工程電磁檢測關鍵技術在電力系統中的應用

姜楠

【摘要】：現代大量應用的電力設備和發電機、變壓器等都與電磁感應作用有緊密聯系。由于這個作用。時變場中的大塊導體內將產生渦流及趨膚效應。電工中感應加熱、表面淬火、電磁屏蔽等，都是這些現象的直接應用。時變電磁場還可以進一步分為周期變化的交變電磁場及非周期性變化的瞬變電磁場。對它們的研究在目的上和方法上有一些各自的特點。交變電磁場在單一頻率的正弦式變化下，可采用復數表示以化簡計算，在電力技術及連續波分析中應用甚多。瞬變電磁場又稱脈沖電磁場，覆蓋的頻率很寬，介質或傳輸系統呈現出色散特性，往往需要采取頻域、或時序展開等方法進行分析。

【關鍵詞】：工程電磁場；電力系統；應用

1工程電磁場的相關定義

工程電磁場，是面向工程的電磁場內容體系，內容主要是庫侖定律、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、靜電場、恒定電場、恒定磁場和時變電磁場的基本方程及其邊值問題、鏡像法的基本原理、基于加權余量的工程中常用的有限元法和邊界元法、電磁場的能量和力、平面電磁波和電路參數計算原理、電氣工程中典型的電磁場問題（包括變壓器的磁場、電機的磁場、絕緣子的電場、三相輸電線路的工頻電磁環境以及三相輸電線路的電容和電感參數）。

交變電磁場與瞬變電磁場。時變電磁場還可以進一步分為周期變化的交變電磁場及非周期性變化的瞬變電磁場。對它們的研究在目的上和方法上有一些各自的特點。交變電磁場在單一頻率的正弦式變化下，可采用復數表示以化簡計算，在電力技術及連續波分析中應用甚多。瞬變電磁場又稱脈沖電磁場，覆蓋的頻率很寬，介質或傳輸系統呈現出色散特性，往往需要采取頻域、或時序展開等方法進行分析。

1.1電力系統的定義

由發電、變電、輸電、配電和用電等環節組成的電能生產與消費系統。它的功能是將自然界的一次能源通過發電動力裝置（主要包括鍋爐、汽輪機、發電機及電廠輔助生產系統等）轉化成電能，再經輸、變電系統及配電系統將電能供應到各負荷中心，通過各種設備再轉換成動力、熱、光等不同形式的能量，為地區經濟和人民生活服務。

1.2工程電磁場在電力系統中的應用

現代大量應用的電力設備和發電機、變壓器等都與電磁感應作用有緊密聯系。由于這個作用。時變場中的大塊導體內將產生渦流及趨膚效應。電工中感應加熱、表面淬火、電磁屏蔽等，都是這些現象的直接應用。

2. 電機瞬態電磁場有限元分析的精確性和穩定性

通過對典型的電機瞬態電磁場進行時步法有限元分析，經過大量的理論分析和編程實踐，研究了各有關參數對有限元分析過程的穩定性和分析結果的精確性所產生的影響，指出了時步法中瞬態綜合參數0的最佳取值，并提出時間步長△f存在下限閾值。

電機內的電磁場屬于非線性瞬態場，也是無源渦流場。目前，在電磁場有限元分析中廣泛應用時步法求解瞬態問題，而當采用時步法解有限元方程時，必

須考慮計算精度及穩定性問題。精確性指的是有限元解與真值的一致性程度。顯然，它與空間網格的疏密程度有關。除此之外，其他因素例如時間步長△f等參數是否會對其帶來影響，這則是本文所要研究的問題。穩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，具體到時步法，指選取不同的時間步長時，計算過程中的誤差會不會無限增長，如果誤差不會無限增長，則稱該算法是無條件穩定，如果步長只有滿足一定條件才具有上述性質，則此算法是有條件穩定的。有關參數及時間步長本身對瞬變場有限元分析穩定性造成的影響，國內外已有許多學者進行了較為深入的研究，并提出了時間步長上限的表達式。而實際上，就電機渦流場而言，由于鐵心材料非線性將引起場中大量高次諧波成分，若要對這樣的場進行精確的分析，必須使得時間步長足夠小，因此，研究時間步長是否存在下限的問題，有著更為實際的意義。無疑地，得出既滿足電機瞬態電磁場有限元算法穩定性又滿足精確性的條件，將是—個重要的研究課題。

利用時步法進行電機瞬態電磁場有限元分析，應注意以下幾點：

（1）盡可能選擇向后差分Euler法（皓1）以獲得最佳計算精度；

（2）時間步長△f存在下限閾值，因此不可取得過小，以免產生不穩定解；

（3）空間網格疏密只影響計算精度而不影響穩定性，因此可完全根據實際工程要求和計算機硬件條件來劃分。

3. 連續波金屬探測器電磁場模型的理論分析

介紹了連續渡金屬探測器的工作原理，提出一種新的連續波金屬探測器電磁場模型，采用基于電磁場和電路的混合方法對該模型進行了詳細的理論分析，推導出在空氣及海水中金屬探測器接收感應電壓的計算公式，并給出了簡要的設計實例.文中理論分析結果對于連續波金屬探測器設計與分析具有指導意義，對其它類型的金屬探測器設計也有參考價值.

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

通過運用電磁場和電路的混和方法，分別推導出在空氣中和海水中金屬探測器的接收線圈在二次場作用下產生感應電壓.得出以下幾點重要結論：

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

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

（3）金屬探測器進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器必須采用更大的線圈、更強的電流以及更靈敏的檢測技術（DSP），才能滿足探測距離的要求。

4. SMES

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

SMES在電力系統中可以用來提高系統穩定性、改善供電品質以及在含有太陽能、風能等新能源的分散電源系統中儲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所具有的這些優良性能將在電力系統中帶來不可估量的技術經濟效益。SMES以及在研究中所獲得的相關技術可以廣泛應用于所有需要強磁場的應用領域。

以上的例子只是工程電磁場在電力系統中的一些應用舉例。工程電磁場中介紹的許多數值分析法，比如有限元法，時域有限差分法，優化模擬電荷法等等在電力系統中各領域已經起著很關鍵的作用。隨便科技的發展，尤其是高速，大容量計算機的問世，為高精度，高效率的數值計算奠定了基礎。工程電磁場中所介紹的理論，方法正更多地進入研究部門，生產企業，產生日益明顯的經濟效益。與此同時，電磁場數值計算的理論和方法日趨完善，也已成為電工理論學科中的一門新興的應用學科分支。

參考文獻

[1] 倪光正主編.工程電磁場原理[M]. 高等教育出版社， 2002

[2] 馮慈璋，馬西奎主編.工程電磁場導論[M]. 高等教育出版社， 2000

[3] 任吉林等編著.電磁檢測[M]. 機械工業出版社， 2000