工程電磁檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

姜楠

【摘要】：現(xiàn)代大量應(yīng)用的電力設(shè)備和發(fā)電機(jī)、變壓器等都與電磁感應(yīng)作用有緊密聯(lián)系。由于這個(gè)作用。時(shí)變場(chǎng)中的大塊導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生渦流及趨膚效應(yīng)。電工中感應(yīng)加熱、表面淬火、電磁屏蔽等，都是這些現(xiàn)象的直接應(yīng)用。時(shí)變電磁場(chǎng)還可以進(jìn)一步分為周期變化的交變電磁場(chǎng)及非周期性變化的瞬變電磁場(chǎng)。對(duì)它們的研究在目的上和方法上有一些各自的特點(diǎn)。交變電磁場(chǎng)在單一頻率的正弦式變化下，可采用復(fù)數(shù)表示以化簡計(jì)算，在電力技術(shù)及連續(xù)波分析中應(yīng)用甚多。瞬變電磁場(chǎng)又稱脈沖電磁場(chǎng)，覆蓋的頻率很寬，介質(zhì)或傳輸系統(tǒng)呈現(xiàn)出色散特性，往往需要采取頻域、或時(shí)序展開等方法進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】：工程電磁場(chǎng)；電力系統(tǒng)；應(yīng)用

1工程電磁場(chǎng)的相關(guān)定義

工程電磁場(chǎng)，是面向工程的電磁場(chǎng)內(nèi)容體系，內(nèi)容主要是庫侖定律、電荷守恒定律、安培定律、法拉第定律和麥克斯韋位移電流假設(shè)、靜電場(chǎng)、恒定電場(chǎng)、恒定磁場(chǎng)和時(shí)變電磁場(chǎng)的基本方程及其邊值問題、鏡像法的基本原理、基于加權(quán)余量的工程中常用的有限元法和邊界元法、電磁場(chǎng)的能量和力、平面電磁波和電路參數(shù)計(jì)算原理、電氣工程中典型的電磁場(chǎng)問題（包括變壓器的磁場(chǎng)、電機(jī)的磁場(chǎng)、絕緣子的電場(chǎng)、三相輸電線路的工頻電磁環(huán)境以及三相輸電線路的電容和電感參數(shù)）。

交變電磁場(chǎng)與瞬變電磁場(chǎng)。時(shí)變電磁場(chǎng)還可以進(jìn)一步分為周期變化的交變電磁場(chǎng)及非周期性變化的瞬變電磁場(chǎng)。對(duì)它們的研究在目的上和方法上有一些各自的特點(diǎn)。交變電磁場(chǎng)在單一頻率的正弦式變化下，可采用復(fù)數(shù)表示以化簡計(jì)算，在電力技術(shù)及連續(xù)波分析中應(yīng)用甚多。瞬變電磁場(chǎng)又稱脈沖電磁場(chǎng)，覆蓋的頻率很寬，介質(zhì)或傳輸系統(tǒng)呈現(xiàn)出色散特性，往往需要采取頻域、或時(shí)序展開等方法進(jìn)行分析。

1.1電力系統(tǒng)的定義

由發(fā)電、變電、輸電、配電和用電等環(huán)節(jié)組成的電能生產(chǎn)與消費(fèi)系統(tǒng)。它的功能是將自然界的一次能源通過發(fā)電動(dòng)力裝置（主要包括鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及電廠輔助生產(chǎn)系統(tǒng)等）轉(zhuǎn)化成電能，再經(jīng)輸、變電系統(tǒng)及配電系統(tǒng)將電能供應(yīng)到各負(fù)荷中心，通過各種設(shè)備再轉(zhuǎn)換成動(dòng)力、熱、光等不同形式的能量，為地區(qū)經(jīng)濟(jì)和人民生活服務(wù)。

1.2工程電磁場(chǎng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

現(xiàn)代大量應(yīng)用的電力設(shè)備和發(fā)電機(jī)、變壓器等都與電磁感應(yīng)作用有緊密聯(lián)系。由于這個(gè)作用。時(shí)變場(chǎng)中的大塊導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生渦流及趨膚效應(yīng)。電工中感應(yīng)加熱、表面淬火、電磁屏蔽等，都是這些現(xiàn)象的直接應(yīng)用。

2. 電機(jī)瞬態(tài)電磁場(chǎng)有限元分析的精確性和穩(wěn)定性

通過對(duì)典型的電機(jī)瞬態(tài)電磁場(chǎng)進(jìn)行時(shí)步法有限元分析，經(jīng)過大量的理論分析和編程實(shí)踐，研究了各有關(guān)參數(shù)對(duì)有限元分析過程的穩(wěn)定性和分析結(jié)果的精確性所產(chǎn)生的影響，指出了時(shí)步法中瞬態(tài)綜合參數(shù)0的最佳取值，并提出時(shí)間步長△f存在下限閾值。

電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng)屬于非線性瞬態(tài)場(chǎng)，也是無源渦流場(chǎng)。目前，在電磁場(chǎng)有限元分析中廣泛應(yīng)用時(shí)步法求解瞬態(tài)問題，而當(dāng)采用時(shí)步法解有限元方程時(shí)，必

須考慮計(jì)算精度及穩(wěn)定性問題。精確性指的是有限元解與真值的一致性程度。顯然，它與空間網(wǎng)格的疏密程度有關(guān)。除此之外，其他因素例如時(shí)間步長△f等參數(shù)是否會(huì)對(duì)其帶來影響，這則是本文所要研究的問題。穩(wěn)定性問題指的是誤差的積累是否能由算法本身得到控制的問題，具體到時(shí)步法，指選取不同的時(shí)間步長時(shí)，計(jì)算過程中的誤差會(huì)不會(huì)無限增長，如果誤差不會(huì)無限增長，則稱該算法是無條件穩(wěn)定，如果步長只有滿足一定條件才具有上述性質(zhì)，則此算法是有條件穩(wěn)定的。有關(guān)參數(shù)及時(shí)間步長本身對(duì)瞬變場(chǎng)有限元分析穩(wěn)定性造成的影響，國內(nèi)外已有許多學(xué)者進(jìn)行了較為深入的研究，并提出了時(shí)間步長上限的表達(dá)式。而實(shí)際上，就電機(jī)渦流場(chǎng)而言，由于鐵心材料非線性將引起場(chǎng)中大量高次諧波成分，若要對(duì)這樣的場(chǎng)進(jìn)行精確的分析，必須使得時(shí)間步長足夠小，因此，研究時(shí)間步長是否存在下限的問題，有著更為實(shí)際的意義。無疑地，得出既滿足電機(jī)瞬態(tài)電磁場(chǎng)有限元算法穩(wěn)定性又滿足精確性的條件，將是—個(gè)重要的研究課題。

利用時(shí)步法進(jìn)行電機(jī)瞬態(tài)電磁場(chǎng)有限元分析，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）盡可能選擇向后差分Euler法（皓1）以獲得最佳計(jì)算精度；

（2）時(shí)間步長△f存在下限閾值，因此不可取得過小，以免產(chǎn)生不穩(wěn)定解；

（3）空間網(wǎng)格疏密只影響計(jì)算精度而不影響穩(wěn)定性，因此可完全根據(jù)實(shí)際工程要求和計(jì)算機(jī)硬件條件來劃分。

3. 連續(xù)波金屬探測(cè)器電磁場(chǎng)模型的理論分析

介紹了連續(xù)渡金屬探測(cè)器的工作原理，提出一種新的連續(xù)波金屬探測(cè)器電磁場(chǎng)模型，采用基于電磁場(chǎng)和電路的混合方法對(duì)該模型進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，推導(dǎo)出在空氣及海水中金屬探測(cè)器接收感應(yīng)電壓的計(jì)算公式，并給出了簡要的設(shè)計(jì)實(shí)例.文中理論分析結(jié)果對(duì)于連續(xù)波金屬探測(cè)器設(shè)計(jì)與分析具有指導(dǎo)意義，對(duì)其它類型的金屬探測(cè)器設(shè)計(jì)也有參考價(jià)值.

金屬探測(cè)器在安檢、地下和水中管線探測(cè)、尋寶等許多領(lǐng)域有重要應(yīng)用.基于電磁法的無源金屬探測(cè)器依工作原理分類主要有3種：脈沖感應(yīng)型（pulse induction）、VLF連續(xù)波型和LC振蕩型.其中LC振蕩型主要應(yīng)用在小目標(biāo)近距探測(cè)方面，工業(yè)領(lǐng)域較少用.其工作原理是：通過探測(cè)被測(cè)金屬感應(yīng)電流產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)確定被測(cè)金屬的有無及種類，檢測(cè)波型為隨時(shí)間指數(shù)衰減的電壓或電流波型.由于檢測(cè)波型的特殊性，在很大程度上限制了數(shù)字信號(hào)處理新技術(shù)在脈沖感應(yīng)型金屬探測(cè)器中的應(yīng)用.

通過運(yùn)用電磁場(chǎng)和電路的混和方法，分別推導(dǎo)出在空氣中和海水中金屬探測(cè)器的接收線圈在二次場(chǎng)作用下產(chǎn)生感應(yīng)電壓.得出以下幾點(diǎn)重要結(jié)論：

（1）接收電壓和探測(cè)距離的6次方成反比，因此金屬探測(cè)器探測(cè)距離不可能很大.接收電壓和發(fā)射線圈電流成正比，增加電流有利于提高接收電壓，增大探測(cè)距離.

（2）海水中接收線圈感應(yīng)電壓 與發(fā)射機(jī)工作頻率廠大約成反比，選用較低的頻率有利于增加探測(cè)距離，但自然界噪聲及放大器自身的噪聲會(huì)隨著頻率的降低而增大，因此金屬探測(cè)器工作頻率不宜選得太低.

（3）金屬探測(cè)器進(jìn)入海水后由于海水的渦流損耗，接收電壓將大幅度減小，因此在海水中工作的探測(cè)器必須采用更大的線圈、更強(qiáng)的電流以及更靈敏的檢測(cè)技術(shù)（DSP），才能滿足探測(cè)距離的要求。

4. SMES

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)（Superconductor Magnetics Energy Storage），一類通過超導(dǎo)磁體、電流變換控制系統(tǒng)等構(gòu)件組成的電能快速存儲(chǔ)、釋放系統(tǒng)，用于抑制電力系統(tǒng)振蕩等！

SMES在電力系統(tǒng)中可以用來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、改善供電品質(zhì)以及在含有太陽能、風(fēng)能等新能源的分散電源系統(tǒng)中儲(chǔ)存電能并改善電力輸出特性，也可以用于重要裝置的緊急備用電源。SMES所具有的這些優(yōu)良性能將在電力系統(tǒng)中帶來不可估量的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。SMES以及在研究中所獲得的相關(guān)技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于所有需要強(qiáng)磁場(chǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域。

以上的例子只是工程電磁場(chǎng)在電力系統(tǒng)中的一些應(yīng)用舉例。工程電磁場(chǎng)中介紹的許多數(shù)值分析法，比如有限元法，時(shí)域有限差分法，優(yōu)化模擬電荷法等等在電力系統(tǒng)中各領(lǐng)域已經(jīng)起著很關(guān)鍵的作用。隨便科技的發(fā)展，尤其是高速，大容量計(jì)算機(jī)的問世，為高精度，高效率的數(shù)值計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。工程電磁場(chǎng)中所介紹的理論，方法正更多地進(jìn)入研究部門，生產(chǎn)企業(yè)，產(chǎn)生日益明顯的經(jīng)濟(jì)效益。與此同時(shí)，電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的理論和方法日趨完善，也已成為電工理論學(xué)科中的一門新興的應(yīng)用學(xué)科分支。

參考文獻(xiàn)

[1] 倪光正主編.工程電磁場(chǎng)原理[M]. 高等教育出版社， 2002

[2] 馮慈璋，馬西奎主編.工程電磁場(chǎng)導(dǎo)論[M]. 高等教育出版社， 2000

[3] 任吉林等編著.電磁檢測(cè)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社， 2000