電氣工程

高壓交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣劣化試驗分析

王立，杜伯學(xué)，任志剛

摘要：目的：運行中的交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣劣化狀況一直是電網(wǎng)運行單位關(guān)注的重點。在實際運行環(huán)境條件下，交聯(lián)電纜經(jīng)受大負(fù)荷、故障電流沖擊或外部環(huán)境高溫，通電運行數(shù)年或數(shù)十年后，交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣是否存在劣化，哪些特征參數(shù)能夠表征絕緣劣化狀態(tài)，是需要重點研究的問題。方法：選取14條運行年限為2～14年、敷設(shè)在專用電力隧道內(nèi)的電纜樣品。試樣樣片厚度為 1 mm，均取自電纜絕緣層中部，即到內(nèi)、外半導(dǎo)電層距離相等處。對試樣分別進(jìn)行熱重、紅外光譜、機械性能測試，并結(jié)合 14條電纜的運行歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行劣化分析。熱重測試選取質(zhì)量為5 mg試樣，在高純氮氣保護下，用TGA/SDTA851型熱重分析儀以10℃/min的升溫速率從30℃升溫至600℃。測量試樣起始分解溫度（ti）、失重 5%的溫度（t5%）、失重 50%的溫度（t50%）和失重速率最大點的溫度（tmax）。紅外光譜試樣大小為10 mm×5 mm×0.05 mm，測試前先用酒精清洗、烘干并在室溫條件下放置半小時后進(jìn)行實驗。用 IRPrestige-21型傅里葉變換紅外光譜儀，測試與氧化老化特征有關(guān)的羰基譜帶 1720 cm-1與不隨熱氧老化而改變的譜帶2010 cm-1的吸光度的比值（即羰基指數(shù)）。測試條件為：掃描次數(shù)10次、分辨率為4、波數(shù)范圍4000～400 cm－1。機械性能測試參照GB 13022試驗標(biāo)準(zhǔn)，將厚度為1 mm的試樣用特制刀具沖壓成拉伸段長20 mm、寬4 mm的啞鈴狀試樣，在CMT 4503型拉力機上做拉伸試驗，每種試樣進(jìn)行10次測試，將所得數(shù)據(jù)求出平均值并統(tǒng)計。對 14個試樣對應(yīng)的電纜歷史運行情況進(jìn)行調(diào)查，重點統(tǒng)計負(fù)載率、穿越故障電流等數(shù)據(jù)。結(jié)果：熱重分析顯示，1號、2號、4號、6號電纜絕緣的起始分解溫度ti值與其他 10條電纜的ti值相比明顯偏小。紅外光譜分析顯示，1號、2號、4號、6號試樣的羰基指數(shù)明顯高于其他10個試樣，且均大于1。機械性能分析顯示，1號、2號、4號電纜絕緣試樣的斷裂能數(shù)值及均差比例在10條電纜中也相對較小，6號、7號試樣為同一電纜制造廠家的同批次產(chǎn)品，但6號試樣的斷裂能較7號試樣小15.7%。歷史運行數(shù)據(jù)分析，1號、2號試樣運行2年期間，負(fù)載率較小，但期間發(fā)生了1次接頭故障，經(jīng)受了1次9.2 kA的故障電流沖擊；4號試樣在運行2年期間，負(fù)載率也較小，運行期間無穿越故障電流通過，但電纜外護層、鋁護套及2 mm深的絕緣因外部施工影響局部燒損；6號試樣在運行8年期間，負(fù)載率較高，冬夏季負(fù)荷高峰期負(fù)載率長期高于50%，最高達(dá)97%，并且經(jīng)受了1次16.5 kA的故障電流沖擊；7號試樣同樣在冬夏季負(fù)荷高峰期負(fù)載率較高，最高達(dá)97%，但未出現(xiàn)過故障電流穿越情況；其他電纜線路的額定負(fù)載率均低于50%，均未出現(xiàn)故障電流穿越情況。熱重測試、紅外光譜測試、機械性能測試結(jié)果和歷史運行數(shù)據(jù)分析一致表明，1號、2號、4號、6號電纜絕緣發(fā)生劣化，并與電纜穿越故障電流等因素產(chǎn)生的熱效應(yīng)密切相關(guān)。結(jié)論：交聯(lián)聚乙烯絕緣的起始分解溫度、羰基指數(shù)、斷裂能在表征電纜絕緣劣化性能方面有很好的一致性。當(dāng)絕緣出現(xiàn)劣化時，材料的起始分解溫度降低、羰基指數(shù)升高、斷裂能減小。在分析材料的斷裂能與劣化程度對應(yīng)關(guān)系時，還應(yīng)綜合考慮斷裂能數(shù)值大小及其與同批次新樣品斷裂能數(shù)值的差異。交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣劣化與電纜穿越故障電流等因素產(chǎn)生的熱效應(yīng)密切相關(guān)，電纜經(jīng)受大的故障電流沖擊或外部高溫，都會加快電纜絕緣的劣化。

來源出版物：高電壓技術(shù), 2014, 40(1): 111-116

入選年份：2016

介質(zhì)阻擋放電在水處理中的影響因素分析

侯世英，曾鵬，孫韜，等

摘要：目的：目前，對氣液相介質(zhì)阻擋放電的研究主要集中在反應(yīng)器的優(yōu)化、等離子體處理污水的機理研究、高性能放電電源的研究等方面。而缺少專門針對各參數(shù)、特別是液體參數(shù)對該放電形式下放電效果影響的實驗研究。顯然，要研制出性能更好的裝置、并在實際中得到較優(yōu)的處理效果，就必然要對以液體參數(shù)為主的各參數(shù)對實驗效果的影響有所研究?；诖耍ㄟ^相應(yīng)的實驗平臺，研究了放電時間、液面高度、液體導(dǎo)電率、氣液比等參數(shù)變化時的放電特性及其對水處理效果的影響。方法：搭建滿足實驗要求的水處理裝置，配置一定濃度靛藍(lán)胭脂紅溶液作為實驗中使用的模擬廢水。配置一定濃度的氯化鉀溶液作為本實驗中調(diào)節(jié)電導(dǎo)率的試劑。（1）通過pH酸度計測量模擬廢水不同處理時刻的pH值，來反應(yīng)處理過程中廢水的化學(xué)性質(zhì)變化。（2）使用可見光分光光度計，測量模擬廢水在不同時間的吸光度來計算脫色率，通過脫色率的變化來直觀的反應(yīng)處理效果。（3）利用數(shù)字水質(zhì)測試儀測量各種情況下液體的電導(dǎo)率，來反應(yīng)放電過程中液體中離子的宏觀變化。（4）利用數(shù)字存儲示波器對所得的電壓、電流信號同步導(dǎo)入，并形成放電功率計算所需Lissajous圖，以此來研究放電特性。結(jié)果：水處理中，各參數(shù)改變對實驗效果有如下影響。（1）不同氣液比下的放電功率都隨著時間的推移而增大，兩分鐘后的放電功率均可達(dá)到初始放電功率的兩倍左右。（2）放電功率在放電開始后的60 s內(nèi)增長較快，特別是在前30 s內(nèi)功率變化最大，因此在這一階段測得的電氣參數(shù)受測量時刻的影響較大。（3）不同氣液比下的放電功率在60 s后都趨于穩(wěn)定，因此在該階段可較方便的得到精確的實驗數(shù)據(jù)。（4）不同氣液比下放電穩(wěn)定后的功率差值與它們初始放電功率的差值一致。（5）空氣間隙一定時，放電功率與液面高度為非線性關(guān)系。當(dāng)電源電壓較小時，液面高度越小，放電功率越大；當(dāng)電源電壓變大時，液面高度對放電功率的影響越來越小。（6）在相同輸出電壓下，高電導(dǎo)率液體可得到更大的放電功率。（7）初始放電功率越大，相應(yīng)的處理效果越好，但是放電功率過大時，其對脫色率的提升并不明顯。（8）在該放電形式下，如果初始放電功率相同，則初始電導(dǎo)率不同對處理效果存在一定影響：在反應(yīng)前60 s，初始電導(dǎo)率越小處理效果越好；而隨著反應(yīng)的進(jìn)行，在90 s以后初始電導(dǎo)率對處理效果幾乎無影響，不同初始電導(dǎo)率的試樣在處理90 s后都可以達(dá)到90%以上的脫色率。結(jié)論：（1）不同實驗參數(shù)下，隨著放電時間的推移，放電功率有顯著的增大，其中前60 s的變化最明顯，在120 s左右放電功率達(dá)到穩(wěn)定。（2）相同空氣間隙下，液面高度與放電功率呈非線性關(guān)系，液面高度越小，越利于放電進(jìn)行，但電源電壓越大，液面高度的影響越小。（3）初始電導(dǎo)率是影響放電功率的另一重要因素，相同輸出電壓下，高電導(dǎo)率液體的空氣間隙上分壓更大，因此所得的放電功率越大；但是，電導(dǎo)率除會影響放電功率外，對處理效果也會有直接的影響，相同放電功率下，電導(dǎo)率越低越有利于化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，其處理效果也越好。而如何利用這些參數(shù)變化對放電功率和處理效果的影響，來設(shè)計、優(yōu)化水處理裝置，值得更深入的研究。

來源出版物：高電壓技術(shù), 2014, 40(1): 187-193

入選年份：2016

電磁軌道炮發(fā)射技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀

李軍，嚴(yán)萍，袁偉群

摘要：目的：電磁發(fā)射技術(shù)有效地將電能轉(zhuǎn)換成動能，在電磁炮武器系統(tǒng)的應(yīng)用成為熱點，尤其是電磁炮發(fā)射技術(shù)可以實現(xiàn)高初速、大威力和遠(yuǎn)射程，同時還具有響應(yīng)快和精確可控等優(yōu)點，受到高度關(guān)注。本研究通過電磁軌道發(fā)射技術(shù)發(fā)展歷程的分析，結(jié)合研究熱點和研究現(xiàn)狀，指出基于電能利用的電磁炮技術(shù)的優(yōu)、缺點和應(yīng)用前景，并給出發(fā)展趨勢和建議。方法：電磁軌道發(fā)射關(guān)鍵技術(shù)主要包括發(fā)射器技術(shù)、脈沖功率源技術(shù)、電樞技術(shù)等。在電磁炮技術(shù)研究上，歐美一直處于領(lǐng)先地位，近年來我國也有長足進(jìn)步。本研究分析美國和法德國相關(guān)研究成果，給出我國研究現(xiàn)狀。結(jié)果：電磁炮技術(shù)走向應(yīng)用面臨3個主要技術(shù)瓶頸：發(fā)射器長壽命技術(shù)，高功率脈沖電源及小型化技術(shù)，制導(dǎo)彈藥抗過載技術(shù)。前兩項是電磁軌道炮技術(shù)本身的關(guān)鍵技術(shù)，而制導(dǎo)彈藥抗高過載技術(shù)則是身管發(fā)射武器都面臨的關(guān)聯(lián)技術(shù)。發(fā)射器技術(shù)從發(fā)展來看，可以劃分為試驗型發(fā)射器技術(shù)及工程型發(fā)射器技術(shù)。試驗型發(fā)射器是電磁軌道認(rèn)知過程的重要產(chǎn)物，需要結(jié)構(gòu)便于調(diào)整、材料易于更換、狀態(tài)可以檢測。代表裝置為美國海軍使用的試驗型發(fā)射裝置，設(shè)計出口動能32 MJ，電流承載能力超過5 mA。該裝置運行次數(shù)超過千次，積累了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。中國科學(xué)院電工研究所與北京機電研究所共同研制了系列試驗型發(fā)射器，炮口動能可達(dá)到2.2 MJ，電能轉(zhuǎn)換效率可達(dá)30%，在炮口速度為2000～2500 m/s的條件下進(jìn)行了大量實驗，對發(fā)射器電流承載能力、軌道結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累。研究表明，軌道發(fā)射器可以實現(xiàn)大動能發(fā)射，磁增強型發(fā)射器可以在相同電流驅(qū)動下得到更大的出口速度。工程型發(fā)射器指武器系統(tǒng)使用的發(fā)射器，要求結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、可高穩(wěn)定重復(fù)運行。美國海軍委托BAE研制了32 MJ炮口動能的工程化原型樣機。我國的相關(guān)團隊對工程型發(fā)射器的結(jié)構(gòu)與工藝也做了積極的探索，中國科學(xué)院電工研究所研制了一體化發(fā)射裝置，其電流承載能力大于600 kA，完成了2300 m/s速度的試驗驗證。電磁軌道發(fā)射器中的電樞是發(fā)射器功能實現(xiàn)的重要組成。研究表明C形固體電樞可以在發(fā)射過程可靠實現(xiàn)大電流的軌道跨越，成為電樞首選結(jié)構(gòu)。美國已經(jīng)完成功能電樞與戰(zhàn)斗部的結(jié)合研究，從實驗室進(jìn)入了武器化應(yīng)用研究階段。國內(nèi)公開發(fā)表的相關(guān)研究主要集中于電流分布計算、電樞結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計等方面。中國科學(xué)院電工研究所設(shè)計的一體化發(fā)射器身管高功率脈沖電源中，儲能元件是核心，決定了脈沖功率電源裝置的規(guī)模。目前電容儲能技術(shù)最為成熟，4 MJ/m3的電容器已經(jīng)接近市場化，實驗室數(shù)據(jù)達(dá)到7 MJ/m3。法德實驗室的電源在高功率密度方面的研究具代表性，50 kJ單元模塊儲能密度最高。我國現(xiàn)已具備數(shù)十MJ級發(fā)射平臺，單模塊不同儲能方式也在探索中。我國的高能功率源技術(shù)取得重大進(jìn)展，目前在穩(wěn)定性、可靠性和規(guī)模等方面距電磁軌道炮應(yīng)用需求還有距離，尤其是高功率爆發(fā)式高頻度重復(fù)運行下的熱管理問題的研究還剛剛起步。結(jié)論：我國電磁軌道發(fā)射的3項關(guān)鍵技術(shù)以電容儲能型高功率脈沖電源技術(shù)最為成熟，基本符合應(yīng)用的功能需求，長壽命發(fā)射器技術(shù)也已經(jīng)完成關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，轉(zhuǎn)入工程應(yīng)用研究，與戰(zhàn)斗部結(jié)合的一體化電樞尚在探索，制導(dǎo)彈藥抗過載能力還不能滿足作戰(zhàn)需求。其他：高功率脈沖源的體積和重量依然是電磁發(fā)射技術(shù)應(yīng)用的短板，嚴(yán)重限制了電磁軌道炮的應(yīng)用場景和應(yīng)用范圍，而電容儲能技術(shù)發(fā)展到了一個瓶頸，期待新型儲能方式的出現(xiàn)或電容儲能基于新材料、新概念的技術(shù)突破。

來源出版物：高電壓技術(shù), 2014, 40(4): 1052-1064

入選年份：2016

含大規(guī)模風(fēng)電送端系統(tǒng)對直流系統(tǒng)的影響

張新燕，孟瑞龍，梅生偉，等

摘要：目的：隨著大規(guī)模風(fēng)電的開發(fā)，在新疆、甘肅等地建立大量大規(guī)模風(fēng)電場，其總裝機容量達(dá)到了兆瓦級，大規(guī)模風(fēng)電遠(yuǎn)距離輸送至電力負(fù)荷集中的東部地區(qū)，高壓直流輸電通道與高壓交流線路間形成復(fù)雜的交直流混聯(lián)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。針對大規(guī)模雙饋風(fēng)電場多端交直流外送系統(tǒng)，構(gòu)建交直流并聯(lián)與非并聯(lián)運行方式下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究不同運行方式下不同故障類型下大規(guī)模風(fēng)電場的送端系統(tǒng)對直流系統(tǒng)的影響。方法：基于PSCAD/EMTDC軟件，搭建仿真模型，并進(jìn)行仿真分析，得到仿真實驗數(shù)據(jù)和曲線。以新疆為例，首先對大規(guī)模風(fēng)電場進(jìn)行等值計算，將其等值為一臺風(fēng)機，使其輸出響應(yīng)與等值前相同，并通過PSASP軟件對新疆電網(wǎng)進(jìn)行潮流短路計算，得到 750 kV的交流電壓源與串聯(lián)阻抗數(shù)值，搭建等效的750 kV送端交流系統(tǒng)和受端交流系統(tǒng)。然后搭建DFIG控制系統(tǒng)及直流控制系統(tǒng)，根據(jù)多端直流系統(tǒng)并聯(lián)與非并聯(lián)運行方式的不同設(shè)定 3種運行方式，對含大規(guī)模雙饋風(fēng)電場的交流系統(tǒng)進(jìn)行建模。最后分別針對風(fēng)電場風(fēng)速變化、風(fēng)電場故障和換流母線故障進(jìn)行仿真，比較全并聯(lián)、全不并聯(lián)、一組并聯(lián)三種運行方式下送端系統(tǒng)對直流輸電的影響。結(jié)果：針對風(fēng)電場風(fēng)速變化、風(fēng)電場故障、換流母線故障仿真分析送端系統(tǒng)對直流系統(tǒng)的影響。風(fēng)速變化時送端對直流系統(tǒng)的影響：當(dāng)風(fēng)速變化時，風(fēng)電場有功出力隨著風(fēng)速變化而變化，當(dāng)火電容量不夠充足時，風(fēng)速變化導(dǎo)致的風(fēng)電場有功功率波動會影響到直流系統(tǒng)輸送功率的穩(wěn)定性。陣風(fēng)與漸變風(fēng)條件下，相同的風(fēng)速變化范圍導(dǎo)致的風(fēng)電場輸出有功功率差異不大，而隨機風(fēng)下風(fēng)電場的頻率波動較大。當(dāng)風(fēng)電場風(fēng)速類型不同時，為保證直流輸電輸送有功功率恒定，所需火電容量不同，噪聲風(fēng)所需火電容量最大，漸變風(fēng)、陣風(fēng)較小。因此，當(dāng)火電容量不足夠大時，噪聲風(fēng)對直流輸電傳輸功率的影響最大。風(fēng)電場故障對直流系統(tǒng)影響：當(dāng)風(fēng)電場PCC母線處發(fā)生短路瞬間，風(fēng)電場PCC點母線電壓UPCC（標(biāo)幺值）降至零，Crowbar保護不投入，風(fēng)機脫網(wǎng)，導(dǎo)致?lián)Q流站交流母線換相電壓降低，直流側(cè)電壓Udr（標(biāo)幺值）跟隨換相電壓降低，直流電流瞬間降低，整流站觸發(fā)角α處于最小值狀態(tài)，使α角保持在5°，直流電壓的降低，使直流電流急劇上升，為了防止直流電流在電壓降低時過大，依靠低壓限流控制的作用使直流電流標(biāo)幺值保持在0.5。故障消除后，交直流系統(tǒng)能夠恢復(fù)到穩(wěn)定運行狀態(tài)。風(fēng)電場的短路故障對與之不相聯(lián)的直流系統(tǒng)影響幾乎可忽略不計。兩個交直流輸電系統(tǒng)均采用全不并聯(lián)運行方式，由于交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)間的相互耦合作用弱，故障后的易恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，恢復(fù)過程的時間較短，對交直流系統(tǒng)影響最小。換流母線故障對直流系統(tǒng)的影響：整流側(cè)發(fā)生故障時，換流母線電壓UAC（標(biāo)幺值）降至零，直流電壓下降，從而引起直流電流下降，定電流控制從整流側(cè)轉(zhuǎn)到逆變側(cè)，使得直流輸送功率下降；逆變側(cè)發(fā)生故障時，使逆變器的反電動勢降低，從而增大了直流電流，可能發(fā)生換相失敗。逆變側(cè)交流母線故障對直流系統(tǒng)的影響比整流側(cè)的大。整流側(cè)交流母線發(fā)生故障時，3種運行方式下故障對直流系統(tǒng)的影響程度幾乎相同。逆變側(cè)交流母線發(fā)生故障時，全不并聯(lián)方式下交流母線故障對直流系統(tǒng)影響最小。結(jié)論：為保證直流輸送功率的穩(wěn)定性，無論風(fēng)電場處于何種風(fēng)速類型時，運行于全并聯(lián)方式下交直流輸電系統(tǒng)對火電容量需求最小。在不同交直流系統(tǒng)的運行方式下，送端系統(tǒng)故障對直流系統(tǒng)的影響不同。當(dāng)風(fēng)電場PCC母線故障時，運行在全部并聯(lián)方式下的交流系統(tǒng)故障對直流系統(tǒng)的影響最小，當(dāng)整流側(cè)交流母線故障時，3種運行方式下交流故障對直流系統(tǒng)影響程度差異不大。當(dāng)某條直流輸電系統(tǒng)交流母線發(fā)生故障，對另外一條直流系統(tǒng)的影響通常較小。

來源出版物：高電壓技術(shù), 2015, 41(3): 730-738

入選年份：2016