基于响应曲面法的10kV电缆中间接头防爆盒结构优化研究

中间接头是10 kV电缆故障的主要部位,加装防爆盒能有效避免10 kV电缆短路事故的蔓延。针对现有10 kV电缆中间接头防爆盒结构设计盲目性的问题,提出了一种基于响应曲面法的10 k V电缆中间接头防爆盒结构优化方法。首先,以钢筒内爆炸动力响应为对象,采用显示动力学软件Ls_dyna进行了仿真计算,通过对比试验结果验证了Ls_dyna软件对爆炸冲击模型计算的准确性;其次,以含泄压孔防爆盒爆心环面形变量为因变量,基于响应面试验设计方法开展了参数敏感性分析,结果表明:端头直径与壳体厚度是两个显著影响参数;然后,构建了爆心环面形变量峰值、封头中心应力峰值和防爆盒重量加权的评价函数,分析得到了评价函数响应曲面最小值对应的最优端头直径与壳体厚度;最后,重新建立内爆炸动力响应仿真模型并开展短路燃弧试验,验证了优化结果的正确性。研究结果可为电缆中间接头防爆盒结构的优化设计提供参考。

正极性电晕在空气中的起始判据

将电晕损耗和电晕效应控制在合理的水平是高压输电线路设计的一项关键内容,而电晕放电的起始条件对于电晕控制来说至关重要。为此,针对同轴电极结构,介绍了一种考虑光电离的常用正电晕起始判据的推导和简化过程,阐明了判据中各个参数的物理含义,并且给出了表征光子在圆柱导体电离层内吸收过程的面积因子及其展开式。比较了由正电晕起始判据及其简化形式得到的计算结果,同时与Peek的实验结果做了比较。在很大的导体半径范围内,该起始判据与其简化形式在相同条件下的差异非常小,并且该判据的计算结果与Peek的实验结果也都非常符合。

基于正交设计的杯状纵磁真空灭弧室磁场特性分析

采用正交设计方法对杯状纵磁触头的杯厚、杯指数等7个触头设计参数进行实验设计,用三维有限元方法对实验方案进行磁场特性分析,其中磁场特性包括纵向磁感应强度、纵向磁场滞后时间以及导体电阻值。通过对实验结果进行方差分析,得出了触头设计参数对磁场特性影响程度的定量关系,由此找出影响杯状纵磁触头磁场特性的显著因素与非显著因素。对显著因素和实验结果进行回归分析,得出杯状纵磁触头磁场特性与显著因素关系的回归方程。采用正交设计方法,大大减少计算次数,提高计算质量。得到的结果可以为真空灭弧室的研究和设计提供参考。

极性反转下低密度聚乙烯空间电荷动态特性的数值模拟

直流电缆在运行时如果电压极性发生反转,会使得外加电场与累积空间电荷所产生的电场叠加而增强,可能引起局部放电或介质击穿。目前的实验测量方法无法揭示极性反转过程中空间电荷和电场的瞬态变化,尤其是微观粒子之间的相互作用过程。为了深入研究高压直流电缆在极性反转下的内绝缘机理,利用双极电荷传输模型对低密度聚乙烯(LDPE)的空间电荷动态特性进行了数值模拟,并通过仿真研究了多次极性反转下LDPE空间电荷和电场的瞬态分布。结果表明:极性反转时表面电场大大增强,并具有一定的极性效应,在由阳极转变为阴极时更加显著;极性反转前陷阱电荷密度远大于自由电荷密度,极性反转时电极表面电场的增强主要是由电极附近的陷阱电荷所决定。研究成果可为高压直流电缆的绝缘设计提供参考,也可以为聚合物材料空间电荷的动态仿真提供借鉴。

隔板尺寸对棒-板空气绝缘间隙工频耐压特性的影响

为了进一步揭示隔板尺寸对气体绝缘间隙耐压水平的影响，对棒-板空气绝缘间隙引入不同尺寸隔板前后的工频耐压特性进行了实验研究。通过改变隔板位置和电极开距，研究了不同尺寸隔板对间隙工频击穿电压和起晕电压的作用，并分析了隔板表面的剩余电荷对击穿电压的影响。结果表明：隔板的引入大大提高了整个间隙的击穿电压，隔板尺寸较大时击穿电压最大可提高到原来的2．32倍；隔板的引入会略微降低整个间隙的起晕电压，最大下降幅值约为2kV；隔板表面的剩余电荷对工频击穿电压通常不存在累积效应。为使整体工频耐压特性最佳，需要综合考虑隔板的尺寸和位置对击穿电压和起晕电压的作用。

空气湿度对非均匀交流电场下短间隙击穿特性的影响

在空气间隙击穿前出现电晕或辉光放电时,湿度对交流击穿电压可能会产生一定的影响,但是受影响的电极结构具体参数范围尚不清楚。为了进一步揭示空气湿度对非均匀交流电场下短间隙击穿特性的影响规律,设置电极间隙距离范围为1～5 cm和高压电极半径范围为0.1～2 cm,进行了相对湿度对空气间隙工频击穿电压影响的试验研究。在给定电极结构参数范围内,结果表明当电极半径>0.5 cm时,相对湿度对击穿电压几乎没有影响;当电极半径<0.5 cm时,相对湿度对击穿电压有一定的影响,开距越大影响越显著;当电极半径为0.3 cm时,相对湿度对击穿电压的影响最大。结合复合击穿判据进行分析,当几何结构参数大于临界值时流注击穿判据仍然是有效的,当几何结构参数小于临界值时击穿电场公式在部分区域需要考虑相对湿度进行一定的修正。结果可为非均匀空气绝缘间隙的设计提供参考。

杯状带铁心和不带铁心两种纵磁触头磁场特性的分析比较

用三维有限元方法研究了不同开距下杯状带铁心和不带铁心两种纵磁触头的磁场特性,包括纵向磁感应强度和纵向磁场滞后时间。对两种触头进行对比分析的结果表明:①杯状纵磁触头引入铁磁环后在铁心区域纵向磁场大大增强,在触头中心区域减弱,呈凹形分布。电流过零时,在铁心区域剩余纵向磁场明显高于不带铁心情况,而在非铁心区域非常接近。随着开距的增大,铁心区域纵向磁场下降显著,非铁心区域纵向磁场几乎不变。而不带铁心结构纵向磁场随开距的增加呈较均匀的下降。②与杯状不带铁心纵磁触头相比,带铁心结构纵向磁场滞后时间在整个区域增大。随着开距的增大,两种纵磁触头纵向磁场滞后时间都下降。③铁磁环的引入一方面使得纵向磁感应强度以及分布都发生了很大的变化,另一方面带来的涡流效应也变得更加明显了,因此在设计触头时应同时关注其正反两方面的效应。

交直流复合电压下气固复合绝缘的击穿特性

在新型电力系统发展阶段下,交直流混联电网系统的格局正在形成,交直流叠加作用下电气设备的绝缘性能迎来新的挑战。在气体绝缘间隙中引入聚合物隔板,能够提高气体的绝缘性能,有利于电气设备的小型化。本文基于并联回路,搭建了气固复合绝缘间隙下交直流复合电压击穿试验平台,通过改变直流电压分量、电极半径和隔板位置,研究了复合击穿电压幅值和电压分量特性。在本文试验条件范围内,当直流电压分量在20kV至62kV时,直流电压分量对复合击穿电压的影响不显著。随着隔板与高压电极距离的减小和电极半径的增大,复合击穿电压都增大。交流电压分量与直流电压分量为负线性相关。棒-板结构下隔板的作用效果最好,复合击穿电压最大提升1.81倍。

考虑隔板沿面闪络的气固复合绝缘工频耐压特性

为了分析隔板沿面闪络与气固复合绝缘系统工频耐压特性的关系,结合工频耐压试验和有限元仿真,从等效击穿路径和平均电场强度两个角度进行分析。研究发现,气固复合绝缘间隙的击穿电压无法通过典型击穿路径直接计算。间隙击穿前,隔板在不同位置下沿面路径承受的平均场强并不相同,但不同尺寸隔板承受的平均场强基本一致。结果表明,已知某种尺寸隔板在给定位置的击穿电压时,即可预测其他尺寸隔板在相同位置的击穿特性。

直流电场下聚合物空间电荷分布的极性效应

挤压型高压电缆用聚合物材料在直流电场作用下,空间电荷的分布具有极性效应。为了揭示引起极性效应的物理机制,该文引入双极电荷传输模型,考虑了双极性电荷的复合、俘获、脱陷等传输过程以及电极表面电荷的注入。通过参数化分析,辨别影响阴极和阳极空间电荷与电场非对称分布的主要物理参数。然后利用该模型仿真了均匀直流电场下聚丙烯空间电荷和电场分布,并与实验结果进行了比较。结果表明:聚丙烯空间电荷的非对称分布主要由迁移率和脱阱势垒决定,聚丙烯电场的非对称分布主要由迁移率和注入势垒决定,可为聚合物材料的调控提供理论依据。

252kV真空灭弧室纵磁触头磁场分析及优化

真空灭弧室的触头对真空断路器短路电流开断能力和额定电流导通能力有重要的影响。该文采用三维有限元方法对用于252kV真空灭弧室的单匝线圈纵磁触头的磁场特性进行了单因素分析和正交回归分析,包括电流峰值时纵向磁感应强度、电流过零时纵向磁感应强度和导体电阻值,得到了磁场特性和触头设计参数之间的回归方程,并且找出了影响磁场特性的显著因素。理想的纵向磁场特性应当是电流峰值时纵向磁感应强度强,电流过零时纵向磁感应强度弱,以及导体电阻值小。将基于实验设计的优化、有限元分析和统计分析结合在一起,可以达到这种理想的纵向磁场特性。采用这种方法,得到了一种252kV纵向磁场触头的优化设计参数。

基于涡流斥力原理的低压控制与保护电器研究

开发一种结构简单和短路开断能力优异的交流控制与保护电器是低压开关电器的一个重要发展方向。该文提出一种新型低压控制与保护技术,采用双线圈盘涡流斥力机构取代传统低压交流接触器的电磁操动机构,可以实现低压电器的分合闸控制以及短路早期检测与快速分断的故障保护。首先,采用改进型人工生命算法对双线圈盘斥力机构的斥力盘厚度、线圈盘线径和匝数进行多参数综合寻优,获得了机构快速分断的优化参数。其次,依据优化参数设计样机并对其动态特性加以测试,验证了样机机构具备良好的动态特性。最后,将新型控制与保护电器样机应用于低压配电短路故障实验系统。结果表明,提出的低压控制与保护技术可有效实现短路故障电流的快速抑制与分断,为实现低压控制与保护集成提供了一种新思路。

桥式双断点塑料外壳式断路器磁场分析

利用三维有限元方法对4种不同结构的桥式双断点塑料外壳式断路器进行了磁场分析,比较了4种结构触头间的电动斥力、吹弧磁场分布以及电弧受到的磁吹力。研究结果可为桥式双断点塑料外壳式断路器的设计和优化提供参考。

基于油枕空气湿度感知的变压器套管受潮在线监测方法

受潮是变压器套管故障的主要原因之一。为此,提出了一种基于油枕空气湿度感知的变压器套管受潮在线监测方法。首先,阐明了该监测方法的实现原理和关键问题;然后,设计并制作了一种变压器套管受潮模拟实验装置;最后,实验研究了套管内部油气水分迁移特性、接口半径对监测装置响应特性的影响规律以及湿度指示卡的灵敏度与误差特性。实验结果表明:游离态水侵入后直接与空气接触时,监测装置能在30 min内迅速响应,而油中溶解态水需要经过60~80 h才能与油枕上端空气达到平衡;接口半径越大,监测装置响应时间越短,在接口半径为6 mm时,监测装置内的绝对湿度上升速率最大;湿度指示卡的指示误差随温度的增大而增大。最终提出了考虑温度影响的湿度指示卡显色改进方法,从而实现不同运行温度下变压器套管受潮的变色告警。

220 kV变压器油中溶解气体体积分数动态预警方法

油中溶解气体分析是监测电力变压器运行状态最常用的方法之一。针对现有标准对油中溶解气体体积分数预警阈值设定单一和裕度过大等不足,提出了一种基于数据统计和分布模型的220 kV变压器油中溶解气体体积分数动态预警方法。首先,对某电网近10万条220 kV变压器油中溶解气体体积分数数据进行统计与分类处理,并建立了油中溶解气体体积分数的分布模型;然后,根据油中溶解气体体积分数实际预警数据统计结果,通过分布模型的逆累积运算计算得到动态预警值,从而实现了一种油中溶解气体体积分数的动态预警方法;最后,将动态预警方法与现有标准以及10%划分规则的计算结果进行了对比分析,并讨论了预警阈值的动态特性。结果表明,该方法与现有标准相比能够降低漏预警率,与10%划分规则相比能够降低误预警率,即在漏报警和误报警之间取得了一个较好的平衡点,具有一定的工程应用价值。

高压直流电场对5052铝合金在模拟海水干湿交替条件下腐蚀行为的影响

研究了0~400kV·m^-1直流电场强度下5052铝合金在模拟海水(质量分数3.5%NaCl溶液)干湿交替条件下的腐蚀行为。结果表明:随着电场强度的增加,铝合金的单位面积质量损失和腐蚀速率都增大,随着腐蚀时间的延长,单位面积质量损失增加,但腐蚀速率降低;在腐蚀初期(0~7d),铝合金表面主要发生点蚀,且随电场强度的增加,点蚀加剧;在腐蚀中期(7~15d),主要发生剥落腐蚀,且电场强度越大,剥落越严重;在腐蚀后期(15~30d),交替发生钝化、钝化膜破裂、微电偶腐蚀、剥落腐蚀过程。

某变电站电容式电压互感器附件L型接线板的断裂原因

某变电站并联电抗器500kV侧电容式电压互感器(CVT)附件L型接线板在台风中突然断裂,通过宏观形貌观察、化学成分分析、力学性能测试、显微组织观察、有限元模拟等方法对其断裂原因进行了分析。结果表明:该L型接线板的断裂性质为脆性断裂。接线板显微组织中存在的尺寸较大的长片状或板条状共晶硅和AlFeSi第二相是其断裂的主要原因,而结构设计不合理是其断裂的另一原因;在引线因受台风影响剧烈舞动产生的拉应力和扭矩作用下,微裂纹在接线板螺栓孔与CVT顶端凸台边缘接触处应力集中位置的粗大AlFeSi第二相颗粒处萌生,并沿脆性共晶硅相扩展,最终导致接线板发生脆性断裂。

大气压氦−氩等离子体射流放电特性及活性粒子诊断

将氦气与氩气相互混合作为等离子体射流工作气体具有巨大应用潜力,但目前关于氦–氩等离子体射流的研究十分匮乏,各方面都亟需深入探索。为此研究了工作气体中氦气与氩气不同的掺杂比例对氦–氩射流的放电特性、气相激发态粒子以及活性粒子在人体组织模型表面处理范围的影响规律。结果表明:改变氦气与氩气掺杂比例将显著影响氦–氩等离子体射流的放电形态,当氩气体积分数小于10%时,He与Ar之间的彭宁效应最为强烈,此时射流发展长度是其他掺杂比例产生射流长度的将近2倍;随着氩气体积分数的增大,产生氦–氩射流的击穿电压逐渐升高,特别是当氩气体积分数为30%时的击穿电压是氩气体积分数为0时的2倍;当工作气体中开始掺杂氩气之后,氦–氩等离子体射流产生的气相激发态粒子种类基本相同,仅在谱线相对强度上有所区别;随着氩气体积分数的增大,氦–氩等离子体射流活性粒子在人体组织模型表面的处理面积逐渐增大,当氩气体积分数为30%时,活性粒子处理面积是氩气体积分数为0时的4倍。

低压系统短路故障早期辨识及其技术实现

针对现有低压系统短路保护大多存在速度慢和可靠性低等缺点,本文提出将广义形态滤波与小波包细节分解相结合来实现短路故障早期检测的方法,且建立低压系统多层级短路试验系统,并以NI Compact-RIO为测控模块,对本文所述方法加以技术实现,验证了广义形态与小波包细节分解法在低压系统短路故障早期检测应用的有效性和快速性,且全故障初相角下的实际检测时间不超过0.2ms,为低压系统选择性协调保护奠定了理论基础与技术条件。

典型敷设环境下超高压交流XLPE海底电缆载流量分析

超高压海底电缆线路跨度大,运行环境复杂多变,不同敷设环境下海底电缆的输送容量也不尽相同,有必要对典型敷设环境下超高压海缆输送载流量进行具体分析。文中基于IEC 60287建立考虑外界敷设环境影响下的500 kV交流交联聚乙烯(XLPE)超高压海底电缆稳态热路模型,分析不同敷设段、不同敷设方式、不同环境温度以及不同埋设深度对海缆载流量的影响规律进行分析,并建立超高压海底电缆磁-热-流多物理场耦合有限元仿真模型对稳态热路模型计算结果进行验证。结果表明:海缆登陆段为整条线路的载流量瓶颈段,当登陆段海缆采用管道敷设时,其载流量要比采用土壤直埋敷设时的载流量降低约150 A,海缆载流量随着外界温度的升高以及土壤埋设深度的增加而逐渐降低。有限元仿真结果验证了文中所建立的热路模型计算结果的准确性。