基于先导放电理论的雷击上行先导起始研究

作为输电线路雷电屏蔽分析模型中的关键物理过程,关于上行先导起始机制及其判据的研究尚待深入。基于先导放电物理机制,建立了导线表面稳定上行先导起始仿真模型,并利用模拟电荷法计算分析了导线周围电场分布特征。结果表明,稳定先导起始时,导线周围平均电场强度达到流注场强的区域几乎不受雷电参数和导线参数的影响,由此提出一种上行先导起始新判据,即当线路周围一定区域内的平均电场强度达到流注场强时,稳定连续的上行先导起始。长间隙放电观测结果及对国内外典型线路雷电屏蔽性能的计算结果与运行数据相符,验证了该判据的有效性。通过与以往上行先导起始判据的比较分析,指出已有的输电线路先导起始判据可能会夸大上行先导的引雷作用。     

等电位人员-杆塔构架间隙放电特性 仿真分析方法

以超/特高压输电线路带电作业中等电位作业人员与杆塔构架构成的作业间隙为研究对象,基于Rizk先导起始模型,得到考虑导线临近效应下棒-板间隙R函数的计算方法,提出采用结构系数Tg来表征不同类型杆塔构架的作用,建立了等电位作业人员-杆塔构架间隙先导起始电压和放电电压的计算模型。以六分裂导线和酒杯塔为研究对象,根据不同姿态的等电位人员与杆塔构架间隙的真型试验数据验证了所建立模型的有效性,计算误差不超过6.5%,且随间隙长度的增大呈减小的趋势。结果表明,所建立的模型可以为等电位人员-杆塔构架间隙的放电特性仿真研究提供一种可靠的理论方法。最后利用所建立的模型对杆塔构架和人体姿态对作业间隙的影响特性进行了仿真分析,并为实际操作提出了建议。     

雷击下输电线路上行先导稳定起始的初始流注区域空间电荷判据EI北大核心CSCD

雷电作用下准确判断线路上行先导的稳定起始时刻显著影响线路雷电屏蔽性能分析的准确性,而如何确定合理的判据是研究重点。该文依据导线正极性上行先导发展数值模型,通过计算不同条件下的导线上行先导发展过程,提出正极性上行先导的初始流注区域临界空间电荷判据。研究表明,导线出现稳定的上行先导时,初始流注区域的空间电荷量存在一临界值,该临界值仅受导线半径的影响,与导线高度、运行电压及雷电参数无关。与已有的上行先导起始判据相比,以此临界值作为稳定起始时刻判据可以更好地解释空间电荷对上行先导的屏蔽作用随导线半径增大而减弱的现象,并进一步探讨该判据与海拔高度的关系,可为输电线路雷电屏蔽性能的分析提供参考。     

基于长间隙放电研究雷电屏蔽问题的进展EI北大核心CSCD

长间隙放电是研究地面物体雷电屏蔽问题的最有效手段之一。首先介绍了国内外在雷电击距、直击雷防护措施的屏蔽性能试验和雷电迎面先导过程研究3个方面所取得的进展,并结合最新开展的长达6 m间隙尺度的放电试验观测,对现阶段上述3个方面研究所存在的问题进行了分析。认为基于雷电击距建立的电气几何模型(electric geometry model,EGM)仅适用于小尺度目标物的雷电屏蔽性能分析,现有的雷电屏蔽模拟试验方法仅能近似模拟不存在雷电迎面先导时的雷击过程,无法完全证明以提前流注发射模型装置为代表的非传统防雷装置具有比传统措施更优越的屏蔽性能。大尺度目标物的雷电屏蔽问题应聚焦于雷电迎面先导过程的研究,建立并完善雷电迎面先导过程的模拟试验方法和物理仿真模型。     

特高压输电线路带电作业组合间间隙的放电机理

带电作业已成为输配电线路检测、检修和改造的重要手段,作业人员进入等电位过程中组合间隙的放电特性一直是确定作业人员安全的关键依据.为确保带电作业的安全可靠,探讨了带电作业组合间隙的放电机理;在大量实验分析的基础上,结合输电线路真型塔组合间隙放电实验数据,通过电磁场仿真计算,分析了作业人员进入等电位过程中的电场和电位分布特...     

正极性上行先导特性的模拟试验方法

开展负极性雷电地闪过程中地面物体正极性上行先导特性的模拟试验研究是完善雷电屏蔽分析模型的基础,选择正确的模拟试验方法十分必要。分析了采用棒–棒、棒–板及板–棒等典型放电间隙结构的模拟试验方法的电场特征,研究了各种方法获得的正极性先导特性,并通过与自然雷电下的电场特征及上行先导特性进行对比,评价了各模拟试验方法的等价性。结果表明:采用棒–棒间隙和棒–板间隙无法模拟自然雷电下地面物体附近的电场空间分布特性;采用板–棒间隙可以模拟自然雷电下地面物体附近的电场空间分布特性,但传统的冲击电压发生器无法产生与自然雷电下行先导趋近地面过程中电场时变规律相同的冲击电压。因此,提出了研发一种基于电力电子技术、能够模拟自然雷电下电场时变规律的高压任意波形发生器,并结合板–棒间隙结构,形成正确有效的正极性上行先导特性模拟试验方法。     

雷电先导放电的三维数值模拟与应用

雷电先导放电的数值模拟是反映雷电先导发展和雷击规律的一种重要手段。为提高雷电先导放电三维数值模拟的空间分辨率,将修正的介质击穿模型与计算区域的边界条件相结合,建立了一种具有双概率指数和双击穿发展阈值的雷电双向先导发展概率模式,实现了雷电先导放电在50m空间分辨率的三维数值模拟。通过比较自然界中雷电放电与模拟结果的分形维数和先导临近时地面电场峰值的增强情况,验证了该模拟方法的合理性。最后应用上述数值模拟技术,并结合数值内插方法建立了地面防雷装置防护性能的评估模型(空间分辨率为1m),分析了单根避雷针系统附近的雷击概率分布及其保护范围,其结果与折线法规定的保护范围基本一致。     

大气压射频放电中放电参数对活性粒子影响的数值模拟研究EI北大核心CSCD

大气压射频放电是人们比较关注的气体放电形式,在合适的放电条件下,其产生的低温非平衡等离子体中可以产生大量的活性粒子,如何优化与调控这些活性粒子的产生与分布是实际应用中,特别是与环境相关的应用中人们非常关心的问题。因此数值求解了描述大气压射频等离子体的流体模型,研究了放电频率、放电间隙及脉冲调制对大气压射频等离子体中活性粒子的影响。计算结果表明,在相同的功率下,过高的放电频率(>20 MHz)会抑制活性粒子的产生,而较小的放电间隙(<1 mm,即在微等离子体范围内)则有助于提高活性粒子的数密度;通过选取合适的调制频率与占空比,借助于脉冲调制的方式在大气压射频放电中可以有效的调控活性粒子的产生,并降低功率消耗。研究结果可对大气压射频放电中活性粒子的应用提供一定的理论指导。     

±1100kV特高压直流输电线路邻近树木时合成电场建模计算与特性研究EI北大核心CSCD

高压直流输电线路下方存在树木的情况十分常见。线路邻近树木时,树木端部可能发生电晕或烧灼现象。为了预防火灾、保护树木,有必要通过仿真计算的方法研究树木周围的直流合成电场,为确定线路与树木的净空距离提供参考依据。对树木的有限元建模方法进行研究,提出典型的树木模型,基于三维上流有限元法计算了直流线路产生的合成电场。在±1100 kV真型试验线路下进行地面合成电场测量实验,对比了计算与测量结果。通过计算,讨论了树木位置、尺寸、数量等因素对树木周围合成电场的影响规律。     

基于模拟电荷的上行先导起始模型研究及绕击特性分析

针对传统先导法对导线运行电压模拟与上行先导起始判断的不足,对上行先导起始判据进行改进,并建立先导发展模型。通过研究上行先导起始过程空间电场变化情况,得到了以平均场强为判据的改进上行先导起始模型,与Peek判据对比发现,传统先导模型夸大了雷云对先导的吸引能力。通过实例分析验证了所提模型的有效性,并应用所提模型分析输电线路绕击特性,提出雷电防护措施。     

雷电上行先导模拟试验用新型冲击电压发生装置研究EI北大核心CSCD

在实验室开展地面物体雷电上行先导特性研究,亟需研制用于电场时变特征等效模拟的新型冲击电压发生装置。该文聚焦于装置研究的关键技术问题,从装置技术要求出发,提出以电容可控充电单元电路为核心的多级串联式装置电路拓扑,分析了单元电路特性及拓扑应用中的主要技术问题。并以1.3 MV电压发生装置为典型实例,提出了装置的具体参数配置方案,通过装置性能分析验证了装置设计的合理性。进而提出实现多级串联的装置具体结构,并通过研制样机开展性能试验验证了该结构的可行性,解决了多级串联式装置电路拓扑的物理实现问题,为最终实现雷电上行先导模拟试验用新型冲击电压发生装置提供理论指导和实践依据。     

基于物理信息神经网络的短间隙流注放电模拟北大核心CSCD

流注放电物理过程可由相互耦合的泊松方程和对流扩散方程描述,是涉及电磁学和流体动力学的多物理场问题。针对瞬态流注放电计算量大的问题,本研究提出了一种基于物理信息融合神经网络的流注放电高效求解模型,该模型相对传统的数值求解算法可大幅提高模型的求解效率。首先,基于二维泊松方程的解析解形式,获取了大量二维随机分布空间电荷的电场分布。利用电荷分布与电场分布的对应关系,作为泊松算子物理神经网络的训练集,得到预训练的泊松方程神经网络求解算子。随后,基于二维有限元求解器获取了不同边界条件下考虑等离子体化学反应的粒子对流—扩散的求解结果,将其作为用于预训练对流扩散物理信息神经网络的训练集。最后,将预训练的泊松算子和流体算子进行连接,得到流注放电求解模型。本研究中用于生成预训练模型的神经网络结构为DeepONet,该网络能够良好的学习偏微分方程。它包含两层子网络,其中分枝网络用于输入物理场,主网络用于输入几何的空间位置。模拟结果表明,该神经网络在两类方程的学习中精度较高,相对误差小于5%。通过将两个预训练的神经网络算子迭代求解,可以复现流注放电的电子动态演变过程,且相对误差小于10%。     

超电晕对输电线路导线、避雷线雷电吸引能力的影响研究EI北大核心CSCD

在雷云电荷或雷电先导的感应作用下,表面缠绕了细线的导线或导体会产生超电晕,不仅能够抑制流注的形成,还能改变周围空间的电位分布,从而对周围导体的上行先导产生影响。因此超电晕近年来被认为在提高防雷性能方面具有良好的应用前景。然而相关研究表明,由于在输电线路防雷应用时超电晕由避雷线表面产生并发展,导致由避雷线表面起始并向上发展的上行先导也被抑制,因此输电线路整体的绕击防雷性能究竟是否提高还有待商榷。基于此,该文针对应用了超电晕的输电线路开展研究,通过建立超电晕与雷电先导同步发展的仿真模型,得到了应用超电晕后导线、避雷线的雷电吸引半径表达式,详细分析了超电晕对导线、避雷线引雷能力的影响,并与未应用超电晕时的引雷能力进行对比,研究结果表明尽管超电晕的应用同时削弱了导线、避雷线的引雷能力,但由于对导线引雷能力的削弱程度更高,使得应用超电晕后的屏蔽失效宽度大幅降低,从而输电线路整体的绕击防雷性能得到提高。最后通过500kV超高压输电线路的实例进行分析与验证。     

泄洪洞下游低频噪声数值模拟预测研究北大核心CSCD

针对泄洪洞泄洪时下游环境中的低频气压脉动强度预测问题,通过紊流数值模拟,分析了泄流流速分布特征,开展了涡结构识别,研究了涡量脉动特性,并结合涡声理论对如美水电站多洞联合泄洪工况进行了泄洪诱发低频气压脉动预测。结果表明:涡结构主要分布在泄流水舌入水点及其下游,即水流剪切作用剧烈的部位,水垫塘存在大量的发卡涡和马蹄形涡等大尺度涡结构;涡量脉动在0~2 Hz范围内存在多个优势频率,泄洪涡量脉动可能诱发相应频率的低频气压脉动;各工况下预测声压级最高可达140 dB以上,但声波在水-气界面及雾化液滴耗散作用下,水垫塘周边1 km范围内,衰减后的低频声压级最大约122 dB。     

基于声纹识别系统的局部放电超声信号识别研究北大核心CSCD

为准确构建局部放电的超声信号和对应缺陷的关系,文中提出了一种基于声纹识别系统的对超声信号进行模式识别的超声识别系统。该系统首先对局部放电超声信号进行分帧和加窗处理,然后提取MFCC和GFCC特征向量,分别根据MFCC或GFCC建立GMM模型,最后利用极大似然估计对待识别样本进行识别。为验证该系统的有效性,文中设计了自由金属颗粒放电模型、悬浮放电模型和尖刺放电模型,并充入不同的绝缘气体,对不同缺陷的超声信号应用超声识别系统进行计算分析。研究结果表明,利用MFCC或GFCC特征向量建立的GMM模型具有代表性,基于改进声纹识别系统的局部放电超声识别系统对缺陷类型的识别结果符合预期,该系统可为超声信号的模式识别提供一种新方法,为电力设备故障检测和工况判断提供依据。     

基于电位转移电弧能量的±800 kV直流输电线路等电位进入路径研究

进入等电位极导线是开展±800 kV特高压直流输电线路带电作业的关键环节,优化带电作业人员进出等电位的路径对确保人员的安全具有重要意义。本研究基于电位转移电流及其电弧能量的计算优化进出等电位路径,搭建了电弧能量计算模型,利用有限元(FEM)计算了3种进入导线方式下的人体电位、不同转移距离、悬浮电位人体-极导线的局部电容,分析了不同进出方式下与电位转移电流大小及电弧能量之间的关系。结果表明:从下方进入导线时人体电位最低,此时进行电位转移时的电弧能量在3种进入方式中最大;从上方进入导线时人体电位最高,其电位转移电弧能量最小。该计算方法和结果可供±800 k V直流输电线路带电作业进入路径选取和安全防护用具设计时参考。     

基于热管的储能锂电池散热特性数值模拟研究EI北大核心CSCD

针对大规模集成储能锂电池的温度一致性需求,提出一种基于热管的散热结构,包括导热铝箱和热管。选取储能锂电池包作为研究对象,建立三维产热模型。采用数值模拟的方法,首先确定热管最佳布置方式;再通过正交试验法探究散热结构中各因素对电池温度影响的重要性,并进行参数选优;最后探究热管冷凝段对流换热强度对电池温度的影响。结果表明:1)与其他布置方式相比,当蒸发段沿电池宽度方向且冷凝段双侧布置时,电池具有最优的均温性;2)各因素对电池最高温度的影响重要性依次为:电池容纳腔X方向壁厚>热管数量>电池容纳腔Y方向壁厚>导热铝箱底部厚度;3)增强热管冷凝段处的对流换热后,电池最高温度有所降低,但电池均温性也会变差。研究结果可为储能用锂电池散热结构设计提供指导。     

基于随机决策森林的高压电缆局部放电模式识别北大核心CSCD

不同类型的高压电缆局部放电(简称局放)模式识别是该领域的难题。部分电缆局放类型之间相似度较大,识别困难。针对该问题,文中提出了一种基于随机决策森林(RF)的高压电缆局放模式识别方法。首先,制作了5种高压电缆人工缺陷,结合IEC 60270—2015系统和高频电流互感器(HFCT)进行实验,获取局放数据,并进行局放特征提取。其次,介绍了随机森林算法的原理和基于随机森林的高压电缆局放模式识别流程。最后,基于实验所得数据开展了局放模式识别方法有效性验证,确定了随机森林每个节点处特征子集中特征个数、节点分裂规则、树的棵数3个参数,并与传统的决策树、BP神经网络和支持向量机(SVM)3种方法进行比较。结果显示,与上述3种方法相比,随机森林算法对高相似度局放识别能力更强。