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基于沿线电流故障分量差值的交叉互联电缆故障测距

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电力系统保护与控制 2023年第19期51卷 54-66页

作者：杨明嘉夏成军池梓斌赖胜杰陈晓儒黄龙毅华南理工大学电力学院广东广州510640 广东省新能源电力系统智能运行与控制企业重点实验室广东广州510663 广东电网有限责任公司惠州供电局广东惠州516001

为解决长距离高压电缆采用交叉互联接地方式时故障测距较为复杂的问题,提出基于沿线电流故障分量差值分布的交叉互联电缆故障测距方法。首先,通过故障发生前后护层环流判断电缆故障区段。其次,考虑线芯与护层之间的耦合关系,基于双π模... 详细信息

为解决长距离高压电缆采用交叉互联接地方式时故障测距较为复杂的问题,提出基于沿线电流故障分量差值分布的交叉互联电缆故障测距方法。首先,通过故障发生前后护层环流判断电缆故障区段。其次,考虑线芯与护层之间的耦合关系,基于双π模型推导电缆不同区段发生故障时的沿线电压、电流方程。在此基础上,通过求解电流故障分量差值函数零点得到故障距离,并结合切线方程对所得故障距离进行修正。最后,搭建电缆故障模型对测距方法进行仿真验证。结果表明,所提方法测距误差为1%左右,具有较高的准确性,对采用交叉互联接地方式的电缆实现故障测距具有一定的参考意义。

关键词：高压电缆交叉互联双π模型故障分量故障测距

考虑泄漏电流及层间耦合的高压电缆金属护套环流计算与分析

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高电压技术 2024年第2期50卷 765-774,I0029页

作者：赖胜杰夏成军池梓斌纪焕聪陈晓儒黄龙毅华南理工大学电力学院广州510640 广东省新能源电力系统智能运行与控制企业重点实验室广州510663 广东电网有限责任公司惠州供电局惠州516001

高压电缆线芯与金属护套间存在泄漏电流,当前护套环流的分析与计算中未准确计及其影响,为此提出了考虑泄漏电流及层间耦合的高压电缆金属护套环流计算方法。首先,建立了基于电缆双π集中参数模型的护套环流等值计算模型,在分析泄漏电流... 详细信息

高压电缆线芯与金属护套间存在泄漏电流,当前护套环流的分析与计算中未准确计及其影响,为此提出了考虑泄漏电流及层间耦合的高压电缆金属护套环流计算方法。首先,建立了基于电缆双π集中参数模型的护套环流等值计算模型,在分析泄漏电流影响时,考虑线芯与护套、护套与护套之间的电磁感应作用;然后,运用叠加原理,推导了考虑泄漏电流及层间耦合的监测点与任意位置护套环流计算过程;最后,基于PSCAD/EMTDC仿真软件,搭建了不同排列方式及段长组合下的仿真模型,并结合工程案例进行结果验证,在此基础上,分析了负荷电流、段长组合以及排列方式对护套环流的影响。结果表明:采用该方法所得环流与仿真值的误差大都在1%以内,实例分析亦验证了其准确性;此外,工程中需注意轻载环流超标现象以及段长组合对护套环流的重要影响。以上方法及分析结果对电缆设计、运行监测、故障诊断与定位有一定的借鉴意义。

关键词：高压电缆双π模型交叉互联层间耦合泄漏电流护套环流

RF-CMOS片上螺旋电感模型及模型库的开发

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RF-CMOS片上螺旋电感模型及模型库的开发

作者：邹欢欢杭州电子科技大学

学位级别：硕士

随着硅集成电路技术和无线通讯市场的快速发展,以系统级芯片为趋势的硅基射频集成电路(RFIC)逐渐以低成本、低功耗等优势崛起。电感作为重要的无源器件,在电路中可实现阻抗匹配、可调谐负载、反馈、滤波等功能,在RFIC单元电路如低噪声... 详细信息

随着硅集成电路技术和无线通讯市场的快速发展,以系统级芯片为趋势的硅基射频集成电路(RFIC)逐渐以低成本、低功耗等优势崛起。电感作为重要的无源器件,在电路中可实现阻抗匹配、可调谐负载、反馈、滤波等功能,在RFIC单元电路如低噪声放大器(LNA)、压控振荡器(VCO)、混频器(Mixer)、滤波器(Filter)、功率放大器(PA)中扮演着举足轻重的角色,其设计和优化已成为整个电路成功设计的关键之一。在标准CMOS工艺中,由于硅衬底是有损耗的,使得硅基片上螺旋电感的品质因数普遍不高。同时,以硅材料为衬底的电路,其工作性能也会因为随工作频率上升而出现的各种损耗(尤其是衬底损耗)而恶化。目前,随着工艺尺寸的减小,射频集成电路的应用频率越来越高,可达到几十甚至几百GHz。在如此高的频率下,电感中的高频寄生效应,如金属的趋肤效应、邻近效应以及衬底的涡流效应等,都会变得非常严重,这也为准确建立电感模型增加了难度。因此,有效地分析并获得硅衬底在片螺旋电感的电路模型及其参数,掌握电感性能随工作频率改变的特性,以用于电感的设计和优化,已成为实现硅衬底射频/毫米波集成电路的一个非常重要的课题。本文主要研究硅衬底在片螺旋电感的分析、仿真和建模。本文首先介绍片上螺旋电感相关的基础知识,包括电感的结构、性能参数、损耗机制和建模方法等。在电感的损耗机制中,本文着重介绍两大损耗,即金属损耗和衬底损耗。建模方法主要分析了电磁场仿真和等效电路模型,并总结了它们的优缺点和适用范围。在总结和对比了现有的等效电路模型之后,本文提出了两个新模型,它们分别是单π和双π模型。新的单π模型是一个宽带模型,采用一个横跨在两个端口之间、与直流电感相耦合的R-L-C网络来表征涡流效应,同时在传统的R-C衬底网络中串联一个R-L并联支路来表征衬底损耗。该模型主要提高了单π模型在高频时的精度,拓宽了模型的带宽。新的双π模型改变了趋肤效应和邻近效应的描述方式。模型中用一个由三个R-L串联支路组成的并联网络来描述趋肤效应,邻近效应则用它们相互之间的互感来表示。同时,新的单π模型中的衬底网络也适用于该模型,可以拓展其带宽。最后,本文利用已见诸于报道的单π和双π模型以及本文提出的双π模型,建立了三个电感scalable模型,即模型库。这三个模型库可分为两种类型:(1)基于已见诸于报道的单π和双π模型的电感模型库,我们采用了经验的方法,先对一批电感进行参数提取和优化,再总结模型中各元件参数值的规律,用与尺寸相关的数学公式来表示等效电路元件值。(2)基于本文提出的双π模型的电感模型库,我们采用了物理的方法,模型中的元件值均用它们的物理公式表示,这些公式与电感的版图尺寸和工艺参数有关。在此基础上,我们再添加一些优化系数来提高拟合精度。文中两个新模型和三个模型库均采用基于SMIC 0.18μm RF CMOS工艺的平面螺旋电感进行了验证,电感的测试频率从DC到40GHz。从仿真和测试的对比结果来看,新模型和模型库的拟合精度较高,符合电路设计中的应用要求。

关键词： CMOS 片上螺旋电感涡流效应电磁场仿真单π模型双π模型 scalable模型

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MMIC中电感的设计及模型研究

MMIC中电感的设计及模型研究

作者：曲雅珍西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着射频集成电路中片上系统(SOC)的迅速发展,低成本、易集成的片上螺旋电感成为了当今研究热点。片上螺旋电感可应用于射频集成电路的多个模块中,它的性能直接影响电路的整体性能。但是,电感在高频时的寄生效应会对电感造成严重的性能... 详细信息

随着射频集成电路中片上系统(SOC)的迅速发展,低成本、易集成的片上螺旋电感成为了当今研究热点。片上螺旋电感可应用于射频集成电路的多个模块中,它的性能直接影响电路的整体性能。但是,电感在高频时的寄生效应会对电感造成严重的性能损耗。因此,有效分析并建立片上螺旋电感的精确电路模型,掌握电感优化设计准则,是当前电感研究的重要课题。本文首先研究了片上螺旋电感的一些基础理论,并详细分析了片上螺旋电感的主要损耗机制。针对传统电感单π模型没有考虑高频寄生效应的不足,提出了一种改进式的电感单π模型。该模型用电感和电阻的并联结构来表示电感高频时的趋肤效应和邻近效应,用电阻、电感串联后与电容并联的结构来模拟衬底单向耦合。采用二端口网络分析法、结合了拟线性函数法及线性拟合法提取出电路中各个元件值。在给定频率范围内对电感在HFSS下的电磁仿真结果、传统电感单π模型与改进式电感单π模型主要性能指标的仿真结果进行对比。结果表明改进型单π模型的精确度比传统单π模型精确度高。在较宽频带内,单π模型的精确度仍达不到要求,因此,本文继续研究了电感双π模型,并提出了一种简化的改进式电感双π模型。采用与单π模型同样的方法进行仿真分析。结果表明,改进式电感双π模型能更好地反映出电感的实际工作状态。利用提出的改进式电感双π模型,通过仿真分析了片上螺旋电感的线圈参数(匝数N、内径D、间距S、线宽W、厚度t)对电感性能产生的影响,总结了电感线圈参数优化的方法。最后,基于0.25μm GaAs pHEMT工艺,设计了一款62GHz超宽带低噪声放大器,使用本文提出的螺旋电感模型,仿真分析了该放大器的几个重要性能参数,从仿真结果可以看出,在给定的频率范围内,放大器功率增益G大于20dB,噪声系数NF小于1.9dB,回波损耗S11优于-7dB,输出1dB增益压缩点P1dB大于10.6dBm,满足设计要求。

关键词：片上螺旋电感高频寄生效应等效电路模型单π模型双π模型低噪声放大器

计及电缆金属护层结构的电缆故障测距与识别方法

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计及电缆金属护层结构的电缆故障测距与识别方法

作者：唐进西南交通大学

学位级别：硕士

目前,电力电缆的应用越来越广泛,但由于电力电缆通常埋于地下,具有难观测性,故障查找、检修困难,因而快速、准确的电力电缆故障定位与识别技术的需求也越来越迫切。因此,本文着重研究电缆的准确故障测距与识别方法,首先结合实际电缆结... 详细信息

目前,电力电缆的应用越来越广泛,但由于电力电缆通常埋于地下,具有难观测性,故障查找、检修困难,因而快速、准确的电力电缆故障定位与识别技术的需求也越来越迫切。因此,本文着重研究电缆的准确故障测距与识别方法,首先结合实际电缆结构参数,建立充分体现实际电缆结构的线路模型,模拟电缆不同的故障类型,获取仿真数据;然后利用双π模型计及电缆金属护层结构,考虑电力电缆特殊结构对电缆故障测距与识别方法的影响,根据电缆故障特征完成故障测距与识别。电力电缆具有特殊的金属护层结构,分析其对电缆线路电磁场的影响,将电场影响用电容表示,磁场影响用互感表示,则可以将电缆金属护层等效为导体,利用集中参数双π模型计及电缆金属护层结构,计及金属护层结构对电缆的电气影响;基于基尔霍夫定律,推算出单相、三相单芯电缆双π模型首末两端电气量的关系式,得到计及电缆金属护层结构的电缆数学模型;分析不同电缆故障类型的特征,可以发现无论故障相何处发生单相故障,其前后电流一定存在差值,但正常相相应处的前后电流仍相等,并且可以通过故障点处的电气量计算得到故障电阻值,通过故障电阻值大小可以识别故障类型。研究一种基于电缆结构的故障测距与识别方法,能够准确得到故障距离并识别出电缆单相故障。该方法考虑电缆的实际结构,在此模型基础上,将电缆单相故障类型分为芯-护层故障(主绝缘故障)、护层对地故障(外绝缘故障)以及芯-护层对地故障(单相接地故障)。当故障发生,根据三相单芯电缆数学模型,利用导芯及护层首端电气量得到线路沿线的电流值,根据非故障相对应故障点处前后电流故障分量相等的特征,可迭代搜索得到故障距离。然后代入所得故障距离,利用电缆首端的故障分量信息,求取故障位置处的导芯与护层间、护层与地之间的阻抗值,根据阻抗值大小确定故障类型。该方法只需利用导芯及护层首端故障分量的相量值,能够实现护层对地故障、芯-护层故障以及芯-护层对地故障的准确测距与类型识别,不受过渡电阻的影响,易于实现。负荷阻抗与故障电阻是影响故障测距精度的两大主要因素,上述单端故障测距方法使用了恒阻抗负荷模型,但仿真分析发现,若负荷侧引入变压器模型,将使恒阻抗负荷模型不再适用故障测距方案,因此需要将负荷端阻抗值的变化考虑进电缆故障测距方法。若直接使用电缆末端电气量,则需要同步装置得到双端同步数据,因而电缆负荷侧使用等效阻抗模型,计及变压器复杂电磁变化对负荷阻抗影响的同时,也消去了双端数据同步的需要。即引入电缆末端电气量数据,对未知的负荷阻抗进行参数识别;利用实时负荷等效阻抗进行故障定位,规避负荷阻抗未知或给定值不准确对定位精度的影响。此电缆双端故障测距方法不仅不受负荷阻抗与故障电阻的影响,而且无需双端数据同步。论文所做的理论研究和仿真结果表明:当电缆发生单相故障时,计及电缆金属护层结构,考虑电缆内部及三相电缆之间的相互影响,利用非故障相进行故障测距的电缆单端法测距与识别方法精度高,且不受故障距离、故障类型、故障电阻、故障初相角以及电缆护层接地方式的影响;同时,基于负荷实时阻抗模型的改进阻抗双端法,可有效解决故障电阻、负荷阻抗模型以及双端信息同步问题,提高电缆故障测距与识别的准确性。

关键词：单芯电缆金属护层故障测距故障识别双π模型短距离电缆

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集成平面螺旋电感的设计及其应用

集成平面螺旋电感的设计及其应用

作者：曾山东南大学

学位级别：硕士

随着集成电路工艺的发展,CMOS工艺以其低成本、易集成、低功耗等特点,已成为数字/模拟集成电路的主流工艺。在CMOS工艺特征尺寸减小的同时,MOS器件的截止频率达到数十GHz,从而越来越多的射频集成电路芯片采用CMOS工艺实现。随着集成电... 详细信息

随着集成电路工艺的发展,CMOS工艺以其低成本、易集成、低功耗等特点,已成为数字/模拟集成电路的主流工艺。在CMOS工艺特征尺寸减小的同时,MOS器件的截止频率达到数十GHz,从而越来越多的射频集成电路芯片采用CMOS工艺实现。随着集成电路与通信技术的发展,射频收发机系统的CMOS全集成已经成为发展趋势。电感作为一种重要的无源元件,广泛应用于射频电路中实现调谐、匹配、滤波等功能。如何实现高性能CMOS工艺集成平面螺旋电感是目前射频集成电路研究的热点和难点。本论文首先介绍了平面螺旋电感发展的状况,以及平面螺旋电感设计的重要性。为了完成平面螺旋电感的建模,分析了平面螺旋电感的多种损耗机制。然后,比较了平面螺旋电感的不同几何结构及其不同应用的优缺点,同时研究了提高电感Q值的主要途径。在这些分析的基础上,从平面螺旋电感的物理效应角度出发,提出了一种简化的片上螺旋电感双Π等效电路模型。该模型可有效解释螺旋电感中趋肤效应、邻近效应、衬底耦合、馈通电容、导体间电容等分布效应的影响。由该模型估算得出的元件参数,可作为实际数据拟合的参考依据,从而提高了拟合的效率与精确性。仿真结果表明,拟合后的等效电路模型,在0.1GHz～10GHz范围内,与电磁场仿真软件(ADS momentum)仿真结果有很好的一致性。最后,针对数字电视接收机中的具体应用,基于Chartered 0.25um RFCMOS工艺,自主设计了一系列集成电感,并从中选取合适的电感,完成了一个低相位噪声VCO的电路设计和版图设计。Cadence SpectreRF仿真结果表明:该VCO核心电路后仿真相位噪声达到-89.4dBc/Hz@10KHz。与直接采用Chartered工艺厂家提供的电感相比,相位噪声提高了6dB,完全满足数字电视接收机的要求(-85dBc/Hz@10KHz)。

关键词：平面螺旋电感双π模型等效电路模型射频集成电路 VCO

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基于厚铜工艺的高性能片上螺旋电感研究

基于厚铜工艺的高性能片上螺旋电感研究

作者：黄寅上海交通大学

学位级别：硕士

近年来，硅基片上螺旋电感作为射频芯片的关键器件，已成为国内外产业界的研究热点。利用先进铜工艺技术在标准硅衬底上制作射频器件及电路，符合射频终端低成本、全集成的发展需求。本文采用单大马士革铜互联工艺技术，开发了厚铜工艺... 详细信息

近年来，硅基片上螺旋电感作为射频芯片的关键器件，已成为国内外产业界的研究热点。利用先进铜工艺技术在标准硅衬底上制作射频器件及电路，符合射频终端低成本、全集成的发展需求。本文采用单大马士革铜互联工艺技术，开发了厚铜工艺，并设计了系列片上电感进行了流片，并进行了测试和分析了单圈和差分电感，并利用自感应参数方法针对差分电感完成电感参数提取及电感建模工作，从而满足客户在射频集成电路设计者的应用。本文主要工作如下：基于电磁场理论系统分析了片上螺旋电感的损耗机理及影响电感品质因子Q值的多种结构参数，同时利用三维高频仿真工具HFSS对多种工艺和结构参数的电感进行了大量的模拟仿真，验证了采用厚铜工艺对提高高性能片上电感性能的重要性，并设计完成了系列电感来评估其性能。本文基于0.13μm铜后道工艺线，采用单大马士革工艺技术，通过深高宽比的深槽刻蚀和化学机械抛光等关键工艺开发，建立了生产螺旋电感所需采用的厚铜互联制造工艺流程，在200mm晶圆生产线上制备了3μm厚的顶层金属导线，其方块电阻达到6毫欧姆，实现了高性能电感的制造。测试分析和模型提取。通过在片高频测试系统，对制备完成的大量厚铜片上螺旋电感进行了系统的测试分析，测试结果符合设计规格。结果显示：电感值L为2.2nH的片上电感，在工作频率为2.2GHz时其Q值达到16.6，大大优于相同结构的铝电感。针对差分电感，完成电感参数提取及电感建模工作。本文采用的一种基于物理的、完备的、可按比例变化的电感模型，具有三维可伸缩，能够准确描述低频特性，包含修正的趋肤效应和邻近效应。通过比较非对称电感模型仿真数值与测量数值间的差异，该模型能够做到使大部分尺寸电感Q值和L值误差小于10%，满足业界应用的要求。

关键词：片上电感厚铜工艺单大马士革品质因子双π模型

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一种高压输电线路实用故障定位新方法

电力建设 2013年第9期34卷 123-128页

作者：施世鸿中国能源建设集团广东省电力设计研究院广州市510663

针对实际运行中线路电流互感器饱和或断线导致某一侧电流畸变或不可用,而无法实现故障定位,以及实际中线路两侧数据采样难以做到完全同步的情况,根据过渡阻抗的纯电阻性质,仅利用两侧电压和另一侧电流,提出了一种新的高精度实用故障定... 详细信息

针对实际运行中线路电流互感器饱和或断线导致某一侧电流畸变或不可用,而无法实现故障定位,以及实际中线路两侧数据采样难以做到完全同步的情况,根据过渡阻抗的纯电阻性质,仅利用两侧电压和另一侧电流,提出了一种新的高精度实用故障定位算法。该方法测距精度不受功角、故障初始时刻影响,较好地解决了电流互感器饱和或断线影响测距的问题;无需两侧数据采样完全同步,而且计算量小,无伪根问题,具有较高的理论和实用价值。ATP-EMTP仿真结果表明,该方法正确,测距精度高。

关键词：输电线路继电保护故障测距电流互感器饱和双π模型过渡电阻