低频电压下含纤维素颗粒变压器油绝缘特性及影响因素

低频变压器是低频输电系统中的关键设备,低频电压下的绝缘特性对其设计及运行具有重要意义。该文为了研究低频电压下含纤维素颗粒的变压器油的绝缘特性,分别研究20、30、40、50 Hz四种频率交流电压下不同纤维素颗粒度(低、中、高)水平的变压器油击穿特性。同时,通过仿真及试验分析不同频率下变压器油中纤维素颗粒运动及积聚过程。研究结果表明,交流电压频率对变压器油中纤维素颗粒的成桥特性及击穿电压具有显著影响。随着频率的降低,纤维素颗粒向电极移动速度变慢并难以黏附在电极表面,减缓了纤维素颗粒在电极表面的积聚过程及杂质小桥的形成速度。相同频率交流电压下,变压器油击穿电压均随颗粒物浓度的升高而降低;相同纤维素颗粒浓度下,变压器油击穿电压随着频率的降低而增大。研究结果为低频变压器的设计及运行维护提供了基础数据支撑。

基于子循环自适应串行交错时间匹配算法的油浸式变压器绕组瞬态温升计算

针对传统算法存在的步长调整及耦合点选择问题,该文提出基于子循环自适应串行交错(SCAS)的时间匹配算法。首先,在步长调整方面,通过加入自适应(ATS)-启发式(HTS)混合变步长算法,解决步长无法实时调整的问题;然后,针对耦合点选择问题,该文在传统常规串行交错(CSS)时间匹配算法及现有改进方案子循环常规串行交错(SCSS)的基础上,提出SCAS时间匹配算法,采用自适应方案确定计算时间窗及预定耦合点,并引入指数平滑法对其精度进行保证;最后,该文基于110 kV油浸式电力变压器建立二维瞬态单分区分匝绕组模型,并将所提算法与其他传统方法进行对比分析。结果表明:在精度方面,与传统CSS算法相比SCAS算法的流场及温度场最大平均相对误差均不超过0.45%,在可接受误差范围内;在效率方面,SCAS算法总体计算效率较CSS算法提高了近20倍。同时,为了说明所提算法的工程价值,该文搭建基于110 kV变压器绕组模型的温升实验平台,将SCAS时间匹配算法应用于该模型中,实验结果表明:在精度方面,SCAS算法与实验达到稳态时最大绝对误差为2.7 K;在计算效率上,本文所提算法的计算效率较传统算法提升约46倍,计算步数约为传统的1/47,减少了计算冗余。

基于温升特性的强迫导向油循环风冷结构变压器负荷能力评估

针对强迫导向油循环风冷(oir directrd air forced,ODAF)结构变压器负荷能力受温升约束影响的问题,提出了3种负荷类型情况下变压器负荷能力评估方法。首先,考虑风扇与油泵的运行状态以及油粘度变化对热阻的影响等因素,基于热电类比法建立了变压器热路模型,以计算绕组热点与顶部油温度;其次,采用粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)算法拟合热路模型参数,并基于2台不同型号变压器的运行数据,对热路模型的计算精度与拟合参数适用性进行有效性验证;最后,参考GB/T1094.7负载导则给出的温升限值,基于温升特性提出了负荷能力评估模型。分析结果表明,该研究所提热路模型计算热点温度的误差不大于2.35℃,在工程允许范围内;正常周期性负荷下当环境温度低于1℃时,关闭1组子散热器后仍满足温升约束。

新型电力系统中的大模型驱动技术:现状、机遇与挑战

建设新型电力系统是实现社会、经济高质量发展的重要基石,以新一代通用人工智能为主导的信息化技术与能源电力科学深度耦合,为新型电力系统的数字化转型工作提供了重要保障。为了探究电力系统在大模型时代潮流下的发展方向,该文首先系统梳理了当前电力系统的数智化发展现状以及在新的场景需求下遇到的难点问题。然后重点探讨了以多模态大模型为代表的具备深度场景解析和语言描述能力的大模型技术在电力系统中的应用前景,并分析了其在几个典型场景下的相关应用成果,证明大模型技术可行性的同时,进一步总结了大模型技术在相关电力场景所面临的机遇与挑战性问题。最后对未来大模型技术如何与电力系统实现紧密融合做了展望与建议。该研究成果有望为新型电力系统数字化转型过程中的数智化发展提供参考,助力能源电力领域提质增效。

面向数字孪生模型应用的油浸式变压器绕组温度POD-RBFLP降阶计算方法

了解油浸式电力变压器绕组的温度情况是保证其运行稳定性的关键,也是当前针对油浸式变压器数字孪生分析的必然需求。为了快速地获得变压器绕组的稳态温度,该文提出一种基于本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)和包含线性多项式的径向基函数响应面法(radial basis function response surface method including linear polynomial,RBFLP)的降阶计算模型。首先,讨论POD方法的降阶特性,并设计一种基于留一法交叉验证的自适应获得快照矩阵方法,以提高计算精度及效率;其次,采用响应面方法建立POD模态系数与绕组工况的相关关系,旨在实现通过绕组工况快速获得POD模态系数,从而跳过对降阶模型的复杂非线性计算,进而高效重构绕组温度场。相关算例表明,该方法具有较好的计算精度和效率,在50组测试工况下,与全阶计算相比,误差不超过2.5 K,且总计算时间仅为1.45 s;最后,基于110 kV变压器绕组搭建温升试验平台,试验结果表明,降阶计算结果相较于试验结果,平均计算误差不超过2 K,且单步计算时间仅为0.03 s,相较于同等规模的全阶计算,计算效率有较大幅度地提升。

轻质高绝缘复合芯体制备及其在66 kV复合横担中的应用

随着“双碳”战略的逐步落实,新型复合材料横担正逐步代替铁制横担,在电力线路中的应用日益广泛。文中制备得到密度为1.1 g/cm^(3)的66 kV轻质高绝缘复合绝缘横担,并对其进行吸水率、染料渗透、水扩散泄漏电流、击穿强度、热诱导、机械及电气试验。试验结果表明:填充芯体材料样品的质量吸水率为0.141%,水扩散泄漏电流小于103.3μA,交流击穿强度大于71 kV/cm,各项性能指标均达到DL/T 1580—2016棒形复合绝缘子用芯棒技术规范对于理化性能、电气性能及机械性能的标准要求,样品及横担整体无明显缺陷,横担耐老化性较好。同时,轻质高绝缘复合绝缘横担微观界面结合良好,绝缘性能优于传统实心横担,满足新型电力系统清洁低碳、安全可靠的应用需求。

基于混合有限元法的油浸式变压器稳态流-热耦合场并行计算方法

针对油浸式变压器2维流-热耦合仿真计算效率低的问题,提出了基于混合有限元法的并行计算方法。首先,在Visual Studio 2019中采用C++语言实现无量纲最小二乘有限元法以及迎风有限元法的串行计算方法。然后,基于图形处理器(graphic processing unit,GPU)实现流体场的并行计算,针对单分区分匝模型对比分析了不同GPU卡在不同网格条件下的并行计算效率,分析结果表明数据规模越大,GPU卡流处理器越多并行效果越好。其次,基于Intel MKL(Intel math kernel library)函数库结合共享存储并行编程(open multi-processing,OpenMP)实现了2维温度场的并行计算,并对比分析了不同网格数量对并行效率的影响。最后,在此基础上提出了根据不同仿真条件的混合并行计算方法,并应用到大型油浸式变压器绕组模型的2维温升热点分析中。结果表明,相较于串行程序,混合有限元并行计算方法的加速比达到了69.5,实验测试结果进一步验证了并行计算结果的准确性,研究成果为大型油浸式变压器流-热耦合问题的快速计算奠定了基础。

玄武岩纤维纳米改性对增强环氧复合材料绝缘与力学性能的影响

使用纳米氧化铝对玄武岩纤维进行表面改性,采用层压法制造改性玄武岩纤维/环氧树脂复合材料(BFRP),并研究纳米Al_(2)O_(3)含量对改性复合材料绝缘与力学性能的影响。结果表明:质量分数为1.0%的纳米Al_(2)O_(3)改性的玄武岩纤维复合材料(1.0K-BFRP)界面改性效果最佳。与未改性的复合材料相比,1.0K-BFRP的介质损耗因数降低了38.13%,沿面闪络电压提高了42.96%,击穿电压提高了33.96%,表现出更加优越的绝缘性能;拉伸强度、弯曲强度、层间剪切强度分别提高了26.46%、48.19%、66.06%,玻璃化转变温度提高了4.49℃。

基于能量流向的变压器饼式绕组散热分析及试验研究

变压器热点温度作为运行经济性、安全性的关键指标,是设备在线监测及状态评估中的重点。该文对变压器内部散热进行研究,着眼于饼式绕组及其油道结构,基于能量流向建立绕组温度变化的物理模型。基于这一模型,在一台内置分布式传感光纤的110kV三相ONAN变压器上开展试验研究,使用分布式光纤测温(distributed temperature sensing,DTS)技术对运行状况下的绕组整体温度分布进行实时监测,分析绕组在ONAN冷却方式下的散热状况。在变压器启动初期,绕组各处散热量较低,温升速率较快。约2 h后,各饼散热量基本与损耗相一致,散热率可达98%以上,因此将这一阶段称为准稳态。准稳态阶段,绕组整体散热率基本一致。负载变化前期不同位置散热量的差异是温度梯度形成的主要原因。基于DTS手段及散热器进出口处油温,提出绕组每饼平均对流换热系数的计算方法,基于无量纲数建立绕组内外表面局部对流换热系数的计算方法,对不同位置、负载率下两种对流换热系数的变化规律进行分析获得了绕组运行过程中对流换热系数分布规律及变化趋势。

油浸式变压器绕组瞬态温升降阶快速计算方法

油浸式电力变压器绕组温升监测是保证其安全稳定运行的重要手段。为了改善采用有限元方法计算油浸式电力变压器绕组瞬态温升时存在效率不高的问题,提出一种结构保留的本征正交分解(SPOD)与离散经验插值方法(DEIM)相结合的计算策略。首先,该文采用最小二乘有限元法(LSFEM)与迎风有限元法(UFEM)构建变压器绕组瞬态温升计算控制方程;其次,针对控制方程的特点,引入SPOD方法,通过将采样时间内的计算结果构成快照矩阵,建立降阶模型,降低有限元刚度矩阵的计算阶数,提高求解有限元方程的效率;然后,为了改善本征正交分解方法对于非线性问题效率提升不高的缺陷,结合DEIM算法,对有限元方程中的非线性项进行插值处理,从而减少每一时步形成总体刚度矩阵的时间,进一步提高总体计算效率。为了验证文章所提算法的精确性及高效性,根据油浸式电力变压器绕组的基本特点,建立了单分区分匝绕组传热模型,对其瞬态传热过程进行计算,结果表明:基于SPOD-DEIM的有限元降阶计算能够在保证精度的前提下有效提高计算效率,与全阶计算结果相比,流场与温度场的计算误差均不超过1.5%,且计算效率提升5.1倍。同时,为了充分说明SPOD-DEIM算法在工程应用中的价值,该文基于110 kV变压器绕组搭建了温升实验平台,建立了八分区分匝绕组数值计算模型,对算法的精度、效率及工程应用价值进行了验证及讨论,计算及实验结果表明:精度方面,降阶计算较全阶计算的瞬态全过程计算误差小于2.5%,且与实验结果相比,误差不超过5.41K;效率方面,降阶计算的全过程计算时间为54.28 h,与全阶计算相比,计算效率提升至10.57倍,与商业仿真软件Fluent相比,效率提升至6.37倍,充分说明所提算法的高效性及工程应用价值,为大型电力设备快速仿真提供新思路。

500 kV输电线路劣化瓷绝缘子非线性发热特性的红外分析

高压输电线路绝缘子串中的劣化件会威胁电网安全。为了研究劣化瓷绝缘子的红外发热特性,设置了一系列实验,研究了劣化绝缘子的电阻、沿串位置和环境相对湿度对红外检测的影响。并对含有两片劣化绝缘子的绝缘子串进行了附加实验,以研究了正常绝缘子和低值绝缘子之间不同的发热现象。利用有限元分析仿真进一步分析了红外图像中钢帽的发热机理。实验和仿真结果表明:劣化绝缘子的温升与阻值呈非线性关系,当电阻为30 MΩ时温升最大;绝缘子串两端的劣化易被检测;相对湿度过高可能会导致误检;正常绝缘子的发热区域是钢帽的下部,瓷件的温度上升1.2℃左右,而对于劣化绝缘子,沿钢帽的温升分布均匀,瓷件的温度与实验前基本一致。相关研究结果为劣化绝缘子的红外检测提供了参考依据。

基于新能源发电改进型移相全桥变换器研究

新能源发电中需要广泛使用移相全桥变换器,以实现软开关技术从而减小系统的开关损耗。而传统移相全桥直流变换器滞后臂在轻载时难以实现ZVS,导致系统大功率输出时效率降低以及系统换路时容易产生尖峰电压、电流等现象,针对这一问题,提出了一种改进的有源软开关移相全桥DC-DC变换器拓扑。系统首先提出了改进变换器的拓扑结构,在此基础上对其工作模态进行了研究分析,并合理优化相关器件的选型,最后通过系统仿真及试验平台进行了系统仿真和试验测试,结果表明,所设计的加入辅助电路改进型移相全桥直流变换器在轻载情况下,能够使变换器滞后臂达到软开关效果,同时,在大功率输出情况下,对器件发热、电压波形振荡均有较好的抑制作用,系统整体效率变高,同时可靠性、稳定性变强。

基于布里渊光时域峰值边沿分析的变压器绕组局部热点检测

变压器绕组的温度分布一直是电网运行人员重点关注的对象。与传统传感器相比,分布式光纤传感具有抗电磁干扰能力强、可实现分布式测量等优势,其中布里渊光时域分析技术(BOTDA)的性能稳定,适用于大多数场景,但BOTDA的空间分辨率为m级,难以分辨绕组运行中的局部热点。该文从布里渊散射增益谱的机理入手,利用双峰拟合算法,并结合对异常峰值曲线的边沿分析,提出了一种在不增加系统硬件复杂度的基础上提升BOTDA空间分辨率的方法,以满足局部热点检测要求。通过对光纤沿线不同位置、不同热点长度及不同热点温度下的模拟试验验证了该方法的有效性,在实验室条件下可将准确传感的热点长度提升至原空间分辨率的一半以内。基于变压器实际绕组的局部升温试验,实现了绕组异常热点的精确定位和长度感知,并准确解调了绕组局部热点的温度,进一步验证了该方法的实际可行性和检测优越性,温度相对误差控制在5%以内,为提高变压器绕组温度在线监测的经济性和可行性提供新的思考,同时也为变压器绕组局部故障的提前感知和预警提供了新的思路。

振动对交流电压下针板电极局部放电起始特性的影响

高压电气设备在实际运行过程中常伴随着持续的机械振动,为探究振动对极不均匀电场局部放电起始放电特性的影响,搭建了空气中振动条件下针板电极局部放电试验平台,采集了起始放电过程的局部放电信号,在工频电压下分别研究了电极间距、振幅、振动频率对局部放电起始过程的影响规律。研究结果表明:随着振幅增加,间隙最大电场强度增大,碰撞电离过程加剧,起始放电电压降低,负半周放电次数和放电量增加,正负半周放电相位扩大;随着电极间距增加,振动对电场不均匀程度影响减小,负半周起始放电过程受振动影响逐渐减弱;振动频率会影响起晕段内高场强区的作用时间,振动频率越高,带电粒子能够获得的最大动能越小,碰撞电离过程越微弱,放电的剧烈程度越低。

基于Twin Builder的110kV油浸式变压器3维磁场降阶模型及损耗分析

为解决3维变压器磁场有限元仿真计算效率低的问题,提出基于本征正交分解法的磁场降阶模型与基于二次多项式的损耗响应面模型。以1台110 kV变压器为算例,首先建立了考虑绕组涡流损耗的变压器磁场仿真模型,通过仿真分析了其在额定工况下的磁场及损耗分布;其次,通过仿真试验设计获取了多组工况下的磁场与损耗数据,在Twin Builder中训练得到变压器磁场的各降阶模块;最后,搭建面向数字孪生应用的变压器3维磁场降阶模型,实现了变压器磁场损耗的快速计算与云图分布的可视化。与计算单数据相比,仿真结果考虑了涡流效应的绕组损耗在靠近端部时有明显升高,最大值分别出现在高、低压绕组两端,约为绕组中部损耗的1.3~1.65倍。基于该磁场结果建立的降阶模型在计算效率方面较全阶模型有显著提升,将实际仿真时间缩短至0.76s,可满足数字孪生应用场景下的磁场快速计算需求。

基于U-net神经网络的油浸式变压器绕组流-热耦合快速计算

该文针对采用传统数值方法进行大型油浸变压器绕组温升仿真时间较长的问题,提出一种基于U-net神经网络训练的快速计算方法,可以迅速地预测变压器绕组温升及热点。首先,根据流热耦合原理筛选输入变量,并运用流热耦合方法计算不同工况下的输出结果,并将之制作成训练集和测试集。同时,详细讨论3个对网络训练影响最显著的超参数;其次,将归一化后的训练集输入U-net神经网络进行训练,并设置超参数最佳组合;最后,将预测集输入训练好的模型进行预测计算及反归一化操作,预测绕组热点与Fluent仿真结果相差仅0.44 K,单次仿真时间从200 s缩短为0.07 s。预测结果与实验温度平均误差最大为2.31 K,最小为0.98 K,预测方差为0.31左右。结果表明:该方法可用于快速获得油浸式变压器绕组的温度及热点,可满足变压器温度热点数字孪生的实时性仿真要求。

包含快照选择策略的POD-QDEIM油浸式变压器绕组瞬态温升降阶算法研究及其实验验证

为了提高采用有限元方法对油浸式电力变压器绕组瞬态温升进行仿真的计算速度,该文提出一种包含快照选择策略的本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)-基于列主元QR分解的离散经验插值(QR factorization-discrete empirical interpolation method,Q-DEIM)(POD-QDEIM)算法。首先,文章基于最小二乘有限元法与迎风有限元法推导绕组流热耦合计算方程;其次,通过引入POD方法,降低有限元方程阶数提高求解效率;同时提出POD自适应快照选择策略,在保证降阶模型精度的前提下,减小快照矩阵规模;随后,为了改善POD方法求解非线性问题时效率不高的劣势,文章结合基于Q-DEIM方法,通过插值的方法形成方程中的非线性项,从而提高每一时步非线性项的形成效率;最后,基于110 kV油浸式电力变压器绕组基本结构,建立了八分区分匝绕组传热模型以及绕组温升试验装置对所提算法进行验证,仿真及实验结果表明POD-QDEIM降阶算法的计算精度在工程上属于可接受范围,其计算效率较全阶计算提升了近11.72倍,说明该算法在油浸式电力变压器绕组瞬态温升快速仿真领域的工程应用价值。

低频电压下XLPE电树枝生长及局部放电特性

低频电缆作为柔性低频交流输电系统中的关键设备,其绝缘介质在低频电压下的特性对电缆的设计和运行具有重要意义。为了研究低频电压下交联聚乙烯(XLPE)电树枝的生长及局部放电特性,设计并搭建了不同频率下电树枝生长实时观测和局部放电同步测量系统,探究了XLPE试样分别在20、30、40、50 Hz频率下电树枝的引发、生长及局部放电特性。结果表明:电压频率对XLPE电树枝生长及局部放电特性的影响有明显规律性。在20~50 Hz范围内,随着频率的降低,XLPE的起树电压略有升高,但电树枝生长速度加快,损伤面积增加,局部放电量和放电次数增大,放电相位分布基本不变。

面向电力设备红外图像的混合噪声去除方法研究

电力设备的红外图像在采集传输过程中,易受高斯噪声与脉冲噪声的影响从而破坏图像的真实信息,为满足图像处理过程对图像质量的要求,文中提出了一种针对红外图像混合噪声的滤除方法。首先利用三方加权稀疏编码(TWSC)模型有效滤除红外图像中的高斯噪声,然后利用图像结构纹理分解结合中值滤波算法实现剩余脉冲噪声的分离与去除,实现在滤除红外图像混合噪声的同时较好地保持图像的边缘结构信息,结合实例分析表明文中方法能够有效滤除噪声并获得较高的峰值信噪比(PSNR)与结构相似度(SSIM)。

互联网背景下电力电子技术教学创新之路研究

互联网背景下,电力电子技术教学呈现出了智能化、多元化和多媒体化。首先,根据实际情况分析可得,电力电子技术的教学创新应进一步贴合课堂服务,进一步抓好情境服务,进一步应用新资源,完善新技术服务课堂、新情境服务教学和新资源服务发展。其次,通过创新化、制度化和效益化逐步解决学校教育教学模式中所存在的一些不足和问题。教学方面存在的问题包括教学观念的滞后、人才建设的落后和软硬件的落后。最后,希望通过以下方法的改进能更好地为课程服务,即多元化教学管理,塑品牌形象;多面化队伍建设,强教学质效;多方位软硬件提升,增教学内涵等方法的改进能更好的为课程服务,不断增强学生群体对电力电子实践的理解和操作能力,更好地培养满足社会和企业要求的复合型人才。