電力電纜中的電磁暫態

第1章 組件描述
1.1電纜
1.1.1電氣參數
1.1.2序阻抗
1.1.3實例
1.1.4其他損耗
1.2連接技術
1.3電纜熱性能
1.3.1內部熱阻
1.3.2外部熱阻
1.3.3載流量計算
1.3.4實例
1.4並聯電抗器
1.5習題
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第2章 簡單開關暫態
2.1拉普拉斯變換
2.2RL電路的開斷（或並聯電抗器）
2.2.1直流電源
2.2.2交流電源
2.2.3小結
2.3RC電路的開斷（或電容器組）
2.3.1交流電源
2.3.2時間步長的重要性
2.3.3小結
2.4RLC電路的開斷
2.4.1直流電源
2.4.2交流電源
2.4.3小結
2.5習題
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第3章 行波
3.1引言
3.2電報方程
3.2.1時域
3.2.2頻域
3.3電纜的阻抗和導納矩陣
3.3.1兩端接地電纜
3.3.2交叉互聯電纜
3.3.3三芯電纜（管式）
3.3.4小結
3.4模態分析
3.4.1方法
3.4.2模態速度
3.4.3模態衰減
3.4.4小結
3.5電纜頻譜
3.5.1零序
3.5.2小結
3.6行波的反射和折射
3.6.1線路終端
3.7本章小結
3.8習題
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第4章 暫態現象
4.1引言
4.2不同類型的過電壓
4.3操作過電壓
4.3.1單芯電纜
4.3.2三相電纜
4.3.3電源建模
4.3.4連接方式的影響
4.4並聯電纜的通電
4.4.1估算公式
4.4.2高頻率下電感的調整
4.5缺零現象
4.5.1對策
4.6電纜的中斷點
4.7暫態恢復電壓和再通電
4.7.1連接方式的示例和影響
4.7.2電纜和並聯電抗器
4.8混合電纜---架空線
4.8.1通電和再通電
4.8.2小結
4.9電纜和變壓器之間的相互作用
4.9.1串聯諧振
4.9.2並聯諧振
4.9.3鐵磁諧振
4.10故障
4.10.1單相
4.10.2三相電纜
4.10.3連接了並聯電抗器的電纜
4.10.4其他網路設備短路的影響
4.10.5總結
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第5章系統建模與諧波
5.1引言
5.2開斷分析的建模深度
5.2.1理論背景
5.2.2建模深度的計算
5.2.3交叉互聯換位段的建模
5.2.4可能的誤差
5.2.5擴展法和誤差最小化
5.2.6等效網路
5.2.7包括電纜和架空線的系統
5.3電纜系統的諧波
5.3.1引言
5.3.2頻譜估計
5.3.3頻譜和電磁暫態
5.3.4靈敏度分析
5.3.5結論
5.4研究不同現象的電纜模型的類型
5.5開關暫態模擬的系統方法
5.5.1示例

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一個多世紀以來，架空線已經成為在各電壓等級下傳輸電能的最常用技術，尤其是在最高電壓等級下。然而近年來，在丹麥、日本和英國等國的輸電網中，高壓交流電纜的數量和長度都有所增加。與此同時，以高壓交流電纜與陸地相連的離岸風電場的建設也呈指數級增長。

隨著高壓交流電纜數量的增加，與其運行相關的電磁現象，尤其是電磁暫態方面的研究興趣也在增加。自電力系統誕生以來，人們便開始了對於暫態現象的研究。最初僅局限於較為基本的現象開展分析。但是，隨著計算工具變得更加強大，分析開始擴大到更為複雜的現象。

電磁瞬變並非新現象，許多文獻都涉及了這方面的內容，至今仍在使用的經典著作如格林伍德的《電力系統中的電瞬態》，已經出版超過40年。然而，大多數文獻往往忽略了高壓交流電纜。這不難理解，因為長距離高壓交流電纜在此前並不常見。

《電力電纜中的電磁暫態》旨在闡明使用高壓交流電纜運行于電力網絡時可能發生的一些瞬態現象。《電力電纜中的電磁暫態》是作為教材編寫的，試圖對不同的現象進行全面的解釋，並著重描述不同的場景。作者認為，這種方法可以説明讀者更好地理解物理原理，並能在處理有關高壓交流電纜的不同情況時對其開展相應分析。

《電力電纜中的電磁暫態》未涉及的一項重要主題是測量協定/方法。在電纜上進行測量時所使用的協定取決於測量的物件、可用的設備和可訪問性。我們建議對此方面有興趣的讀者在博士學位與學術論文中搜索相關資訊。

這本書不僅為學生而寫，也能夠幫助該領域的工程師瞭解他們所面臨的問題及挑戰，或者學習建立模擬模型。

第1章“元件描述”說明了電纜的幾個層面及其功能，解釋了如何計算電纜的不同電參數，如電阻、電感、電容，以及如何使用這些值計算正序和零序阻抗，包括如何調整這些資料值以獲得更準確的計算結果。

本章介紹了通常用於電纜遮罩層的不同連接結構（兩端連接和交叉互聯），還介紹了用於估算不同類型環境中電纜最大電流的方法，即熱計算。

本章結尾介紹了並聯電抗器。它能就地消耗電纜產生的無功功率，因而是電纜網路中的一個重要構成部分。

第2章“簡單開關暫態”回顧了拉普拉斯變換原理，並用它來研究簡單的開關暫態以及交流和直流電源的RC-RL-RLC負載。

換言之，本章演示了如何進行簡單系統的分析。這些原理將在後面的章節中用於研究更複雜的場景。

第3章“行波和模態域”回顧了電報方程，以及如何計算電纜在不同頻率下的回路、串聯阻抗矩陣和並聯導納矩陣。

本章還介紹了電纜的不同模態，如何計算其阻抗和速度，以及它們的頻率依賴性。在電纜暫態的研究中，模態理論知識至關重要。的確，在許多情況下，我們用軟體進行模擬，讀者可能會覺得只有設計軟體的人才需要知道如何使用模態理論。然而，要理解某些現象需要對該理論有最低限度的瞭解。因此，本書提供了關於這一主題的詳細解釋。本章最後還研究了不同連接結構電纜的頻譜。

第4章“暫態現象”描述了高壓交流電纜中可能發生的幾種電磁現象。本章首先解釋了雙端連接和交叉互連情況下單根電纜的供電，展示了不同場景下的波形，並演示了如何使用模態理論來解釋暫態波形；然後介紹了其他現象，如並聯電纜供電、缺零、瞬態恢復電壓和重燃。然後考慮了混合電纜—架空線，並且演示了在某些結構下的過電壓可能相當高，以及連接結構對過電壓幅度的影響。；分析了高容性的電纜與高感性的變壓器之間的相互作用，並解釋了一些可能的諧振及鐵磁諧振場景。最後研究了電纜短路。由於遮罩層回流的存在，這與架空線短路完全不同。遮罩層的不同連接結構亦會影響短路電流的大小和瞬態恢復電壓的大小。

第5章“系統建模與諧波”首先提出了一種方法，可在供電/重燃模擬中決定建立多少網路模型，也指出了該方法的可能限制。接著分析了由於電纜電容較大而具有較低諧振頻率的電纜網路頻譜，並提出了一種可在繪製網路頻譜時節省時間的技術。本章的結尾提出了一項研究線路絕緣配合的系統方法，以及研究不同類型暫變的建模要求，包括了設備的建模深度和建模細節，附以分步通用示範。