电力设备机械振动–超声波融合检测传感器研制及应用

电力变压器、气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)等大型电力设备不仅是复杂的电气设备,还是复杂的机械设备,运行中极易产生机械和绝缘缺陷,导致设备故障。振动及局部放电是设备机械和绝缘缺陷的有效表征信号,为了实现电力设备机械和绝缘缺陷的同时检测,该文提出可同时、同点、同步进行振动加速度和超声信号检测的融合传感器结构,设计融合信号多功能调理电路,研制振动加速度–超声波融合传感器,实现机械振动和局部放电信号在空间和时间上的同步检测及数据处理。进行融合传感器振动和超声校准试验,1Hz~4kHz内的平均振动灵敏度为98.1mV/g;20kHz~100kHz内的频响曲线谐振频率为46kHz,平均超声灵敏度为73dB(V/(m/s))。基于实际GIS设备开展局部放电和机械振动联合检测试验,试验结果表明融合传感器可准确检测电力设备机械振动和超声局放信号,为电力设备状态多物理量融合检测提供了新的思路与方案。

电力设备绝缘损伤形式及自修复材料研究进展

电力设备绝缘材料在生产、安装、敷设以及服役期间受到各种人为、环境因素的影响,易出现材料本体缺陷、机械损伤以及电气损伤等不同的绝缘损伤形式。自修复材料能通过材料内部分子的物理相互作用或是一定的化学反应识别损伤并对其进行修复。自修复绝缘材料的发展对延长电力设备的使用寿命和维持设备运行稳定性具有重要意义,将有效推动电力物联网和坚强智能电网的发展。该文总结了电力设备绝缘材料的基本缺陷及损伤形式,并归纳综述了可实现绝缘材料自修复功能的方法。

平板触头小开距高电流密度下真空电弧特性的实验研究

平板触头被广泛应用于真空触发开关和真空有载分接开关中,为研究其在高电流密度下的真空电弧特性及阳极模式的转变,该文针对直径15、20mm的平板触头,在3、6mm开距下进行触发燃弧实验,并依次对电弧电压特性、电弧能量特性、电弧形貌、触头烧蚀情况进行分析研究。结果表明:峰值电流一定时,随着触头直径与开距的比值的增大,电弧电压和电弧能量减小。触头直径与开距的比值越小,电弧出现阳极模式的阈值电流越小,且触头烧蚀越严重。在开距6mm时,直径15mm触头电弧电压在大部分时间比较稳定,阳极羽流在电弧快熄灭之前出现,而直径20mm触头电弧电压在整个燃弧期间频繁波动,电弧模式不断变化,阳极羽流在整个燃弧期间都有出现。研究结果对于大电流真空开断具有理论指导意义。

500 kV电力电缆用国产交联聚乙烯绝缘材料性能分析

讨论了新型国产超净XLPE绝缘材料应用于500 kV交流电缆的适用性,首先分析了对应基料与进口基料在分子量以及分子链结构上的异同;然后对比研究了该国产绝缘材料与2种进口绝缘材料的电、热、力学性能,发现3种材料性能相当且均满足应用于500 kV电缆绝缘的要求;最后结合基料的分子链结构特性,认为在基料中引入更多的端基双键以提升交联效率,可能是后续国产绝缘材料提升的方向之一。

特高压气体绝缘输电设备载流连接结构过热腐蚀特性

在特高压气体绝缘输电设备运行过程中,触指载流连接结构处容易因安装不当、载流不均而产生过热温度,加剧接触劣化,引发过热性故障。以气体绝缘设备中表带触指为研究对象,通过电热计算及红外温谱,确定触指过热范围,开展触指在SF_(6)、N_(2)、氮氧混合3种气氛下的过热腐蚀实验。利用扫描电镜、能谱分析对触指的接触形貌、腐蚀产物进行分析。结果表明,短时和长时大电流条件对接触电阻的影响相反。在铝电极组合和加速腐蚀48h内,3种气氛差异明显,纯氮气下接触电阻最低。在掺杂氧气、纯SF_(6)下接触电阻呈现波动、增长、稳定3个阶段,电阻最大值比氮气条件增长约14%。触指过热劣化机制主要为镀层高温剥落,基体暴露生成腐蚀产物。其表面氧、氟元素占比高,集中于触点。纯SF_(6)下触点及边缘腐蚀严重,铜银分界区存在明显的CuF、CuF_(2),与故障套管中触指表面形貌及产物较为相似,表明模拟实验的有效性。该研究可为气体绝缘输电设备中触指结构过热劣化分析提供依据。

低交联度LLDPE用于XLPE绝缘的机械及直流电气性能

为了降低直流电缆绝缘材料的电导率,并提升电导率及直流击穿场强的温度稳定性,同时改善绝缘的高温力学性能,文中引入低交联度线性低密度聚乙烯(linear low density polyethylene,LLDPE)作为直流电缆绝缘材料。文中对比添加不同含量过氧化二异丙苯(dicumyl peroxide,DCP)的LLDPE和低密度聚乙烯(low density polyethylene,LDPE),通过热延伸、动态热机械测试及拉伸试验分析其力学性能,并测试直流电导率和直流击穿场强。结果表明,DCP质量分数为0.7%~2.0%范围内,交联LLDPE具有更低的热延伸率,DCP质量分数为0.7%即可满足高压直流电缆对交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)热延伸率的要求。由此结果,结合减少副产物的目的,选出DCP质量分数为0.7%的LLDPE作为传统XLPE(DCP质量分数为2.0%的LDPE)的对比及替代绝缘材料。动态热机械测试(dynamic mechanical analysis,DMA)及拉伸试验验证了DCP质量分数为0.7%的LLDPE比传统XLPE拥有更高的杨氏模量及断裂伸长率;电导率及直流击穿实验表明前者在30~90℃拥有更低的电导率及更优的电导率和直流击穿场强的温度稳定性。由于实际电缆中的交联副产物难以脱尽且分布不均,严重影响电缆长期安全运行,可考虑将DCP质量分数为0.7%的低交联度LLDPE用作直流电缆绝缘材料,从而在满足高温机械性能的同时降低直流电导率并增强电导率的温度稳定性。

针板电极下酯类绝缘油放电特性及产气规律研究

酯类绝缘油在电力系统中的应用越来越广泛,其放电特性和产气规律与传统矿物油存在一定差异。为了研究酯类绝缘油变压器在放电故障发展过程中的放电特性和产气规律,该文以天然酯、改性酯以及合成酯为研究对象,搭建了油纸绝缘放电故障模拟试验平台,采用恒压法进行重复性试验,采集放电发展过程中的放电特征参量,并同时采集试验油样进行油中溶解气体分析。结果表明,酯类绝缘油放电脉冲幅值较高,脉冲重复率较低,其放电发展过程中所释放的能量较大;相同电应力作用下,酯类绝缘油易产生较多的气体产物,其中CO、C_(2)H_(6)和C_(2)H_(2)含量较多,尤其是天然酯FR3;根据放电统计特征参量和油中溶解气体产物可将整个放电过程划分为放电起始阶段、放电发展阶段以及预击穿阶段,其可为酯类绝缘油变压器故障诊断提供一定依据。

直流电缆用交联聚乙烯绝缘的击穿概率及其尺度效应仿真

电力电缆在远距离大容量电力传输和海上风电并网中起着极其重要的作用。受直流电场影响,交联聚乙烯(XLPE)电缆存在着空间电荷积聚和电荷能量积累现象,导致绝缘材料被击穿而引发故障。该文建立电荷输运与分子链位移击穿模型,对XLPE介质中载流子输运和能量积累过程进行了仿真,得到XLPE特征击穿场强-试样厚度依赖特性以及击穿概率分布。仿真结果表明,XLPE直流击穿场强受尺度效应影响明显,击穿场强随着试样厚度的增加而减少,且击穿强度概率计算结果服从威布尔分布。建立电荷输运随机变量参数分散性与击穿概率分布的定量关系。随着试样厚度的增加,绝缘材料内部的缺陷分散性增加,电荷输运随机变量参数高斯分布中的方差增加,击穿威布尔分布形状参数减小。陷阱能级是影响击穿威布尔分布形状参数的最关键因素。该研究为电力电缆的优化设计和可靠性评估提供了仿真技术支撑。

大功率高频变压器绝缘问题研究综述

高频变压器是电力电子变换系统中负责电气隔离和电压变换的关键器件。大功率高频变压器紧凑化的结构使其复合绝缘或浇注绝缘承受严苛的电、热和机械应力,给绝缘设计带来很大挑战。该文首先回顾了高频变压器的应用背景和结构形式,然后分析了高频变压器主绝缘和纵绝缘承受的电压应力,指出变压器局部介电损耗的问题,从优化设计的角度表明了功率密度与绝缘可靠性之间的矛盾,并阐明了高频变压器绝缘承受机械应力。提取了近年来高频变压器样机的绝缘设计中常用的绝缘材料、绝缘形式、绝缘等级,分析了绝缘设计对变压器体积、电场分布及寄生参数等的影响,提出绝缘设计流程的改进方向。高频电压下聚合物绝缘的介电损耗、局部放电和空间电荷特性是目前相关研究的关注重点,而这些因素之间通常互相耦合。分析归纳了高频方波波形参数和温度等条件对局部放电、绝缘寿命、空间电荷和电树枝发展规律的影响,指出研究领域的空白。最后,对高频变压器应力特点、绝缘设计和绝缘问题研究现状进行了总结。

电缆绝缘用聚丙烯/弹性体复合材料的高温介电性能

为研究弹性体含量对聚丙烯(PP)不同温度下介电性能的影响,制备了不同聚烯烃弹性体(POE)含量的试样,并通过添加β成核剂的方式对聚丙烯晶型进行调控,以优化聚丙烯/弹性体复合体系的高温介电性能。试验结果表明,相较于POE体系,POE/成核剂体系的柔韧性和高温力学的稳定性提高,高温交流击穿强度也明显改善,90℃时,POE40-β的交流击穿强度比POE40高11.4%。此外,β成核剂的引入抑制了POE体系高温低频下相对介电常数的上升现象,并大大降低了高温下的损耗,90℃时,工频下的介质损耗因数从10^(-2)降到10^(-3),下降了一个数量级。研究结果表明,β成核剂的添加不仅可以改善聚丙烯/弹性体复合体系的力学性能和高温击穿强度,还提高了聚丙烯和弹性体的相容性,削弱了界面极化的作用,使其表现出更为优异的介电性能。

介电功能梯度材料在电气绝缘领域的研究进展

介电功能梯度材料(dielectric functionally graded materials,d-FGM)是一种具有空间非均匀介电参数分布的新型绝缘材料。在电气绝缘领域,d-FGM可通过调节材料介电常数或电导率的空间分布,实现电场分布的有效调控,进而显著提升绝缘结构的耐电强度。相对于传统绝缘设计中结构优化与材料改性相对分离的情况,d-FGM创新性地将两者有机结合起来,有望带来绝缘设计理念的变革。该文分析了d-FGM在电气绝缘领域的应用原理,综述了其研究进展,并进一步从d-FGM设计、制备、性能评价(包含介电特性无损检测、放电起始及发展物理机制探索)等方面,阐述了d-FGM研究中的关键科学问题及解决思路,以期对电气绝缘d-FGM的学术研究及工程应用起到指导和促进作用。

特高压气体绝缘开关设备中特快速瞬态过电压测量用电容传感器的标定

为保证特高压气体绝缘开关设备(gas insulatedswitchgear,GIS)中特快速瞬态过电压(very fast transientovervoltage,VFTO)测量用手孔式电容传感器的准确性,必须对其进行标定。研制了用于电容传感器的标定系统,它由3种不同幅值及波形的脉冲源及相应测量系统组成。其中:低电压陡脉冲源用于校验电容传感器的高频特性;高电压陡脉冲源用于校验传感器在高压下的稳定性;低电压长波尾电源用于校验传感器的低频特性。水电阻分压器及金属膜电阻分压器用于测量3种脉冲源的输出波形,在标定电容分压器前,对电阻分压器的频率特性及线性度特性进行了试验。电容传感器的标定试验结果表明,华北电力大学和清华大学研制的电容传感器均具有良好的频率特性、线性度和稳定性,可以满足特高压GIS设备VFTO测量工作的需要。

用电设备智(自)联网的概念与实现技术(三)——电力线通信关键技术

电力线载波(PowerLine Communications,PLC)在用电设备智联网中承担了接入层和传输层的大部分通信任务,对于数据的真实性、可靠性、时效性起着至关重要的作用。介绍了当前电力线通信发展现状及需要解决的关键技术,包括了基本信道特性、基于OFDM的调制解调技术、多节点的接入方式、基于实际电力接入网结构的子网划分策略,并结合用电设备智联网的架构和组网方式提出了适宜的路由寻址策略。

电力系统外绝缘污秽状态在线监测技术分析

概述了电力系统外绝缘污秽状态的监测原理及相关最新研究成果,对比分析了国内外不同监测方案的优缺点。研究了各种污秽监测报警模型,分析了各种报警模型的报警可靠性。总结了电力线路故障在线测距与定位的方法,最后给出了集总式电力线路外绝缘污秽状态在线监测的特点。

面向新型电力系统弹性提升的储能优化配置与灵活调度研究综述

新型电力系统新能源高渗透率、高度电力电子化、供用能高自由度重塑了系统形态特征,系统在极端事件下更加脆弱、弹性提升需求迫切。储能具有多时间尺度响应、功率−能量双重调节属性,可有效提升极端事件下新型电力系统弹性水平。因此,立足于提升新型电力系统主动应对极端事件能力,对面向系统弹性提升的储能优化配置与灵活调度展开讨论。首先,分析了新型电力系统新形态下弹性提升挑战以及需求;其次,归纳了储能技术发展特征及其在常规场景下的功能应用;然后,从规划与运行层面详细论述了极端场景下储能提升系统弹性的研究现状;最后,围绕事前预防、事中响应、事后恢复3个方面指出储能提升新型电力系统弹性的研究方向以及若干建议。

550kV GIS盆式绝缘子小型化设计(三)——缩比结构验证

为制造经小型化设计的550 kV盆式绝缘子并验证其电气性能,采用3D打印结合环氧树脂浇注工艺制备了1:10缩比绝缘子。首先,将氧化铝填料与光敏树脂复合作为低相对介电常数(3.98~4.20)3D打印浆料,根据光固化与流变特性确定填料含量及打印参数后,利用立体光固化3D打印机制备低介电常数的绝缘子主体。随后,将二氧化钛填料与环氧树脂复合作为高相对介电常数(11.32~14.58)真空浇注浆料,浇注至3D打印绝缘子预留的高介电常数区域内,加热固化完成缩比绝缘子的制造。0.2 MPa下SF6氛围中的工频耐压实验结果表明,优化后的绝缘结构具有更优的绝缘强度。相同绝缘距离下,几何形状优化绝缘子闪络电压较常规绝缘子提高13.6%,几何形状/介电分布联合优化的绝缘子提高13.8%;绝缘距离减少15%后,联合优化绝缘子耐电强度与常规绝缘子相当;当法兰侧“楔形”气隙内存在金属丝时,相同绝缘距离下,仅进行形状优化的绝缘子耐电强度提升幅度降低至6.7%,而联合优化绝缘子由于在法兰侧形成低电场区域,闪络电压仍可提高13.1%。结果表明,几何形状/介电分布联合优化绝缘子具有显著的绝缘优势。

电力系统中量子信息学的应用现状及展望

量子信息学在信息获取、传输和处理等方面具有独特优势,在保障新型电力系统信息安全和纾解算力困境等方面潜力巨大。从量子通信和量子计算2个方面,总结了电力系统应用背景下的量子信息学研究现状,并对未来可能的研究方向进行了展望。首先,介绍了量子信息学的基本概念和原理。然后,针对量子通信,分析了典型量子通信技术在新型电力系统中的适用性,并从远距离信息传输、多主体通信、统一标准化和专用研发平台4个方面了梳理电力系统中量子通信的研究现状;针对量子计算,从线性代数运算、优化问题求解、机器学习和参数估计等方面阐述归纳了量子算法的基本原理及其在电力系统中的研究现状。最后,面向新型电力系统中量子信息学的应用前景进行了展望,并提出了电力系统中量子信息学的发展建议。

绝缘子沿面放电多光谱脉冲演化特性及诊断方法

绝缘子或套管处产生的沿面放电是导致开关柜、环网柜绝缘失效的常见诱因,而传统局部放电在线检测和诊断方法难以准确评估放电发展阶段和危害程度。该文采用单光子固态光电传感技术,对绝缘子沿面放电发展过程中的多光谱脉冲特性及其演化规律进行了试验研究,并提出一种基于多光谱脉冲演化特性的沿面放电严重程度诊断方法。首先,搭建多光谱光电同步检测平台,实现了沿面放电过程中多个光谱波段光信号和电流信号的同步采集;然后,根据全波段光脉冲幅值及其导数变化规律对沿面放电发展过程进行了三阶段划分,并分别对沿面放电三阶段多光谱脉冲的相位统计和非相位统计特征进行分析,明确了特征量随放电发展阶段的演化规律;最后,基于深度神经网络算法建立沿面放电多光谱严重程度评估模型,结果显示该模型诊断准确率达到96.75%,验证了多光谱诊断方法的可靠性。

双碳目标下新型电力系统发展展望

随着碳达峰、碳中和双碳目标的提出,我国各行业的转型与发展面临着新的要求。电力行业作为我国实现双碳目标的关键行业与重要领域,能够对全社会双碳目标的实现提供有力支撑。为实现碳中和的目标,该文立足于“四个革命、一个合作”的能源安全新战略,从能源消费、能源供应、能源体制与能源技术4个层面,结合我国新型电力系统的发展现状与发展要求,分析了我国电力行业实现双碳目标过程中所面临的挑战,并结合电力系统信息化的相关技术,提出了建设新型电力系统与实现双碳目标的措施,进而总结并提出了新型电力系统在电网结构、核心技术与能源体制方面将会发生的变革趋势,为我国建设新型电力系统助力双碳目标实现提供了研究方向。

交联剂和抗氧剂对低密度聚乙烯绝缘料熔体黏弹特性的影响

高压电缆用低密度聚乙烯(low-density polyethylene,LDPE)绝缘料熔体的黏弹特性决定了其挤出加工成型水平,研究交联剂和抗氧剂对其未交联时黏弹特性的影响规律与机制对于提升绝缘质量具有重要意义。该文以LDPE为基料,分别混制含过氧化二异丙苯(dicumyl peroxide,DCP)和3种不同抗氧剂的电缆绝缘料,使用旋转流变仪获得DCP和抗氧剂对自制绝缘料未交联时黏弹特性的影响规律,并从原子水平分析其微观影响机制。结果表明,添加少量的抗氧剂会对绝缘料黏弹特性产生显著的影响,且随着添加含量的增加,其复数黏度和动态模量均逐渐下降。由DCP和抗氧剂分子化学构成和拓扑结构的差异引起其对绝缘料黏弹特性的影响程度不同,即添加剂分子有效极性基团数量越多、分子尺寸越小、形状越趋向线型扁圆,对绝缘料黏弹特性的影响程度越大。该研究为深入理解交联剂和抗氧剂对高压电缆用LDPE绝缘料未交联时熔体黏弹特性的影响机制提供了理论参考。