電氣工程

高壓交聯聚乙烯電纜絕緣劣化試驗分析

王立，杜伯學，任志剛

摘要：目的：運行中的交聯聚乙烯電纜絕緣劣化狀況一直是電網運行單位關注的重點。在實際運行環境條件下，交聯電纜經受大負荷、故障電流沖擊或外部環境高溫，通電運行數年或數十年后，交聯聚乙烯電纜絕緣是否存在劣化，哪些特征參數能夠表征絕緣劣化狀態，是需要重點研究的問題。方法：選取14條運行年限為2～14年、敷設在專用電力隧道內的電纜樣品。試樣樣片厚度為 1 mm，均取自電纜絕緣層中部，即到內、外半導電層距離相等處。對試樣分別進行熱重、紅外光譜、機械性能測試，并結合 14條電纜的運行歷史數據進行劣化分析。熱重測試選取質量為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）。測試條件為：掃描次數10次、分辨率為4、波數范圍4000～400 cm－1。機械性能測試參照GB 13022試驗標準，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，每種試樣進行10次測試，將所得數據求出平均值并統計。對 14個試樣對應的電纜歷史運行情況進行調查，重點統計負載率、穿越故障電流等數據。結果：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品，但6號試樣的斷裂能較7號試樣小15.7%。歷史運行數據分析，1號、2號試樣運行2年期間，負載率較小，但期間發生了1次接頭故障，經受了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，負載率較高，冬夏季負荷高峰期負載率長期高于50%，最高達97%，并且經受了1次16.5 kA的故障電流沖擊；7號試樣同樣在冬夏季負荷高峰期負載率較高，最高達97%，但未出現過故障電流穿越情況；其他電纜線路的額定負載率均低于50%，均未出現故障電流穿越情況。熱重測試、紅外光譜測試、機械性能測試結果和歷史運行數據分析一致表明，1號、2號、4號、6號電纜絕緣發生劣化，并與電纜穿越故障電流等因素產生的熱效應密切相關。結論：交聯聚乙烯絕緣的起始分解溫度、羰基指數、斷裂能在表征電纜絕緣劣化性能方面有很好的一致性。當絕緣出現劣化時，材料的起始分解溫度降低、羰基指數升高、斷裂能減小。在分析材料的斷裂能與劣化程度對應關系時，還應綜合考慮斷裂能數值大小及其與同批次新樣品斷裂能數值的差異。交聯聚乙烯電纜絕緣劣化與電纜穿越故障電流等因素產生的熱效應密切相關，電纜經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, 2014, 40(1): 111-116

入選年份：2016

介質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，對氣液相介質阻擋放電的研究主要集中在反應器的優化、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、特別是液體參數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的處理效果，就必然要對以液體參數為主的各參數對實驗效果的影響有所研究。基于此，通過相應的實驗平臺，研究了放電時間、液面高度、液體導電率、氣液比等參數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節電導率的試劑。（1）通過pH酸度計測量模擬廢水不同處理時刻的pH值，來反應處理過程中廢水的化學性質變化。（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處理效果。（3）利用數字水質測試儀測量各種情況下液體的電導率，來反應放電過程中液體中離子的宏觀變化。（4）利用數字存儲示波器對所得的電壓、電流信號同步導入，并形成放電功率計算所需Lissajous圖，以此來研究放電特性。結果：水處理中，各參數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內增長較快，特別是在前30 s內功率變化最大，因此在這一階段測得的電氣參數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后都趨于穩定，因此在該階段可較方便的得到精確的實驗數據。（4）不同氣液比下放電穩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系。當電源電壓較小時，液面高度越小，放電功率越大；當電源電壓變大時，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，高電導率液體可得到更大的放電功率。（7）初始放電功率越大，相應的處理效果越好，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，則初始電導率不同對處理效果存在一定影響：在反應前60 s，初始電導率越小處理效果越好；而隨著反應的進行，在90 s以后初始電導率對處理效果幾乎無影響，不同初始電導率的試樣在處理90 s后都可以達到90%以上的脫色率。結論：（1）不同實驗參數下，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左右放電功率達到穩定。（2）相同空氣間隙下，液面高度與放電功率呈非線性關系，液面高度越小，越利于放電進行，但電源電壓越大，液面高度的影響越小。（3）初始電導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，電導率越低越有利于化學反應的進行，其處理效果也越好。而如何利用這些參數變化對放電功率和處理效果的影響，來設計、優化水處理裝置，值得更深入的研究。

來源出版物：高電壓技術, 2014, 40(1): 187-193

入選年份：2016

電磁軌道炮發射技術的發展與現狀

李軍，嚴萍，袁偉群

摘要：目的：電磁發射技術有效地將電能轉換成動能，在電磁炮武器系統的應用成為熱點，尤其是電磁炮發射技術可以實現高初速、大威力和遠射程，同時還具有響應快和精確可控等優點，受到高度關注。本研究通過電磁軌道發射技術發展歷程的分析，結合研究熱點和研究現狀，指出基于電能利用的電磁炮技術的優、缺點和應用前景，并給出發展趨勢和建議。方法：電磁軌道發射關鍵技術主要包括發射器技術、脈沖功率源技術、電樞技術等。在電磁炮技術研究上，歐美一直處于領先地位，近年來我國也有長足進步。本研究分析美國和法德國相關研究成果，給出我國研究現狀。結果：電磁炮技術走向應用面臨3個主要技術瓶頸：發射器長壽命技術，高功率脈沖電源及小型化技術，制導彈藥抗過載技術。前兩項是電磁軌道炮技術本身的關鍵技術，而制導彈藥抗高過載技術則是身管發射武器都面臨的關聯技術。發射器技術從發展來看，可以劃分為試驗型發射器技術及工程型發射器技術。試驗型發射器是電磁軌道認知過程的重要產物，需要結構便于調整、材料易于更換、狀態可以檢測。代表裝置為美國海軍使用的試驗型發射裝置，設計出口動能32 MJ，電流承載能力超過5 mA。該裝置運行次數超過千次，積累了大量的基礎數據。中國科學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射器，炮口動能可達到2.2 MJ，電能轉換效率可達30%，在炮口速度為2000～2500 m/s的條件下進行了大量實驗，對發射器電流承載能力、軌道結構和材料進行了基礎數據積累。研究表明，軌道發射器可以實現大動能發射，磁增強型發射器可以在相同電流驅動下得到更大的出口速度。工程型發射器指武器系統使用的發射器，要求結構緊湊、操作簡單、可高穩定重復運行。美國海軍委托BAE研制了32 MJ炮口動能的工程化原型樣機。我國的相關團隊對工程型發射器的結構與工藝也做了積極的探索，中國科學院電工研究所研制了一體化發射裝置，其電流承載能力大于600 kA，完成了2300 m/s速度的試驗驗證。電磁軌道發射器中的電樞是發射器功能實現的重要組成。研究表明C形固體電樞可以在發射過程可靠實現大電流的軌道跨越，成為電樞首選結構。美國已經完成功能電樞與戰斗部的結合研究，從實驗室進入了武器化應用研究階段。國內公開發表的相關研究主要集中于電流分布計算、電樞結構參數設計等方面。中國科學院電工研究所設計的一體化發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模。目前電容儲能技術最為成熟，4 MJ/m3的電容器已經接近市場化，實驗室數據達到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。我國現已具備數十MJ級發射平臺，單模塊不同儲能方式也在探索中。我國的高能功率源技術取得重大進展，目前在穩定性、可靠性和規模等方面距電磁軌道炮應用需求還有距離，尤其是高功率爆發式高頻度重復運行下的熱管理問題的研究還剛剛起步。結論：我國電磁軌道發射的3項關鍵技術以電容儲能型高功率脈沖電源技術最為成熟，基本符合應用的功能需求，長壽命發射器技術也已經完成關鍵技術攻關，轉入工程應用研究，與戰斗部結合的一體化電樞尚在探索，制導彈藥抗過載能力還不能滿足作戰需求。其他：高功率脈沖源的體積和重量依然是電磁發射技術應用的短板，嚴重限制了電磁軌道炮的應用場景和應用范圍，而電容儲能技術發展到了一個瓶頸，期待新型儲能方式的出現或電容儲能基于新材料、新概念的技術突破。

來源出版物：高電壓技術, 2014, 40(4): 1052-1064

入選年份：2016

含大規模風電送端系統對直流系統的影響

張新燕，孟瑞龍，梅生偉，等

摘要：目的：隨著大規模風電的開發，在新疆、甘肅等地建立大量大規模風電場，其總裝機容量達到了兆瓦級，大規模風電遠距離輸送至電力負荷集中的東部地區，高壓直流輸電通道與高壓交流線路間形成復雜的交直流混聯電網結構。針對大規模雙饋風電場多端交直流外送系統，構建交直流并聯與非并聯運行方式下網絡拓撲結構，研究不同運行方式下不同故障類型下大規模風電場的送端系統對直流系統的影響。方法：基于PSCAD/EMTDC軟件，搭建仿真模型，并進行仿真分析，得到仿真實驗數據和曲線。以新疆為例，首先對大規模風電場進行等值計算，將其等值為一臺風機，使其輸出響應與等值前相同，并通過PSASP軟件對新疆電網進行潮流短路計算，得到 750 kV的交流電壓源與串聯阻抗數值，搭建等效的750 kV送端交流系統和受端交流系統。然后搭建DFIG控制系統及直流控制系統，根據多端直流系統并聯與非并聯運行方式的不同設定 3種運行方式，對含大規模雙饋風電場的交流系統進行建模。最后分別針對風電場風速變化、風電場故障和換流母線故障進行仿真，比較全并聯、全不并聯、一組并聯三種運行方式下送端系統對直流輸電的影響。結果：針對風電場風速變化、風電場故障、換流母線故障仿真分析送端系統對直流系統的影響。風速變化時送端對直流系統的影響：當風速變化時，風電場有功出力隨著風速變化而變化，當火電容量不夠充足時，風速變化導致的風電場有功功率波動會影響到直流系統輸送功率的穩定性。陣風與漸變風條件下，相同的風速變化范圍導致的風電場輸出有功功率差異不大，而隨機風下風電場的頻率波動較大。當風電場風速類型不同時，為保證直流輸電輸送有功功率恒定，所需火電容量不同，噪聲風所需火電容量最大，漸變風、陣風較小。因此，當火電容量不足夠大時，噪聲風對直流輸電傳輸功率的影響最大。風電場故障對直流系統影響：當風電場PCC母線處發生短路瞬間，風電場PCC點母線電壓UPCC（標幺值）降至零，Crowbar保護不投入，風機脫網，導致換流站交流母線換相電壓降低，直流側電壓Udr（標幺值）跟隨換相電壓降低，直流電流瞬間降低，整流站觸發角α處于最小值狀態，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幺值保持在0.5。故障消除后，交直流系統能夠恢復到穩定運行狀態。風電場的短路故障對與之不相聯的直流系統影響幾乎可忽略不計。兩個交直流輸電系統均采用全不并聯運行方式，由于交流系統與直流系統間的相互耦合作用弱，故障后的易恢復穩定狀態，恢復過程的時間較短，對交直流系統影響最小。換流母線故障對直流系統的影響：整流側發生故障時，換流母線電壓UAC（標幺值）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轉到逆變側，使得直流輸送功率下降；逆變側發生故障時，使逆變器的反電動勢降低，從而增大了直流電流，可能發生換相失敗。逆變側交流母線故障對直流系統的影響比整流側的大。整流側交流母線發生故障時，3種運行方式下故障對直流系統的影響程度幾乎相同。逆變側交流母線發生故障時，全不并聯方式下交流母線故障對直流系統影響最小。結論：為保證直流輸送功率的穩定性，無論風電場處于何種風速類型時，運行于全并聯方式下交直流輸電系統對火電容量需求最小。在不同交直流系統的運行方式下，送端系統故障對直流系統的影響不同。當風電場PCC母線故障時，運行在全部并聯方式下的交流系統故障對直流系統的影響最小，當整流側交流母線故障時，3種運行方式下交流故障對直流系統影響程度差異不大。當某條直流輸電系統交流母線發生故障，對另外一條直流系統的影響通常較小。

來源出版物：高電壓技術, 2015, 41(3): 730-738

入選年份：2016