直流电应力下线形微粒飞萤运动物理机制与临界起始判据

直流气体绝缘开关与输电管道（GIS/GIL）中线形微粒存在特殊的飞萤运动行为，即未碰撞地电极而反向运动或在高压电极表面悬浮运动，是影响直流GIS/GIL绝缘性能的关键因素之一。为厘清微粒飞萤运动物理机制，搭建了微粒飞萤运动观测与荷电量测试平台，获得了不同电压下线形微粒的运动与荷电特性。研究表明，线形微粒附近空间电荷导致微粒荷电量的极性变化，是产生飞萤运动的关键诱因，电极表面线形微粒的电晕起始电压是导致微粒荷电量极性改变的临界电压。进一步，基于直流棒板间隙的光电离模型计算了电极表面线形微粒的起晕电压，由测量结果拟合得到纳入起晕电压影响的微粒荷电量表达式，并结合电荷端部集中特性建立了线形微粒的荷电运动模型，由此提出飞萤运动的临界起始判据，实现了线形微粒飞萤运动的动态模拟。计算获得100kV直流GIL样机中不同尺寸微粒的飞萤起始电场强度，对于0.5MPa的SF6气体环境，直径0.2mm、长度5mm线形微粒的负极性飞萤起始电场强度为2.78MV/m，正极性飞萤起始电场强度为4.93MV/m。该研究在抑制微粒飞萤运动方面为直流GIL的主绝缘设计提供了参考依据。     

交流电压下绝缘子附近导电微粒运动特性

在施加交流电压条件下,对楔形布置的电极间聚四氟乙烯(PTFE)绝缘子附近自由导电微粒运动进行了实验观察.通过对微粒运动过程进行摄像和记录微粒起始运动电压,讨论球形导电微粒和线形导电微粒的运动特性.对不同外形绝缘子附近导电微粒运动规律进行了分析,认为绝缘子的存在能够降低微粒运动起始电压,并且能够吸引部分球形导电微粒沿电极表面滚动到达绝缘子表面;当绝缘子表面与接地电极夹角为锐角时绝缘子附近的微粒运动起始电压会显著降低.对绝缘子存在情况下的楔形电极间电场进行计算,并对微粒运动规律做出了合理的解释.     

微粒陷阱对直流稍不均匀场中球状自由导电微粒运动的影响规律

针对气体绝缘系统(GIS)中自由导电微粒无害化研究问题,明确微粒陷阱对直流稍不均匀场中导电微粒运动的影响规律可指导后续微粒陷阱的设置。为此,建立了球状导电微粒在直流稍不均匀场中的运动方程,获得了导电微粒的运动轨迹,并将其分为水平滚动、起跳与反弹3个阶段;仿真分析了微粒陷阱宽度、深度对周围局部场强的影响,表明陷阱宽度是影响陷阱周围电场分布的主要因素;对比研究了在水平滚动和起跳两个阶段设置微粒陷阱对导电微粒的捕获效果,表明在起跳点处设置微粒陷阱可能导致导电微粒提前起跳,在水平滚动阶段设置微粒陷阱对导电微粒的捕获具有明显效果,并给出了水平滚动阶段微粒陷阱设置准则。最后,通过相关实验验证了上述结论的准确性。     

GIS中不均匀直流电场下球状自由导电微粒运动分析

针对气体绝缘系统(GIS)中自由导电微粒无害化的问题,研究导电微粒在GIS中不均匀电场作用下的运动规律,建立球状自由导电微粒在楔形不均匀电极系统中的受力模型,采用Runge-Kutta方法对微粒运动方程进行求解,并对球状自由导电微粒在不均匀直流电场中的运动轨迹进行仿真,同时考虑电压波动和电极表面粗糙等随机因素对微粒运动轨迹的影响。另外,研究了自由导电微粒的运动轨迹与施加电压、微粒初始位置、微粒和电极材料的性质及电极表面状况的关系。研究结果表明:在一定的电场条件下,微粒运动会处于一种谐振状态,而施加电压的幅值、波形以及电极表面的反射系数对微粒运动轨迹有显著影响     

GIS中绝缘子附近自由导电微粒无害化研究

综述了绝缘子附近的自由导电微粒对GIS绝缘性能的影响,分析了球形自由导电微粒的运动特性。提出了自由导电微粒无害化的重要性,并对微粒无害化方法及其研究前景进行了讨论,着重讨论了锥形电极的采用。     

直流电压下绝缘子附近球形导电微粒运动特性

为降低绝缘子附近的自由导电微粒对绝缘的危害,实验研究了球形导电微粒在不均匀电场中聚四氟乙烯(PTFE)绝缘子附近的运动特性,结果表明:绝缘子附近电场分布决定了微粒运动的特性。根据微粒初始位置的不同可以分为三种情况:微粒水平移动而后浮起;微粒直接浮起;微粒水平运动直至附着于绝缘子表面。不同外形绝缘子附近微粒运动特性不同,且绝缘子对微粒运动的影响范围也与绝缘子外形相关。     

交流电压下预埋电极对绝缘子附近导电微粒运动的影响

为防止自由导电微粒浮起或附着于绝缘子表面而引起绝缘闪络故障,该文建立楔形平板电极系统来模拟SF6气体绝缘系统中可能出现的不均匀电场,实验研究交流电压下预埋电极对微粒的驱散作用,包括对微粒运动轨迹与起始运动电压的观测。通过有限元法进行电场计算,对自由导电微粒的受力情况进行分析,理论验证了实验结果。结果表明,对于表面与接地电极表面夹角呈锐角或直角的绝缘子,无论其表面带棱与否,预埋电极可防止自由导电微粒附着于其表面,同时能够提高绝缘子附近微粒浮起所需的电压,对微粒浮起有抑制作用。     

直流GIL中线形金属微粒电动力学行为研究

直流GIL中线形金属微粒受力运动极易引发气体间隙击穿或者绝缘子沿面闪络,降低GIL的绝缘性能,严重影响直流输电系统的安全可靠运行.为研究直流GIL中线形金属导电微粒电动力学行为机理,搭建自由微粒实验装置和观测平台,并建立直流下微粒电动力学模型.通过实验与仿真相结合的方法,获得线形金属微粒荷电特性、启举与运动特性以及微粒运动导致的气隙击穿特性,并从微观角度解释了微粒启举与运动现象形成的原因.研究结果表明,线形启举电压只与半径有关,与长度和电压极性无关,随着半径增大,启举电压升高,直流电压极性不影响金属微粒启举电压幅值;线形微粒的运动及导致的气隙击穿与微粒半径、长度和电压极性有关,线形金属微粒半径小、长度增加时容易导致气隙击穿;线形金属微粒形状的不规则使得电场畸变作用加强,极性效应更明显.电晕极性效应导致正负极性下线形微粒的启举与运动及运动致气隙击穿特性呈现出明显的规律,当达到启举电压时,正极性下,线形金属微粒一端抬起后,在下极板小幅跳跃、旋转或者直立,难以贯穿气隙;负极性下,线形金属微粒贯穿气隙运动,极易出现飞萤现象,为直流GIL中线形金属微粒污染防治提供了理论指导.     

交直流电压条件下GIS局部放电检测对比研究

为了探寻一种较为有效的检测GIS内金属导电微粒类典型缺陷的方法,建立了一套模拟GIS交流电压下和正、负极性直流电压下局部放电检测平台.利用脉冲电流法、超声波检测法对局部放电信号进行检测,对获得的大量实验数据和图谱进行比较分析.通过分析研究,提出了利用正极性直流电压下局部放电检测法对金属导电微粒类缺陷进行检测,该检测方法对金属导电微粒类缺陷最为有效,能够及时发现该类典型缺陷,且对GIS绝缘性能破坏小,具有良好的实际应用价值.     

交流GIS提上式微粒陷阱优化设计方法

金属微粒是引发交流GIS绝缘故障的主要原因之一,微粒陷阱作为抑制微粒运动的关键组件,尚缺乏微粒抑制机制与定量设计方法。文中搭建了真型GIS微粒陷阱捕捉过程观测平台,分析了微粒陷阱的捕捉机制,微粒陷阱对底部电场强度的抑制作用以及微粒运动的高度分布是影响微粒陷阱捕捉效果的关键因素。基于陷阱捕捉机制定义了微粒陷阱的危险系数,以评估微粒陷阱对不同特征微粒的捕捉能力,进一步建立了考虑微粒荷电碰撞运动特性的微粒陷阱捕捉过程仿真模型,仿真计算了不同参数微粒陷阱的危险系数与捕捉概率,获得了微粒陷阱的最优尺寸。提上高度为4 mm的110 k V微粒陷阱与提上高度为6 mm的220 kV微粒陷阱具有最佳的微粒抑制效果,最后通过实验验证了仿真优化结果的有效性。提出的微粒陷阱优化设计方法可为不同电压等级的陷阱设计提供定量指导。     

正弦振动激励下GIS内自由金属微粒运动特性

自由金属微粒是影响气体绝缘组合电器(GIS)绝缘可靠性的主要威胁之一,常具有潜伏性和随机性,而GIS振动可激励微粒起跳并诱发绝缘击穿,但相关研究鲜有报道.该文建立了特高压GIS中工频电压叠加正弦振动条件下自由金属微粒的荷电、受力和运动仿真计算模型,研究了不同外施电压和振动参数对微粒运动特性的影响规律,并获得不同条件下微粒的超声飞行时间谱图.研究结果表明:初始时刻,在壳体加速度作用下,微粒起跳场强随振幅的增加逐渐降低,微粒半径对起跳场强影响随振幅的增加逐渐减小.微粒运动过程中,相邻两次碰撞间最大飞行高度与碰撞瞬间恢复速度及电压相位有关,且与微粒飞行时间呈正相关.与仅施加工频电压相比,外施振动激励条件下,微粒飞行时间图谱在电压幅值较低时即呈现明显的三角脉冲,且微粒飞行时间图谱呈山峰状,与带状飞行图谱相比具有明显差异,具有较高的识别性.     

导电微粒局部放电下SF_6分解组分色谱信号的曲线拟合分峰

在采用气相色谱法对SF6分解产物组分进行分析时,由于其分解产物组分的色谱峰存在重叠情况,造成定量计算的困难。本文采用高斯函数和迭代曲线拟合的数值方法进行色谱峰分离,推导了曲线拟合迭代的公式,采取了由宽逐严的峰位确定方法,然后利用迭代公式对峰宽和峰强进行计算,确定最终的各峰峰强和峰宽,从而分离出重叠信号。通过对近完全重叠与部分重叠两种重叠情况的模拟、导电微粒(含金属突出物和自由导电微粒)模拟缺陷局部放电下的分析计算验证了算法的有效性,并可用于SF6分解产物与故障缺陷间相对含量对应关系定量分析的研究。     

机-电联合作用下尖端电极中金属微粒的运动行为与局部放电特性

GIS内自由金属微粒的运动、集聚行为导致金属微粒在电力设备内部分布广泛,使得绝缘子表面的闪络电压降低,对设备的绝缘状态造成潜在性的威胁。本文搭建自由金属微粒机—电联合试验平台,研究机—电共同作用下尖端电极中金属微粒的放电特性与运动特性,总结出工频电压和机械振动对于金属微粒起跳及运动行为的影响规律。试验结果表明尖端电极下,球形微粒与线性微粒均保持在底电极上沿弧面进行小幅滚动,增加工频电压幅值会使得微粒沿弧面晃动的上下界高度提升,增加机械振动幅值会使得微粒出现一定的起跳动作,且运动的随机性增加;放电产生的PRPD谱图整体保持尖端放电的典型特征,飞行谱图整体保持三角脉冲群的典型特征,但仅存在单一的三角峰,并从受力分析与空间电荷的角度对运动行为与放电特性进行解释。文中的研究为实际工程应用多缺陷中金属微粒的检测提供了一种有效的方法。     

扫描电子显微镜图像荷电现象的研究

扫描电子显微镜在观察材料样品表面形貌领域应用广泛。在日常的实验过程中经常会遇到导电性能不佳的样品,这会产生不同程度的荷电现象,对图像质量以及样品的形貌表征都产生了极大的影响,时刻困扰着操作人员。为了克服这一问题,通过调整仪器参数设置、选择探测器以及辅助导电等手段,经过实验比对、理论验证,提出了7种方法,这些方法可以减轻或消除荷电效应对图像质量的影响,适用于当今主流的场发射扫描电子显微镜,应用广泛、适用性强。     

交直流输电管道绝缘运行安全关键技术

交直流输电管道具有电压等级高、电磁辐射小、敷设灵活性强等优势,在超特高压输电领域弥补了架空线路和电缆铺设的局限性,具有广泛应用前景。影响输电管道运行安全的首要因素是绝缘故障,而其中两大重要诱因是内部微粒的荷电运动和气固界面的电荷积聚。该文系统化梳理国内外相关研究,包括微粒运动与电荷积聚的时空交互、微粒与电荷积聚耦合下的放电物理机制、绝缘子性能增强设计方法、微粒抑制技术等。在此基础上总结出亟待解决的两个关键难题以及需要攻克的技术瓶颈。针对荷电微纳粉尘随机动力学特性与其诱发微弱放电的物理机制,在测量基础上须突破粉尘可视化探测瓶颈,并发展粉尘动力学行为仿真方法,以及基于飞秒瞬态光谱特征的放电检测技术。针对基于电荷调控机制的主动式微粒活性抑制理论,须开发新型涂层材料的精准制备与稳定涂覆工艺,提出主动式微粒协同抑制方法,探索智能输电管道全生命周期数字孪生技术。上述问题的有效解决,可为提升交直流输电管道绝缘安全运行水平提供理论基础和技术支撑。     

直流电压下SF_6中自由线形导电微粒运动特性

在大量工程和实验中发现,相对于自由球形导电微粒而言,自由线形导电微粒对于设备绝缘性能威胁更大,且直流下微粒更容易进行起跳。为此利用搭建的自由微粒实验装置和观测平台,研究了直流电压下自由线形导电微粒在SF_6气体中的运动特性。结果表明:微粒起跳场强随气压无明显变化;随着微粒长度的增加,微粒起跳场强有略微增大的趋势;随着微粒直径的增大,微粒起跳场强呈现指数增长趋势;当微粒长度较短时,随着微粒直径的增加,微粒起跳场强实验值与计算值较为接近;当微粒长度3 mm时,随着微粒直径的减小,微粒起跳场强实验值与计算值相差较为明显。此外,还研究了线形微粒在SF_6气体中特有的两种现象:随着微粒长度增加、半径减小或气压降低,微粒产生飞萤现象和竖立现象的概率均增大,且上极板为正极性时更容易产生这两种现象。最后,文中从空间电荷角度对实验现象做出了解释。     

基于EKF算法的铅酸蓄电池SOC在线检测装置设计

为在线检测铅酸蓄电池的荷电状态,基于6-TKA-180型铅酸蓄电池建立其等效电路模型并进行参数辨识,在此基础上,应用扩展卡尔曼滤波算法进行了铅酸蓄电池荷电状态在线检测装置的设计,并通过实验验证了基于扩展卡尔曼滤波算法的铅酸蓄电池荷电状态在线检测的可靠性与准确性。     

稍不均匀电场中绝缘子附近导电微粒受力分析

建立稍不均匀电场中绝缘子附近的自由导电微粒所受作用力的2-D计算模型,通过对微粒表面Maxwell应力张量进行计算,得到微粒在电场中所受的静电力。改变电极倾斜角、绝缘子材料以及绝缘子的外形,对影响自由导电微粒运动的因素进行了分析,结果显示通过减小高压电极倾斜角度,减小绝缘子材料的介电常数,并采取合适的绝缘子外形, 可减小微粒受到的向上的静电力和微粒受到的指向绝缘子方向的水平静电力,从而可以减小微粒浮起和附着于绝缘子表面的概率。     

机场摆渡车动力电池荷电状态估算算法研究

车载动力电池的荷电状态(state of charge,SOC)不仅影响电池的循环寿命,而且影响整车的安全性。快速而准确的荷电状态估算是电源管理系统的重要组成部分。通过对实验数据进行曲线拟合,分析了荷电状态的影响因素。将扩展卡尔曼滤波算法(extended kalman filter,EKF)和无迹卡尔曼滤波算法((unscented kalman filter,UKF)应用到动力电池SOC估算中,针对机场电动摆渡车特殊的运行特点,设计合理的SOC估算算法,用MATLAB进行仿真并分析算法的快速性和准确性。     

沙粒荷电测量系统设计及沙粒荷电量测量仿真

自然环境中的沙尘带电现象可能会威胁输电线路的安全运行,准确获取沙尘的荷电特性对于定量模拟真实的风沙带电环境,研究风沙天气对外绝缘特性的影响具有非常重要意义。该文设计了一套沙粒荷电测量系统,该系统采用直流电晕方式荷电、通过装设平行电极板和开孔屏蔽盘滤除空气离子与外界电场对测量结果的干扰,并使用高阻计高精度测量沙粒的荷电量。利用此实验系统开展了不同直流电压下沙粒荷质比变化规律的研究,并基于固体荷电理论数值模拟了沙粒的荷电过程,实验结果与模拟计算结果吻合,两者均表明:沙粒荷质比随直流电压的升高线性增长。实验测量的最大沙粒荷质比超过±30mC/kg,达到了国内外学者在野外沙尘天气中测得的沙尘荷质比量值,研究结果可用于未来定量模拟真实的风沙带电环境,具有一定的工程指导意义。