电力嗅觉传感原理与关键技术研究综述

仿生感知技术在电力设备状态监测与故障诊断领域已被广泛应用。结合微型气体传感器与智能算法的电力嗅觉技术,通过检测绝缘介质的特征分解气体,可以有效评估电力设备的故障类型和严重程度。因其成本低、体积小和集成度高的优势,电力嗅觉技术受到越来越多关注。因此,该文针对SF6气体绝缘设备、空气绝缘设备、变压器、电力电缆和储能电池的应用背景,梳理了当前电力嗅觉传感技术的研究现状。首先,总结了不同电力设备状态劣化的产气特性及内在机理,分析了特征分解气体的异同;之后,针对不同特征分解气体,总结了电力嗅觉敏感材料的研究进展与改进方向;然后,对比了陶瓷基底、柔性基底和硅基底的封装差异性,提出了电力嗅觉传感器件的芯片化、集成化发展方向;最后,讨论了基于特征工程和数据驱动的传感器信号处理算法,点明了边缘计算技术在电力嗅觉智能算法方面的应用潜力。该文对电力嗅觉传感原理与关键技术进行了详细归纳,强调了在气体分析方法、气敏材料开发、传感器制备技术和智能算法应用等方面的技术创新潜力,为电力设备的智能化发展提供了指导方向。

面向电力装备自供电传感的微纳能源收集技术

数智化电网的建设依赖于海量分布式电力装备状态监测传感器,提升传感器的供电可靠性进而实现自供电感知,对拓展设备状态感知系统的深度和广度具有重要意义。近年来,以纳米发电机为代表的微纳能源收集方法与器件被广泛关注,其能够将多元、分散的机械能、热能、电磁能等转化为电能,搭配微能量存储元件与低功耗微纳传感器实现自供电传感。该文围绕面向电力装备自供电传感的微纳能源收集方法这一主题,首先介绍了电力装备及其运行环境微能量的分布特性;其次,总结了以热电纳米发电机、摩擦纳米发电机、压电纳米发电机、磁场能收集发电机、水伏发电机为代表的微纳能源收集方法原理及特点,分析了其在电力装备场景下的适用性,同时综述了基于微纳能源器件的电力装备微能量收集与自供电传感最新研究进展,并提出了本领域目前发展面临的主要技术难点和潜在解决方案。最后,展望了微纳能源收集方法及器件的发展趋势,有望为电力装备自供电状态监测和数智化发展提供参考与指导。

基于支持向量机与特征降维的直流断路器机械故障诊断技术研究

直流断路器机械故障诊断算法是直流断路器机械状态在线监测系统的核心部分。文中进行了直流断路器机械故障模拟实验,采集不同故障下的线圈电流及振动信号,对其进行特征提取后,将电流特征、振动短时能量特征、小波包频带能量特征排列组合,利用支持向量机构建故障诊断模型。文中使用主成分分析法及Relief⁃F算法对不同特征组合降维,进一步分析特征组合降维后的诊断效果,并通过K⁃Fold交叉验证算法评估单一特征和特征组合训练输出的诊断模型选取分类性能最优的诊断模型。

基于低压直流断路器的机械故障机理分析与特征提取技术研究

直流断路器是轨道交通直流牵引供电系统的核心保护设备,是直流供电系统安全运行的保证,确保其稳定运行至关重要。文中针对直流牵引断路器机械结构特点,进行了断路器机械故障模拟实验,选取分合闸线圈电流及振动信号作为监测物理量,研究其机械故障机理与特征提取方法。研制信号采集硬件装置,搭建直流断路器机械故障模拟实验平台,模拟6种常见的机械故障。采集不同故障下的线圈电流及振动信号进行特征提取后进行故障机理分析,为低压直流断路器机械故障诊断提供理论支撑。

基于经验傅里叶分解的混合式高压直流断路器耗能支路故障检测方法研究

为实现更强的能量耗散能力,混合式高压直流断路器的耗能支路需串并联大量金属氧化物压敏电阻(metal oxidevaristor,MOV),耗能支路的可靠性将直接影响混合式高压直流断路器的可靠性。但是,现有的耗能支路故障检测方法并不能适应整个能量耗散阶段。为此,提出一种基于经验傅里叶分解的混合式高压直流断路器耗能支路故障检测方法,具体为:首先是信号预处理,对耗能支路每个子模块的分支电流进行归一化和一阶差分计算来获取分析电流;然后是故障特征提取,利用经验傅里叶分解(empirical Fourier decomposition,EFD)对分析电流进行分解,提取最高频时频分量作为故障特征分量;最后是检测判据,通过故障特征分量构造突变峰值量化指标,进而通过突变峰值实现耗能支路故障检测。大量实验表明,该检测方法可在能量耗散阶段末期实现可靠地故障检测,且具备一定的抗干扰能力。

数字化电力装备专用传感应用需求与发展趋势

电力专用传感器是数字化电力装备实现可观、可测、可控的重要基础保障。该文面向新型电力系统建设目标,从数智化电网及智能传感器行业发展驱动政策出发,根据电网自身运行特性,分析了数字化电力装备电力专用传感技术的政策导向以及其在传感器小型化、多参量集成感知、一二次融合技术、可靠性与环境适应性、智能化等方面的需求。此外,该文围绕传感器敏感元件、制备技术、测试与校准、通信网络和能量收集技术,对传感器行业的现状和发展趋势进行了介绍和研判,并进一步分析了电力专用智能传感的标准建设需求,提出了未来电力专用传感技术的发展形态。

不同气压下银纳米粒子增强激光诱导等离子体信号

基于激光诱导击穿光谱技术实现带电检测真空开关真空度亦成为趋势,该技术可以达到10^(-3)Pa的检测能力。然而,现有激光诱导击穿光谱技术(LIBS)存在检测限较高、灵敏度较低等问题,因此提出一种基于金属纳米粒子的增强技术来提高真空开关真空度带电检测精度。通过在样品表面涂覆银纳米粒子层,降低激光击穿阈值,提升信号谱线强度。研究了不同气压下激光诱导等离子体信号随延迟时间以及试剂浓度的变化规律,研究结果表明,银纳米粒子在常气压下对信号增强可达1~2个数量级,且浓度越高,增强效果越好。在低气压下,银纳米粒子的信号增强达到1~2倍,随着气压降低,增强倍数先增大后减小,且等离子体被激发时间早于大气压下。银纳米粒子对背景噪声辐射强度没有显著影响,因此使用银纳米粒子可以有效提高等离子体信号的信噪比,对真空开关真空度带电检测起到一定优化作用。

基于激光诱导等离子体的真空开关真空度检测稳定性研究

基于激光诱导等离子体成像的真空开关真空度检测方法是一种非接触式真空度检测方法,有望实现安全可靠的真空开关真空度带电检测。但是,激光诱导等离子体的演化是一个十分复杂的物理过程,激光能量、等离子体测量延迟时间等因素直接影响了等离子体成像,对等离子体成像稳定性的影响需要进行更加深入的研究。为此采用相对标准偏差研究了等离子体成像平均次数、激光能量和等离子体测量延迟时间等对等离子体图像和等离子体辐射强度积分稳定性的影响。结果显示,多次成像平均得到的等离子体图像和辐射强度积分不随平均次数发生明显变化,可用于表征真空度。更重要的是,等离子体辐射强度积分的相对标准偏差随平均次数和激光能量的增加而单调下降,随延迟时间的增加而增大,这意味着对等离子体进行多次成像平均,增加激光能量,减小等离子体成像的延迟时间可以提高等离子体辐射强度积分的稳定性,有利于提高真空度检测精度。该研究为基于激光诱导等离子体成像的真空开关真空度检测方法的参数优化提供了指导,为该方法的实际工程应用奠定了实验基础。

基于弧触头接触振动特征分析的高压SF6断路器电寿命在线监测方法

高压SF6断路器电寿命评估对保障电力系统安全稳定运行具有重要意义。然而,现有的电寿命评估仍旧依赖累计开断电流法与动态回路电阻法,缺乏有效的在线监测手段。该文针对真实126 kV高压SF6断路器设备,研究了基于弧触头接触点分析的电寿命评估方法。结合变分模态分解(VMD)与短时傅里叶变换(STFT)分析,发现弧触头接触时产生了10 kHz以上的高频振动特征信号。通过调整机构拉杆的位置以改变弧触头刚合点,发现了高频振动特征频率出现时刻与弧触头刚合点之间的相关性,进而提出了一种基于弧触头接触振动特征分析的高压SF6断路器电寿命在线监测方法。现场瓷柱式断路器的实验结果表明,弧触头刚合点测量误差约为0.905 mm,因此该文提出的方法有望在高压SF6断路器电寿命在线监测领域实现推广应用。

含零收益率的金融非对称Log-GARCH模型研究

在实际外汇市场中,由于诸如交易缺失、舍入误差等原因使得收益率序列中出现零值,常见GARCH族模型无法对含零收益率数据进行有效拟合,导致波动率估计结果产生较大偏差。为了更准确地估计汇率波动率,本文对含有零收益率的外汇数据进行建模。首先运用不受条件方差为正限制的log-GARCH模型对汇率市场收益率数据进行拟合,同时提出一个处理含有零收益率的数据处理框架,即将零值视为缺失的观测值。然后通过结合QMLE方法和期望最大化(EM)算法对含缺失观测值的log-GARCH模型进行无偏估计。最后通过实证分析比较零收益率两种不同处理方法——非零值代替零值方法和将零值视为缺失值方法下波动率估计结果的差异。研究结果显示零收益率的存在会增加波动率的估计偏差,将非零值作为缺失值方法得到的估计结果更接近市场真实情况。

MiR-200家族与子宫内膜异位症相关性的研究进展

子宫内膜异位症(EMs)是一种具有恶性肿瘤特征的良性疾病,严重影响患者的生活质量,增加患者的医疗、经济负担。目前子宫内膜异位症的发病机制不明,临床治疗效果欠佳。近年来发现,miR-200家族在多种疾病的发病中发挥着重要的作用。有研究表明,miR-200家族在EMs中存在差异表达并稳定存在,认为其在EMs发病过程中起重要作用,但作用机制尚不明确。本文就有关miR-200家族与EMs相关性的研究进行综述,为进一步研究及临床治疗EMs提供新思路。

地浸砂岩型铀矿松散岩层单动双管取心钻具的研制与试验

为解决单管钻具取心工艺方法在深部目的层/矿层等松散岩层取心中存在的取心质量差、取心效率低和操作难度大的问题,开展了地浸砂岩型铀矿松散岩层单动双管钻具的研制和试验。通过设计和改进单动机构、断心结构、液力退心机构和快拆机构,研制了两类分别具有可直接液力退心和快速拆卸功能的SD型单动双管钻具。试验结果表明:SD110型双管钻具可在免拆内管的情况下实现地表快速液力退心,提高双管钻具退心效率;SDKC110型钻具可快速拆装更换内管,实现退心和钻进平行作业。与单管钻具相比,SD系列单动双管钻具在松散岩层的平均回次长度提高28.62%,平均机械钻速提高11.61%;与常规单动双管钻具相比,退心操作时间降低了32.69%。SD系列单动双管钻具适用于在松散破碎地层进行取心钻进应用,可有效提高岩心采取效率和岩心质量。

不同延迟断脐时机对脐带血采集量和总有核细胞含量的影响

目的:探讨不同延迟断脐时机对采集脐带血单位(CBU)体积和总有核细胞(TNC)含量的影响。方法:选取250对经阴道自然分娩的产妇及其新生儿作为研究对象,依据断脐时间随机分为A、B、C、D、E 5组,A组新生儿娩出后<30 s断脐,B组娩出后30~60 s断脐,C组娩出后>60~90 s断脐,D组娩出后>90~120 s断脐,E组娩出后>120 s断脐,每组各50例。观察各组采集CBU体积、采集CBU的TNC计数、符合公共脐血库入库标准的CBUs占比。结果:5组采集CBU体积、采集CBU的TNC计数、符合公共脐血库入库标准的CBU占比比较,差异均有统计学意义(均P<0.05)。A组、B组采集CBU体积高于其余3组,差异有统计学意义(均P<0.05);C组采集CBU体积高于D组、E组,差异有统计学意义(均P<0.05)。A组、B组、C组采集CBU的TNC计数高于其余2组,差异有统计学意义(均P<0.05)。A组、B组、C组符合公共脐血库入库标准的CBU占比高于其余2组,差异有统计学意义(均P<0.05),延迟断脐>90 s符合公共脐血库入库标准的CBU占比比立即断脐和延迟断脐长达90 s组低12.6倍(P<0.001)。结论:延迟断脐长达90 s,既可以满足新生儿供体必要的血液转移,同时也可以采集高质量的脐带血,促进脐血库高质量脐带血的临床应用。

基于姿态传感器的高压隔离开关机械故障智能诊断研究

高压隔离开关的“健康”状况对电网系统的安全运行至关重要,为能够有效地对隔离开关工作状况进行在线监测,该文提出了一种基于姿态传感器的隔离开关机械故障智能诊断方法,该方法包括姿态特征提取、样本处理和故障诊断3个模块。在特征提取模块,针对目前隔离开关姿态角度信息提取特征粗糙的问题,提出了基于姿态信息特点的特征提取方法。在样本处理模块,针对当前姿态信息样本库内各故障类别样本数目不平衡造成的诊断性能下降问题与特征空间中冗余、干扰信息过多问题,提出了遗传算法(genetic algorithm)优化下的少数类过采样(synthetic minority over-sampling technique)和极端随机树特征筛选(extremely randomized trees)联合样本处理方法(GA-SMOTE-ET)。该方法可以自适应增强样本库中有效信息比例,清除冗余、干扰信息的负面影响。在故障诊断模块,针对隔离开关故障诊断领域现阶段仅使用单一算法,未使用融合技术综合各算法优势的问题,提出了一种改进后的Stacking模型融合技术和两条Stacking基学习器的选取原则。该技术可以将多种学习器进行融合,实现优势互补,从而提升诊断性能。该文以GW5-35型隔离开关为样机,模拟了6种典型机械故障,使用姿态感知系统获取了隔离开关7种机械状态的姿态数据,制定了3组实验以验证所提方法的有效性,最终该方法的F1-score为0.971,显著优于传统方法。

基于半导体气体传感阵列的电缆过热故障诊断方法

中低压电缆过载运行严重、工作环境恶劣、过热故障频发,往往是电气火灾的高发源头所在,但目前仍缺乏经济可靠的过热故障诊断方法。火灾早期阶段气体挥发物一般先于烟雾颗粒出现,因此该文开展基于气体传感阵列的电缆过热故障诊断研究。首先,以中低压电缆常用的绝缘材料聚氯乙烯(PVC)为研究对象,探索电缆绝缘材料过热生成气体组分,指导用于检测电缆过热分解气体的半导体气体传感器选型;然后,基于分解气体类型,构建气体传感器阵列,采用真实电缆模拟过热故障,测试气体传感器阵列对电缆过热分解气体的响应;最后,对传感器阵列的响应信号提取4维时域特征、6维频域特征和10维曲线拟合特征,根据卡方检验选择前10个最高分数的特征组成特征矩阵,采用支持向量机进行分类,可以将过热程度分为正常、预警、报警三类温度区间,模型的准确率可达95%。整个实验过程中,烟雾报警器都没有发出报警蜂鸣。

基于气体分析的锂离子电池热失控早期预警研究进展

锂离子电池由于能量密度高、循环寿命长、自放电率低和环境友好等优势得到了广泛应用,但其安全方面仍存在隐患,在遭遇滥用时可能会引发电池失效甚至发生火灾爆炸事故,阻碍了其在电动汽车和储能电站方面的大规模应用。针对锂离子电池的安全预警方面的研究引发了相关人员的极大关注,其中,基于电池气体分析的热失控早期预警机制相比于传统的电、热信号在可靠性、准确性、反应速度等方面有所提高。该文总结了锂离子电池在热失控过程中的气体来源,全面对比分析了触发方式、阴极材料、电池型号、荷电状态(SOC)及健康状态(SOH)对热失控产气组分、含量以及产气总量的影响规律,回顾了锂离子电池热失控过程中温度-压力演化特性的研究现状,总结了目前基于气体成分和内部压力的早期预警方案,并对现有研究的不足和潜在研究方向进行了讨论。

一种基于磁通控制的电磁感应式磁场能量收集器功率提升方法

无线传感器网络作为电网的“神经末梢”,在智能电网建设中扮演着越来越重要的角色。如何稳定可靠地为传感器网络供能引发了人们的关注,能量收集技术成为解决这一问题最有效的技术,其中磁场能量收集技术因其受环境影响小、能量收集功率高脱颖而出。然而,电力线周围磁场强度的增大会导致磁心的磁通密度达到最大值,磁心深度饱和会造成功率损失并威胁收集器的安全。针对这一问题,该文提出一种基于磁通控制的电磁感应式磁场能量收集器功率提升方法,在电路中增加了可控电容组件,通过控制电容组件的串并联来控制磁心电压,进而控制磁心磁通量,从而缓解了磁心饱和并显著提高了能量收集功率。实验结果表明,所提方法可以在频率为50Hz、有效值为4A的一次电流下显著提升收集功率,在该文研究的不同恒压负载下提升幅度达36.8%~153.2%。

输电线路带电作业机器人的电磁分析与防护设计

输电线路带电作业机器人的应用是提高输电线路检修效率、降低人工作业事故发生率、建设智能电网的有效途径。机器人工作时处于高强度电磁场环境中,且控制箱内有许多电磁敏感元件,极易被电磁环境影响。目前的电磁防护以定性的经验设计为主,在复杂电磁环境下的定量分析是现阶段的研究重点。为了实现机器人带电作业的安全,文中选择加装引流棒实现机器人等电位作业,对机器人到达作业位置附近时,导线及机器人机械臂附近电场分布随机器人位置的变化规律进行分析,对机器人平台的设计与工作姿态提出了建议。为了实现对机器人控制箱的电磁防护,对影响控制箱机箱电磁屏蔽性能的各因素开展仿真分析,提出机箱采用双层屏蔽,孔洞开在背离辐射源的箱体面上,使用多个小直径的圆孔替代大孔洞等方式来提高机箱的屏蔽效果。该工作为带电作业机器人的电磁分析与防护设计提供了依据,并为机器人正常工作提供了稳固保障。

基于微型气体传感阵列的空气绝缘设备放电故障识别

空气作为一种天然的绝缘气体,在电力设备中(开关柜、环网柜等)被广泛应用。研究表明,当电力设备发生放电故障时,空气绝缘介质会产生以NO_(2)为代表的特征分解产物。放电分解产物的组分及含量能够反映放电故障的严重程度,因此,气体分解产物检测对电力系统安全稳定运行具有重要意义。该文在不同的电压等级、持续时间下,分别模拟了包括电晕放电、火花放电及电弧放电在内的15种空气放电故障,并发现NO_(2)气体的含量在不同故障条件下存在显著差异。对此,设计了一款装载有四种对NO_(2)气体具有高度选择性气敏材料的微型气体传感阵列。经多次实验测试,传感阵列对15种放电故障气体表现出差异性响应信号,构成丰富的样本数据集。分别采用四种机器学习算法(极限树、决策树、K邻近和随机森林)实现基于传感信号的空气放电故障识别,其平均准确率最高可达84.88%、81.82%、76.86%和81.32%。其中,传感阵列对局部放电和电弧放电的识别能力略高于火花放电,可以归因于多次火花放电过程中存在一定的NO_(2)饱和现象。该文提出的基于微型气体传感阵列的检测方法具有操作简单、识别准确率高的显著优势,在空气放电故障诊断领域具有广阔的应用前景。

低压环境下激光入射角对激光诱导等离子体影响研究

激光诱导击穿光谱(LIBS)因其无需制样、样品损伤小、可在线检测以及检测速度快等优点被广泛应用。激光诱导等离子体是一个十分复杂的物理过程,受多种因素的影响,激光入射角是其关键影响因素之一。脉冲激光入射角的改变会直接改变脉冲激光在样品表面的聚焦光斑形状,导致脉冲激光照射在靶材表面的功率密度发生改变,直接影响到脉冲激光诱导等离子体过程,脉冲激光与靶材法线所成角度的改变还会直接影响等离子体扩散过程。尽管脉冲激光入射角是激光诱导等离子体过程的关键影响因素之一,但是在低压环境下,脉冲激光入射角对激光诱导等离子体过程的影响研究较少,对激光等离子体的影响仍不明确,对激光等离子体影响的内在机制还需更加深入的研究。首先研究了激光入射角对脉冲激光在靶材表面形成的聚焦光斑的影响,实验和仿真的结果都表明脉冲激光在靶材表面的聚焦光斑尺寸随着入射角的增大而增大,导致相同激光能量下脉冲激光的功率密度下降;其次,采用同轴成像的方式研究了不同气压下激光入射角对激光等离子体的影响,实验结果显示激光等离子体中心辐射强度会随着入射角的增大而减弱。当激光入射方向与靶材表面法线成0~15°时;脉冲激光入射角对激光等离子体中心辐射强度影响较小,辐射强度降低仅为3.05%,当激光入射方向与靶材表面法线成60°时,辐射强度降低可达25.415%,对激光等离子体中心辐射强度有着较为明显的影响。最后,对处于气压10-4 Pa下激光从不同角度入射所产生的激光烧蚀坑进行了微观结构分析,分析结果表明靶材烧蚀量会随着入射角的增大而增加,但靶材烧蚀效率,即单位光斑面积靶材烧蚀量,则会随着入射角度的增大而下降,这解释了激光等离子体中心辐射强度随入射角增大而减弱的现象。该工作有助于理解激光入射角对激光等离子体的影响,为优化LIBS实验参数提供参考。