用影像展现黑龙江省逊克农场自然之美-李庆民摄影作品选登

李庆民,出生于1977年,黑龙江省望奎人,网名微笑人生,黑龙江八一农垦大学农学院在职研究生毕业,现为黑龙江省摄影家协会会员、北大荒摄影家协会会员、哈药影友俱乐部会员.

半砬山展现原生态自然之美——李庆民摄影作品选登

半砬山位于中国黑龙江省逊克农场有限公司五十六作业区西南约四千米处。山体海拔最高处301米,地理坐标为东经128°46′,北纬49°09′,大约形成于中生代末期,是地壳构造运动留给我们的一座历经1.4亿年绝世难寻的精品杰作。这里山势险峻,林木葱郁,春观花海盛开,夏观水流急越,秋赏五花山色,冬赏玉树琼花,一年四季风景怡人。

SiC改性提升聚酰亚胺薄膜直流耐电晕性能的机理

传统聚酰亚胺(PI)薄膜应用到更高电压等级设备中,易产生电晕放电甚至绝缘失效。为提升聚酰亚胺薄膜耐电晕能力,实验采取碳化硅(SiC)作为增强相对PI基体相进行改性,探究SiC改性对复合薄膜耐电晕特性的影响机理。实验结果表明,随着SiC含量增加,SiC/PI复合薄膜出现非线性电导特性并逐渐增强,其同步提升的浅深陷阱密度比与载流子迁移率促进了表面电荷消散速率的增加。同时,SiC提升了15 kV直流电压下薄膜的沿面闪络和击穿时间,其中质量分数25%SiC/PI复合薄膜较纯PI膜分别提升了416.28%和298.39%。这是因为增强的非线性电导率和表面电荷消散速率,有利于空间和表面电荷运输,减少电场畸变,从而提升复合薄膜的耐电晕能力。对电晕损伤薄膜的无损区、圆状白斑区和白色堆积区进行形貌观测,发现SiC颗粒会在等离子体碰撞下形成放电阻挡层,有效减少电晕对基体相的侵蚀,延长了复合薄膜的耐电晕时间。最后发现质量分数15%SiC/PI复合薄膜为综合耐电晕与力学特性下的最优选择。

GIL支柱绝缘子嵌件-环氧界面缺陷演化过程与放电脆裂机制

交流GIS/GIL支柱绝缘子在生产、运行过程中其金属嵌件-环氧界面容易引入气隙缺陷,被认为是导致支柱绝缘子炸裂击穿故障的重要诱因。通过设计带有气隙缺陷的支柱绝缘子并搭建炸裂模拟实验平台,研究了绝缘子嵌件-环氧界面缺陷演化与炸裂过程。基于实验研究结果,将支柱绝缘子炸裂过程分为3个特征阶段:裂纹产生与扩展阶段、断裂阶段、炸裂阶段,气隙缺陷引发的局部放电会诱导裂纹的产生与劣化扩展,导致绝缘子在极短的时间内快速断裂并在多次高能电弧冲击下炸裂,呈现脆性断裂的特征。同时,通过实验分析了影响支柱绝缘子炸裂的关键因素,直流电压下绝缘子的炸裂概率比交流电压低10%~20%。进一步构建了电-机械耦合作用下的裂纹扩展相场仿真模型,分析了支柱绝缘子不同炸裂阶段的主导机制。在裂纹的产生与扩展阶段,电势能起到主要作用;在断裂阶段,电势能的作用逐渐减弱,机械势能逐渐增大并起到主导作用,当机械势能达到材料应力临界点时,绝缘子发生脆性炸裂。该研究成果初步揭示了支柱绝缘子气隙缺陷引发的放电脆裂机制,为支柱绝缘子的故障分析及优化设计提供理论基础。

基于双端行波频率变化特性的中低速磁浮交通供电轨故障定位方法

中低速磁浮供电轨供电过程中容易发生直流接地故障,由于其供电距离较短、接地网结构复杂,发生直流接地故障后不易准确定位故障点。为此针对以上问题,根据列车运行过程中车体与轨道无接触的特点,建立中低速磁浮牵引供电系统,分析双端故障测距与单端故障测距的优缺点,研究供电轨发生接地故障后故障行波时域分布与频域分布的关系;并通过计算式计算分析行波频谱的产生机理,得出故障行波的频率分布不受车站内阻抗、过渡电阻的影响,只与故障点位置和故障行波到达线路两端的时间相关;基于此,提出基于双端频率变化特性的中低速磁浮交通供电轨故障定位方法,根据故障行波频率特性与行波速度计算故障点位置。并且通过仿真验证,该方法不受故障点位置、过渡电阻大小影响,且适用于单处接地故障、多处接地故障类型,故障误差始终保持在1%以内,相比传统的直流牵引供电系统故障定位方法,测量精度更高,适用于中低速磁浮交通供电轨接地故障。

特约主编寄语

低碳能源供给和用能负荷形态的多元化,使得能源系统向多能态集约化发展。多态能源系统面向电力–交通融合供能系统、多功能工业园区等不同应用场景,以电能为核心整合场景内的多种能源形态,以一体化多能变换装备为手段,实现多种能源间的高效变换、协同管理与优化运行。

大盾构管片最不利上浮状态下三维形变特征模型试验方案设计

隧道施工期管片所受浆液浮力并非恒定,壁后浆液压力的不均匀分布会导致管片变形和隧道环的位错损伤。为减弱或避免因管片上浮造成的结构病害,通过自主设计研发一种考虑千斤顶水平推力、围岩压力以及同步注浆上浮力作用的管片三维加载模型试验系统,对大直径管片最不利上浮状态下的瞬时变形进行分析。试验装置由围压加载装置和非均布上浮力加载装置组成,可实现单点或多点同步加卸载;模型试验采用不同刚度弹簧模拟上浮期隧道与地层之间的相互作用;根据相似理论对管片模型和连接螺栓进行精细化设计和加工;根据实际工程中试验段的围压对模型围压初始值进行换算,并将动、静态上浮力相结合,提出更符合工程实际的盾构隧道横、纵向上浮力分析模型。结果表明:在拱底非均布上浮力的作用下,拱底竖向位移和收敛变形沿纵向均近似呈对数正态分布,其最大值均出现在脱出盾尾后第3环;各环管片的收敛变形与拱底竖向位移近似呈线性关系,斜率介于0.63~1.49之间;模型试验结果与实测数据相吻合。研究成果可为盾构隧道管片抗浮设计和施工提供一定的技术支持。

交直流GIS/GIL微纳粉尘可视化探测技术研究进展

交直流气体绝缘开关/气体绝缘输电线路运行的工程现场会产生多尺度微粒,其中的微纳粉尘在腔体中受到耦合场作用发生弥散运动。微纳粉尘粒径小、物化活性强、诱发的故障特征隐蔽性高,极大威胁设备绝缘安全。为此梳理了微纳粉尘的弥散浓度检测、空间分布的可视化探测技术的研究进展,并归纳了输电装备绝缘危险程度的评估方法。在此基础上,提出了微纳粉尘检测和危险程度评估中需要突破的关键问题和技术手段。高精度的微纳粉尘弥散浓度检测技术是研究和分析粉尘散射演化特性与弥散机制的基础,空间分布的可视化探测技术为实现微纳粉尘的示踪和探究时空动力学行为特征提供技术支撑。利用弥散浓度检测和可视化探测技术获得的微纳粉尘特征信息,能够建立粉尘危险程度评估的定量评价体系。微纳粉尘特征信息可视化探测技术的探索,也为开展微纳粉尘放电形态检测和放电机制研究提供思路。最后,总结了解决微纳粉尘可视化探测的技术途径,对研究气体绝缘开关/气体绝缘输电线路(gas insulated switchgear/gas insulated transmission lines,GIS/GIL)微纳粉尘的弥散演化机制与空间分布特征提供参考。

金属屏蔽设置对极端电子辐射下滑环绝缘构件深层充电影响因素分析

在太空极端电子辐射环境中,高能电子穿透金属屏蔽会引发滑环绝缘构件的深层充放电现象从而诱发功率传输部件(solar array drive assembly,SADA)的绝缘故障,甚至导致整星的失效。屏蔽外壳的材料、结构及配置方案等会对滑环绝缘构件的深层充电产生直接影响,因此有必要深入研究外壳的屏蔽作用并提升其防护效用,从而降低放电事故的可能性。为此建立三维滑环绝缘构件深层充电模型,得到了滑环绝缘构件电场和电势的三维分布。研究了金属屏蔽材料、屏蔽结构以及双层屏蔽对电子辐照下滑环绝缘构件最大电场的影响。结果表明,相同面密度下高原子序数金属材料比低原子序数金属材料能更好地屏蔽高能电子,但高原子序数金属材料因韧致辐射具有更高的光子透射率,容易对绝缘材料造成损伤;局部加强的屏蔽结构在质量一定的情况下能进一步降低滑环绝缘构件内部的电场畸变,在1 mm铝屏蔽质量的基础上,最大降低程度约25%;采用双层金属屏蔽时,高原子序数的金属材料在滑环绝缘构件内侧更有利于高能电子的屏蔽,其原因在于低原子序数金属材料在最外侧时会先降低高能电子的能量,从而更好利用高原子序数金属材料具有高背散射系数的特点。

不同含水率下电-热耦合应力对油纸绝缘界面小分子气体扩散特性的影响机制

油纸绝缘在实际运行过程中,受到电—热耦合应力作用,其内部产生的气体以气泡的形式从界面处析出,造成局部放电甚至绝缘击穿,危害变压器的运行安全。文中通过搭建油纸绝缘电—热耦合实验平台,分别对不同温度、不同电场强度以及不同含水率条件下的油纸绝缘模型进行实验,实验结果表明,随着电场强度以及含水率的提高,气泡析出的起始温度逐渐下降。由此进一步建立油纸绝缘界面分子动力学仿真模型,以绝缘纸老化裂解过程中产生较多的CO_(2)为例,对其在油纸绝缘界面处的聚集状态、相对浓度,扩散系数,氢键作用以及自由体积分数进行了研究。模拟结果表明,升温提高了自由体积分数,促进了CO_(2)分子的布朗运动,较多CO_(2)分子扩散至界面处与绝缘油中,扩散系数提高了187.96%。相同温度作用下,随着电场强度的增大,CO_(2)分子与其他分子间形成的氢键数量减少,导致CO_(2)受到的分子间作用力减小,290K时,电场从50kV/m增大到200kV/m时,扩散系数平均提高了90.41%;360K时,提高14.02%。含水率的提高使得CO_(2)分子的扩散系数平均提高了367.17%。结果表明,温度和含水率在油纸界面气体分子扩散过程中起主要作用。研究通过微观分子动力学仿真手段,揭示了电—热耦合应力对气体分子扩散的影响机制,为变压器安全运行提供了新的监测评估依据。

交直流输电管道绝缘运行安全关键技术

交直流输电管道具有电压等级高、电磁辐射小、敷设灵活性强等优势,在超特高压输电领域弥补了架空线路和电缆铺设的局限性,具有广泛应用前景。影响输电管道运行安全的首要因素是绝缘故障,而其中两大重要诱因是内部微粒的荷电运动和气固界面的电荷积聚。该文系统化梳理国内外相关研究,包括微粒运动与电荷积聚的时空交互、微粒与电荷积聚耦合下的放电物理机制、绝缘子性能增强设计方法、微粒抑制技术等。在此基础上总结出亟待解决的两个关键难题以及需要攻克的技术瓶颈。针对荷电微纳粉尘随机动力学特性与其诱发微弱放电的物理机制,在测量基础上须突破粉尘可视化探测瓶颈,并发展粉尘动力学行为仿真方法,以及基于飞秒瞬态光谱特征的放电检测技术。针对基于电荷调控机制的主动式微粒活性抑制理论,须开发新型涂层材料的精准制备与稳定涂覆工艺,提出主动式微粒协同抑制方法,探索智能输电管道全生命周期数字孪生技术。上述问题的有效解决,可为提升交直流输电管道绝缘安全运行水平提供理论基础和技术支撑。

高频下功率模块有机硅凝胶封装材料中电树枝生长及自愈特性

有机硅凝胶因其良好的电、热及机械性能,被广泛应用于多能变换装备中功率模块的封装绝缘,电树枝是由于局部放电而产生的树枝状放电通道,是功率模块封装绝缘系统较为常见的失效形式。基于此,该文搭建高频正弦电压激励下有机硅凝胶中电树枝生长实验平台,开展不同频率下的电树枝生长实验,探究高频下有机硅凝胶中电树枝的起始及传播机制,分析频率对电树枝特性的影响机理;进一步开展不同温度以及组分配比下的电树枝自愈实验,研究有机硅凝胶中电树枝自愈行为及其影响机制。实验结果表明,随着频率的升高,硅凝胶中电树枝形态将更加复杂,起树电压也会随之下降,18kHz下起树电压较8kHz下降了约17%。分析认为,麦克斯韦应力是导致高频下电树枝起始的主要原因,而有机硅凝胶中电树枝的传播特性也有别于传统固体电介质。针对自愈特性,温度升高有利于电树枝的自愈,但在100℃下将会抑制自愈,分析得到温度通过影响气体状态来影响自愈的不同阶段。同时,组分配比不同也会影响硅凝胶的形态及电树枝特性。

高温共烧陶瓷封装外壳生瓷加工精度的控制

高温共烧陶瓷(HTCC)封装外壳内部布线的位置精度直接影响着内部线路的稳定性。简述了陶瓷封装外壳加工工艺流程和在生瓷加工阶段影响位置精度的主要因素,包括生瓷料片加工形变特性及冲孔工艺、印刷工艺及叠片工艺的加工精度等。重点分析了生瓷片预处理、冲孔设备选择及工作台移动参数、印刷高度及叠片工艺对陶瓷封装外壳内部布线位置精度的影响。通过实验研究得到改善陶瓷封装外壳内部布线位置精度的关键数据。生瓷带料预处理工艺采用等静压机预压方式,以100psi(1psi≈6895Pa)的压力对生瓷料片进行2~3min预压,提高带料密度,减小生瓷加工过程中的变形;冲孔工艺选用激光冲孔方式,通过调整激光冲孔设备加工参数(工作台移动速度200mm/s),提高冲孔设备工作台移动位置精度,进而提升冲孔位置精度;印刷工艺采用丝网印刷方式和电荷耦合器件(CCD)自动对位方式,并通过规范印刷高度(2mm左右),提升印刷位置精度;叠片工艺中通过先叠片再去膜的方式提升叠片精度。最终实现层间布线位置精度≤20μm的陶瓷封装外壳的生产。

高导热氮化铝/环氧树脂复合材料的高频沿面放电特性

环氧树脂(epoxy resin,EP)因其优异的绝缘性能被用作高频变压器的主绝缘材料,但受限于材料的散热能力在强电-热耦合应力下容易发生沿面放电,采用三维导热网络法进行改性是有效的解决方案。该文采用硅烷偶联剂接枝改性氮化铝颗粒,分别制备填料随机分布与含导热网络的氮化铝/环氧树脂复合材料,与纯环氧树脂同时进行高频沿面绝缘特性与放电过程温度分布测试。实验结果表明,含氮化铝三维导热网络的EP复合材料可在提升高频绝缘性能的同时抑制材料表面的高频致热效应,在10kV/10kHz高频正弦电压下,相比于纯环氧树脂,总放电幅值从81.47V下降到了24.01V,放电后材料表面最大温升由145.9℃下降至117.6℃。进一步给出环氧复合材料的导热-绝缘协同提升机理:(1)导热网络结构在提供规整的热流传输通道的同时,抑制了填料与基体界面的电场畸变;(2)导热网络结构能显著提升表面浅陷阱密度,减少电荷脱陷的势垒,增强对放电的抑制作用;(3)在高频沿面放电过程中,f/K-AlN/EP自身导热率提升迅速,电导率提升缓慢,消散热量与抑制放电的趋势提升显著,提升了高频沿面放电寿命。

平板电极下微米级粉尘弥散浓度探测方法与时空演化特性分析

气体绝缘全封闭组合电器/气体绝缘金属封闭输电线路(GIS/GIL)在生产、运行和维护过程中会不可避免地产生微米级粉尘,可能是诱发工程现场不明放电的根本原因。为检测微米级粉尘弥散浓度并研究浓度的时空演化特性,该文分析了10000目、2000目和1000目粉尘的光散射特性,在此基础上设计并搭建了基于平板电极的粉尘浓度探测平台,实现了粉尘弥散浓度的定量探测。通过实验研究,获得了在升压过程和持续加压下,不同粒径、不同初始质量微米级粉尘的弥散浓度演化规律。研究表明,随着电压作用时间的增加,粉尘浓度快速出现最大值,然后逐渐下降。微米级粉尘弥散浓度在升压过程中会出现峰值现象,当粉尘粒径减小或初始质量增大时,均出现更大的浓度峰值。在粉尘运动过程中,存在团聚启举的特殊现象,造成严重的电场畸变,威胁气隙绝缘安全。该文结果阐释了微米级金属粉尘弥散浓度的时空演化规律,可为GIS/GIL等电气设备中微米级金属污染物的监测和危险程度评估提供支撑。

交流GIS提上式微粒陷阱优化设计方法

金属微粒是引发交流GIS绝缘故障的主要原因之一,微粒陷阱作为抑制微粒运动的关键组件,尚缺乏微粒抑制机制与定量设计方法。文中搭建了真型GIS微粒陷阱捕捉过程观测平台,分析了微粒陷阱的捕捉机制,微粒陷阱对底部电场强度的抑制作用以及微粒运动的高度分布是影响微粒陷阱捕捉效果的关键因素。基于陷阱捕捉机制定义了微粒陷阱的危险系数,以评估微粒陷阱对不同特征微粒的捕捉能力,进一步建立了考虑微粒荷电碰撞运动特性的微粒陷阱捕捉过程仿真模型,仿真计算了不同参数微粒陷阱的危险系数与捕捉概率,获得了微粒陷阱的最优尺寸。提上高度为4 mm的110 k V微粒陷阱与提上高度为6 mm的220 kV微粒陷阱具有最佳的微粒抑制效果,最后通过实验验证了仿真优化结果的有效性。提出的微粒陷阱优化设计方法可为不同电压等级的陷阱设计提供定量指导。

中低速磁浮交通接地系统研究综述

中低速磁浮交通系统单设回流轨结构虽然解决了常规走行轨道的杂散电流问题,但处于悬浮电位的接地系统使得其保护接地、防雷接地及电磁兼容等方面都不能简单沿用普通轮轨列车的接地方式,需要单独展开研究。首先介绍了中低速磁浮交通接地回流系统的特点;进一步从保护接地、防雷接地、以及接地系统的电磁兼容性三个方面对中低速磁浮交通接地系统进行分析,归纳总结其接地系统在接地故障点识别、雷击车体过电压、车体放电等方面存在的问题;最后探讨了针对以上问题的解决方案,包括64D接地保护装置改进及故障点识别优化、雷击车体过电压抑制方法以及电流泄放的电磁兼容性提升等,对中低速磁浮交通接地系统的设计方案提供全面参考。

考虑空间电荷分布的旋转风机叶尖电晕放电特性

雷击灾害严重威胁风电机组的稳定运行,目前尚缺乏针对旋转风机叶尖电晕特性的研究。为此,搭建了缩比旋转风机叶尖电晕观测实验平台,开展了风机叶尖的电晕模拟实验,分析了正负雷电极性下旋转叶尖的电晕平均电流、放电重复率以及占空比等电晕特征量,获得了正、负雷电极性下旋转风机的叶尖电晕放电特性;同时,建立了叶尖电晕的流体-等离子体化学混合的数值模型,从微观角度研究了不同极性叶尖电晕演化的差异。分析结果表明:与静止风机的电晕随机脉冲模式相比,旋转风机的叶尖电晕呈周期性间隔放电簇模式,且随着转速增加,电晕放电电流和重复率呈上升趋势;风机叶尖的正负电晕具有明显的极性效应,对叶尖正负电晕放电图谱进行分析发现,相较于正电晕呈分离特征明显的间隔放电簇模式,负电晕呈间隔的放电簇与连续的微弱放电叠加的模式。所得结论可以为旋转风机雷击防护技术提供理论依据。

基于分子动力学模拟的铜-石墨烯复合材料耐烧蚀性能提升方法

直线推进机构的轨道因滑动电弧烧蚀严重易导致发射失败,研究新的耐烧蚀金属材料是提高发射效率的关键,目前鲜有性能优异的铜-石墨烯复合材料(CuGr)在极端工况下滑动电弧烧蚀的研究。该文对石墨烯层叠式分布CuGr模型进行分子动力学模拟,揭示模拟烧蚀中模型表层温度和材料微观结构的演变规律,并提出石墨烯在材料中合适的掺杂方式。结果表明:石墨烯质量分数越高,层数越少,CuGr导热性能越好。石墨烯能有效的减少轰击最大侵入距离。基体中石墨烯也可阻挡位错深入,不引起反尺寸效应时石墨烯层数越多,质量分数越大,应变残留深度越小。石墨烯可以降低最终侵蚀坑的深度和减少基体材料的质量损失,CuGr模型的侵蚀坑深度类似,质量损失方面各模型相差较小但随着层数增加呈现减小趋势,且都优于Cu模型。综合对比模拟结果,效果最优的是石墨烯6层分布Cu Gr1%。上述结果可揭示铜-石墨烯复合材料耐烧蚀作用规律和微观机理,为制备耐烧蚀性能更高的CuGr材料提供理论依据和技术支持。

直流GIS/GIL中线形金属微粒群飞萤运动现象与危险程度评估

直流GIS/GIL中金属微粒群的存在严重威胁设备的绝缘性能,其中线形微粒会发生“飞萤运动”。为厘清线形微粒群飞萤运动机制,该文搭建飞萤运动观测平台,获得线形微粒群的运动特性。进一步,建立微粒群荷电运动模型,实现线形微粒群飞萤运动的动态模拟。研究表明,微粒群飞萤起始电压与微粒数量呈负相关,且随微粒直径的增加而增大,随微粒长度的增大而减小,叠放状态下微粒群的启举电压减小,但飞萤起始电压不受微粒初始状态的影响;相较于单微粒,微粒间库仑力、空间电荷与场强的变化使得线形微粒群存在一系列不规则悬浮与随机跨越运动。微粒群飞萤显著降低了设备耐电强度,基于微粒的气隙击穿效应对线形微粒群运动行为进行危险程度评估。具体结果表明,对于飞萤的线形微粒群,地电极单微粒飞萤的危险程度最低,高压电极单微粒飞萤与静止微粒飞萤时危险程度较高,微粒绕飞时危险程度最高。该研究在抑制微粒群飞萤运动方面为设备的主绝缘设计提供一定参考依据。