基于布里渊动态光栅的高灵敏度保偏光纤多参量同时解调

为了实现基于保偏光纤在布里渊动态光栅的温度、快轴压力和慢轴压力同时解调,并克服传统压力传感灵敏度不足的缺点,提出了一种边孔型高灵敏度光子晶体光纤。利用有限元方法,研究了温度、快轴压力和慢轴压力与双折射频移、布里渊频移和布里渊线宽之间的关系,据此可实现多参量的同时解调。结果表明,该光子晶体光纤可以实现三参量的同时解调,且解调误差在1 MPa和1℃以内。快轴压力、慢轴压力和温度的误差均值分别为0.21 MPa、0.31 MPa和0.30℃,误差的标准差分别为0.15 MPa、0.21 MPa和0.21℃。在施加0~30 MPa的横向压力和0~100℃的温度时,该光子晶体光纤快轴方向上的压力灵敏度为-1.961 GHz/MPa,光纤慢轴方向上的压力灵敏度为1.356 GHz/MPa,其温度灵敏度为0.105MHz/℃。相较于目前最优结构的光子晶体光纤压力灵敏度提升了-957MHz/MPa。该传感器及解调方法适用于土木结构和大型机械在建造和使用过程中监测其内部所受温度和不同方向压力的变化。

高阶轨道角动量传输光纤设计及传输特性研究(内封底文章)

为解决一般轨道角动量传输光纤传输轨道角动量模式数量少、质量差的问题,提出了一种基于正六边形空气孔排列的新型光子晶体光纤结构。该光纤引入了空气填充率高的矩形空气孔以及采用高折射率材料填充环形传输区域,能够有效提高环形传输区域和包层间的折射率差,且正六边形排列空气孔有利于提高模间有效折射率差。经过结构优化得到最优光纤结构,有限元法的分析结果表明,最优结构下,该光纤在常用波段S+C+L+U波段上能够支持142种轨道角动量模式的传输,最高阶数达到36阶。且所提出光纤具有良好的传输特性,本征模式的最高限制性损耗为10−9 dB/m量级,与典型轨道角动量传输光子晶体光纤相比至少降低了一个数量级;最大有效模场面积能够达到206.18μm^(2),最小非线性系数低至0.397 W^(−1)∙km^(−1);色散平坦且最小色散变化低至1.4578 ps/(nm∙km);所有本征模式纯度均在93.4%~96.8%范围内。且该光纤具有较好的制备可行性,对制造精度要求不高。因此,该光纤在基于轨道角动量光纤的复用系统中具有广阔的应用前景,为提高通信容量提供了一种有效手段。

基于多特征量的GIS触头温度预测方法

为防止因气体绝缘开关(gas insulated switchgear,GIS)触头温升造成的事故,有必要对GIS触头温度进行监测与预测。针对触头温度不易直接测量以及其温度易受运行工况与外界因素影响的问题,文中提出了一种基于多特征量的GIS触头温度预测方法。文中通过建立三维仿真模型,分析了在不同接触电阻值、负荷电流、环境温度、风速、SF 6压强、太阳辐射强度下GIS的温度分布规律,结合热路理论定性验证了仿真模型的可靠性。通过分析可知,GIS触头温度预测的关键因素为外壳温升、负荷电流、风速、SF 6压强、太阳辐射强度,而环境温度影响可忽略,采取反向传播(back propagation,BP)神经网络用以上多特征量预测触头温升,将得到的预测值与建模方法的计算结果进行对比,误差为-0.7~0.68℃。该预测方法综合考虑多种影响因素对GIS温度场的影响,为基于外置传感器的GIS触头温度预测提供参考。

绝缘子电场有限元分析法的影响因素及其优化

某些因素对基于有限元法的电场分析结果有重要影响,为了提高基于有限元法的绝缘子电场分析的准确性,以表面洁净、染污、覆冰和有分离水珠的110 kV瓷支柱绝缘子为研究对象,在ANSYS中分别建立它们的模型,研究了电场分析类型、远场单元及面积、基于轴对称的简化建模方式对有限元法算得的绝缘子电场分布的影响。结果表明:洁净、表面有干污层情况下选择静电场或电准静态场分析时算得电场分布没有差别,但表面有湿污层、湿污层和干燥带、分离水珠或干/湿冰层情况下二者算得电场分布的差别较大;湿污层电阻率越小则差距越大,介电常数对二者差距影响不大;绝缘子有湿污层、湿污层和干燥带、分离水珠、干/湿冰层时应该采用电准静态场分析;建模时远场单元应该使用,否则得到的结果误差很大,相比之下远场区域面积对电场分析结果的影响要小很多;轴对称的三维体可用其轴截面的一半的以轴对称方式建模,用轴截面直接建模误差很大。

拟合方法用于硅橡胶静态接触角的测量

准确获得水珠的静态接触角对高温硫化硅橡胶及室温硫化硅橡胶憎水性规律的研究具有重要意义。在手动获得水珠边缘点的基础上,根据水珠在含水量足够小时其所得图像的水珠边缘呈圆形这一规律,运用最小二乘算法拟合水珠边缘。使用了Levenberg-Marquardt算法计算最小二乘拟合,介绍了其原理,理论上推导了拟合使用到的公式,编程实现了相关程序。对拟合所得的圆采用切线的原理,计算得到左右两侧的静态接触角,将它们平均即得该水珠的静态接触角。针对仿真水珠图像和真实水珠图像,分别使用量角器法和基于拟合的方法经过多人多次使用,结果表明,拟合方法能有效减少量角器方法测量结果受主观因素的影响,在较大程度上提高静态接触角测量的精确度,对硅橡胶材料憎水性的准确研究有一定意义。

影响硅橡胶静态接触角测量结果的相关因素分析

为了更加准确地获得硅橡胶材料的静态接触角,有必要研究接触角测量时各种因素对测量结果的影响。基于接触角测量仪和数码相机及动静态接触角自动计算软件DSCA(dynamic static contact angle),研究了座滴法测量硅橡胶静态接触角时水珠体积、拍照延迟时间、温度、水电导率和样本纵向倾斜程度对测量所得接触角的影响。结果表明:水珠体积对静态接触角测量没有明显影响,但不同体积水珠的最佳接触角算法不同;随拍照延迟时间增加,接触角有下降趋势,洁净样本、电晕样本、染污完全迁移样本下降速度较慢,浸泡和染污未完全迁移样本下降速度较快;温度对测量所得接触角有影响,低温下静态接触角偏小;水电导率对测量得到的接触角未见明显影响;反向倾斜可能会导致大误差,正向倾斜时,无论是大接触角图像还是小接触角图像,倾斜程度对测得的接触角影响不大,但倾斜的水珠图像会给自动计算带来难度。因此,低温中取出的试样要恢复到室温后测量,而高温试样则关系不大;水珠体积选择2～4μL;拍照可选择滴水后5s左右进行;水应选择去离子水,如无也可用自来水或具有一定电导率的盐水替换;尽量选择镜头平面垂直于硅橡胶平面时进行拍摄。

温度对硅橡胶电晕时憎水性的影响

为研究温度对交流电晕导致硅橡胶憎水性丧失和恢复的影响,搭建了1套硅橡胶电晕测试系统,系统首先利用针板电极产生极不均匀电场,其次基于USB-9215A采集卡和图形化编程软件LabVIEW搭建了施加电压和电晕电流的监测系统,最后基于ANSYS建立了多个针板电极模型并进行了电场分析,结果表明多针电晕系统中各针板电极相应处场强相等,并用同样厚度的多个试样的试验结果验证了各针板电极电晕效果的一致性。研究发现交流电晕后硅橡胶表面也存在电荷,必须进行释放,否则可能会给试验结果带来较大误差,为此进行了机理上的解释并给出了消除表面电荷的方法。另外研究了温度单一因素对硅橡胶憎水性丧失和恢复的影响,结果表明:随着环境温度的升高硅橡胶在电晕时憎水性丧失速度变慢,憎水性恢复速度变快。

室温硫化与高温硫化硅橡胶在交流电晕下憎水特性的比较

为了研究交流电晕对室温硫化(room temperature vulcanization,RTV)和高温硫化(high temperature vul-canization,HTV)硅橡胶憎水性丧失和恢复的影响,基于硅橡胶电晕测试系统在相同的温度、湿度和场强下对同样厚度的RTV和HTV硅橡胶进行了电晕,测量了不同电压和电晕持续时间情况下RTV和HTV硅橡胶在电晕和恢复时的静态接触角随时间的变化情况。研究发现:同样的电压和加压时间情况下,RTV硅橡胶电晕后憎水性丧失速度慢于HTV硅橡胶,憎水性恢复到初始值所需时间明显短于HTV硅橡胶。随电晕时间的增加硅橡胶憎水性恢复到初始值所需时间存在增加的趋势。随电晕电压的增加硅橡胶憎水性下降速度加快,憎水性恢复到初值所需时间存在增加的趋势;随电晕时间、电压的增加晕圈逐渐增大。电晕的开始阶段憎水性快速下降,随时间增加速度逐渐下降,后来憎水性逐渐趋于稳定;恢复的开始阶段憎水性恢复速度快,随时间增加速度逐渐下降,后来憎水性逐渐趋于稳定。对电晕后硅橡胶表面进行了扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)分析,发现RTV硅橡胶表面破坏情况比HTV硅橡胶严重。

RTV涂层染污后憎水性迁移影响因素的研究

研究室温硫化(room temperature vulcanization,RTV)硅橡胶涂层染污后憎水性迁移及其影响因素对RTV的应用具有指导意义。笔者以盐和灰的混合物模拟现场污秽,通过静态/动态接触角法表征憎水性,研究了迁移时间、温度、湿度、盐类型、灰类型、盐密、灰密对RTV涂层憎水性迁移速度的影响。结果表明:随着迁移时间的增加憎水性逐渐变好,迁移完全样本的接触角大于洁净样本;随温度增加迁移速度变快,且温度越高速度增加越快;随相对湿度增加迁移速度减慢,迁移所需时间非线性增大;ZnSO4迁移速度最快,NaNO3、NaCl、CaSO4相近;灰为硅藻土时污层的迁移速度快于高岭土的;随盐密/灰密(污秽度)的增加迁移速度有下降的趋势。

考虑液滴体积的接触角拟合算法

当液滴体积较小时其边缘近似为圆形,基于圆方程进行拟合的算法有望准确获得接触角;当液滴体积增加时其边缘趋向于椭圆,此后基于椭圆方程进行拟合的算法有望能准确获得接触角。为了加快拟合速度,使用了一种直接计算获得椭圆参数的算法,避免了迭代且提高了计算效率。用圆拟合算法与椭圆拟合算法对不同接触角的圆和椭圆仿真图像进行计算,结果表明:当接触角较小时,无论是对圆图像还是对椭圆图像使用圆拟合算法都有较小的误差;当接触角较大时,如果是圆图像则两种算法都有较高精确度,如果是椭圆图像则基于椭圆的算法的误差更小。因此,接触角较小时使用基于圆的拟合算法,否则使用基于椭圆的算法。且针对不同的椭圆离心率给出了算法选择的临界接触角。对室温硫化(RTV)硅橡胶拍照所得水珠图像进行拟合,发现结果与仿真分析相近,且随着体积的增加液滴边缘的离心率增大,两种算法所得结果的差距也增大。

分离水珠对支柱绝缘子电场分布的影响

憎水性时表面的分离水珠对电场有畸变作用,容易导致局部放电。为此,基于有限元法建立了110kV瓷支柱绝缘子的真实模型和模拟的复合支柱绝缘子模型,基于准静态拟谐性场分析了分离水珠存在时表面电场/电位的分布情况并与不存在水珠的情况进行了比较,获得了容易发生局部放电的区域和水珠畸变场强的影响范围。同时分析了接触角、水珠间距、电导率对电场的影响,结果表明:水珠的存在畸变了其附近的电场,但对电场的整体分布和电位影响很小;上下金具附近、伞裙上表面与柱体相交处是电场集中区域;电场仅在大伞裙外侧以内小范围内发生畸变;复合支柱绝缘子沿面电场略小于同样形状的瓷支柱绝缘子;随着水珠接触角的增加/间距的减少电场畸变更严重;实际情况中水的电导率对场强几乎没有影响。

一种新的MOA阻性电流提取算法

根据小电流区金属氧化物避雷器(MOA)等值电路模型为非线性电阻和电容并联的原理分析了非线性电阻和电容产生的电流,指出二者之间存在正交关系,并进行了证明。在此基础上提出了一种获取MOA泄漏电流中阻性分量的方法。即使MOA电阻的非线性关系和晶介电容值未知时,理论上该方法仍然可以获得准确的阻性电流,且不受电压信号中存在谐波的影响,同时可以获得准确的晶介电容值。基于Matlab实现了多种算法,使用MOA模型仿真出了电压和泄漏电流信号,多种方法的计算结果中所提算法具有最小误差,电压谐波存在时误差均为0;实验室实测了10 kV MOA的电压和泄漏电流,计算结果表明所提算法具有最高的稳定性。

用加Hanning窗插值高阶正弦拟合法测介损角

电力系统频率偏离50Hz时常规的傅立叶变换用于频谱分析时易产生频谱泄漏和栅栏效应,使介损角计算产生误差。高阶正弦拟合法以信号的基波频率、谐波幅值和相角作为变量对信号进行拟合,该法能有效减轻谐波存在和频率波动的影响,精确测量电气设备的介损角。高阶正弦拟合法的关键是最小二乘的计算,通常使用傅立叶变换结果作为最小二乘法的初始值,当频率偏离50Hz较多时,傅立叶变换结果与谐波分析的真实值相差较大,将其作为初值的最小二乘计算量大,影响了高阶正弦拟合法的实时性。加Hanning窗插值谐波分析法通过加窗和插值能有效减轻频率偏离50Hz时的频谱泄漏和栅栏效应,且有快速算法较之傅立叶变换增加的计算量很少。为提高高阶正弦拟合法计算介损角时的实时性,将加Hanning窗插值谐波分析法的结果作为高阶正弦拟合法的初始值,所得初始值与精确值的差值减少,最小二乘法的迭代次数从2次减到1次,容性设备仿真信号的计算时间从约0.82ms减到约0.45ms,结果表明所提出的方法能有效减少介损角的计算时间,提高介损角测量的实时性。

亲水性时静态接触角算法及在硅橡胶憎水性检测中的应用

为了提高亲水性时静态接触角计算的准确性,提出了一种考虑水珠体积和憎水性的静态接触角算法。基于Young-Laplace方程产生水珠边缘曲线,同时在其上叠加一定的噪声来模拟水珠边缘提取时的误差,研究了接触角≤90°、水珠体积<200μL且接触线长度≤1cm时,水珠体积和接触角对圆拟合算法和椭圆拟合算法准确性的影响,同时分析了噪声含量对2种算法准确性的影响。研究结果表明:噪声对椭圆拟合算法准确性的影响大于圆拟合算法,随着接触角的增大,噪声的影响减弱;随着水珠体积的增加,圆拟合算法的误差明显增大,椭圆拟合算法的误差略有增加;接触角≤15°时应选择圆拟合算法;接触角>15°而≤70°且水珠体积≤7μL时应选择圆拟合算法,接触角>15°而≤70°且水珠体积>7μL时应选择椭圆拟合算法;接触角>70°且≤90°时应选择椭圆拟合算法。将2种算法应用于不同憎水性的硅橡胶试样静态接触角的测量,结果验证了分析结论。所提出的静态接触角算法可有效提高硅橡胶材料处于亲水性状态时静态接触角计算的准确性。

加Blackman-Harris窗插值算法仿真介损角测量

为了更好地将加布莱克曼-哈里斯(Blackman-Harris)窗插值谐波分析法用于介损角测量,仿真分析了该算法及其在信号频率、3次谐波、直流分量、采样频率、A/D量化位数、采样时间长度、介损角真实值、白噪声及脉冲噪声变化时计算所得介损角误差的变化。仿真结果表明,频率波动时算法误差很小且稳定;算法随3次谐波分量的增加误差有很微小的增加;算法随直流分量的增加变化不显著;算法随A/D量化位数的增加误差减少,≥10位的量化位数能满足精度要求;随采样频率的增加误差稍有下降,但趋势不明显;随采样长度增加误差减少,0.1s的采样时间长度足够;介损角误差与真实值的关系不大;随白噪声和脉冲噪声含量的减少误差减少,对白噪声和脉冲噪声信噪比约80 dB能满足要求。

憎水性材料接触角算法的选择及在硅橡胶憎水性检测中的应用

为了准确获得硅橡胶材料的静态接触角,研究了不同水珠体积和憎水性下接触角算法的选择问题。考虑到水珠表面服从Young-Laplace方程,仿真分析了硅橡胶处于憎水性状态(静态接触角>90°)且水珠体积<100μL时接触角和水珠体积对椭圆拟合算法准确性的影响。结果表明:接触角不变且接触角≥105°时,随着水珠体积的增加椭圆拟合算法误差增大,水珠体积<100μL且接触角为(90°,105°)时可选用椭圆拟合算法;水珠体积不变,随着接触角的增加椭圆拟合算法误差有增大的趋势;在大接触角或大体积时ASDA-P算法具有更高的准确性。洁净硅橡胶接触角时计算可选用椭圆拟合算法,染污后憎水性迁移或超疏水硅橡胶的接触角时计算应选用ASDA-P算法。文中给出了不同水珠体积和接触角下的算法选择策略。最后用不同憎水性和水珠体积下硅橡胶的静态接触角测量实验验证了分析结论。

基于有限元法的绝缘子污闪模型

为了分析某些因素对绝缘子交流污闪电压的影响,将有限元法用于平板型污层剩余电阻的计算,并将计算结果用于Obenaus污闪模型去预测交流污闪电压。将有限元法的计算结果与Wilkins公式以及人工污秽试验结果进行了比较,验证了有限元法用于剩余污层电阻计算的有效性。由于需要建立和分析的模型数量很大,结合MATLAB、BCB、ANSYS实现了ANSYS中的自动建模以及剩余污层电阻的自动计算,大大减少了工作量。在此基础上分析了污层形状、电弧数量、弧长比例、电弧位置对交流污闪电压的影响。结果表明:满足形状因数不变时,更符合实际情况的多边形污层对应污闪电压始终要大于矩形污层对应的污闪电压;随着电弧数量的增加污闪电压明显增大;上下金具弧长比例对污闪电压基本没有影响;上下金具弧长位置对污闪电压影响不大。

干燥带对染污支柱绝缘子电场分布的影响

为分析绝缘子污层表面干燥带的产生对其电场分布的影响,在ANSYS中建立了染污110 kV瓷支柱绝缘子的模型,分析了其在干燥带出现前后电场和电位的变化情况,分析了干燥带容易出现的区域以及干燥带位置、宽度、数量、电阻率对沿面场强的影响。结果表明:柱体较之伞裙更易因发热而出现干燥带;出现干燥带后其附近电位发生突变,干燥带附近沿面场强急剧增大,湿污层沿面场强急剧下降;干燥带端部(附近)沿面场强较大,中部沿面场强较小;干燥带由湿变干过程中沿面最大场强逐渐增大最后趋于稳定;柱体、伞裙上表面的干燥带越窄沿面最大场强越大,伞裙下表面的干燥带随宽度增加沿面最大场强未必显著下降;干燥带数目越多则沿面最大场强越小;伞裙下表面的干燥带导致沿面场强的畸变程度常要大于上表面;伞裙间柱体上干燥带对应的沿面最大场强容易大于靠近上、下金具柱体上的干燥带对应的沿面最大场强;相对位置不变时干燥带在不同位置的大/小伞裙、伞裙下柱体时沿面最大场强变化不大,但小伞裙干燥带对应沿面最大场强大于大伞裙的情况。

动、静态接触角计算软件及在硅橡胶憎水性检测中的应用

为了提高接触角计算的准确性和自动化程度,基于MATLAB的图形用户界面(graphical user interface,GUI)实现了一套动态和静态接触角计算软件系统,实现了手动方式和自动方式获得液滴接触角的方法,自动方式中基于水平集方法自动获得液滴边缘,该方法基于偏微分方程,能获得全局最优的液滴边缘,抗干扰能力强,后续处理方便,另外还实现了基于阈值的自动边缘提取算法。接触角计算中实现了切线法、圆拟合法、椭圆拟合法、量角法、量高法、多项式拟合法、Young-Laplace拟合法等算法。分析了典型算法的原理、特点和适用范围。拟合和计算结果能以数字、图像方式显示和存储,同时自动存入数据库。将该软件应用于硅橡胶憎水性检测,结果表明在不同情况下该系统均能自动、准确获得动静态接触角,可在很大程度上节省接触角计算的工作量。

RTV和增爬裙对支柱绝缘子电场和电位分布影响的研究

RTV涂层和增爬裙在电力系统外绝缘中多有应用,研究其对电场、电位的影响对施工以及运行都具有指导意义。以110 kV瓷支柱绝缘子为例,在ANSYS中建立了其真实模型,基于静电场有限元分析了RTV涂层厚度,增爬裙的数目、位置、形状对最大电场、沿绝缘子表面场强/电位的影响。结果表明:RTV涂层和增爬裙不改变电场和电位的整体分布,有RTV涂层后场强略有下降,随RTV涂层厚度的增加最大场强和沿面场强略有下降;随着增爬裙片数、位置、厚度和外径的变化沿面场强/电位有所变化,且随其外径和高场强区片数的增加沿面场强减少更明显。所得结果对RTV涂层和增爬裙的应用具有一定指导意义。