面向新型电力系统的微型电场传感技术EI北大核心CSCD

高度数字化是新型电力系统的重要特征,需要构建广域、分布式电网深度全景信息实时采集的传感网络作为其支撑。电场信息是电力系统中的基础物理量。电场测量可以应用于电压反演、设备监测、雷电预警、电磁环境监测等应用场景。传统电场测量方法,如场磨式电场测量仪等,往往体积大、成本高,无法适用于电场测量节点的灵活与广域布置。微型电场传感器是一类基于微加工工艺制备的小尺寸、高性能电场测量设备,对于电场测量的数字化、小型化、灵活化需求具有关键意义。该文介绍不同原理微型电场传感器的发展现状,同时列举微型电场传感器的典型应用场景,并对电场传感器发展所面临的挑战进行总结与展望,指出新型电力系统中电场测量面临的挑战与未来发展趋势。     

含有非线性电场均化层的高压套管电场分布特性

直流套管是制约我国直流输变电技术发展和安全可靠运行的主要因素之一。该文提出了含有非线性电场均化层的高压套管技术路线，仿真研究了接地屏位置、长度以及非线性电场均化层几何尺寸、材料参数对高压套管电场分布的影响规律。分析表明：接地屏的位置和长度主要影响导杆表面电场值及其电场集中区域范围；电场均化层的长度、非线性参数、位置会对套管内部及表面电场分布产生显著影响；更长的电场均化层、较低的非线性材料阈值场强以及更远的电场均化层到导杆表面的距离均能有效均化套管电场。直流电场下含有非线性电场均化层的高压套管电场分布与交流电场下存在较大差异，具有高阈值场强的非线性电场均化层均场效果更优。非线性均压层能够有效改善高压套管的电场分布，无需采用电容均压结构。该工作将为非线性复合材料在高压套管中的应用提供参考。     

工频电场测量仪支架材质对空间电场影响研究

工频电场测试仪是测量电力设备运行电压对地表1.5 m高度处电场强度的设备。为保证电场测试仪测量结果的准确性,需要尽量减小测试仪及其附件对空间电场分布的影响;但是由于电场测试仪及其附件的介电常数与空气不同,实际测试时电场测试仪改变了周围电场,尤其是探头所在区域的电场,因此有必要对电场测试仪支架材质对空间电场的影响进行深入研究。基于有限元法,利用ANSYS MAXWELL建立电场测试仪支架材质对空气电场影响的分析模型,通过对不同材质支撑杆对空间电场分布的影响进行分析,为电场测试仪及其附件的材质选取、优化设计制造提供参考。     

500kV超高压输电线下山坡周围工频电场分析

在输电线下电场的计算中,普遍将输电线下地面视为平地,而忽略了不规则地面对输电线下电场计算的影响。为此建立了山坡周围工频电场的计算模型,基于模拟电荷法分析了平地及山坡表面的电场分布,并分析了影响山坡周围电场分布的因素。研究表明,山坡对输电线下电场分布有明显影响,电场在靠近山坡坡脚处逐渐减小,在随着山坡高度的增加而逐渐上升,在坡顶处电场发生畸变。山坡的角度、高度、输电线与山坡的相对位置及输电线的剖分密度对其周围电场计算都会产生影响,角度越大,高度越高,在山坡顶部电场的畸变越明显。输电线与山坡之间的夹角越大,在坡脚处电场减弱的趋势越明显。     

无源电场测量仪在工频电场测试中的应用

一、电场测量长期以来电场测量是电气设备制造、运行部门所关心的,特别是随着电压等级的提高,许多输变电设备自身电场分布越来越被人们所重视,但电场测试一直未能很好地解决,特别空间三维电场的测试更是存在问题。如何减小由于测量仪器引入被测场后,对被测场造成畸变,这是电场测量的关键。多年来所使用的电解槽模拟法电有相当的局限性,能否找出一种准确、经济的测量方法和仪器用于测量空间电场分布?从理论上讲,可在一个无限大的均匀电场中,引入一个金属球(见图1),且电场     

无源电场测量仪在工频电场测试中的应用

一、电场测量长期以来电场测量是电气设备制造、运行部门所关心的,特别是随着电压等级的提高,许多输变电设备自身电场分布越来越被人们所重视,但电场测试一直未能很好地解决,特别空间三维电场的测试更是存在问题。如何减小由于测量仪器引入被测场后,对被测场造成畸变。这是电场测量的关键。多年来所使用的电解槽模拟法也有相当的局限性,能否找出一种准确、经济的测量方法和仪器用于测量空间电场分布?从理论上讲,可在一个无限大的均匀电场中,引入一个金属球(见图1),且电场分布应满足以下条件:     

工频电场生物学效应的研究—大鼠的电场暴露试验

本文论证了利用动物工频电场暴露试验装置进行电场生物学效应研究的现实意义。详细介绍了试验装置的构造、电场分布状况等主要特征,并分析了人体进入均匀电场与动物引入试验电场两种情况下,畸变场强的相互关系。报告了对大鼠进行累计五百小时电场暴露试验的结果。由此得出了在100kV/m的场强下,大鼠的某些生物指标受到电场影响的结论。     

一种场磨式三维大气电场传感器

针对市面上电场传感器只能探测一维电场垂直分量且电场测量结果存在一定的误差,为了更加精确地测量大气电场强度,提高雷暴云预警的准确率,提出一种场磨式三维大气电场传感器,传感器主要结构由屏蔽罩、感应电极、光电开关、叶片和电机组成,电路设计主要包括I-V转换电路、差分放大电路、峰值检测电路和滤波电路等,进行传感器实地电场测量实验并整理实验数据;实验结果表明,该传感器能够对环境电场进行水平和垂直分量测量,有效反映了环境电场特征,验证了场磨式三维大气电场传感器结构设计和电路设计的有效性。     

35kV触头盒电场计算及优化设计

为解决35 kV开关柜触头盒存在局部电场过高、电场分布不均匀的问题,利用Ansoft软件包建立有限元模型,对触头盒的电场分布进行仿真计算,得到了电场分布图、场中的电场强度的最大值、典型位置的电场分布曲线;讨论了电场分布的一些特征,为触头盒结构优化设计的改进提供参考;通过比较其最大场强值,优化出最佳方案。根据仿真结果,采用在触头与内腔连接处涂刷半导体漆改进触头盒结构,从而使电场局部集中问题得到改善,使电场分布更加均匀。     

用于宽频带时域电场测量的光电集成电场传感器

电场测量是电气工程领域的基础研究手段。光电集成电场传感器具有无源、小尺寸、宽频带、动态范围大等优点,能够满足电力工程领域不同场合的电场测量需求。首先介绍了光电集成电场传感器的半波电场、静态偏置点可控性、温度稳定性和湿度稳定性四方面的关键技术问题以及相关解决措施,并提出了未来相关方向的具体研究工作思路及其改进方案。另外就所研制的光电集成电场传感器的线性测量范围、时域响应、频率响应等关键电气特性进行了比较分析。最后,结合近年的工作,介绍了利用所研制光电集成电场传感器在直流、工频、μs级暂态、ns级暂态等典型时域电场中的测量应用。     

正极性雷电冲击电压下空间电荷电场测量研究

很多绝缘问题本质上都与电场相关,电场测量是高电压领域的重要研究手段。空间电荷导致电场畸变是流注理论的基础,因此定量测量空间电荷的泊松电场对于研究空气间隙的放电机制有重要意义。利用光电集成电场传感器测量了1m棒–板间隙未发生放电条件下各点的轴向电场,并与数值仿真结果进行对比,验证了电场传感器进行定量测量的可靠性;对3种电极条件下1m棒–板间隙空间电荷区域外部轴线上各点的电场时域波形进行测量,将空间电荷形成的泊松电场与外加电压形成的拉普拉斯电场分开,定量测量了不同电压幅值下、不同空间位置的泊松电场幅值与变化规律。研究结果为建立并验证空间电荷模型奠定了基础。     

横电磁波小室校准系统产生标准电场的不确定度评定

电场传感器需要通过校准才能应用于电场测量,校准系统的不确定度反映了传感器校准结果的可信赖程度,所以需要评定校准系统的不确定度。横电磁波(TEM)小室具有成本低、内部电场均匀性好、幅值较高等优点,适用于产生标准电场,进行电场传感器的校准工作。针对光电集成电场传感器的校准需求,建立了一套TEM小室电场传感器校准系统,分析了该系统产生标准电场的各项影响因素包括场均匀系数、TEM小室特征阻抗实部、半空间距离和净输入功率,计算了这些影响因素的标准不确定度。通过不确定度合成,得出TEM小室校准系统在≥95.45%的置信概率下,产生标准电场的扩展不确定度为5.9%,满足校准电场传感器的需求。     

淋雨环境下棒-板电极空间电场分布研究

为了研究淋雨环境下空气间隙电场分布特性,建立棒-板二维仿真模型,探讨不均匀电场环境下的雨水分布对空间电场分布的影响。仿真结果表明,雨滴会造成空间电场畸变,电场畸变程度随着水滴的体积、数量的增大而增加。棒电极表面水滴变成水柱时,空间电场会进一步增加,同时随着水柱长度的增加,电场也会逐渐增大。研究结果可为评估淋雨环境对电气设备绝缘性能影响提供参考。     

平行板型三维脉冲电场传感器的研制

宽频带传感器是脉冲电磁场测量的关键设备之一,目前用于脉冲电场测量的传感器大都是单极化形式,只能测量半空间、单极化方向上的电场。为此,研制了一种可用于脉冲电场测量的三维平行板型结构传感器,它由三维电场天线和光发射机组成,与相应的光纤传输系统配合,可以对三维脉冲电场进行同时、全空间测量。应用FDTD法对三维电场测量天线模型进行了数值模拟,重点分析了三维天线的极间耦合、三维场分量的合成与频率特性。计算结果表明,平行板型三维电场天线可以满足脉冲电场测量要求。根据数值模拟的结果实际制作了三维电场传感器并对该传感器进行了实验验证。测量结果表明,该三维电场传感器的性能达到了设计要求。     

混合电场作用下换流变压器阀侧绕组电场分析

为了计算换流变压器阀侧绕组端部电场分布,建立了油纸复合绝缘结构的电路模型。并在分析阀侧绕组励磁电压类型的基础上,利用有限元分析法计算了在交流、直流、交直流叠加和极性反转电压作用下的电场分布,总结了电场分布规律。结果表明,换流变压器阀侧绕组电场分布既有其规律性又有其复杂性,在直流电场作用下的阻性电场分布将导致纸板中的电场集中;而交流电场作用下的容性电场分布将导致变压器油中的电场集中;在极性反转过程中由于空间电荷的存在,油中承担了较高的电压。该分析结果可为换流变压器阀侧绕组端部的绝缘设计提供依据。     

脉冲电场与生物医药技术的交叉及其对肿瘤治疗模式的改变

生命现象与电密切相关。脉冲电场的生物效应促进了生命科学与电气工程技术的交叉融合,使得高功率脉冲技术在生物医药领域形成了快速发展的边缘交叉学科,在医学、农业、给药系统、细胞生物工程上应用广泛。为此,就非热电场灭菌、脉冲电场活化血小板、电化学药物治疗、电转染治疗心肌缺血、脉冲电场消融肿瘤等研究,结合电工和生物新原理、新理论、新技术、新材料,介绍、分析了脉冲电场技术在生物医药应用中的最新进展。主要结论包括:μs脉冲电场对电化学治疗、不可逆电穿孔有重要作用;ns脉冲电场不联合化疗药物而单独使用就可以达到肿瘤消融的目的;脉冲电场消融对外科手术禁区或射频消融不能达到的位置有特殊帮助;改进肿瘤适形电极设计才能进一步提高肿瘤消融效果;目前电脉冲消融肿瘤还需要多中心大规模前瞻性临床试验来验证其长期疗效。提出脉冲电场生物医药领域应用具有广阔的发展前景。     

交直流混合电场旋转式一体化测试仪的研制

研究了一种直流电场、交流电场和交直流混合电场一体化旋转式电场测量仪。首先导出了一体化旋转式电场测量仪的输出电流与直流电场强度、交流电场强度和交直流混合电场强度的关系。在此基础上采用窄带通滤波法设计了感应信号后续处理电路,分离出感应信号中的直流分量与交流分量,并对电场仪进行了标定与现场测试。该电场仪测量精度高,线性度好,可以同时测量同一地点的交流电场、直流电场和交直流混合电场,对于超/特高压交直流同走廊和同塔输电线路混合电场研究和电磁环境监测具有重要意义。     

光电集成强电场测量系统及其应用研究

为研发高性能强电场测量系统,在分析高压电场测量的特殊要求后,介绍了光电电场测量系统的基本原理、最新进展及其在高压测量领域的优势。通过对光电集成电场测量系统及传感器体系结构、关键参数的分析,研制了一种光电集成强电场传感器并测量它的输入输出特性。用研制的测量系统测量棒板间隙击穿过程冲击电场与复合绝缘子工频场,证明光电集成电场测量系统在高压测量研究领域的广阔应用前景。     

屏蔽极板对劣化复合绝缘子电场检测的影响

绝缘子劣化前后,其周围轴向电场分布的变化比其合成电场更明显,通过检测电场分布可以实现绝缘子劣化识别。针对该特点,提出利用电磁屏蔽的方法来检测复合绝缘子的电场垂直分量,从而提高其劣化检测效果。首先仿真研究劣化复合绝缘子周围的电场分布特征,继而通过COMSOL与MATLAB联合动态仿真,提出最优电场屏蔽极板型式结构,并对比屏蔽板对劣化检测距离和劣化特征参量即电场变化率的改进效果。仿真结果表明：采用电场屏蔽极板后,板间沿串电场分布与绝缘子轴向电场分布趋势基本相同;相较于屏蔽极板的尺寸,屏蔽极板厚度和板间间距对劣化绝缘子电场检测效果影响更明显;相比无屏蔽板时劣化部位10%左右的电场变化率,采用电场屏蔽极板时该处的电场变化率下降至5%左右,电场变化明显变缓,且劣化部位的有效检测距离可以从70 mm提高到140 mm。     

用于直流陡脉冲复合电场净化脏污变压器油的可循环反应器研制

为开展直流陡脉冲复合电场净化脏污变压器油的实验研究,研制了1套可循环运行的电场反应器。首先建立了油中杂质颗粒在直流及脉冲电场作用下的受力模型,得出适合净油的电场类型;然后采用Ansoft Maxwell仿真软件对板-板电场反应器、线-筒电场反应器进行电场分布的优化仿真;最后,综合考虑电气、机械等因素,对反应器的循环方式、板间距离、使用材料等进行设计和制作,并进行性能测试。模型计算显示,具有较大电场强度和电场梯度的直流陡脉冲复合电场适用于净化脏污变压器油;仿真结果显示,含有集尘体的板-板电场反应器更适于变压器油净化;测试结果显示,反应器的各项性能均满足设计要求,其中绝缘性能可以承受20 kV直流叠加10 kV脉冲,完全可以用于后续脏污变压器油的净化实验研究。