抢鲜看｜《电工技术学报》2021年第13期目次及摘要

放电等离子体及其应用专题

空气间隙击穿后放电通道内的气体运动特性

作者：刘晓鹏；董曼玲；邓虎威；赵贤根；何俊佳

摘要：空气间隙击穿后放电通道内气体的运动关系着间隙绝缘强度的恢复,而绝缘强度的恢复程度对输电线路因间隙放电而跳闸后的重合闸成功与否具有决定性的影响。该文采用高速纹影技术,获得棒-板空气间隙击穿后放电通道演化过程的纹影图像,并基于光流法获得了间隙击穿后放电通道内气体速度场的时空分布。观测结果表明：间隙击穿后放电通道内气体运动的平均速度以“双指数”方式衰减;放电通道在边缘处的射流发展成为湍流的概率较小,同时,射流的发展使放电通道先呈现“由弯变直”的趋势,而后逐渐变得不规则;间隙击穿后的初期,靠近棒电极的放电通道内气体的运动方向呈现相反的趋势,这有助于棒电极附近的放电通道先恢复到放电前的状态。

HMDSO含量对纳秒脉冲激励Ar/HMDSO射流放电特性的影响

作者：李劲卓；刘峰；方志

摘要：通过在放电气体中添加含Si媒质可在材料表面引入含Si基团,能有效提高等离子体憎水改性效果,增强材料沿面耐压能力。该文选取六甲基二硅醚（HMDSO）为含Si媒质,采用纳秒脉冲激励在Ar/HMDSO中产生射流放电,通过电压电流波形测量等电气特性,发光图像、发射光谱及ICCD等光学特性诊断,研究了HMDSO含量对放电特性的影响,得到等离子体羽长度、放电功率、传输电荷、主要粒子谱线强度及电离波传播等参量随HMDSO含量的变化趋势,并结合放电电离反应及动态发展过程进行分析。结果表明,少量HMDSO的引入对放电有促进作用,体现在随添加含量的增加,射流体羽长度变长,注入功率和传输电荷量提高、主要粒子谱线强度增强,电离波传播速度和距离提升。这些参量在HMDSO体积分数为0.04%时达到最大值,当HMDSO体积分数大于0.04%时,放电强度开始减弱,表现在相关参量随HMDSO含量的增加而降低。HMDSO参与放电中直接电离反应及与Ar激励态反应,这两种反应的竞争是导致其对放电特性影响存在极值的原因。

基于电荷等效法的电容短路放电微观特性数值模拟研究

作者：王党树；栾哲哲；古东明；刘树林；王新霞

摘要：为了研究基于IEC火花试验装置的容性电路短路放电的微观特性,该文建立了以钨为阳极材料、镉为阴极材料的二维平行极板仿真模型。在仿真区域充满了空气以及体积分数为8.5%的甲烷混合气体,根据电荷等效原理对该模型采用粒子法（PIC/MCC）进行数值模拟研究,着重分析了极间电压、极间距离及外接电容对电容短路放电过程的影响,得到了在击穿后放电过程中极间电压、电流、各种粒子浓度、平均电子能量的变化情况。模拟结果表明：随着极间电压的增大,平均电子能量也逐渐增大,极间电压对N2的电离影响程度远大于对O₂和CH₄的电离;当电极间距变大时,击穿所需要的时间变长,电极间气体介质越难以击穿;外接电容容值的改变,对气体电离基本不会产生影响,但外接电容的改变影响极间电流变化,击穿后的极间电流随着电容的增大而增大;随着极间电场强度的增大,气体电离会越剧烈,电流密度会越大,平均电子能量也会逐渐变大。

直流故障电弧稳态传热特性仿真研究

作者：吴祺嵘；张认成；涂然；杨凯；周学进

摘要：直流系统中的故障电弧具有持续性,其产生的高温会释放能量诱发可燃物燃烧。直流故障电弧难以检测又极具危害性,该文针对直流故障电弧的温度分布,基于磁流体动力学建立了直流故障电弧稳态传热数值模型,对不同电路电压、电阻、电极间距下的放电过程进行系统的数值研究,得到直流故障电弧的稳态传热模型的温度分布。在模型计算结果的基础上,揭示了电弧最高温度变化规律及电弧热源对于电极内部温度的传热规律。研究表明,电弧最高温度会随电阻的增大呈反比例下降趋势,随电极间距的增大呈现分数指数上升规律,随电路电压在一定范围内呈现线性增长,但随电压增加温升速率减小;电弧温度的提高会使靠近电弧侧的电极导体具有较高的温度下降速率,该速率会随着导体的延长而降低;电极间距的增大会使电弧最高温度向尖端电极偏移。

隔离开关电弧流体数学模型研究与应用

作者：郝莎；徐建源；林莘

摘要：在流注放电理论的基础上,该文从微观粒子的动力学特性出发,研究隔离开关触头间隙放电机理,建立cm级间隙电弧击穿及高频过电压下介质恢复过程的流体数学模型。搭建隔离开关电弧特性实验平台,对比分析仿真与实验波形的特征参数及频率分布,结果表明,击穿过程中,电弧电阻的变化规律由空间电子数密度与电场强度决定,0~1.7ns内电弧电阻下降率较大,随后逐渐变缓,10.89ns放电通道完全导通,电弧电阻减小至0.02Ω,随后气体介质开始恢复,并受电源电压特性决定。仿真电压波形参数与实测数据误差范围为2%~10%。因此,流体数学模型能够科学地解释隔离开关触头间隙微观粒子的动态发展过程,将线路电压特性、放电结构特征与电弧微观发展过程相结合,为指导隔离开关设计提供理论依据。

两种功能化硅氧基聚酰亚胺薄膜的高频沿面放电寿命对比研究

作者：丁梓桉；黄旭炜；李庆民；郭玉金；林俊

摘要：聚酰亚胺可用作高频电力变压器的包覆绝缘材料,但要面临因沿面放电而可能导致的绝缘失效问题,可借助于材料改性技术解决。该文通过引入1%、2%、5%摩尔含量的1, 3-双（3-氨基丙基）-1, 1, 3, 3-四甲基二硅氧烷（GAPD）和等效含量的SiO₂,分别对聚酰亚胺薄膜进行分子结构改性和纳米复合改性,以两种方法实现其硅氧功能化,并基于紫外光谱、扫描电子显微镜（SEM）、电阻率等材料理化特性测试的对比研究,重点考核材料的高频沿面放电寿命。结果表明,两种改性方式均可获得聚酰亚胺较优异的热学、力学等基本理化特性,加入5% SiO₂后,薄膜电寿命可提升至纯聚酰亚胺的3.4倍;而引入5% GAPD后,薄膜电寿命可提升至纯聚酰亚胺的4.77倍。两种改性方式的影响机制有所差异：加入SiO₂,是将Si-O-Si结构的晶体添加至聚酰亚胺中形成纳米复合体系,并通过界面等作用提升材料的高频沿面放电耐受性能;引入GAPD,是将均匀分布、不分相的Si-O-Si网络键入至聚酰亚胺中,使基体结构更致密,同时可在外层被破坏后形成均匀的絮状无机粒子,多因素协同作用更有效地提升了材料的高频沿面放电寿命。利用GAPD对聚酰亚胺进行分子结构改性以实现其硅氧功能化,可获得更加优异的材料理化特性和放电耐受性能,具有潜在应用价值。

低温等离子体增强催化氨合成机理的一维流体动力学模型

作者：陈赦；刘红梅；吴婷；汪沨；庄池杰

摘要：氨在化工及能源储存领域有巨大的应用价值。低温等离子体使反应在温和条件下进行,对促进氨的生成起着重要作用。以往零维动力学模型研究中电场和电子密度作为输入参数,它的空间信息被忽略,因此需要进一步建模来深入研究等离子体增强催化机理。该文建立大气压板-板电极下的等离子体增强催化氨合成的一维流体动力学模型。模型考虑了47种粒子和379种反应（包括气相和催化剂表面的多相反应）,显示了影响氨产量关键参数如电场强度、电子能量和电子密度的空间分布。讨论了电压大小、N₂：H₂比例和催化剂表面自由位点密度对氨合成的影响。仿真结果显示,随着外加电压的增加,氨气产量先增加后减小;N₂：H₂比例为1：2时有利于氨的合成;当表面活性位点数目从10¹⁴cm^-2增加到10¹⁸cm^-2时,氨气产量增加比例约为9.89%。

高压脉冲介质阻挡放电协同金属有机骨架材料催化剂去除氮氧化物的实验研究

作者：董冰岩；李贞栋；宿雅威；罗婷；邹颖

摘要：采用高压脉冲介质阻挡放电（DBD）协同金属有机骨架材料,即复合MOF材料催化剂对在富氧条件下的NOx进行脱除实验,通过采用水热合成法进行制备复合MOF材料等一系列催化剂,并应用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）表征技术对复合MOF材料进行表征分析,考察了在不同温度下MIL-100(Fe)和负载不同Ce含量的催化剂对NO转化率和NOx去除率的影响。结果显示：在放电电压为±12kV,频率为55Hz,氧气的体积分数为4%,气体流量为1L/min,NOx初始浓度为400mg/L,同时添加含量为0.08mol/L CeO₂/MIL-100(Fe)催化剂与介质阻挡放电等离子体协同去除NOx的效果最好,NO的转化率可达91.1%,且随着温度的增加,脱硝效果整体呈上升趋势。介质阻挡放电可以改变催化剂的晶形和结构,并且在掺杂一定量的Ce后MIL-100(Fe)催化剂表面更光滑,微孔增多,比表面积增大,被覆盖的不饱和金属配位点暴露出来,增加了反应所需的活性点位,促进了催化反应的有效进行,进一步加强了对NOx的脱除。

离子风的应用研究进展

作者：张明；李丁晨；李传；李家玮；杨勇

摘要：离子风又称“电流体（EHD）”,是气体放电产生的高能电子推动中性粒子运动,从而在宏观上表现为流体的一种现象。由于离子风具有低噪声、低功耗、响应速度快和无机械运动部件等优点,在过去的数十年中,离子风的研究和应用取得了很大发展。该文主要从实际应用和激励器结构改进两个方面,总结和分析近年来离子风的研究结果。离子风的实际应用主要集中在食品干燥、温度控制、推进、助燃、空气净化等诸多领域,并对各领域存在的问题提出了解决方案。离子风激励器结构的改进主要解决了离子风在以上应用领域所存在的放电副产物、离子风强度低、带电粒子的影响、占用空间大和电极腐蚀等问题。最后,对离子风的未来研究做出了展望,为离子风的研究提供了思路。

低温等离子体化学毒剂洗消技术研究进展

作者：王瑞雪；李忠文；虎攀；杨亚文；夏章川

摘要：该文主要探究低温等离子体化学毒剂洗消技术的研究进展。首先指出化学毒剂的种类、危害性以及洗消化学毒剂的必要性,并探讨传统洗消技术和催化剂洗消技术的可行性与发展状况,分析其优势和不足;其次介绍了低温等离子体技术并总结了等离子体射流、介质阻挡放电、微波等离子体等放电形式在化学毒剂洗消中的应用,归纳了等离子体洗消毒剂的反应对象、反应条件、放电时间、降解效率;然后,对等离子体协同催化洗消化学毒剂技术进行了展望,并探讨等离子体洗消化学毒剂机理;最后指出了等离子体洗消技术发展成为大型洗消设备和系统存在的技术难题。该研究对促进低温等离子体技术在化学毒剂中洗消应用具有一定的参考价值。

电工理论

基于改进损耗分离模型的铁磁材料损耗特性研究

作者：赵志刚；徐曼；胡鑫剑

摘要：为了在较宽频率和磁通密度范围内实现铁磁材料损耗的准确预测,为电力变压器的优化设计提供参考,该文以经典Bertotti损耗分离模型为基础,提出一种既能考虑铁磁材料非线性,又能准确模拟谐波激励条件下材料损耗的计算模型。首先,基于正弦激励下测量的铁损数据,采用二频率法计算低频低磁通密度条件下的磁滞损耗,并求得磁滞损耗表达式。然后,根据磁通密度变化率的有效值提出动态损耗因子以计算剩余损耗,实现了铁损分离。在此基础上,考虑到磁通密度较高时铁磁材料的非线性,引入非线性修正项对损耗进行修正。最后,针对铁磁材料的实际工作条件,计算1000Hz频率范围内以及不同谐波激励工况下的损耗。结果表明,损耗计算值与实验测量值吻合度较高,验证了模型的有效性。

交直流混合激励下取向硅钢片磁滞及损耗特性模拟方法

作者：赵小军；王瑞；杜振斌；苑东伟；杜海泉

摘要：该文对交直流混合激励下（既含偏磁又含谐波）取向硅钢叠片的动态、静态磁滞特性和损耗特性进行测量,分析激励中不同因素（如直流偏磁磁场强度、谐波次数）对损耗的影响规律。提出基于非对称极限磁滞回线的Preisach模型参数辨识方法,实现静态磁滞回线的准确模拟。提出交直流混合激励下异常损耗模拟及其参数提取方法,并基于损耗分离和场分离的等效关系,得到交直流混合激励下的Preisach动态磁滞模型。通过仿真和实验结果的对比,验证了该方法的有效性和准确性。

直流偏磁下500kV单相变压器振动噪声的试验研究

作者：李冰；王泽忠；刘海波；李海明；刘健犇

摘要：直流偏磁是电力变压器的一种非正常工作状态,直流流入变压器后将在铁心中产生直流磁通,导致变压器铁心出现半波饱和、励磁电流严重畸变、局部过热、振动噪声增加等一系列问题,并且大容量单相自耦变压器更易受到直流偏磁的影响,对电网的安全稳定运行产生了严重的威胁。该文利用两台参数一致的250MV·A/500kV变压器分别进行了空载和负载直流偏磁试验,对变压器直流偏磁下的电压畸变率、励磁电流、振动和噪声进行测量,并分析研究其直流偏磁下的变化趋势、分布规律和频谱特征。试验结果为大型变压器在实际运行情况下的直流偏磁耐受能力评估及直流偏磁下的振动噪声特性研究提供参考依据。

电力系统与综合能源

适用于非整数次幂的高精度混合基FFT谐波测量算法

作者：王保帅；肖勇；胡珊珊；赵云

摘要：快速傅里叶变换（FFT）是目前谐波分析中常用的分析算法,加窗插值FFT算法能够改善频谱泄漏和栅栏效应,但是FFT对采样数据序列有一定的长度要求。以基2为例,针对非2整数次幂数据序列无法采用快速傅里叶变换的问题,在分析研究常规混合基FFT算法频谱分布的基础上,提出一种适用于非整数次幂的高精度混合基FFT谐波测量算法。该算法采用四根谱线对混合基结果进行插值校正计算,该文详细分析推导了该算法的原理和修正过程。仿真及试验结果表明,在非2整数次幂条件下,与常规混合基FFT算法、补零FFT算法相比,该算法具有更高的谐波分析准确度,并且参数设置更加灵活。

基于扩展仿射模型的不确定性静态电压稳定性全局灵敏度分析

作者：乐健；廖小兵；李奔；周子恒；彭学林

摘要：波动性可再生能源大规模并网成为电力系统新的重要不确定性因素,准确评估这种不确定性对电力系统静态电压稳定性的影响,有利于提高系统运行安全水平。计及可再生能源和负荷功率的不确定性,该文根据扩展仿射算术建立了基于L指标的静态电压稳定性区间评估模型,利用解析化方差分解的全局灵敏度指标辨识输入变量对静态电压稳定性影响的重要程度。多个IEEE算例的仿真结果表明,该文所提方法相比常用仿射算术能更有效地抑制区间扩张效应,同时基于解析化方差分解的全局灵敏度分析方法能快速、高效地辨识出影响静态电压稳定性的关键因素。

基于稀疏增强动态解耦的电力系统振荡模式与模态辨识方法

作者：李雪；于洋；姜涛；李国庆；刘春晓

摘要：提出一种基于稀疏增强动态解耦（SPDMD）的电力系统主导振荡模式及模态评估方法。该方法首先从电力系统的多通道广域量测信息中辨识出可表征系统关键动态振荡特征信息的低阶状态矩阵;然后,基于该低阶状态矩阵,借助交替方向乘子（ADMM）和拉格朗日乘子（LM）估计各振荡模式的最优振幅系数,根据系统主导振荡模式的最优振幅系数不为0这一特点,从低价状态矩阵中精确筛选出系统的主导振荡模式及模态;最后,将该文所提方法应用到16机68节点测试系统和中国南方电网进行分析,有效验证了所提方法的正确性与实用性。

计及直流限额动态调整的送受端一体化日前调度计划模型

作者：许丹；周京阳；黄国栋

摘要：通过特高压直流输电将能源基地的大规模电能送往负荷中心是我国电网的一种常态化运行方式。直流计划与送受端发电计划分阶段协调模式及直流输电限额可能受制于受端电网运行方式使得安全约束机组组合问题难以获得全局最优解。该文将开机台数、开机容量、备用容量等电网方式信息对直流限额的影响纳入机组组合模型,提出了计及直流限额动态调整的送受端一体化日前调度计划优化模型。针对模型中约束边界条件随决策变量动态变化的问题,通过引入 0-1指示变量,将复杂逻辑约束转变成混合整数规划问题,确保了模型的有效求解。将所提模型应用于新英格兰10机39节点标准算例和我国某省级电网,验证了所提模型的正确性和有效性。

边缘计算架构下配电台区虚拟电站控制策略

作者：刘东奇；曾祥君；王耀南

摘要：该文提出一种边缘计算信息网架构下的配电网台区分布式虚拟电站运行模式和相应的控制方法。首先,将各380V变压器台区所辖的负荷、分布式能源及电动汽车定义为一个虚拟电站。在各台区变压器低压侧部署具有边缘计算能力的智能配电变压器监测终端（简称配变终端）（TTU）。然后,利用配变终端的边缘计算能力,根据监测的配电变压器各物理量信息,感知各台区计及分布式电源（DG）和电动汽车的等效广义负荷（源）,并在此基础上,边缘计算对各台区接入配电网的电动汽车并网工况进行就地控制。对于有功功率,基于混沌优化算法对电动汽车充电/空闲的工作状态进行调控,在尽量消纳本台区新能源发电的同时兼顾大电网的调峰需求;对于无功功率,将处于空闲态的电动汽车控制为虚拟的同步调相机,用以支撑本地电压,实现就地的无功无偿。该文提出的方法为分布式能源、电动汽车广泛接入的配电网运行与控制提供一种新的解决思路和控制方案,推动配电网的运行模式从“集中调控”向“分布自治”的延伸和发展。

基于时频域行波全景波形的配电网故障选线方法

作者：邓丰；梅龙军；唐欣；徐帆；曾祥君

摘要：为提高配电网单相接地故障选线的准确性和可靠性,提出一种基于时频域行波全景波形的配电网故障选线方法,融合全景故障特征量实现可靠配电网选线。首先,利用S变换提取各条线路时频域行波全景波形,真实展现故障行波全景特征量,详细分析故障线路和健全线路行波全景波形中幅值、频率和极性的差异性和相似性;然后,利用波形相似度原理,对故障线路和健全线路检测的行波全景波形的差异性和相似性进行量化分析;最后,针对各条线路构建相似度关联系数矩阵,通过计算各条线路综合相关系数,放大故障线路和健全线路行波全景波形的差异性,实现准确、可靠配电网故障选线。所提故障选线方法无需人工设置阈值,大量仿真分析结果表明：该方法具有较高的算法适应性,在3kΩ高阻接地故障下,仍能实现可靠配电网故障选线。

高电压与放电

环保气体HFO-1336mzz(E)及其混合气体的绝缘性能研究

作者：唐念；熊嘉宇；王凯；张博雅；李兴文等

摘要：近年来多种新型环保气体及其混合气体作为潜在的SF₆替代气体受到关注,该文提出将HFO-1336mzz(E)作为绝缘介质应用于电力设备中。结合实验测量的饱和蒸气压数据,采用Antoine方程和气液平衡定律结合的方法研究分析了该气体及其混合气体的饱和蒸气压特性,并与C4-PFN和C5-PFK气体进行了对比。基于饱和蒸气压特性确定充气比例,利用脉冲汤逊实验测量了HFO-1336mzz(E)及其混合气体的电子群参数,并依此确定气体的绝缘强度。研究结果表明,当HFO-1336mzz(E)的比例达到60%时,与CO₂或干燥空气的混合气体具有接近SF₆的绝缘强度。该文的研究结果为新型环保气体HFO-1336mzz(E)的研究和应用提供重要的基础数据及参考。

基于振动信号的断路器机械零部件故障程度识别

作者：杨秋玉；王栋；阮江军；翟鹏飞

摘要：如何有效识别高压断路器机械零部件故障严重程度是目前还未解决的问题,针对该问题,提出一种基于振动信号混沌吸引子形态特性的断路器零部件故障程度识别方法。为了更好地提取零部件早期故障的微弱故障特征,首先将振动信号按照断路器动作时序进行分时分割处理;然后提出一种参数自适应的信号分解方法,将分时振动信号各模态分量自适应地分离出来;最后重构模态分量混沌吸引子,利用混沌吸引子形态特性判断断路器零部件故障严重程度。两种不同型号断路器的试验结果表明,振动信号的模态分量混沌吸引子对故障程度具有较高的敏感度,正常与故障状态下的吸引子形态差异明显、吸引子形态随故障程度的加剧表现出一定的变化规律。该方法可为识别高压断路器机械零部件故障严重程度提供一条新思路。

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