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电工技术学报 2018年第20期杂志 文档列表

电工技术学报杂志直流管道输电绝缘关键技术专题（I）

直流管道输电绝缘关键技术专题特约主编寄语4647-4648

摘要：高压直流输电（HVDC）具有运行损耗小、输电调节快、输送容量大等优异特性，为我国的远距离能源输送提供了技术途径。但与此同时，由于土地资源日益稀缺，加之来自生态环境保护的巨大压力以及特殊地理区域的空间限制，以架空线路为主的传统电力传输通道也面临严峻的现实挑战。为支撑我国当前和未来的大规模电能输送需求，在输电通道方面亟需解决三个关键问题：①当前超特高压输电线路的走廊紧缺与空间限制问题，如复杂地理环境的大容量水电送出，大都市的电力集中接入，以及线路愈加频繁地跨江跨河等；②解决分布式能源的就地输送问题，如将离海岸的大规模风电送出，以及向孤立的岛屿及海上平台供电等；③面向“十三五”电力规划以及未来直流电网发展蓝图，须构建大容量、高可靠性、环境协调友好的电能传输通道。直流输电迫切需要建立一种新的电能传输模式，以解决容量、可靠性、占地、走廊、环保等多种束缚瓶颈，为此，直流气体绝缘输电线路（Gas Insulated transmission Lines,GIL）应运而生，愈加受到学术界和工业界的普遍重视。

直流GIL中固-气界面电荷特性研究综述Ⅰ：测量技术及积聚机理4649-4662

摘要：气体绝缘输电线路（GIL）是一种先进的输电方式，可满足特殊环境下的输电需求。然而，在直流电压下，GIL绝缘子表面存在显著的电荷积聚现象，极易引发沿面闪络，严重制约了GIL在直流工程中的应用。因此，开展直流GIL中固-气界面电荷特性的研究具有重要意义。在此背景下，本系列文章综述了多年来国内外有关直流GIL中固-气界面电荷特性的主要研究成果。本文综述Ⅰ首先总结了目前测量表面电荷的三种主要方法，介绍了基于数字图像处理技术的电荷反演算法；其次，从早期研究基础和目前研究现状两方面重点分析固-气界面电荷的积聚机理和仿真模型，并提出电荷积聚可能存在的两种模式：“基本”模式和“电荷斑”模式；最后，从固-气界面电荷的测量技术、仿真模型和机理研究三方面对未来工作给出了相关建议。

SF6/N2混合气体中金属微粒对GIL盆式绝缘子表面电荷积聚特性的影响4663-4671

摘要：在0.5MPa20%SF6/N2混合气体中，利用静电探头和电荷反演算法测量并计算了金属微粒附着时盆式绝缘子的表面电荷分布，并研究电压类型和金属微粒长度对表面电荷分布影响。结果表明，金属微粒将加剧绝缘子表面电荷积聚并严重畸变金属微粒处电场。在直流电压下绝缘子表面电荷存在三种积聚形态，即同极性电极注入电荷、金属微粒附近双极性电荷及随机分布电荷，而在雷电冲击电压下绝缘子表面仅存在金属微粒附近双极性电荷及随机分布电荷。当金属微粒超过5mm时，直流电压下注入电荷区的存在将导致金属微粒附近积聚电荷量减少，雷电冲击电压下随机分布电荷的存在也将导致金属微粒附近积聚电荷量减少。

等离子体复合薄膜沉积抑制金属微粒启举4672-4681

摘要：气体绝缘金属封闭线路（GIL）和气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）中的金属微粒污染是影响设备绝缘性能的主要因素之一，而电极表面覆膜能够在一定程度上提高直流应力下金属微粒的启举电压。本文探索一种使用等离子体射流对金属电极表面处理以抑制金属微粒启举的方法。利用高频交流电源激励产生大气压等离子体射流在Cu表面沉积SiO2-TiO2复合薄膜，获得由厚度约2μm的TiO2薄膜和3.5μm的SiO2薄膜组成的致密复合薄膜，并且在测试频率为1kHz时TiO2和SiO2薄膜的相对介电常数分别为24和4左右。此外搭建金属微粒运动观测平台对比电极表面沉积薄膜前后对金属微粒启举的影响，并通过建模仿真计算沉积复合薄膜前后高压电极与金属微粒间的电场畸变程度。结果表明：电极表面沉积薄膜后金属微粒的启举电压提高约18%，在相同条件下表面沉积薄膜后金属微粒启举具有明显的延迟效应，并且沉积薄膜后金属微粒和电极间的最大电场强度由1.98×108V/m下降至1.82×108V/m。因此，通过等离子体增强化学气相沉积法在电极表面沉积薄膜能够提高金属微粒启举电压、降低其运动活性，为工程应用提供了新的解决方式。

直流电场下C4F7N/CO2与SF6/N2混合气体中铝质球形自由微粒放电敏感度对比分析4682-4691

摘要：直流气体绝缘金属封闭输电线路（GIL）充SF6混合气体或SF6替代气体时，其绝缘性能将受到自由金属微粒的影响。本文重点针对C4F7N/CO2以及SF6/N2混合气体，开展绝缘强度的影响分析。选用的实验气体组份为：C4F7N/CO2（4%/96%）、SF6/N2（其中SF6比例分别为20%、30%、50%和70%）以及纯SF6气体，在球-碗电极直流电场下，开展微粒影响下的气隙击穿实验。提出微粒放电敏感度（DSP）的概念及定义，用以评估不同组分气体绝缘强度对金属微粒导致的局部电场强度剧变的敏感程度。实验结果表明，在0.1～0.5MPa气压范围内，不存在微粒时，4%C4F7N/96%CO2绝缘强度与30%SF6/70%N2混合气体相当；存在微粒影响时，4%C4F7N/96%CO2混合气体的DSP值低于30%SF6/70%N2混合气体的，而高于20%SF6/80%N2混合气体的，且放电电流呈现双峰值特征。C4F7N/CO2混合气体具有绝缘强度高、对微粒放电敏感度低的特性，这与C4F7N具有强电负性和高吸附系数有关。本文还结合微粒运动触发放电的物理模型，阐明了气隙击穿电流出现双峰特征的原因。

直流GIL绝缘子环氧树脂/碳纳米管复合涂层关键物理性能的分子动力学模拟4692-4703

摘要：盆式绝缘子表面电荷积聚是导致直流气体绝缘金属封闭输电线路（GIL）无法长期稳定运行的主要原因，对绝缘子表面覆以涂层以改善电场分布是一种有效的措施。由于复合涂层材料制备工作存在重复性和试探性，本文基于分子动力学模拟方法，进行有针对性的纳米颗粒设计与掺杂，建立了纯交联环氧树脂和掺杂了四种碳纳米管（未封端、半封端、全封端和氨基胺功能化）的环氧树脂复合材料模型。基于上述模型，在LAMMPS下计算了介电常数、热扩散系数（热导率、比热容）、力学性能以及玻璃转化温度。结果表明：掺杂了上述四种碳纳米管的环氧树脂复合材料性能均有所提升，但提升程度有所不同。其中，掺杂了氨基胺功能化碳纳米管的复合材料在力学性能、介电常数以及热扩散系数上提升最明显，包括抑制温升对力学性能的破坏，减小介电常数24.8%，提高热扩散系数96.98%；掺杂了全封端碳纳米管的复合材料仅可最大程度提升玻璃转化温度为25.7K，其余关键物理性能提升不明显。综合模拟计算结果，认为选用氨基胺功能化碳纳米管作为环氧树脂的掺杂颗粒更加符合对表面电荷积聚抑制的需求。

环氧复合绝缘材料表面处理方法对高气压下闪络特性的影响4704-4711

摘要：分别采用放电等离子体、离子注入、表面直接氟化的方法对环氧复合绝缘样品进行处理。研究不同处理方法对绝缘材料表面状况及高气压c-C4F8/N2混合气体中的负直流高压下闪络特性的影响。实验结果显示等离子体和离子注入方法对绝缘样品表面改性无法提高样品在高气压c-C4F8/N2混合气体中的沿面闪络电压，并且放电会直接破坏表面结构，导致绝缘失效；采用表面直接氟化处理的环氧绝缘样品，闪络电压有所提高。测量表明，表面氟化引起环氧复合绝缘材料表面电位降低，电位衰减加快，表面陷阱能级下降，陷阱密度随氟化时间加长而增加。通过研究认为，目前放电等离子体和离子注入方法处理绝缘材料表面，在技术上还需要完善。表面直接氟化处理环氧材料表面可以提高其在高气压下闪络特性，但是耐受放电次数的减少将制约它的应用。

苯硫醚聚酰亚胺电极覆膜材料合成及直流应力下对金属微粒运动特性的抑制作用4712-4721

摘要：金属微粒的有效治理是关乎直流气体绝缘输电线路（GIL）绝缘设计的重要问题。通过溶液缩聚-热酰亚胺化法制备含有苯硫醚结构的聚酰亚胺薄膜，同时利用红外光谱、热失重、差示扫描量热、介电谱和接触角等测试方法对聚酰亚胺薄膜的结构与性能进行表征，并构建金属微粒运动观测实验平台，测试直流应力下薄膜材料对金属微粒运动特性的抑制作用。结果表明，引入苯硫醚结构，可在保证热稳定性的同时有效提升聚酰亚胺薄膜与铝合金电极的粘附功，因而改性聚酰亚胺可作为直流GIL无胶电极覆膜材料，以提升其运行稳定性。当电极涂覆改性的聚酰亚胺薄膜时，可显著提高金属微粒在直流电场中的启举电压，这缘于引入的苯硫醚结构提高了薄膜的介电常数以及金属微粒与薄膜间的粘附功，使得金属微粒所受的粘附力和静电吸附力均有所提升，进而抑制了微粒在直流电应力下的运动行为。

基于氧同位素示踪法的电晕放电中H2O和O2对SF6分解气体形成的影响4722-4728

摘要：SF6气体绝缘电气设备发生放电故障时，SF6气体将分解为低氟硫化物，并进一步与H2O、O2等杂质反应，生成SO2F2、SOF2和SO2等气体。作为SF6气体放电的特征产物，H2O和O2直接参与SO2F2的生成过程，因此SO2F2的含量与H2O和O2密切相关。为此，本文在工频电晕放电实验基础上，基于氧同位素示踪法，通过注入不同含量的同位素H2 18O和18O2，分析了微量H2O和O2对SO2F2的三种同位素化合物S16O2F2、S18O16OF2和S18O2F2之间含量比值变化规律的影响，在此基础上进一步解释了SO2F2的形成机制。

直流升压条件下频率选择超材料流注放电特性4729-4738

摘要：频率选择超材料是一种理想的雷达罩材料，但其雷电屏蔽失效率较高，制约了这种材料的工程化应用。本文制备两种典型结构频率选择超材料，基于雷击放电过程中目标物附近的电场变化，设计直流升压条件下的超材料流注放电试验方法，从放电形貌、击穿电压和电荷沉积三个方面，对比研究两种超材料的放电特性，分析两种超材料的电场分布情况。结果表明，谐振环型超材料的击穿电压最高，细丝状放电较暗且密集，靠近接地位置的细丝状放电较多；耶路撒冷型超材料的击穿电压最低，细丝状放电较亮且稀疏。进一步分析发现，细丝状放电导致带电粒子积累到蒙皮表面形成表面电荷，表面电荷密度达上百μC/m2，在蒙皮内部产生与外加电场同向的电场，数值达几十kV/cm，显著提高了蒙皮内部电场强度，蒙皮在外加电场和表面电荷的双重作用下发生击穿。希望研究结果能够为超材料的雷电防护提供参考。

电工技术学报杂志电工理论

基于极限磁滞回线法的软磁复合材料磁特性模拟4739-4745

摘要：软磁复合材料由于其磁各向异性、低损耗、易加工、成本低等优点，在含有三维磁路结构的电磁设备（如球形电机、爪极电机、横向磁通电机等）中具有巨大的应用潜力，因此在电气工程领域引起了广泛关注。为准确模拟软磁复合材料在复杂磁化条件下的磁特性，本文提出基于Preisach磁滞模型的极限磁滞回线法。该方法通过Preisach平面几何描述和分离分布函数变量解决经典Preisach模型中分布函数难以确定的问题，只需要极限磁滞回线的数据就能够模拟包括主磁滞回线和多阶回转曲线在内的多种磁特性。根据模拟得到的不同压力作用下的一阶回转曲线族求出不同压力下所对应的分布函数，同时引入包含压力在内的分布函数表达式，使其能够考虑压力变化对材料磁特性的影响。最后通过与实验结果对比，验证极限磁滞回线法的有效性和正确性。

基于互质因子分解的感应电能传输系统双自由度H∞控制4746-4755

摘要：在感应电能传输（IPT）系统中，互感摄动和负载动态变化等问题严重影响着系统输出性能及稳定性要求。首先，基于SP-IPT系统的广义状态空间平均模型，分析系统的开环特性及参数扰动输出特性；然后，采用互质因子分解方式对存在右半平面零点的SP-IPT系统摄动模型进行描述；在此基础上，选择并定义双自由度H∞鲁棒控制的输入输出变量，推导出所对应广义对象的状态空间实现；最后，基于计算出的双自由度H∞鲁棒控制器进行仿真分析与实验验证。结果表明，在双自由度H∞鲁棒控制作用下，虽然闭环摄动系统的动态响应特性可能会偏离期望指标，但却能有效抑制互感及负载摄动对预设参考输入稳态跟踪特性的影响，满足系统鲁棒稳定性要求。

长源距随钻定向电磁波测井仪器频率和源距选择方法4756-4762

摘要：长源距远探测是随钻定向电磁波测井的发展趋势。如何在提高探测深度的同时拓宽地层探测范围是仪器设计需考虑的重要问题。本文基于磁流源并矢格林函数法研究了测井仪器接收线圈感应电动势对地层电阻率的敏感性，提出频率和源距的选择方法。在此基础上研究仪器界面距离和电阻率对比度对接收线圈感应电动势旋转变化特性的影响。搭建长源距定向测井缩比模型实验平台，开展不同电阻率对比度时接收信号旋转变化特性实验研究，验证了频率和源距选择方法的正确性。该方法可为针对不同地层合理选择线圈系参数并拓宽地层电阻率探测范围提供依据。

电工技术学报杂志电力电子

一种非隔离交错工作的高降压比DC-DC功率变换器4763-4770

摘要：传统Buck变换器受降压比限制，并不适用于高降压场合。基于此，提出一种高降压比DC-DC变换器，在适当的占空比下，能够实现高降压比。其主要通过隔直电容分压来降低开关管和二极管的电压应力；电感电流频率与开关频率是整数倍的关系，有利于减小电感体积和电流纹波，提高功率密度；具有良好的可扩展性，可以简单地通过增加或减少开关管与Buck回路的数量来调节降压范围。最后，给出该变换器的工作原理以及各相关参数的计算，并在此基础上进行仿真和实验，结果证明了理论分析的正确性。

一种开关频率固定的输出可调型有源钳位正激双向谐振变换器4771-4779

摘要：提出一种开关频率固定的输出可调型有源钳位正激双向谐振变换器。不同于传统有源钳位技术，该变换器中的单个有源钳位电路为两个变压器去磁，以简化电路结构，并提供谐振回路实现能量反向传递。同时，输入串联输出并联结构可分担输入电压，减轻单个器件电压应力。采用交错并联PWM的控制策略，以减小输入电流纹波。该变换器开关频率固定，可避免传统调频方式中存在的磁性元件、同步整流驱动设计困难等问题，且具有一定的输出电压调节能力。此外，利用谐振原理，该变换器可实现开关管的零电压开通以及二极管的零电流开关，提升变换效率。详细分析开关频率固定的输出可调型有源钳位正激双向谐振变换器的工作原理以及稳态特性，最后搭建了一台43～53V输入、24V/1.8A输出的实验样机，实验结果验证了理论分析的正确性。

一种输出并联型CLTCL多谐振软开关直流变换器4780-4789

摘要：提出一种输出并联型CLTCL多谐振软开关直流变换器拓扑，采用双变压器结构且高频变压器二次侧并联，谐振腔内包含多个电容、电感谐振元件。通过合理参数设计，变换器在额定工况下能够同时传递基波和3次谐波有功功率，提高谐振电流利用率，保证较高效率变换，在狭窄的频率范围内实现直流电压增益宽范围可调。功率开关管具有零电压开通（ZVS），二极管同时实现开通、关断过程的零电流软开关（ZCS）或近似零电流，开关损耗得到抑制。双高频变压器的漏感均被相应串联谐振电感吸收，参与谐振过程，寄生参数给电路带来的不利影响被成功削弱。本文基于一台500W的样机进行实验验证，结果表明变换器能够在较宽的负载范围内获得接近95%的较高效率，最高效率点为95.4%；在额定点附近20%的频率范围内实现电压增益从半额定值至额定值可调的有益效果。

不平衡负载条件下三相四线制并联逆变器的下垂控制4790-4801

摘要：当微电网孤岛运行时，不平衡负载的接入不仅会造成逆变器输出电压畸变，也会影响多逆变器并联运行的功率均分。首先分析不平衡负载造成三相逆变器输出电压畸变的根本原因。在此基础上，结合分裂电容三相四线制拓扑和三维空间矢量脉宽调制（3D-SVPWM），提出一种零轴控制策略，实现输出电压零序分量的抑制和分裂电容的均压控制；同时，采用准谐振控制实现对输出电压负序分量的抑制。针对基于下垂控制的多逆变器并联运行情况，详细分析不平衡负载对输出功率均分的影响和基本关系，提出一种改进分序虚拟阻抗下垂控制方法，基于二次广义积分构造虚拟阻抗来减小各序分量下输出阻抗的差异，有效解决了不平衡负载造成的输出负序功率和零序电流无法均分的问题。仿真和实验结果验证了所提出方案的有效性。

级联型逆变器载波循环功率均衡控制方法及比较4802-4812

摘要：在级联H桥型逆变器中，载波同相层叠（PD）调制策略虽然输出线电压具有最优的谐波特性，但无法实现级联单元间输出功率均衡。针对这个问题，提出两种基于PD；调制策略的载波循环功率均衡控制方法，所提方法在改进型PD调制策略的基础上，通过对载波进行周期性的循环移动，可以有效实现级联单元间的功率均衡控制，且保留了PD调制策略下逆变器输出电压谐波特性最优的特点。以三单元级联H桥逆变器为例，首先对改进型PD调制策略下级联单元输出功率特性进行数学推导；其次分析两种所提功率均衡控制方法实现机理并对其特性进行比较，揭示两种功率均衡控制方法的优缺点以及适用场合。最后通过仿真和实验结果验证了理论分析的正确性与所提方法的可行性。