牵引机车过分相时高频谐波分析及对电缆终端发热问题研究

针对牵引机车在过分相时产生高频谐波以及由此导致应力控制型电缆终端绝缘迅速裂化的问题。文中研究牵引机车在过分相时网压、网流及电压波形畸变率的变化,及由此高频谐波对电缆终端的影响。实验通过搭建高频高压老化实验装置,利用高频高压发生装置对电缆终端施加不同的频率和电压,使用红外热成像分析高频谐波对电缆终端热点的影响。此外,通过电场仿真发现,在高频电压作用下,电缆终端外半导电层截断处的场强要明显大于工频电压下的场强。结果表明:机车在过分相时网压、网流波动比较明显,并由此带来的谐波比较严重,高频谐波含量比较丰富,在高频电压的作用下,应力控制型电缆终端的热点温升要明显高于工频电压下的温度变化。     

牵引机车中的高频谐波对电缆终端热点的影响

为研究牵引机车中的高频谐波以及由此导致应力控制型电缆终端绝缘迅速劣化的问题,研究了牵引机车过分相时电网电压波形畸变率和谐波的变化,以及此高频谐波对电缆终端的影响。搭建了高频高压电缆老化实验平台,利用高频高压发生装置对电缆终端施加了不同频率的电压,使用红外热成像仪分析了高频谐波对不同类型电缆终端热点的影响。研究结果表明:牵引机车过分相时电网电压、电网电流波动比较明显,而且由此带来的谐波比较严重,随着谐波频率的不断增大,电缆终端局部形成电场高点并转换成阻性发热,阻性发热功率密度也增加,应力控制型电缆终端在局部的热点温升比几何型电缆终端表现得更加明显。谐波频率的增加会导致材料介电性能的降低,进而会引起电缆终端电场强度的增加,牵引机车适当加装高频滤波装置有助于延长其电气设备的使用寿命。     

高频谐波电压对冷缩电缆终端的电场及温度影响研究

中压冷缩电缆终端可能会遭受到高频谐波电压的持续作用而使其绝缘迅速失效,其失效原因主要和高频电压下的电场和温度有关。笔者研究了高频谐波电压对35 kV电缆终端温度和电场的影响规律及机理,阐明了热点和电场分布之间的联系。通过高频谐波电压的电热老化试验装置,对两种不同类型的冷缩电缆终端(应力均匀型和几何型),施加不同频率的电压。通过红外热成像仪分析了不同的频率、幅值对电缆终端表面温度分布的影响。发现随着频率的增加,应力均匀型终端在局部地方形成明显的热点,随着频率增加,热点温度进一步升高,而几何型终端则温度变化不明显。通过有限元分析发现,应力均匀型终端的热点位置正好和电场的集中点相对应,随着频率增加,电缆阻性发热量增加,而几何型终端的电场较小,阻性发热不明显。该研究对于开发耐高频电压的冷缩终端具有一定的意义。     

工频叠加谐波电压下中压电缆终端内绝缘过热点分析

研究了高频谐波电压对35 kV电缆终端温度和电场的影响规律,分析了热点和电场分布之间的联系.首先,对2种不同类型的冷缩电缆终端(应力均匀型和几何型)施加不同频率的电压,通过红外热成像发现,随着谐波频率增加,应力均匀型终端形成明显的热点,而几何型终端温度变化不明显.通过有限元分析发现,应力均匀型终端的热点位置与电场集中点相对应.此外,通过持续工频叠加高频电压电老化实验发现,老化时间增长,应力均匀型终端的热点温度明显增长,而几何型终端则增长略小.     

冲击电压下35 kV预制式电缆终端的破坏机理研究

本文建立了35 kV预制式电缆终端仿真模型,仿真计算了冲击电压下电缆终端的电、热和机械应力分布,对本体绝缘、半导电层以及屏蔽层的电场、温度及应力进行了计算分析,同时考虑了不同频率谐波对电场分布的影响。结果表明：高频信号对介电常数的影响不会导致电场强度发生较大畸变,电场强度变化不明显,同时,冲击电压作用引起的电缆终端温升较小,其影响也基本可以忽略。冲击电压造成半导电层与应力锥相交处的机械应力增加,最大径向应变达到2.54%,使得该位置极易产生气隙,是造成电缆终端破坏的主要原因。因此,在材料选型及结构设计过程中除了要考虑电场优化,还应考虑材料的弹性应变。     

不同频率谐波下单芯电缆温度场仿真分析

电力电缆的温度是保证其安全运行的重要参数之一,本文分析了现有电缆谐波温度场模型情况及其局限性,根据电力电缆线路产热和散热的特点,建立了电缆的电磁场-温度场耦合二维有限元分析模型。确定了电磁-热耦合场分析的边界条件,综合考虑电缆敷设方式及谐波情况下的集肤效应和邻近效应,求解得到了电缆内部电磁场分布。将得到的谐波焦耳热损耗作为热源耦合至热场模型进行计算,提出了一种多相电缆谐波温度场仿真模型,并仿真了不同频率谐波下电缆的温度分布情况。该研究可以为电力电缆线路的热分析和热老化寿命评估提供一定的参考。     

基于电-热场联合分析的EPR中压电缆终端异常热点仿真分析及优化

25 kV乙丙橡胶(EPR)中压电缆终端因其自身的结构特性,内部电-热场分布不均,局部易出现异常畸变热点问题,而在安装电缆终端时出现的划伤缺陷加大了问题的严重程度,加速缺陷周围绝缘材料的老化,大幅降低了绝缘性能。为解决该问题,提出了一种电导率与电场、温度相关的非线性应力管材料,采用COMSOL仿真方法对比研究了使用高介质材料与非线性材料制作应力管时电缆终端内部的电-热场分布。结果表明,经优化后电缆终端的电-热场分布畸变程度能得到有效缓解;对于存在划伤缺陷的情况,优化后的电缆终端的电-热场畸变程度低于其出现击穿现象的阈值,表明其能够在缺陷情况下相对安全运行。同时采用热成像仪现场测试电缆终端温度分布,结果验证了经优化后电缆终端表面异常发热情况的改善效果。     

直流叠加高频谐波下交联聚乙烯的电树枝引发特性研究

复合电压中交流谐波分量的引入给直流电缆的安全带来了严重隐患,在实际直流系统中谐波频率可达千赫兹。为研究复合电压中高频谐波对电树枝引发特性的影响,在0.5～3 kHz交流谐波频率范围内正、负极性偏置电压下对XLPE材料进行了电树枝引发实验。结果表明:负极性直流偏置电压下电树枝比正极性直流偏置电压下更易引发,并且负极性直流偏置电压下电树枝的扩展系数更大。正极性下电树枝形态为枝状,分支较少,存在一条明显主干树枝,通道颜色较浅,电树枝长度增长较快;而负极性下电树枝形态为松枝状,有较多分支,通道颜色较深,电树枝长度增长缓慢。交流谐波电压频率或幅值的增加均会促进电树枝的产生和生长,因此直流系统中的高频谐波分量会对直流电缆绝缘系统构成潜在威胁,直流电缆在运行过程中应避免高频谐波的存在。     

冲击电压下电缆终端的非线性电场数值分析

基于后退欧拉法和变分原理推导了非线性电场的暂态有限元方程。利用暂态有限元方法分析了含不同应力控制管时的电缆终端冲击电压下的电场分布。分析结果表明,在冲击电压下电缆终端采用由电容性和非线性电阻性材料复合绝缘结构的应力控制管时,电场分布最为均匀。     

内部气隙缺陷对车载电缆终端电-热场分布特性的影响研究

车载电缆终端作为高速列车能量传输的重要枢纽,探明气隙缺陷对电缆终端电场、热场分布影响有重要意义。基于电磁场理论和热传导理论,建立了正常电缆终端、含气隙缺陷电缆终端电-热场耦合有限元模型,研究了内部气隙缺陷作用下电场、热场的分布规律。研究发现,正常电缆终端内部存在电场畸变,气隙缺陷的存在会加强电场畸变程度,并使内部电场强度增大;正常电缆终端内部温度从缆芯至伞裙沿径向逐渐降低,伞裙外表面温度接近环境温度,气隙缺陷作用下内部温度分布发生畸变,缺陷及其周围温度较高,表面温升增大。仿真结果为车载电缆终端内部缺陷检测提供了理论支撑,对高速列车安全稳定运行具有工程意义。     

直流XLPE电缆用预制接头最大场强解析算法

由于电缆接头结构复杂并含有多个复合界面,对其进行直流电场分析通常需要借助数值仿真软件、采用电-热耦合方法进行迭代计算,耗时费力。为了满足工程中仅对中低压直流XLPE电缆用中间接头最大场强进行校核的需求,利用传热学与电磁学相关理论,建立接头热场分布的简化分析模型,推导出计算应力锥根部场强的解析式,仅需输入少量必要参数,即可确定接头中的最大场强。通过以10 kV和35 kV XLPE电缆用硅橡胶和乙丙橡胶接头为例,分别在不同直流电压及接头内外温差下进行解析计算,并与相应的有限元仿真结果对比,验证所提方法的计算精度及适用性,为工程人员进行中低压直流预制接头的设计及校核提供强有力工具。     

直流XLPE电缆用预制接头最大场强解析算法

由于电缆接头结构复杂并含有多个复合界面,对其进行直流电场分析通常需要借助数值仿真软件、采用电-热耦合方法进行迭代计算,耗时费力。为了满足工程中仅对中低压直流XLPE电缆用中间接头最大场强进行校核的需求,利用传热学与电磁学相关理论,建立接头热场分布的简化分析模型,推导出计算应力锥根部场强的解析式,仅需输入少量必要参数,即可确定接头中的最大场强。通过以10 kV和35 kV XLPE电缆用硅橡胶和乙丙橡胶接头为例,分别在不同直流电压及接头内外温差下进行解析计算,并与相应的有限元仿真结果对比,验证所提方法的计算精度及适用性,为工程人员进行中低压直流预制接头的设计及校核提供强有力工具。     

孤岛方式下MMC长电缆连接点的高次谐波测试

MMC是柔性直流配网与交流电网电能转换的核心设备。对变流器交流并网点开展电能质量测试,验证了正常运行下变流器波形质量良好。但孤岛模式弱电网运行条件下,经长距离电缆并网的交流并网点存在超高次谐波谐振现象,并严重劣化了电压波形。本文建立了变流器-长电缆-负载的小系统数学模型,对高频谐波传导的内在机理进行研究。使用Numpy、Scipy等Python开源软件包进行数值分析,论证发生高频谐振的必要前提条件是弱电网,推导了求解固有谐振频率长缆弱网特征方程;得到随着电缆长度增加、桥臂电抗器阻抗增加谐振频率降低等规律;理论计算结果与现场实测结果基本一致。建议长电缆并网的MMC换流器宜在电缆对侧加装高频滤波器抑制弱电网运行的谐波放大。     

新能源并网输电电缆谐波谐振分析及抑制方法

光伏发电或风力发电的选址距配电网一般较远,往往需要通过电缆进行连接。由于电缆的寄生电容较大,使得配电网中的谐波电压在长电缆中出现谐波谐振的问题。在电缆线路终端加入电阻可以有效阻尼电缆上的谐波谐振,且最优的电阻值为电缆的特征阻抗。利用分布式能源并网逆变器,在输出基波有功能量的同时,通过有源谐波电阻的控制策略在连续的谐波频率上模拟纯电阻的特性,可以实现阻尼宽频域谐波谐振的功能。文中首先建立了电缆线路的分布参数模型,并且分析了由于新能源并网接入点电压谐波而引起的电缆线路谐波谐振问题。然后,基于有源谐波电阻的思想,提出一种新的谐波电流指令生成方法,可以实现新能源并网逆变器在连续的谐波频率上呈现纯电阻特性。最后,利用仿真和实验验证了理论分析的正确性及所提出谐波电流控制方式的有效性。     

孤岛运行方式下柔性直流配网高次谐波谐振及抑制措施研究

针对孤岛运行方式下柔性直流配电网系统高次谐波谐振问题,基于电缆分布参数模型建立柔性直流配网的数学模型,推导出谐波电压增益的通用数学表达式,并对孤岛运行方式下某实际柔性直流配网系统的高频谐波谐振特性进行了分析。在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建基于电缆频率相关模型—Phase模型的孤岛柔性直流配网仿真模型,实测数据验证了仿真模型的准确性,通过仿真模型证实谐波电压增益通用数学表达式的有效性。结合实测数据与仿真结果提出一种适用于柔性直流配网谐波的混合无源滤波器,并基于仿真模型对其滤波特性进行验证。仿真结果表明：混合无源滤波器不仅能有效滤除柔性直流配网系统中的高次谐波带以及特定次数的低次谐波,还会改善系统谐振特性,提高系统的电能质量。     

高寒环境下低温对乙丙橡胶电缆终端界面放电特性的影响

乙丙橡胶(EPR)电缆作为高铁列车中应用最为广泛的电缆类型,其终端在高寒环境下接连出现多起击穿事故。为研究高寒环境下低温条件对EPR电缆终端击穿过程及界面间放电特性的影响,以实际运行中EPR电缆终端为试验样品,建立能够模拟最低温度可达-50℃的高压低温试验系统,对比研究20～-40℃范围内终端绝缘的局部放电特性及材料性质变化。结果表明:高寒环境下,EPR绝缘层和应力控制管(SCT)的弹性模量与自由空间体积等性质的差异,导致二者间易出现结构性缺陷,诱使终端内部局部放电现象的出现;低温条件下局部放电的起始电压和熄灭电压与常温相比均降低40%以上,击穿概率显著增大,放电图谱有明显的形状特征改变。经试验验证得出:高压低温条件下终端内部EPR/SCT界面间很容易出现结构不匹配现象,导致放电产生,严重威胁EPR电缆终端的安全稳定运行。     

含非线性应力管的电缆终端的电-热场分析

基于变分原理推导了非线性的时域有限元电场计算方程和稳态热场有限元方程,并分别利用商用软件IntegratedEngineering Software和有温度分布解析解的轴对称电缆结构验证了编制程序的正确性。然后,利用该方法分析了含线性、非线性以及复合结构的应力管时的电缆终端电场和热场分布。分析结果表明,线性、非线性以及复合结构的应力管在均匀电缆终端的场强分布时,适当的选择其结构和材料的参数都能很好的均匀终端的场强分布,但含非线性应力管的电缆终端的损耗和温升远小于含线性以及复合结构应力管的电缆终端。这为冷缩式电缆终端设计提供了一个指导方向。     

基于响应表面法的非线性电缆终端的材料与结构参数优化

基于变分原理推导了非线性的时域有限元电场计算方程和稳态热场有限元方程,并引进了响应表面法,实现了响应表面法与时域有限元方法的结合,针对含非线性应力管(Stress Control Tube,SCT)的电缆终端,进行了材料和结构的参数优化。优化后的结果表明,终端体积达到最小,使用的材料明显减少;损耗明显减少,终端中各部分运行时的温度明显降低,利用响应表面法和有限元相结合的优化方法对电缆终端的设计是可行的。     

基于多物理场的车载电缆终端应力及形变仿真分析

应力控制管是电缆终端中容易产生气隙缺陷的薄弱环节，为了探究温度突变时影响电缆终端内部应力和形变规律的因素，文中通过有限元分析软件构建了电—热—力耦合场仿真模型，研究电缆终端内部温度、应力及形变随环境温度改变的变化规律，同时选取应力控制管的弹性模量、热膨胀系数及泊松比作为研究对象，构建L16(43)正交测试，分析结果可得：温度变化时，应力控制管与半导体层及绝缘层的交界处形变量最大；弹性模量是主要影响应力的物理量，其次是泊松比，最后是热膨胀系数；当无法同时控制这3个物理量时，热膨胀系数低的优先级最高，其次再考虑弹性模量，最后应使泊松比接近0.5。该研究对于应力控制管的选型具有极强的指导意义和参考价值。     

动车组车顶高压电缆终端材料特性分析及电-热耦合场仿真研究

动车组运行环境复杂,在电、热、高速气流等多重因素影响下的车顶高压电缆终端绝缘材料性能是影响动车组供电系统安全稳定的重要因素。本研究采用实验分析与仿真计算相结合的方法,测试分析了车顶电缆终端典型绝缘材料的导热性能、玻璃化转变温度和介电性能;通过建立车顶电缆终端电-热耦合仿真模型,分别研究了室温下电缆终端电场分布以及不同环境温度下的电缆终端温度分布。结果表明：三元乙丙橡胶和环氧树脂的导热系数均随着温度的升高而增大,高于80℃时,导热系数随着温度的升高有所减小。室温下,三元乙丙橡胶和环氧树脂的导热系数分别为0.251 W/(m·K)和0.431 W/(m·K)。三元乙丙橡胶的相对介电常数随着温度的升高逐渐减小,从-60℃的3.70减小到100℃的3.28;环氧树脂的相对介电常数随着温度的升高逐渐增大,从-60℃的5.02增大到100℃的5.29,这是由于二者的玻璃化转变温度不同引起的。仿真结果表明：温度引起交流电缆终端的电场变化不大,最大畸变点出现在应力锥根部,其值为3.120 kV/mm;其次电场集中分布在电缆主绝缘,电场强度为2.995 kV/mm。