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改进的边界元法及其在电场计算中的应用

作　者: 刘士利
导　师: 王泽忠
学　校: 华北电力大学（北京）
专　业: 电工理论与新技术
关键词: 边界元 混合权函数 电场 寄生电容 直流输电
分类号: TM151
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


高压直流输电换流阀屏蔽系统的表面电场计算及寄生电容参数提取,是实现直流输电技术国产化需要研究的重要课题之一。本文结合十一五国家科技支撑计划“800kV/4750A直流工程6英寸晶闸管元件及换流阀的开发研究”,重点研究了基于边界元法的电场的快速、准确计算,提出了多坐标系混合权函数边界元法,并将方法应用于特高压换流阀的电场和电容计算。本文取得的主要研究成果如下：1.研究了边界积分方程加权余量离散过程中权函数的选择,分析了伽辽金和点匹配边界元法的计算精度和速度；基于多坐标系中的曲面积分,将伽辽金匹配和点匹配结合,提出了多坐标系混合权函数边界元法,该方法一方面用曲面模拟实际问题的边界,消除由于边界单元和实际边界形状不同产生的误差,另一方面充分发挥了伽辽金匹配精度高和点匹配速度快的优势,既保证了计算精度,又减少了计算时间,实现了精度和速度的理想结合,达到了电场计算既快又准的目的。2.研究了高压直流输电换流阀屏蔽系统的表面电场计算,分析了屏蔽板倒角对表面场强的影响；提出了阀塔屏蔽系统表面电场计算的简化方法；利用多坐标系混合权函数边界元法和简化模型对±800kV换流阀屏蔽罩的表面电场进行分析,系统计算了换流阀不同工况下的表面电场分布。该研究成果对换流阀国产化过程中的绝缘设计具有重要的指导意义。3.针对换流阀屏蔽系统,研究了倒角对电容参数的影响,提出了屏蔽板不进行倒角处理的模型简化方法；分析了不同阀层对电容的影响规律,提出了计算换流阀屏蔽系统寄生电容参数的有效模型；详细计算了±800kV换流阀的电容参数。该研究成果为建立换流系统宽频电路模型,进行过电压分析,提供了必要的模型参数,是直流输电国产化需要掌握的关键技术之一,也为大尺寸多导体系统的电容计算提供了一种可行的方法。4.提出了计算电场的三维线单元模型,和边界元传统的面单元结合,建立了线-面单元模型体系,该模型系统基本可以模拟各种复杂结构的设备,既保证电场计算精度,又降低了建模难度和计算代价；推导了计算三维正弦稳态场矢量最大值的解析公式,证明了其端点轨迹是三维空间的椭圆；模型和公式可用于特高压交流变电站复杂设备附近电场分析,为变电站电磁环境计算提供了一种可行的方法。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-12
第1章 绪论  12-21
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  12-14
    1.1.1 HVDC阀塔绝缘设计  12-13
    1.1.2 HVDC阀塔屏蔽系统寄生电容  13
    1.1.3 特高压交流变电站设备附近电磁环境  13-14
  1.2 课题国内外研究现状  14-19
    1.2.1 电磁场数值计算方法概述  14-15
    1.2.2 边界元法国内外研究现状  15-17
    1.2.3 HVDC阀塔绝缘设计研究现状  17
    1.2.4 寄生电容参数提取国内外研究现状  17-18
    1.2.5 变电站设备附近电场计算国内外研究现状  18-19
  1.3 本文的主要工作  19-21
第2章 多坐标系混合权函数边界元法  21-39
  2.1 多坐标系边界元  21-24
  2.2 加权余量法  24-25
    2.2.1 点匹配法  25
    2.2.2 伽辽金法  25
  2.3 伽辽金边界元与配点边界元法研究  25-33
    2.3.1 伽辽金边界元法  26-27
    2.3.2 点匹配边界元法  27
    2.3.3 计算时间比较  27-29
    2.3.4 计算精度比较  29-33
  2.4 多坐标系混合权函数边界元法  33-38
    2.4.1 算法原理  33-34
    2.4.2 算法验证  34-38
  2.5 本章小结  38-39
第3章 换流阀屏蔽系统表面电场计算  39-58
  3.1 引言  39-41
    3.1.1 换流阀屏蔽罩结构  39-41
    3.1.2 基本假设  41
  3.2 模型简化  41-51
    3.2.1 倒角处理  41-49
    3.2.2 屏蔽板中间部位设计  49-51
  3.3 ±800kV换流阀屏蔽系统表面电场计算  51-57
  3.4 本章小结  57-58
第4章 换流阀屏蔽系统寄生电容参数提取  58-74
  4.1 电容计算原理  58-60
    4.1.1 多导体系统电容计算公式  58-59
    4.1.2 算法验证  59-60
  4.2 寄生电容影响因素分析  60-70
    4.2.1 倒角影响  60-66
    4.2.2 阀层屏蔽罩影响  66-70
  4.3 ±800kV换流阀屏蔽系统电容参数提取  70-73
  4.4 本章小结  73-74
第5章 混合单元边界元法  74-88
  5.1 线单元模型  74-79
    5.1.1 线-面单元边界元公式  74-76
    5.1.2 线单元奇异积分  76-77
    5.1.3 线模型验证  77-79
  5.2 三维正弦稳态场矢量最大值计算方法  79-84
    5.2.1 计算公式  79-81
    5.2.2 椭圆轨迹证明  81-84
  5.3 特高压交流变电站设备附近工频电场计算  84-87
  5.4 本章小结  87-88
第6章 结论与展望  88-90
参考文献  90-96
攻读博士学位期间发表的论文  96-97
攻读博士学位期间参加的科研工作  97-98
致谢  98-99
作者简介  99

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电工基础理论 > 电磁场理论的应用 > 静电场计算方法
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