超高输电铁塔气动噪声降噪技术研究

超高输电铁塔在保障居民和工业生产电力供应中起到了重要作用,由于其极高的高度,在风荷载作用下产生的气动噪声问题不容忽视。本文针对铁塔气动噪声问题,讨论了几种现有的圆柱气动噪声被动控制方案,并提出了一种波状柱体被动控制降噪设计方案。分别建立圆柱与波状柱体三维流场模型,进行了基于LES方法的流场计算与气动噪声计算。结果表面,尾部加挡板的圆柱低频降噪的效果有限,尾部开槽的圆柱次之,圆柱表面加螺旋线的方案最优,其能够在全频段上降低气动噪声;波状柱体与圆柱体结构的涡量均沿展向分布,但波状柱体的涡量小于圆柱体结构,其波状构型在流场中起到了流动控制的作用;相比于圆柱结构,波状柱体结构的声压级受流场位置影响较小、整体波动较小。分析存在峰值的局部低频段可知,波状柱体结构的声压级曲线更为平滑,相对圆柱体结构整体降低10dB左右,峰值处降低20dB左右;因此,波状柱体是一种行之有效的降噪方案,该研究结论对于超高输电塔气动噪声特性的研究和输电塔的降噪设计具有指导意义。

不同接线方式下直流电缆雷电冲击试验研究

针对直流电缆雷电冲击试验中电压测量波形存在异常抖动、不符合标准的问题,对冲击电压发生器先接分压器,后接试品接线方式(记为方式Ⅰ)的冲击试验放电回路进行了理论分析,并在Pspice环境下进行仿真,观察电容分压器两端的测量波形与试品两端的实际波形之间的差异。分析认为,电容分压器与电缆试品之间存在的引线电感导致测量波形与试品实际波形有一定的偏差,当引线电感过大时甚至会发生异常抖动。为此,提出了先接试品,后接分压器的接线方式(记为方式Ⅱ)。在不同的引线电感下,比较了2种接线方式下测量波形和实际波形的一致度以及时间参数(波前时间、半峰值时间)的测量误差以验证方式Ⅱ的合理性。研究结果表明:采用方式Ⅰ,随着引线电感的增大,测量波形的异常抖动幅度增大,且与实际波形的偏差愈来愈大,时间参数的测量误差也随之增加;而采用方式Ⅱ,即使引线电感较大,测量波形也不会出现异常抖动,能较好地逼近实际波形,同时测量误差被限制在较小值。采用方式Ⅱ对电缆试品进行了现场雷电冲击试验,结果表明试验波形的异常抖动消失,与仿真结果一致。

三芯光纤复合海缆拉伸的有限元建模与仿真

三芯光纤复合海底电缆(简称为"海缆")在运输、敷设和运行的过程中经常会产生拉伸的机械行为,对其进行拉伸建模仿真,可获得实体试验难以得到的应力、应变等数据。文章通过建立海缆拉伸有限元模型,模拟了海缆的拉伸过程。首先根据海缆拉伸的力学特点对结构进行简化,得到三芯海缆的几何模型;然后对其施加约束及速度载荷,控制沙漏能,仿真轴向拉伸过程;最后对数据进行有效提取和处理,获得海缆的应力与应变,为研究海缆的力学性能、判断海缆工作状态提供了参考。

光纤复合海底电缆扭转的有限元建模

海底电缆在装载、运输、敷设和运行过程中,受外界多种因素的影响时常会发生扭转,利用建模仿真的方法不仅可以克服实体试验操作困难的难题,还可获得实体试验难以提取的数据。文章利用ANSYS软件建立海底电缆扭转的有限元模型,进行了单元类型的选择、各层材料属性及参数的确定和网格划分方式的选择,并且分析、控制了影响计算时间和精度的因素,最后对海底电缆施加扭转载荷,仿真扭转发生过程,获取铜导体和光单元的应力及应变数据,为分析海底电缆扭转的力学特性提供了一种可行方案。

用于回声消除系统的自适应延时估计算法研究

为避免回声消除系统中滤波器过长导致的各种缺陷,提出一种单滤波器结构的自适应延时估计(delay estimation,DE)算法,并与现有的两种双滤波器延时估计算法S-DE、PHT-DE进行对比研究。先阐述自适应延时估计算法的原理,并对三种算法进行理论研究,然后采用高斯白噪声作为输入信号,以稀疏回声路径为实验条件,对算法进行计算机仿真。仿真结果表明,与PHT-DE相比,S-DE算法计算复杂度较低而稳定性较弱,但两种算法均为双滤波器结构,因此存在信息冗余而导致计算复杂度浪费。新算法为单滤波器结构,可有效避免双滤波器结构的信息冗余,其性能与计算复杂度均优于S-DE、PHTDE,是各种DE算法里实用性最强的算法。最后指出该算法的改进方向是进行统计学建模,为参数设置提供理论指导公式。

洋流冲刷下的海底电缆动力学有限元分析

利用ANSYS软件,采用直接流固耦合的方法建立了洋流冲刷海缆的三维有限元模型,采用FLUID142单元建立流体域,SOLID1185和SHELL181单元建立海缆本体固体域模型,通过定义流固耦合交界面实现流固耦合,完成洋流冲刷下的海底电缆动力学有限元建模。最后进行仿真计算,并对仿真结果数据进行提取和处理,获得了海缆各层结构的位移和应变数据。

提升海底电缆载流量的2种方法及其试验研究

针对大长度单芯海底电缆的铅包及铠装损耗引起的载流量下降甚至海缆故障的问题,提出了2种解决方法:将钢丝铠装换成铝合金丝铠装(相对磁导率较小)以及在铅包铠装回路串联电阻。在一定理论分析的基础上设计了岸滩环境下海底电缆热循环试验系统,针对110 k V单芯海底电缆展开一系列对比试验,包括互感测试、损耗测试、温升测试等。探索并验证了采用该2种方法降低海缆损耗、保护海缆及提高载流量的工作原理及改善效果。结果表明,铅包环流对铠装层具有屏蔽作用,因此改变铠装材质和串接电阻可使得被试海缆载流量分别提高了24.2%和9.68%。

110kV单芯海缆的载流量计算、温度场仿真及其热循环试验研究

由于海底电力电缆独有的结构特性和复杂的敷设环境,其载流量一直是研究的难点。为了深入研究海底电缆的电热特性及其载流量,利用3种方法对典型海缆的载流量进行计算。分析了海底电缆特有的铅包层和铠装层损耗,引出热阻和载流量的计算方法。以型号HJQF41 64/110 k V 1×500的典型海缆为研究对象,对其不同敷设条件、不同环境温度下的载流量进行理论计算。基于有限元分析法,利用Comsol软件对该海缆的温度场进行仿真。设计岸滩环境下海缆热循环试验系统,对被试海缆样品进行载流量试验研究。证实了3种方法对海缆载流量研究的可行性,比较了各种方法的利弊,为海缆运营单位和科研机构提供了参考。

SiC MOSFET静态温度特性研究

以实际碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件为对象,首先测试了不同温度下的转移和输出特性,获取了温度对其阈值电压、跨导、导通电阻和内栅极电阻的影响规律,接着基于所得到的温度特性实验结果,建立了SiC MOSFET静态等效电路模型,最后对该模型进行了验证。结果表明,温度对SiC MOSFET静态特性及参数的影响较为明显,所建立的等效电路模型能正确反映SiC MOSFET的静态特性。

电力电缆极限传输长度研究

电力电缆不同于架空线路,其并联电容很大,导致电容充电电流大,空载运行时引起末端电压升高严重。针对该问题,基于电力电缆的正序模型,采用稳态解析分析方法研究电力电缆极限传输长度。所提出的方法适用于任何稳态运行下的有损电缆。研究发现电缆空载电压升高对200 km内电缆的限制不大。40 km以内的电缆空载末端电压升高在1%以内,与现场实测的结果相符。充电电流是限制电缆传输长度的瓶颈,然而计算结果表明,0.3补偿度两端点补偿的电缆在长度100 km时的功率因数还可以达到0.94,比目前大部分工程应用的长度60 km大很多,说明100 km的超长电缆输电线在理论上是可行的。

单芯光纤复合海底电缆弯曲有限元建模

海底电缆的严重弯曲会导致漏电、接地、短路和断缆等事故。通过实体实验研究海底电缆的弯曲特性存在成本高、难度大,海底电缆各层结构数据不易获取等问题。为此,文中提出了单芯光纤复合海底电缆弯曲有限元建模实验方法。对海底电缆的结构进行了简化,建立了单芯海底电缆有限元模型,选用SOLID164和SHELL163单元,利用ALE算法,结合扫略和映射方法进行网格划分,对模型进行了求解,根据力学和结构特性对海底电缆进行了单端约束并施加转动惯量载荷,真实地模拟了海底电缆的弯曲过程。结果表明,模型沙漏能控制在内能的1%以内,海底电缆各层应力、应变数据符合弹塑性材料特性和工程经验,为海底电缆弯曲特性的研究和光纤传感技术的应用提供了参考。

海底电缆张力弯曲试验装置结构受力有限元分析

为了测试在大拉力载荷下,海底电缆张力弯曲试验装置是否能正常工作,利用有限元分析方法对鼓轮与海缆进行了建模与仿真,并对整个有限元模型进行了应力、应变和位移分析。结果表明,该张力弯曲试验装置在2×106 N的拉力载荷下,应力最大值达到1.05×108 Pa,并未超过碳钢的屈服强度,没有发生大变形,能够正常工作,装置设计方案合理。

三芯光纤复合海底电缆超负荷运行有限元建模

为了获取三芯光纤复合海底电缆超负荷运行时的温度变化情况,分别建立了三芯海缆陆地段与海底段的有限元模型。通过ANSYSY软件稳态仿真验证了所建模型进行超负荷运行的可行性。将120%、140%、160%、180%和200%的载流量分别施加到陆地段和海底段海缆模型上,陆地段比海底段先达到海缆最高工作温度90℃,并给出了不同负荷运行情况下的应急时间。超负荷值较低时,海底段海缆应急时间大于陆地段应急时间,且应急时间随超负荷值的增大逐渐逼近。该结论为利用光纤传感监测海缆过负荷运行提供了参考。

三芯光纤复合海底电缆船锚钩挂有限元建模

为了利用分布式光纤传感技术测量的光纤应变反映三芯光纤复合海底电缆被船锚钩挂时机械特性失效与否,利用有限元方法建立了钩挂的有限元模型。忽略机械特性差的结构,将聚乙烯护套与填充层合并以增大填充层边缘尺寸,获得均匀的网格;将呈对称分布的光单元简化为一根,得到简化后的海缆模型。选用SOLID164单元作为海缆结构的单元类型,选用BKIN(双线性随动强化)材料作为海缆结构的材料模型,得到海缆的有限元模型。最后通过仿真分析获得铜导体的应力分布情况、光单元的应变情况以及铜导体塑性应变和光单元应变随时间变化的情况。结果表明,海缆与锚接触位置处的铜导体应力值较未接触的位置应力值偏大,并且获得了铜导体发生塑性应变时的光单元应变值,该值可作为海缆导体机械特性失效的判据。

典型交流高压海缆工程载流量瓶颈分析与仿真研究

海底电缆线路的负载能力由其瓶颈段决定,一般认为登陆段是整条线路载流能力的瓶颈,但海缆登陆段不同区域不同敷设条件下载流量存在明显差异,需要进一步确定海缆线路载流量瓶颈。对于登陆段多处区域受到阳光照射,建立了考虑太阳辐射的载流量有限元模型,并利用500 kV交流海底电缆预鉴定试验回路阳光直射区的负荷循环试验数据进行比对,验证模型的正确性和一致性。提出了系统、合理的载流量瓶颈段评估方法,并以舟山220 kV典型海缆工程为实例,应用Comsol软件对潜在瓶颈段载流量进行仿真计算和比较,确定了海缆线路真正的瓶颈区段载流量及短时过负荷能力,对海缆的安全运行具有指导意义。

整体预制式和绕包式XLPE高压直流电缆接头电场分布研究及接头结构优化

整体预制式和绕包式接头是两种较为常见的电缆接头,由于它们的结构及绝缘的电导率各不同,接头中的电场分布存在较大差异。以50 kV交联聚乙烯高压直流电缆接头为研究对象,分别建立了整体预制式接头模型(增厚绝缘材料硅橡胶)和绕包式接头模型(增绕绝缘材料为油浸纸),应用有限元软件计算了温度梯度下两种接头中电场分布。研究发现对于整体预制式接头,当导体与环境温差达到40℃时,应力锥根部的电场强度可达到45 kV/mm,存在击穿危险;而对于绕包式接头,同样温差下,应力锥根部的电场强度几乎为0,但反应力锥顶部的电场强度达到30 kV/mm。通过对绕包式电缆接头的反应力锥顶部进行结构优化后,可使最大电场强度降低至7 kV/mm;通过采用聚四氟乙烯绕包的方式可使反应力锥顶部最大电场强度降低至3 k V/mm。以上研究可供高压直流电缆接头设计时参考。

单芯海缆不同铠装材质损耗的对比研究

分析了钢丝铠装及铝合金丝(非磁性)铠装海缆的损耗和温升差异。对两种铠装型式的海缆进行通流试验,并开展相关测试,包括海缆内部各层与线芯导体的互感值测试、铅包与铠装不同连接方式下的海缆损耗测试、铅包铠装并联接地点串入不同阻值电阻器时的海缆损耗测试、不同工况下海缆通过大电流时的稳态温升测试。基于大量实验数据,总结得出铝合金丝铠装海缆有利于降低海缆损耗和导体温度,提高海缆载流量。

陆海段不等径海缆匹配方案与载流能力提升研究

提升海底电缆(简称“海缆”)登陆段载流量的常规方法会增加海缆制造成本和运维投入。为此,通过引入不等径电缆接头技术,校核分析了220 kV海缆登陆段与海中段的实际载流能力,提出差异化的不等径海缆登陆段与海中段导体截面匹配原则,评价了不等径海缆匹配方案的经济性。研究结果表明:海缆导体截面越大,登陆段载流能力下降越大;不等径匹配方法中单芯或铜丝铠装的海中段海缆所需导体截面较小;海缆线路全部为单芯铜丝铠装时可获得最大的输送能力,全部为单芯钢丝铠装时可兼顾海缆线路较大输送容量和最优单位容量成本。

基于三维磁场测量的海缆路由检测技术研究

为了精确、快速地检测海底电缆路由,研究了基于高精度三维磁场测量的海缆路由检测机制与反演算法,研制了相应的探测系统,实现了在海缆附近对海缆方位的实时探测。通过在舟山海域开展不同探测方式的比对试验,对海缆路由检测方案进行分析,得出多次切割海缆并沿缆航行的小S形航行检测方案既可以分辨出海缆的三相线,又能得到海缆精确路由走向的结论。为海缆高精度、高效率路由检测提供了理论依据。

基于优化模型的直流电缆雷电冲击电压试验波形参数控制

雷电冲击试验中的直流电缆为大电容试品,试验回路中电感对冲击波形的影响不可忽略,冲击电压发生器电阻参数设置不当将会导致波形过冲和振荡,为此提出一种基于优化模型的雷电冲击电压试验波形参数控制方法。首先,对试验回路进行理论推导,并分析波前时间和过冲率之间的关系,在此基础上引入一个可用于表征波形过冲率的变量Δ_m;其次,以波前时间最小为目标函数,通过限制Δ_m的数值对波形过冲率进行约束,建立电阻参数优化模型;最后,设置不同的Δ_m对模型进行求解,并通过仿真计算和实际试验验证其有效性。结果表明,随着Δ_m设置值的增加,过冲率呈上升趋势,波前时间呈下降趋势,优化模型能够对波形参数进行有效控制。为确定Δ_m的合理设置范围,研究了不同试品电容、不同回路电感下Δ_m设置值对过冲率、波前时间的影响。结果表明,Δ_m取值为0.9~1时,能够保证波形过冲率不超过标准规定的10%。