充电桩充电模块功率器件故障诊断研究综述

大功率直流充电桩是未来电动汽车充电设施的发展方向,充电模块是直流充电桩最重要以及故障率最高的部件,其中功率器件开路故障较为常见。为保证充电模块安全可靠运行,需要对充电模块功率器件开路故障进行准确识别和定位。文中首先对充电模块拓扑结构和故障类型进行分析,然后分别对基于解析模型、基于信号处理和基于知识的功率器件开路故障诊断方法进行总结,分别介绍了各类方法的基本思想、研究进展和优缺点,最后总结并展望充电模块功率器件开路故障诊断方法未来的研究和发展方向。

铁心式双极纵磁触头纵向磁场测量及磁场饱和特性研究

铁心式双极纵磁触头是高压真空灭弧室中常用的触头类型之一。为探究铁心式双极纵磁触头真空灭弧室燃弧过程中真空电弧不可控模式出现的成因,对铁心式双极纵磁触头的纵向磁场特性进行了实验与仿真研究。采用霍尔效应传感器阵列搭建了触头磁场测量平台,对1~15 kA下铁心式双极纵磁触头的纵向磁场分布进行了测量,基于实测结果验证了铁心式双极纵磁触头磁场仿真模型的准确性,并利用该仿真模型进一步仿真分析了1~40 kA电流下的触头磁场饱和特性及40 kA电流等级下燃弧过程中触头间纵向磁场的动态变化规律。结果显示,铁心式双极纵磁触头的纵向磁场在电流大于10 kA后开始呈现出显著的饱和趋势,由于磁场饱和现象的存在,大电流燃弧过程中触头磁场随时间的变化曲线在电流峰值附近将出现数毫秒的畸变。铁心式双极纵磁触头的纵向磁场饱和现象及纵向磁场随触头开距增大的衰减共同导致了该触头大电流燃弧过程中电流峰值附近真空电弧不可控模式的出现。文中的研究加深了对铁心式双极纵磁触头控弧过程的理解,并对该触头的设计具有指导价值。

高压直流输电工程换流阀均压电极断裂机理研究

均压电极是高压直流输电工程换流阀内冷水系统的重要部件,起到钳制电势和减小泄漏电流的关键作用,但是在运行过程中,均压电极发生腐蚀或者断裂,将导致换流阀阀塔上与内冷水管道接触的金属器件发生腐蚀,内冷水系统发生渗漏、堵塞等,从而使得换流站因设备过热、水管漏水等问题造成的停运事件屡有发生,严重影响直流工程的安全稳定运行。因此,研究均压电极断裂相关机理和原因能够有效减小内冷水系统事故。文中通过分析均压电极在水管内的受力情况,结合铂金材料的特性,首次从剪切强度的角度开展了均压电极断裂分析。文中从材料成分、力学性能、微观结构等角度对均压电极开展了研究,分析了均压电极断裂机理,确定了均压电极断裂原因。文中的分析方法及结论,对高压直流输电工程换流阀均压电极的生产制造、材料选型、运维检修等具有重要参考意义。

计及长线路参数扰动的新能源黑启动工程分析

大量电力电子设备组成的张北新能源黑启动系统处于一种较脆弱的状态,长线路的电容电感参数受地域环境和气压条件等外界因素的干扰,容易引起电压电流的畸变从而导致整个系统的启动失败。因此,文中首先以张北风光储黑启动工程的拓扑结构为研究基础,鉴于微源输出外特性的差异性和集中线路的不适用性,推导了不同控制策略的电源输出阻抗模型,建立了基于Π单元传输线路等效线路阻抗模型;其次,通过伯德图分析线路电阻、电感和电容参数变化时系统的谐振特性;最后,在Pscad/Emtdc仿真软件中验证了黑启动长距离输电谐振机理的有效性和正确性。

高压电缆缓冲层烧蚀的成因分析

在近10年全国的电缆事故中已发现大量的缓冲层烧蚀问题,为探索烧蚀产生因素,文中基于压力的影响建立了数学模型,考虑水汽的渗入对模型的影响,并对多组产生缓冲层现象的电缆进行了分析。计算和仿真结果表明,电缆阻水带因电缆绝缘本体重力和电缆敷设过程中的外力影响,会在1 mm_(2)接触点上产生3.75 A的集中电流,使得在阻水带和铝套接触处温度升高到176℃,而铝和聚丙烯酸钠在80℃时会发生反应生成氧化铝粉末,产生阻水带上的“白斑”;而绝缘屏蔽层上相同的电流长时间作用,则会引起绝缘屏蔽的老化。

真空拉弧起始收缩过程实验研究

真空电弧的形态分布主导燃弧阶段等离子体分布特性,起始收缩过程的等离子体分布对成功开断有重要影响。为了研究机构运动过程中真空电弧的起始收缩特性,分析燃弧工况对收缩持续时间的影响,文中以10 kV可拆真空灭弧室为载体,建立真空电弧工频开断实验平台及电弧形态观测系统,通过改变灭弧室参数,结合电弧图像数字处理技术,对真空拉弧起始收缩时间进行定量分析。结果表明:起始收缩电弧的持续时间基本与电流幅值和起弧电流呈较明显正相关,与机构分闸速度呈负相关。纵向磁场对中心弧柱和边缘区域作用相反,文中利于扩散的临界磁场为60 mT,当纵向磁场小于60 mT时,收缩态电弧趋向扩散;纵向磁场大于60 mT时,收缩态持续时间增大。

小电流下弧根运动对空气直流电弧的影响

阴极弧根为电子发射的主要区域,弧根的运动对空气直流电弧等离子体特性有重要意义。通过电极旋转驱动阴极弧根运动,实验观测得到电极旋转情况下空气直流电弧拉弧过程电极表面烧蚀情况、扭曲的弧柱形态,同时提取并对比了直线拉弧和旋转拉弧的电弧电压上升曲线。参照临界电流试验条件,建立小电流下平行电极间三维电弧仿真模型,探究在小电流情况下,自由燃烧态电弧的演变过程。仿真结果表明:阴极弧根运动使得发射后极间带电粒子空间分布变化,间隙放电通道改变,电弧的最大温度值降低;当电弧放电通道不稳定时,极间电弧电压出现波动,电弧能量包络空间相对变小,间隙中高能粒子较少,有利于电弧能量的空间逸散。

近远场地震下软导线耦联电气设备体系地震响应分析

为深入研究软导线耦联电气设备体系的抗震性能,文中将支柱类电气设备简化成梁,建立了安装在支架上的支柱类电气设备、分裂导线与导线连接的电气设备耦联体系有限元模型,分析了单体设备的地震响应与分裂导线连接的电气设备耦联体系地震响应的特征,并考虑了设备在近远场地震动下响应的区别与联系。之后对分裂导线的影响进行了参数分析。结果表明,相较于设备在单体时的地震响应,在两耦联设备动力特性差异较大的情况下,软导线将放大高频设备的地震响应,减小低频设备的地震响应。近场脉冲地震作用下,软导线对高频设备地震响应的放大作用更明显。在进行变电站抗震设计时,应考虑近场脉冲地震动脉冲段对设备抗震性能的影响。

架空输电线路可听噪声问题综述

为满足公众对架空输电线路可听噪声问题日益增长的关注,论文总结了超特高压输电线路涉及到的可听噪声问题。阐述了交流、直流线路可听噪声的差异;归纳了可能对架空输电线路可听噪声带来影响的因素,分为线路自身结构和天气等环境因素两类;介绍了国内外可听噪声的限值标准、试验方法以及预测方法,归纳了各国对可听噪声问题的处理措施。论文发现:随着直流线路电压等级的提高,可听噪声限值标准也在增大,而当前直流可听噪声问题研究极少;金具间隙放电产生的可听噪声问题也应引起重视,理清了交流线路和直流线路在可听噪声的特性、影响因素、预测方法、研究方法等方面存在的差异。论文可为中国交直流特高压噪声防治问题提供参考。

对流—辐射边界对变压器温度场影响的解耦研究

对流—辐射边界是油浸式变压器最重要的散热方式,对变压器内部温度分布具有决定性作用。文中结合传热学基本理论以及变压器实际结构对变压器对流边界和辐射边界进行研究,针对目前直接以材料辐射率表征辐射换热强度的方法进行修正,结合变压器结构提出了有效辐射率的概念,使得辐射边界计算更加准确。并通过建立110 kV油浸式变压器三维流体—温度场模型分析了不同环境条件(风速、环境温度)对变压器对流边界和辐射边界的影响,为有限元分析计算中边界条件的确定提供了指导。

基于电—热场耦合分析的高压大容量直流XLPE海缆绝缘结构研究

随着交联聚乙烯直流海缆向着高电压、大容量的方向发展,其在工程应用中也遇到了温度和电场两方面的挑战。文中结合±160 kV XLPE直流海缆建立了XLPE海缆的电场仿真模型和热路模型,对更高电压等级的XLPE直流海缆的结构特点进行了探讨。通过仿真发现,直流海缆绝缘层的厚度同时影响海缆的温度和场强分布,在对高电压、大容量海缆设计时需要综合考虑绝缘材料能承受的最大场强和最高温度,选取合适的绝缘层厚度。同时,通过仿真对比铜、铝导体电缆对电场、温度的影响发现,铜导体电缆运行温度较低,有利于电缆稳定运行,而铝导体海缆虽然体积更大,但其重量小,更有利于安装敷设。

基于组合余弦窗加权的高精度电力谐波分析

针对电力谐波加窗分析中的频谱泄漏和栅栏效应,利用电力信号在频域中的频谱只集中出现在谐波频点处的特点,以窗谱在主瓣中央和谐波频点的平坦性作为约束条件研究可同时有效抑制频谱泄漏和栅栏效应的加窗函数。提出了进行电力谐波分析时组合余弦窗须满足的基本条件。导出了窗谱的各阶导数,利用导数等于0作为主瓣中央和谐波频点的平坦性表示建立了组合余弦窗的参数方程组。对窗宽为整数个额定周期的新型窗函数的频谱进行了数值模拟,结果表明,新型窗函数在抑制频谱泄漏和抵抗栅栏效应方面性能优异,无需借助谱线插值即可实现高精度电力谐波分析。

特高压变压器中压侧无功补偿运行电压特性分析

特高压变压器无功补偿配置有中压侧补偿和低压侧补偿两类,我国常用的低压侧无功补偿方案与国际相关标准采用的中压侧无功补偿方案不相符,在补偿效果与设备投资方面存在一些差异。文中针对国内研发的1000 kV特高压自耦变压器,从理论上分析了其运行时产生的无功损耗情况以及中/低压侧补偿对运行电压的影响。然后采用PSCAD/EMTDC软件仿真,分析了特高压变压器不同侧无功补偿时各侧母线电压的波动水平和补偿效果。结果表明:在主变中压侧无功补偿产生的电压波动较在低压侧补偿更低,对运行安全更有利,且可补偿的容量更高,补偿效果更好。

考虑综合需求响应的园区综合能源系统优化配置

园区综合能源系统是用户侧多能源耦合与供应的典型形式,而综合需求响应(integrated demand response,IDR)则是实现多种能源间耦合互补关系的重要应用,而目前的园区综合能源系统规划研究并未考虑IDR的应用。为了进一步激发园区综合能源系统中的多能互补特性,提升规划的灵活性和经济性,文中提出了一种考虑综合需求响应的园区综合能源系统优化配置模型,其在建立PIES内部各能量转换设备和能量存储设备数学模型的基础上,以包含投资、运行、维护和IDR成本的全寿命周期成本最小为目标函数进行建模,考虑了设备运行、功率平衡以及IDR的约束条件。以某热/电耦合商业园区综合能源系统为例进行算例分析,并在MATLAB平台上调用CPLEX求解器对所提模型进行求解。算例分析结果表明,考虑IDR的园区综合能源系统配置结果相比不考虑IDR而言,具有“削峰填谷”作用,可以更好地发挥园区综合能源系统多能互补特性,降低了园区综合能源系统的全寿命周期成本。

不同因素影响下的油纸绝缘直流击穿特征

由于系统性原因,换流变压器阀侧在实际运行过程中长期承受直流电场分量作用,油纸绝缘在直流电压下的耐受能力是换流变压器设计过程中的重要关注点。文中考虑谐波含量、油温、含气量、油纸介电常数、纸板浸渍程度等各种潜在因素,开展了油纸绝缘直流击穿特征的基础试验研究,并用初始电子发射、空间电荷、杂质小桥等电介质理论对结果予以合理阐释,相关结论可对换流变压器阀侧绝缘结构优化和场强设计提供一定的参考。

组合空气间隙交流击穿电压计算方法研究

典型空气间隙的击穿电压特性是外绝缘设计的重要依据,为研究电位悬浮体对空气间隙击穿电压的影响,文中以简化的组合间隙放电模型为研究对象,实验研究了悬浮导体长度和高压电极形状对组合空气间隙击穿电压的影响特性和变化曲线。基于实验数据和观测到的放电现象,文中在考虑子间隙的击穿顺序和流注通道压降的基础上,建立了组合间隙击穿电压的计算模型。利用该模型对含有电位悬浮导体的组合间隙击穿电压进行了计算,结果表明,文中提出的计算模型得到的击穿电压计算值和实验数据相比,相对误差小于5%,说明该方法对于计算含有电位悬浮导体的组合空气间隙击穿电压具有一定的适用性。

开关柜电缆室内部短路爆炸压力升计算及泄压效率分析

开展了开关柜电缆室内部三相短路爆炸试验,获得了电弧功率的变化规律;基于瞬态动力学分析,计算得到了泄压盖的开启压力、开启时刻和柜门的耐压强度;对泄压盖封闭和开启条件下隔室内部的压力升进行了计算,分析了泄压盖不同开启角度下泄压通道的泄压效率,给出了泄压盖的安全开启角度。结果表明:随着燃弧时间的增加,隔室内部的压力升逐渐增大,而各位置压力升的差异逐渐减小;泄压通道的泄压效率随开启角度的增加而增大,当开启角度达到30°时,对应的泄压效率为21%,此时可确保隔室的安全。

基于栈式自编码器的变压器机械故障诊断

为进一步提高变压器机械故障智能诊断的准确性,文中基于变压器振动信号时间序列符号化的模式表征,提出了一种基于栈式自编码器的变压器机械故障诊断模型。首先对振动信号时间序列进行符号化模式表征和构建复杂网络,提取了基于度分布的变压器振动信号特征向量,据此构建了基于栈式自编码器(stacked auto encoder,SAE)的变压器机械故障诊断模型。对某10 k V干式变压器正常与典型机械故障下振动信号的分析结果表明,变压器振动信号时间序列的符号化模式表征及度分布能较好地表征其动力学特征,所构建的基于SAE变压器机械故障模型具有较高的识别准确率,可达95%,研究结果可为变压器的机械故障诊断提供新思路。

电缆接地屏蔽层结构对传输线参数影响的有限元分析

电缆传输线模型具有广泛的应用场景,比如电磁暂态仿真、电缆局部放电诊断等。电缆的传输线参数受到电缆接地金属屏蔽层结构的影响。为了分析这种影响,研究了3种屏蔽结构:①整层接地铜屏蔽;②多股铜导线构成的接地屏蔽;③多股铜导线和铅层构成的双层接地屏蔽结构。首先构建了前两种屏蔽结构电缆的二维模型,有限元仿真获得的传输线参数和实测结果的对比验证了仿真的正确性,在此基础上对比分析了3种屏蔽结构对传输线参数的影响。为了解决二维模型无法表征多股铜导线螺旋结构的问题,针对多股铜导线屏蔽电缆构建了三维模型,进一步利用有限元法分析了铜导线数量和螺旋角度对电缆传输线参数的影响。

基于时频变换的变压器绕组振荡波信号分析方法

为能进一步提高变压器绕组状态检测的可靠性,文中提出一种高压直流作用下通过开关切换产生的暂态激励获得绕组振荡波来分析绕组状态的方法。基于现场试验,文中通过连续小波变换对振荡波信号进行去噪,并分析其时频特性,通过引入图像识别方法与总矩阵相似度量化时频信号特征。结果表明:该方法测试效率高,矩阵相似度可较好反映不同幅值、不同输出侧下振荡波的重复性和规律性,并能较好反映变压器相间绕组的差异性,为研究变压器绕组变形检测提供了参考。