氮化硼纳米片改性硅橡胶的直流电气与力学性能

日益提升的高压直流输电电压等级对直流电缆附件用硅橡胶的电气性能提出了更高的要求,为了探究具有优良直流电气性能的复合硅橡胶材料,文中制备了填充不同质量分数的聚多巴胺修饰氮化硼纳米片改性硅橡胶,对比分析了不同填充量下复合硅橡胶的直流电气性能。结果表明:填充氮化硼纳米片可以有效抑制硅橡胶的空间电荷积聚现象,试样的直流击穿场强随填充量的提高呈现先增大后减小的趋势,在填充量(质量分数,下同)为15%时达到最大值,相比纯硅橡胶提升23.2%,直流电导率先减小后增大,在填充量为15%时取得最小值;除此之外,当填充量为15%时,试样的拉伸强度较纯硅橡胶提升了38.3%,试样的断裂伸长率仅下降2.7%,基本保持了原有的断裂伸长率;经聚多巴胺修饰的氮化硼纳米片复合硅橡胶相比于未经表面修饰的氮化硼纳米片复合材料,其直流电气和力学性能都有显著提高。综合分析,填充量为15%时复合材料具有较好的综合性能。

基于新能源-负荷相似性的源荷储协调调峰优化调度

合理利用可调节负荷的响应特性来实现源荷储的协调调度,可有效缓解新能源、负荷的不确定性所带来的调峰压力。基于新能源-负荷(NER-L)相似性,建立可调节负荷响应目标。基于相关系数,建立能准确刻画负荷对新能源出力跟踪匹配程度的NER-L相似性指标,并将指标引入所建源荷储协调调峰的双阶段优化调度模型。第一阶段模型以NER-L相关系数最大为目标,确定可调节负荷在各时段的响应功率并获得最优电网负荷;第二阶段模型以弃风弃光量最小、调峰运行成本最低为目标,优化火电机组及储能出力。以IEEE 30节点系统为例,对NER-L相似性、净负荷峰谷差、系统调峰运行经济性及新能源弃电功率进行计算分析,结果验证了所提模型的有效性。

纳米TiO_(2)表面精准修饰对硅橡胶直流绝缘性能的影响

为研究纳米TiO_(2)颗粒表面精准修饰对硅橡胶直流电气性能的影响,分别在纳米TiO_(2)表面单峰和不同密度双峰接枝长链与短链聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)。将具有不同接枝类型的纳米TiO_(2)以相同质量分数(1%)添加到硅橡胶(silicone rubber,SIR)中,制作得到纳米TiO_(2)/SIR复合薄膜样品。热失重分析试验结果证明长链与短链PDMS成功接枝到纳米TiO_(2)表面;Zeta电位试验结果表明,长链与短链PDMS双峰接枝增强了相邻TiO_(2)颗粒之间的静电排斥力;TEM观测结果表明,经过双峰接枝长短链PDMS,纳米TiO_(2)颗粒在SIR中的分散性大幅改善。空间电荷、直流击穿和直流电导试验结果表明,双峰接枝长短链PDMS的组别抑制注入同极性空间电荷效果更佳、直流击穿场强更高、体积电导率更低。这是由于随着纳米TiO_(2)表面长短链PDMS双峰有效接枝密度的提高,使得界面区域分子链排列更加质密,自由体积减少;同时,纳米TiO_(2)与SIR基体之间的表面能差降低,促进了SIR基体中纳米TiO_(2)颗粒的分散,增强了SIR与纳米Ti O_(2)颗粒间的界面作用,从而提高了纳米TiO_(2)/SIR复合材料的直流绝缘性能。

基于自注意力生成对抗网络的电力设备在线监测缺失数据填补

电力设备的在线监测系统常出现不同程度的数据缺失,而传统的缺失数据填补模型精度较低。因此提出一种基于自注意力生成对抗网络(self-attention generative adversarial networks,SA-GAN)的电力设备在线监测缺失数据填补模型。首先搭建基于自注意力机制的时间序列填补模型,并对权重融合模块进行改进,然后将时间序列填补模型作为生成器,构造对应的判别器与损失函数,提出了具有自注意力机制的生成对抗网络SA-GAN,对电力设备在线监测数据进行缺失填补。最后通过实际工程中的电力变压器、高压电缆在线监测数据对模型进行训练与测试,验证了模型的有效性。结果表明,通过局部遮掩对110 kV变压器在线监测数据进行自然缺失模拟并通过各类缺失填补模型进行补全时,SA-GAN模型的平均绝对误差(mean absolute error,MAE)最高为0.11,均方根误差(root mean square error,RMSE)最高为0.17,较其他模型分别至少降低19.10%、14.07%,验证了SA-GAN模型的有效性;对9.51%自然缺失率下的220 kV高压电缆在线监测数据进行填补时,SA-GAN模型的MAE为0.58,RMSE为0.84,较其他模型分别至少降低21.71%、14.43%,表明该模型可在电力设备状态异常且部分监测数据缺失的条件下有效恢复缺失数据。此外,经SA-GAN模型填补之后的数据有效提高了高压电缆序列的预测精度,间接验证了SA-GAN模型缺失数据填补的有效性。

多元共混改性绝缘纸的制备及绝缘性能

为了研究有机填料和无机填料的共同作用对绝缘纸性能的影响,利用纳米原纤化纤维素包覆经盐酸多巴胺表面处理后的纳米二氧化钛(TiO_(2)),得到多元共混填料(PDA-TiO_(2)@NFC),然后将多元共混填料填充到纤维素绝缘纸中,制备了不同多元共混填料浓度改性的三明治结构绝缘纸,探究了多元共混填料改性绝缘纸的最佳浓度,分析了不同多元共混填料浓度改性绝缘纸的抗张强度、直流体积电阻率、击穿特性和空间电荷。结果表明:当多元共混填料浓度为0.5%时,改性绝缘纸的抗张强度相对于未改性绝缘纸提升了17.90%,油浸纸的交、直流击穿强度均提升了17%以上,并且能有效抑制空间电荷的注入,对直流体积电导率的影响不甚明显。利用此种方法制备的三明治结构绝缘纸,力学性能和电气强度提升效果显著,为协同提升绝缘纸的各项性能提供了参考。

低温环境对环氧树脂电气性能的影响

高压直流电缆运行于极寒地区时,其电缆接头环氧树脂绝缘件通常会面临极端的低温环境。为探究低温环境对环氧树脂电气性能影响,对环氧树脂在−20、−40和−60℃下分别开展7、15和30 d的低温处理试验后,对其直接进行微观结构表征及直流电气性能测试,并研究了低温环境对环氧树脂电气性能影响机制。结果表明,随着低温处理时间增加,环氧树脂表面会出现微裂纹并不断劣化,而其直流击穿强度和电阻率均呈现先上升后下降的趋势,并且这种变化趋势随着处理温度的降低愈加明显。而将−60℃不同低温处理时长的环氧树脂室温放置3个月后再进行测试,则其击穿强度相较于未经低温处理直接室温放置3个月的试样显著下降。分析认为,这种现象是由微裂纹和自由体积共同作用引起的,环氧树脂电气性能上升主要是由低温下自由体积减小引起的,而电气性能下降则是微裂纹导致的。

交直流复合电压下直流预压诱发老化油纸绝缘沿面闪络现象

长期运行换流变压器中老化油纸绝缘界面处的沿面闪络现象将危及设备和电网的安全。在研究交直流复合电压作用下老化油纸绝缘的闪络特性时,发现老化油纸试样在较高幅值直流电压预压的过程中突然出现沿绝缘纸板表面闪络的现象。为此针对直流电压分量和老化程度对交直流复合电压下油纸绝缘的闪络特性影响进行了研究,并基于电子触发极化松弛理论,结合空间电荷特性、老化油纸绝缘的表面形貌、老化产物对产生该现象的机理进行了探究。研究认为诱发直接闪络的主要是由于在直流电场作用下老化后绝缘纸板中空间电荷总量急剧增加,同时老化绝缘纸板表面形貌畸变电场,弱极性及酸性老化产物等因素的综合影响致使载流子迁移运动加快,进而加剧了对老化油纸绝缘空间电荷平衡状态的扰动和破坏,最终引发直流预压过程中沿绝缘纸板表面的闪络现象。

Y_(2)O_(3)掺杂对钛酸锶钡陶瓷材料介电-温度及电阻率-温度特性的影响

钛酸钡基电介质陶瓷因具有良好的介电和正温度系数特性已被广泛应用于科技、工业以及日常生活中,在新兴领域的需求下,开发具有低居里温度和高常温电阻率特性的电介质陶瓷材料具有重要意义。因此,采用固相法制备了不同掺杂浓度氧化钇(Y_(2)O_(3))的钛酸锶钡(Ba_(0.7)Sr_(0.3)TiO_(3),BST),正温度系数(positive temperature coefficient,PTC)陶瓷材料,通过X射线衍射和扫描电镜测试了试样的理化特性,利用宽频介电谱仪和电阻率–温度测量系统分别获得了试样的介电–温度特性和电阻率–温度特性,并构建了四象限模型分析钇(Y)对材料介电–温度特性和电阻率–温度特性的影响机理。研究表明:随Y_(2)O_(3)含量的增大,介电常数和居里温度均呈先增大后减小的趋势,而常温电阻率呈现相反的变化趋势。0.0008 mol的Y_(2)O_(3)掺杂可大幅提高BST材料相对介电常数(>105)且具有较低的居里温度(34.1℃)和较大的常温电阻率(5.6×106Ω·cm)。实现了低居里温度和高电阻率特性的协同调控,拓宽了PTC材料的应用范围。

基于局部放电相位图谱和油中溶解气体信息融合的油纸绝缘缺陷识别方法

基于单一检测手段的变压器故障诊断方法难以对油纸绝缘的同一类型缺陷进行细化识别,无法满足深远海风电快速发展背景下电力系统对设备运行可靠性的要求。因此,本文提出了一种基于局部放电相位(PRPD)图谱和油中溶解气体分析(DGA)信息融合的油纸绝缘缺陷识别方法,设计并制作了6种电极模型,模拟变压器中不同电场不均匀系数的沿面放电典型缺陷,并采集其PRPD及DGA数据;分别采用卷积神经网络(CNN)和反向传播神经网络(BPNN)对6类缺陷的PRPD图谱和DGA特征向量进行模式识别;提出基于D-S证据理论的CNN-BPNN信息融合模型,实现基于PRPD图谱与DGA数据的联合诊断。结果表明:基于D-S证据理论的CNN-BPNN模型可有效纠正单一判据模型的错误输出,并降低分类结果的不确定度,当PRPD图谱输入维度为8×8、16×16、32×32时,融入DGA特征向量的模型识别准确率分别为93.21%、97.53%、99.17%,较PRPD图谱单一判据模型的识别准确率分别提升了4.81%、2.78%、0.84%,该模型可有效融合局部放电的电气物理信息和化学产物信息,既提高了缺陷识别准确率,又增强了输出结果的置信程度,且降低了数据存储要求,可为变压器智能运维提供精确、可靠、轻量的缺陷识别方法。

采用Ga掺杂的具有低泄漏电流和高稳定性避雷器ZnO压敏电阻

为了获得性能更为稳定的ZnO压敏电阻,研究了含有Ga掺杂的ZnO压敏电阻的稳定特性,对所获得的实验样品的微观结构和电气特性进行了电子显微镜扫描测试、电压-电流非线性特性测试、电容-电压特性测试、X-射线衍射谱测试、能谱扫描测试、介质损耗测试及交流加速老化测试.实验结果表明,随着Ga掺杂量的进一步增加,Ga离子占据了ZnO晶格上的空位,增加了界面态密度,提高了肖特基势垒高度,一方面降低了ZnO压敏电阻的泄漏电流密度,另一方面抑制了耗尽层中自由电子的迁移,提高了ZnO压敏电阻在高荷电率环境下的稳定特性.Al离子固溶到ZnO晶格当中,产生大量的自由电子,降低了ZnO晶粒的电阻率,从而有效降低了ZnO压敏电阻在通过大电流时的残压比.当Ga的掺杂摩尔分数达到0.6%时,泄漏电流密度为0.84μA/cm^(2),残压比为1.97,非线性系数为66,其肖特基势垒高度为1.81 eV.在115℃环境下,对试验样品施加87%E1 mA,89%E1 mA和91%E1 mA的交流加速老化电压,老化时间为1000 h,老化系数分别为0.394,0.437和0.550.此研究将有助于进一步提高ZnO避雷器的保护水平,实现深度限制电网过电压,提高电力系统的安全稳定性.

Y_(2)O_(3)、Ga_(2)O_(3)和B_(2)O_(3)共掺杂对ZnO压敏电阻微观结构和电气性能的影响

稀土元素的掺杂能显著提高ZnO压敏电阻的电压梯度(E1mA),但却会导致泄漏电流的增加,从而致使ZnO压敏电阻的老化稳定性降低。为了解决稀土元素掺杂导致泄漏电流增加的问题,研究了Y_(2)O_(3)、Ga_(2)O_(3)和B_(2)O_(3)共掺杂对ZnO压敏电阻微观结构和电气性能的影响。掺杂的Y_(2)O_(3)通过钉扎效应能够显著抑制ZnO晶粒的生长提高样品的E1mA。Ga_(2)O_(3)的掺杂则有助于提高晶界层的势垒高度(φb)、抑制泄漏电流密度(JL)的增加。而B_(2)O_(3)的掺杂则有助于改善样品的液相烧结,避免具有高电阻率Y尖晶石相聚集现象的发生,传输通道的阻断有利于降低样品的JL。此外,B_(2)O_(3)的掺杂能够促进ZnO晶粒与其他添加剂在晶界处的离子交换,使φb得到有效的提高,进一步降低其JL。通过Y_(2)O_(3)、Ga_(2)O_(3)和B_(2)O_(3)的共掺杂获得了综合性能相对优异的ZnO压敏电阻:其E1mA=466 V/mm,JL=0.41 A/cm^(2),非线性系数为95。高梯度、低泄漏ZnO压敏电阻的成功研发对于解决金属氧化物避雷器整体电位分布不均的问题具有重要的意义。

高压/超高压电力电缆关键技术分析及展望

随着电力工业规模的发展和发电、送电形式的多样化,城市用电、水电送出、海底送电、资源环境保护的需要,各类电缆的应用日益广泛,包括气体绝缘电缆(管道)的应用也逐步提上日程。在总结电缆发展历史、存在的问题和国内外发展现状的基础上,对电缆今后的重点发展方向进行了探讨。讨论了电缆研究和发展中存在的高性能材料、电树枝老化、空间电荷、绝缘结构及工艺和电缆运行检测等重要问题,认为今后相当长的时间内,直流电缆在输电中的应用将越来越受到重视,但也面临由于空间电荷和非线性温度特性引起的绝缘的可靠性和新型材料的开发问题。在强调电缆需求越来越大的同时,也指出了拓展电缆应用范围与社会、经济和环境提出的新要求密切相关。提出在未来电网中,由架空线路、电力电缆线路和气体绝缘管道3种送电方式构成的混合输电线路模式,以解决远距离、大容量架空输电线路由于高海拔、跨海和生态环境保护带来的线路瓶颈问题,并对该混合输电线路模式的技术问题和可能存在的社会经济意义进行了深入探讨。强调由于用电需求增大、城市规模扩大和应用环境复杂化,交直流电力电缆的应用规模将得到大幅度增长,电力工业将迎来电力电缆和气体绝缘管道发展的新时代,随之而来的可靠性和经济性问题则是制约其发展的关键因素。

充油密封容器内电弧对燃弧压力产生特性的影响

变压器在超、特高压输电系统中占有重要地位,变压器油箱内部电弧放电产生的过压使得变压器爆燃发生成为可能,严重威胁电网的安全稳定运行。为了探究大电流条件下电弧特征参量对燃弧故障压力产生过程的影响规律,基于自主建立的首个变压器网侧升高座电弧故障真型模拟试验平台,开展了不同油箱模型、电弧电流与电极间隙等条件下电弧故障真型模拟试验。实现了对升高座筒体上压力数据的采集,获得了不同电流与电极间隙距离的升高座内部压强时域变化曲线。基于试验研究,揭示了大电流下电弧特征对故障燃弧放电压力产生影响的物理机制,提出了升高座内部压力峰值与电弧放电功率之间的关联数理模型,给出了升高座防爆设计的试验和理论依据,推动了变压器防爆设计技术的发展。

交直流复合电压下油中局部放电的起始过程

换流变阀侧绕组同时承受交流、直流、交直流叠加、极性反转等多种特殊电压形式,其许用场强却未得到同等关注。因此,采用针-板、板-板典型电极模型和脉冲电流法及宽频带电流传感器检测法,研究了变压器油在交流、直流、交直流复合电压条件下的局部放电起始过程;总结了该起始电压随电压类型变化的规律曲线,为换流变许用场强的提出奠定了基础。试验结果表明:针-板电极模型下局放起始电压基本只与交流、直流、复合电压的幅值有关,而与电压类型、复合电压分量所占比例无明显关系;板-板电极模型中,复合电压下交流局部放电起始电压受直流分量的影响很小。通过高速摄像仪记录复合电压下局部放电引发击穿的全过程并估算出了放电增长速率约为1.8km/s;利用扫描电镜观测放电通道表面形貌特征,进而采用表面能谱分析法检测其主要元素含量由高至低依次为C、O、Cu、Si。最后通过复合电压下油中局部放电产生随机分布气泡的仿真模型算出,气泡使局部放电场强严重畸变,不均匀系数f达1.6。

固体电介质空间电荷研究进展

随着空间电荷测量技术在近30年的巨大进步,固体电介质空间电荷研究成为国际研究热点。本文论述了固体电介质空间电荷检测技术从有损发展到无损的过程,分析对比了目前应用较普遍的压力波法和电声脉冲法的原理及特点,介绍了国内空间电荷测量技术研究的发展特点。在此基础上,从预电压效应、形态效应、空间电荷包现象、空间电荷的动态测量等方面论述了空间电荷效应对电介质电气性能的综合影响,对利用空间电荷进行固体电介质陷阱深度等性能参数的研究进行了探讨,强调了空间电荷在电介质材料的开发和评估中的重要作用以及不同应用领域对空间电荷特性的不同要求。指出空间电荷测量技术的进步为固体电介质的研究提供了新的有力手段,但仍需更多的深入研究,以完善电介质理论和促进空间电荷的工程应用。

直流电压下多层油纸绝缘介质的界面空间电荷特性

空间电荷对油纸复合绝缘结构电气性能的影响由于测量上的困难而至今尚未明了,多层复合绝缘结构使得空间电荷特性更加复杂。为此,应用电声脉冲(PEA)方法研究了电压极性对纸-纸和纸-油这2种双层绝缘结构中以及界面处空间电荷特性的影响。研究发现在2种结构的界面处积聚的空间电荷极性与施加电压的极性一致。对2种结构中空间电荷特性进行了比较,结果表明纸-油结构中空间电荷的运动速率比纸-纸结构中慢,并且具有更深的陷阱能级。通过分析认为双层介质界面处存在的势垒导致了界面电荷的积聚,其极性由电极的电荷注入、界面的陷阱、电场和介质的电导等因素协同决定;绝缘材料陷阱能级的不同是造成2种绝缘结构空间电荷运动速率不同的因素之一。

山区复杂地形输电线路绕击跳闸率的研究

绕击是超高压、特高压输电线路雷击跳闸的主要原因,山区绕击跳闸率计算相对平原更为复杂。为提高山区线路绕击跳闸率的计算精度,在现场调研的基础上,利用蒙特卡罗法和改进的电气几何模型研究了山区复杂地形下输电线路的绕击特性,总结出了包括山顶、山谷、沿坡、爬坡、跨沟等各种典型的山区复杂地形下的绕击跳闸率计算模型,并且计算了各种典型地形下,不同坡度、不同沟深、不同杆塔高度的绕击跳闸率变化规律。本研究可为输电线路设计、改造和运行提供指导。

温度对硅橡胶电树枝老化特性的影响

电缆系统运行温度对新型超高压预制式电缆附件主绝缘材料高温硫化(HTV)硅橡胶的性能具有重要的影响。为此,针对温度对HTV硅橡胶材料电树枝老化特性的影响展开了试验研究,测定了温度对HTV硅橡胶材料电树枝老化特性的影响规律,并对试验结果进行了理论分析。研究结果表明,在试验温度范围内,温升导致HTV硅橡胶击穿场强呈现略微下降的趋势,而起树电压则随温度的升高明显下降。试验中还发现HTV硅橡胶电树枝形态与温度密切相关,室温条件下以树枝状和松枝状电树枝为主,而高温下则以丛状电树枝为主。对上述试验结果的分析讨论后认为,温升引起HTV硅橡胶起树电压的大幅降低是导致新型预制式硅橡胶超高压电缆附件绝缘故障频繁的重要原因,因此,在电缆附件的绝缘结构设计时,对于温度变化而引起材料电气性能参数变化的相关问题应给予更多的关注。

纳米改性变压器油的破坏特性

变压器等输变电主设备的油纸介质已越来越不能满足特高电压等级对大容量、小型化、高可靠性绝缘系统的严格要求。为了解决输电电压等级提高带来的高性能变压器油及油纸绝缘问题,基于纳米改性技术,开展具有优异电气性能的新型纳米油纸复合绝缘系统的研究。采用变压器油纳米添加改性技术,研究了纳米改性变压器油的制备方法,得到了纳米改性提高变压器油破坏特性的最佳配比,并对纳米改性变压器油在交流、直流、雷电冲击下的破坏特性和局部放电起始电压进行了对比研究。研究发现纳米改性可以提高在较大间隙下变压器油的击穿电压,并且能显著提高其局放起始电压,改善其雷电冲击下50%放电伏秒特性曲线。基于纳米粒子介质球在电场中的极化理论,研究了粒子表面极化电荷密度分布和产生的势阱,并指出纳米粒子界面对载流子的捕获和流注的阻挡作用是较大电极间隙下纳米改性变压器油绝缘性能提高的原因。研究结果说明了纳米改性对于变压器油纸绝缘系统的性能提高提供了新的可能途径。

针尖曲率半径对硅橡胶电树枝老化特性的影响

针对硅橡胶材料电树枝老化特性展开了试验研究。采用针板电极结构,测量了不同针尖曲率半径的起树电压和电树枝形态。结果表明,硅橡胶的起树电压较低,抗电树枝老化性能较差,导致了硅橡胶预制式电缆附件故障频发;硅橡胶中的起始电树枝多以单枝状的通道形成为标志,随后发展为4种不同的电树枝形态。进而提出了硅橡胶电树枝形态发展模型,并以此讨论了不同形态的电树枝老化特性。研究还发现,现场实际运行的硅橡胶预制式电缆附件故障解体后发现了单枝通道起始电树枝,其在运行电压作用下容易发展为细枝型形态,但同样会引发电缆附件的击穿。试验结果为现场故障分析提供了参考依据。