工程电磁场在电力系统中的应用
【摘要】：现代大量应用的电力设备和发电机、变压器等都与电磁感应作用有紧密联系。由于这个作用。时变场中的大块导体内将产生涡流及趋肤效应。电工中感应加热、表面淬火、电磁屏蔽等，都是这些现象的直接应用。时变电磁场还可以进一步分为周期变化的交变电磁场及非周期性变化的瞬变电磁场。对它们的研究在目的上和方法上有一些各自的特点。交变电磁场在单一频率的正弦式变化下，可采用复数表示以化简计算，在电力技术及连续波分析中应用甚多。瞬变电磁场又称脉冲电磁场，覆盖的频率很宽，介质或传输系统呈现出色散特性，往往需要采取频域、或时序展开等方法进行分析。
【关键词】：工程电磁场 电力系统 应用
工程电磁场的相关定义
工程电磁场，是面向工程的电磁场内容体系，内容主要是库仑定律、电荷守恒定律、安培定律、法拉第定律和麦克斯韦位移电流假设、静电场、恒定电场、恒定磁场和时变电磁场的基本方程及其边值问题、镜像法的基本原理、基于加权余量的工程中常用的有限元法和边界元法、电磁场的能量和力、平面电磁波和电路参数计算原理、电气工程中典型的电磁场问题（包括变压器的磁场、电机的磁场、绝缘子的电场、三相输电线路的工频电磁环境以及三相输电线路的电容和电感参数）。
场产生电场，两者互为因果，形成电磁场。电磁场可由变速运动的带电粒子引起，也可由强弱变化的电流引起，不论原因如何，电磁场总是以光速向四周传播，形成电磁波。电磁场是电磁作用的媒递物，具有能量和动量，是物质存在的一种形式。电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确定。 交变电磁场与瞬变电磁场。时变电磁场还可以进一步分为周期变化的交变电磁场及非周期性变化的瞬变电磁场。对它们的研究在目的上和方法上有一些各自的特点。交变电磁场在单一频率的正弦式变化下，可采用复数表示以化简计算，在电力技术及连续波分析中应用甚多。瞬变电磁场又称脉冲电磁场，覆盖的频率很宽，介质或传输系统呈现出色散特性，往往需要采取频域、或时序展开等方法进行分析。
电力系统的定义
由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置（主要包括锅炉、汽轮机、发电机及电厂辅助生产系统等）转化成电能，再经输、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心，通过各种设备再转换成动力、热、光等不同形式的能量，为地区经济和人民生活服务。
工程电磁场在电力系统中的应用
现代大量应用的电力设备和发电机、变压器等都与电磁感应作用有紧密联系。由于这个作用。时变场中的大块导体内将产生涡流及趋肤效应。电工中感应
加热、表面淬火、电磁屏蔽等，都是这些现象的直接应用。
1. 电机瞬态电磁场有限元分析的精确性和稳定性
通过对典型的电机瞬态电磁场进行时步法有限元分析，经过大量的理论分析和编程实践，研究了各有关参数对有限元分析过程的稳定性和分析结果的精确性所产生的影响，指出了时步法中瞬态综合参数0的最佳取值，并提出时间步长△f存在下限阈值。
电机内的电磁场属于非线性瞬态场，也是无源涡流场。目前，在电磁场有限元分析中广泛应用时步法求解瞬态问题，而当采用时步法解有限元方程时，必
须考虑计算精度及稳定性问题。精确性指的是有限元解与真值的一致性程度。显然，它与空间网格的疏密程度有关。除此之外，其他因素例如时间步长△f等参数是否会对其带来影响，这则是本文所要研究的问题。稳定性问题指的是误差的积累是否能由算法本身得到控制的问题，具体到时步法，指选取不同的时间步长时，计算过程中的误差会不会无限增长，如果误差不会无限增长，则称该算法是无条件稳定，如果步长只有满足一定条件才具有上述性质，则此算法是有条件稳定的。有关参数及时间步长本身对瞬变场有限元分析稳定性造成的影响，国内外已有许多学者进行了较为深入的研究，并提出了时间步长上限的表达式。而实际上，就电机涡流场而言，由于铁心材料非线性将引起场中大量高次谐波成分，若要对这样的场进行精确的分析，必须使得时间步长足够小，因此，研究时间步长是否存在下限的问题，有着更为实际的意义。无疑地，得出既满足电机瞬态电磁场有限元算法稳定性又满足精确性的条件，将是—个重要的研究课题。
利用时步法进行电机瞬态电磁场有限元分析，应注意以下几点：
(1)尽可能选择向后差分Euler法(皓1)以获得最佳计算精度；
(2)时间步长△f存在下限阈值，因此不可取得过小，以免产生不稳定解；
(3)空间网格疏密只影响计算精度而不影响稳定性，因此可完全根据实际工程要求和计算机硬件条件来划分。
2. 连续波金属探测器电磁场模型的理论分析
介绍了连续渡金属探测器的工作原理，提出一种新的连续波金属探测器电磁场模型，采用基于电磁场和电路的混合方法对该模型进行了详细的理论分析，推导出在空气及海水中金属探测器接收感应电压的计算公式，并给出了简要的设计实例．文中理论分析结果对于连续波金属探测器设计与分析具有指导意义，对其它类型的金属探测器设计也有参考价值．
金属探测器在安检、地下和水中管线探测、寻宝等许多领域有重要应用．基于电磁法的无源金属探测器依工作原理分类主要有3种：脉冲感应型(pulse induction)、VLF连续波型(very low frequencycontinuous wave)和LC振荡型【】]．其中LC振荡型主要应用在小目标近距探测方面，工业领域较少用．工业领域广泛应用的金属探测器主要是脉冲感应型和VLF连续波型．脉冲感应型已有40多年发展历史[2]，其工作原理是：通过探测被测金属感应电流产生的二次磁场确定被测金属的有无及种类，检测波型为随时间指数衰减的电压或电流波型．由于检测波型的特殊性，在很大程度上限制了数字信号处理新技术在脉冲感应型金属探测器中的应用．
通过运用电磁场和电路的混和方法，分别推导出在空气中和海水中金属探测器的接收线圈在二次场作用下产生感应电压．得出以下几点重要结论：
(1)接收电压和探测距离的6次方成反比，因此金属探测器探测距离不可能很大．接收电压和发射线圈电流成正比，增加电流有利于提高接收电压，增大探
测距离．
(2)海水中接收线圈感应电压 与发射机工作频率厂大约成反比，选用较低的频率有利于增加探测距离，但自然界噪声及放大器自身的噪声会随着频率的降低而增大，因此金属探测器工作频率不宜选得太低．
(3)金属探测器进入海水后由于海水的涡流损耗，接收电压将大幅度减小，因此在海水中工作的探测器必须采用更大的线圈、更强的电流以及更灵敏的检测技术(DSP)，才能满足探测距离的要求。
3. SMES
超导磁储能系统（Superconductor Magnetics Energy Storage），一类通过超导磁体、电流变换控制系统等构件组成的电能快速存储、释放系统，用于抑制电力系统振荡等！
SMES在美国、日本已经有成功应用的实例，我国还在研究、开发的过程中。华科大超导电力研究中心自1999年以来对超导磁储能系统展开了研究，并于2005年成功研制35kJ高温超导磁储能系统，现已通过了动模试验，下一步拟接入电力系统试运行。在高温超导磁体、电流引线、直接冷却等关键技术上有较好的基础，可联合进行装置的技术开发、系统应用研究等。SMES在电力系统中可以用来提高系统稳定性、改善供电品质以及在含有太阳能、风能等新能源的分散电源系统中储存电能并改善电力输出特性，也可以用于重要装置的紧急备用电源。SMES所具有的这些优良性能将在电力系统中带来不可估量的技术经济效益。SMES以及在研究中所获得的相关技术可以广泛应用于所有需要强磁场的应用领域。
以上的例子只是工程电磁场在电力系统中的一些应用举例。工程电磁场中介绍的许多数值分析法，比如有限元法，时域有限差分法，优化模拟电荷法等等在电力系统中各领域已经起着很关键的作用。随便科技的发展，尤其是高速，大容量计算机的问世，为高精度，高效率的数值计算奠定了基础。工程电磁场中所介绍的理论，方法正更多地进入研究部门，生产企业，产生日益明显的经济效益。与此同时，电磁场数值计算的理论和方法日趋完善，也已成为电工理论学科中的一门新兴的应用学科分支。