪络、杆塔、变压器、发电器、互感器、非线性器件、电力电子器件及控制系统、新能源装置等关键设备的电磁暂态分析模型。第9章讨论平行多导体线路电磁暂态的频域分析方法。第10章论述平行多导体线路电磁暂态分析的时域分析方法,包括基于Chebyshev多项式展开的时域电磁暂态分析理论及方法,以及基于时域有限差分的计算方法。第11章介绍考虑空间场耦合的传输线电磁暂态分析方法,着重介绍外界场在传输线上产生电磁感应电压的基本理论及数值计算方法。第12章阐述具有复杂电磁耦合的半空间全波电磁暂态的数值计算方法,包括准静态下复杂导体结构电磁暂态的时域计算方法、有损全空间中时域积分方程的求解方法、有损半空间内外时域积分方程的计算方法等。第13章介绍电磁暂态分析的智能算法,包括具有时频特性的系统的电磁暂态过程的快速计算理论及数值方法。第14章讨论电磁暂态特征提取的小波变换理论及计算方法,实现电磁暂态过程特征参数的提取,为电磁暂态理论在输电线路故障测距、行波测距式距离保护原理等提供理论支撑。本书重在阐明相关的基本概念、基本原理和计算方法,同时紧密联系工程实际。每一章既反映了作者的研究工作与取得的成果,又注意介绍国内外相关的研究成果与进展。 在本书编写过程中,余占清副教授编写了第7章的初稿;王顺超博士整理了第11章的初稿,并将其博士论文整理为第12章的初稿;黄曹伟参与了第14章初稿的编写;张波副教授为本书提出了大量的修改意见。 非常感谢作者的恩师、清华大学吴维韩教授为本书作序。吴维韩教授是我国电磁暂态数值计算领域的开拓者之一,毕生致力于此领域的研究。另外也非常感谢电磁暂态领域的国际著名专家、IEEE Fellow、意大利博洛尼亚大学的C.A.Nucci教授为本书作序,Nucci教授长期担任CIGRE C4(系统特性)委员会主席,他在推动电磁暂态分析的发展和应用方面做了很多工作,享有很高的声誉。 由于作者的理论水平和实际经验都有限,书中的缺点和错误之处在所难免,谨请读者指正。 作者 2015年9月

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  • 第1章概述

    1.1电磁暂态的危害

    1.2电力系统的电磁暂态

    1.3电磁暂态分析的数学方法

    1.3.1电磁暂态分析的数学模型

    1.3.2计算方法的分类

    1.3.3电磁暂态的数值分析方法

    1.4传导电磁暂态分析理论与方法

    1.4.1电磁暂态分析技术的发展过程

    1.4.2传导电磁暂态的主要研究方向

    参考文献

    第2章电磁暂态波传导理论

    2.1波过程的物理概念

    2.2波动方程

    2.2.1波动方程的解

    2.2.2前行波和反行波

    2.2.3波的折射和反射

    2.3传输线波过程的集总参数等值电路

    2.3.1单根传输线波过程的彼德逊法则

    2.3.2多根传输线波过程的等值波法则

    2.4波经过电容和电感

    2.4.1丢阿摩尔积分

    2.4.2波经过电容和电感

    2.4.3电感和电容削弱波的陡度

    2.5计算波过程的特征线法

    2.5.1计算波过程的特征线法

    2.5.2特征线方程的物理意义

    2.5.3应用特征线法求解线路波过程的方法

    2.6波的衰减和变形

    2.6.1波沿导线传播时的衰减和变形

    2.6.2冲击电晕特性

    2.6.3冲击电晕对波过程的影响

    参考文献

    第3章平行多导线系统的参数计算方法

    3.1波在平行多导线系统传播的静电方程

    3.1.1波传播的静电方程

    3.1.2平行多导线的耦合系数

    3.2平行多导线参数计算

    3.2.1电位系数矩阵

    3.2.2电容系数矩阵

    3.2.3阻抗矩阵

    3.3输电线路模型

    3.3.1对称分量模型

    3.3.2支路参数模型

    3.4非理想导体大地对架空线路参数的影响

    3.4.1非理想导体大地...

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