电气工程

王金锋，李彦雄，刘志民，等

电气工程

温度对聚乙烯水树枝老化特性的影响

王金锋，李彦雄，刘志民，等

目的：温度对聚合物水树枝老化特性影响及作用机理的研究工作相对较少，且得到的结论不统一。试验条件的不同会导致试验出现不同的结果，所以本文采用IEC标准研究不同温度下聚乙烯中水树枝的老化特性。方法：本文选用低密度聚乙烯、过氧化物交联聚乙烯作为试验材料。在室温（20℃）、40℃、60℃、80℃ 4个温度下，采用水针电极法培养水树枝，用金相显微镜观测水树枝形态，并统计水树枝尺寸和引发率。本文还测定了四个温度下材料的力学拉伸性能，结合水树枝的引发生长机理，对不同温度下水树枝的老化特性进行了讨论和分析。同时对两种材料进行了结晶度测定和结晶形态观测，结合结晶形态对水树枝老化特性的影响，分析了XLPE抗水树枝化性能优于LDPE的原因。研究表明，电致伸缩力和材料微孔中水分的膨胀力会导致材料发生老化，是影响材料水树枝性能的重要因素。结果：水树枝老化实验发现，温度对PE水树枝老化特性影响显著。随温度的升高，水树枝的引发率先减小后增大，水树枝的尺寸总体呈现增大的趋势；LDPE和XLPE的实验得到类似的结果，但XLPE的抗水树枝化性能优于LDPE。力学拉伸实验发现，随温度的升高，两种材料的弹性模量、拉伸强度、拉伸断裂应力和拉伸屈服应力大幅下降。结晶度测定和结晶形态观测的结果表明，XLPE的晶块小而密，LDPE的晶块大而疏。结论：（1）基于不同温度下 PE的力学拉伸性能分析，随温度的升高，材料分子链的运动加剧，机械性能下降。随温度的升高，材料内部气隙中的水分被加热汽化膨胀，在椭球形的气隙中产生较大压力，并对长轴方向的介质施加压力、对短轴方向的介质施加张力；同时交变电场驱使极性电解液对介质产生电致伸缩力，电致伸缩力使材料产生机械疲劳，使材料的机械强度下降。当材料的机械强度不能抵御汽化膨胀力和电致伸缩力二力的合力时，材料产生明显纹状弱区。水分反复迁移、膨胀和挤压介质，使材料纹状弱区沿电场方向不断发展。温度越高，材料本身机械性能的下降和微孔中水分的加速汽化均导致该纹状弱区愈加显著，水树枝引发和发展更加容易。通过分析可知，材料的机械变形是水树枝的引发和发展的主要原因之一。采用高韧性不易开裂材料应该能提高材料的抗水树枝老化性能。（2）PE晶区密度（约1.00 g/cm3）高于无定形区（0.85 g/cm3），无定形区的微孔数远远高于晶区。PE是半结晶聚合物，其结晶过程本身也是一个纯化过程。结晶的排渣作用导致微孔和杂质在晶块表面聚集。当晶块尺寸大、数量少时，晶界附近会聚集大量的微孔和杂质。杂质聚集导致材料中电场畸变，从而容易引发水树枝，大量聚集的微孔也容易成为水树枝生长的通道。晶块尺寸大、数量少时，晶块表面的微孔和杂质相对集中，有利于水树枝的引发和生长；而当试样的晶块尺寸小、数量多时，晶块表面的微孔和杂质相对分散，不利于水树枝的引发和生长。研究发现：当晶块的尺寸大数量少时，水树枝的生长速度较快；当晶块的尺寸小数量多时，水树枝的生长速度较慢。交联键会限制PE中大晶块的形成，促使材料形成小而密的晶块，结晶形态观测结果也证明了这一点。XLPE电力电缆持续工作温度为 80～90℃，也就是说在80℃及以下温度晶块并未融化。水树枝是由一连串沿电场方向排列的充满水的微孔相互连通形成。在潮湿环境下，由于水分的渗透、凝结作用，材料中的微孔会充满水分。电场力和机械残余应力迫使材料机械疲劳而形成有利于水分沿电场方向迁移的纹状弱区，水树枝易于沿该弱区引发并持续发展。材料的力学性能测试显示，XLPE的拉伸强度、断裂伸长率、拉伸断裂应力和拉伸屈服应力等机械性能明显优于LDPE，表明在汽化膨胀力和电致伸缩力相同的情况下，XLPE较LDPE不容易产生纹状弱区，因此XLPE中水树枝的引发和生长也较LDPE困难。综上所述，小而密的晶块结构和较好的力学拉伸性能是XLPE抗水树性能优于LDPE的主要原因。

来源出版物：高电压技术, 2012, 38(1): 181-187

入选年份：2015

向无源网络供电的模块化多电平换流器型高压直流输电系统控制器设计

王卫安，桂卫华，马雅青，等

摘要：向无源网络供电的 VSC-HVDC系统是一个研究热点，但都只是针对2 dB／3 dB拓扑结构VSC进行研究，对MMC这种新型拓扑结构的VSC-HVDC却没有相关文献报。模块化多电平换流器型高压直流输电（MMC-HVDC）系统向无源网络供电是MMC-HVDC技术的一个重要应用领域，因此有必要对向无源网络供电的MMC-HVDC系统的控制器进行设计，为此，基于MMC拓扑结构，推导了MMC数学模型，并由此设计了整流侧和无源网络侧的控制器，仿真结果验证了所设计控制器的正确性，且表明MMC-HVDC系统向无源网络供电是一种比较理想的输配电方式。本文做了如下 4个典型的暂态扰动试验：无源网络负荷变化时的扰动试验；整流站无功功率指令值变化时的扰动试验；无源网络交流母线电压指令值变化时的扰动试验；无源侧交流系统频率变化时的扰动试验。在0.5 s时，得到的暂态响应特性曲线，可以看到：无源网络投入负荷后，系统传输的有功功率增加，因此两端换流站直流电压差值增大，而无功功率不变；两端换流器阀侧交流电压受负荷变化的影响很小，幅值基本维持不变。综合仿真结果可知：（1）所设计的控制器具有很快的响应速度和控制稳定性，在不同的运行工况下，各个被控量都具有很高的稳态控制精度。（2）整流站控制器能够实现有功功率和无功功率的独立控制，其无功功率指令的阶跃变化对无源网络系统几乎没有影响。（3）定交流电压控制器具有很好的控制无源网络交流母线电压的性能，从而提高了无源网络交流母线电压的稳定性。（4）本文所改进的锁相环电路能精确地检测无源网侧交流频率的变化，并与之同步；无源侧交流系统频率变化不会引起无源侧交流母线电压幅值的波动，这些使得MMC-HVDC系统很适合向频率不稳定的无源网络供电。5）无源侧各种扰动对整流侧交流母线电压影响很小，从而提高了有源交流系统电网电压电能质量。

来源出版物：高电压技术, 2012, 38(3): 751-761

入选年份：2015

MgO/LDPE纳米复合材料制备及其空间电荷特性

徐明忠，赵洪，吉超，等

摘要：目的：为降低低密度聚乙烯的空间电荷积累，在自制纳米 MgO粉体的基础上，采用熔融共混法，制备氧化镁／低密度聚乙烯（MgO/LDPE）纳米复合材料，并研究其空间电荷特性。方法：自制纳米 MgO粉体，将其与LDPE混合，制备MgO/LDPE纳米复合材料。通过扫描电镜（SEM）观察纳米MgO复合材料中的纳米MgO粒径大小和分散情况，采用差热扫描量热法（DSC）确定不同纳米 MgO质量分数复合材料的结晶度，采用电声脉冲法（PEA）测量不同纳米 MgO质量分数复合材料的空间电荷分布，测量不同纳米 MgO质量分数复合材料的拉伸性能。结果：SEM测试发现，当复合材料中纳米MgO的质量分数为1%和3%时，MgO分散均匀，几乎没有团聚，平均粒径约为50 nm。DSC测试发现，MgO质量分数为2%的复合材料的结晶性能最好，复合材料的结晶度随着纳米 MgO质量分数的增加出现先增大后减小的趋势，并都高于纯LDPE的结晶度。PEA测试分析发现，MgO质量分数为2%和3%的复合材料注入的电荷量要明显低于MgO质量分数为1%的复合材料的空间电荷量，MgO质量分数为3%时，空间电荷得到较好的抑制。试验结果：在40 kV/mm场强下加压10 min，由于纯LDPE注入了较多的同极性空间电荷，试样内部场强发生较大畸变，加入纳米MgO粒子的复合材料，对空间电荷有明显的抑制作用，纳米 MgO粒子有效地改善了试样内部的场强分布。随着MgO质量分数增加，纳米复合材料的弹性模量和拉伸强度在 MgO质量分数为1%和2%时增加，而后随着MgO质量分数的增加略有降低，在 MgO质量分数为2%时弹性模量达到最大值135.14 N/mm2，拉伸强度达到最大值11.53 N/mm2，弹性模量和拉伸强度均高于纯 LDPE。结论：（1）自制了具有空间电荷抑制效应的纳米 MgO粉体，并采用熔融共混法，成功制备了 MgO粒径为50 nm且分散均匀的MgO/LDPE纳米复合材料。（2）当MgO质量分数为2%时，复合材料的结晶度最高，为60.9%，当MgO质量分数继续增大时，结晶度略有下降，但是不同 MgO质量分数复合材料的结晶度均高于纯LDPE。（3）纳米MgO复合材料可以有效地抑制电荷的注入和其在材料内部的迁移，降低材料内部的空间电荷量，当质量分数为3%时，空间电荷抑制效果良好。（4）MgO质量分数为2%时，复合材料的弹性模量和拉伸强度最高，当MgO质量分数继续增大时，弹性模量和拉伸强度略有下降，但是不同 MgO质量分数复合材料的弹性模量和拉伸强度均高于纯LDPE。

来源出版物：高电压技术, 2012, 38(3): 684-690

入选年份：2015

直流配电网研究现状与展望

江道灼，郑欢

摘要：目的：目前采用的交流配电网最大优势在于电压变换十分容易，其在线路保护方面亦比直流系统成熟得多，但面临适应分布式新能源（电源）接入、负荷与用电需求多样化、潮流均衡协调控制复杂化，以及线路损耗大、供电走廊紧张、电能质量及其供应稳定性、高效性、经济性等等一系列挑战，迫切需要改变现有的配网结构和配（供）电方式。相较交流配电网，直流配电网具有供电容量大、线路损耗小、电能质量好、无需无功补偿，以及适于各类电源及负载接入等优点。目前国内外对于直流配电网的研究刚刚起步，大量理论与技术问题还有待深入研究、解决。本文分析直流配电（相对交流配电）的特点、优势及其实用意义和应用前景，提出直流配电网的整体概念及拓扑结构，并对直流配电网的规划设计、调度控制、继电保护与关键设备的研究情况进行了总结。方法：首先，从直流配电网的供电容量（供电半径）、电能质量、线路损耗、能量传输效率、供电可靠性、节能降耗及直流配电到户的可行性，以及清洁能源、储能电站、电动汽车的便捷接入等七个方面论述直流配电（相对交流配电）的特点和优势；其次，从网架结构、电能流向及与多端直流输电的对比3个方面分析直流配电网的基本拓扑结构及其特点与优势，并对直流配电网的规划与设计（接地方式、电压等级选择、储能设备优化布点及容量配置等）、调度与控制（调度方案与协调控制策略）、安全运行与保护、关键设备研制等方面的研究情况进行总结；最后，指出了直流配电网优化调度、故障诊断与定位、直流断路器等尚需深入研究的问题。结果：国外研究资料表明，与交流配电网相比，直流配电网在输送容量、可控性以及提高供电质量等方面具有更好的性能。在线路建造费用及占用走廊宽度相同情况下，直流线路的传输功率约为交流线路的1.5倍；当直流系统线电压为交流系统两倍时，直流配网的线损仅为交流配网的15%～50%；直流配电网中储能电池的广泛配置可有效解决电压闪变等电能质量问题，且直流配电网中的VSC变流器可以起到STATCOM的作用，以改善交流母线乃至用户侧电压稳定性；直流配电网更便于清洁能源、储能电站、电动汽车、储能装置的接入，众多办公与家用电器设备采用直流供电实际上更为方便、节能；在能量传输效率方面，尽管直流配电网中的变流器等的效率不如交流变压器高，但直流配电线路的损耗远低于交流配电线路，因此从总体传输效率看二者相差并不大，而随着电力电子技术与器件的不断发展，变流器的通态损耗与开关损耗将不断降低，因此直流配电网的总体传输效率仍存在上升的空间。目前，直流配电网的各方面技术尚不成熟，需要进一步深入研究。在规划设计方面，接地方式和电压等级的具体选择方法至今尚没有定论，直流配电网领域的研究亦尚未涉及储能设备的优化布点及容量配置；调度控制方面，目前的直流配电网研究更倾向于与柔性多端直流输电系统采用相似的协调控制策略；安全运行与保护方面，直流配电网的保护方案尚不成熟，准确的故障定位仍然是直流配电网研究的重点和难点之一；关键设备方面，中高压直流变压器、断路器等的工程应用仍然存在困难，VSC变流器、直流电缆等仍需进一步深入研究与工程优化设计，此外应开展适用于直流配网的用户级系列接口设备（直流开关、直流插头和插座等）的研发。结论：相较交流配电网，直流配电网具有诸多优点，因此兼具可靠性、安全性、稳定性、经济性的直流配电网具有巨大的市场潜力和研究价值。目前，直流配电网及其相关技术还存在大量问题尚未解决，借鉴已有的舰船直流电力系统、电信设备配电系统、电力机车牵引配电系统、直流输电系统和直流微网等相关成熟技术，对直流配电系统做出更广泛、深入的探索和研究。

来源出版物：电力系统自动化, 2012, 36(8): 98-104

入选年份：2015

频率搅拌混响室场均匀性与搅拌带宽选取方法分析

刘逸飞，陈永光，王庆国，等

摘要：混响室作为一种新兴的电磁兼容测试场地近年来发展迅速，频率搅拌作为混响室传统机械搅拌的一种替代方式，具有增大测试空间、减小测试时间等特点，尤其在屏蔽效能等测试场合优势明显。为便于分析混响室频率搅拌的工作原理，可将混响室等效为一个矩形谐振腔，根据其内部的电磁分布表达式可知三维谐振腔的模频率并不连续，由于混响室存在损耗，低于工作频率的各模式都会激发出来，其中落在品质因数带宽内的电磁模式集中了大部分的能量，这些电磁模式的叠加对混响室内的场分布起到了主要作用。大量电磁模式的叠加会使得混响室内的场趋于均匀，当工作频率发生变化时，相应的落在该品质因数带宽下的电磁场模式和各模式能量的分布都会发生变化，因此工作频率在一定范围内变化时，能够实现统计均匀的场环境。混响室工作在频率搅拌方式下，工作频率在多大的带宽内变化，即搅拌带宽的选取是使用前必须确定的一个关键参数。为此，在某型混响室内利用矢量网络分析仪对频率搅拌方式下的场均匀性与搅拌带宽选取进行了试验验证。试验配置使用的混响室体积为10.5 m×8 m×4.3 m，最低可用频率为80 MHz；收、发天线在25～150 MHz低频段使用双锥天线，在500 MHz～1.5 GHz频段内采用对数周期天线。试验过程中搅拌器始终静止，保证测试结果不受边界条件改变的影响。在两个频段下的测试结果可以看出，当工作频率在25～80 MHz时，S21参数随频率上下波动并逐渐增大，因为混响室工作在少模状态，当工作频率高于80 MHz时，S21的值基本在﹣20 dB处随机上下波动，此时符合了混响室在频率搅拌方式下的工作特性。这也说明在同一混响室下采用频率搅拌方式与机械搅拌的最低可用频率基本相同。应用图3中的数据对搅拌带宽的合理选取进行检验，在各频点处分别选取5、10、20、30、40 MHz的搅拌带宽取对数据取平均，结果可以看出增大搅拌带宽会使 S21曲线变得平滑，混响室场环境的统计均匀性越好。原因是选用的带宽越大所包含的独立样本数越多，计算得到的均值会越精确。当搅拌带宽增大为30 MHz时，S21的曲线就变得比较平滑。需要注意的是，搅拌带宽并不是越大越好，为保证测试频率的分辨率，在满足场均匀性的同时，搅拌带宽的选取应尽可能的小。进一步在600 MHz、800 MHz、1 GHz、1.2 GHz、1.4 GHz频点下，对混响室测试区域8个顶点的S21在不同搅拌带宽下的均值进行比较，当搅拌带宽达到30 MHz时，各测试点的电场均值波动小于3 dB，场均匀性满足了要求。

来源出版物：高电压技术, 2012, 38(9): 2354-2359

入选年份：2015

环境湿度对硅橡胶材料憎水迁移性的影响

关志成，牛康，王黎明，等

摘要：近些年来，硅橡胶复合绝缘子凭借良好的耐污闪能力，被广泛应用于电力系统中。而硅橡胶材料表面的憎水性和其特有的憎水迁移性，是硅橡胶复合绝缘子具有优异耐污闪特性的根本原因。环境湿度对硅橡胶材料的憎水迁移特性有较大的影响，进而对硅橡胶复合绝缘子的耐污闪能力产生巨大影响。本文应用OCA20静态接触角测试仪，采用测量静态接触角的方法，对染污表面的憎水性进行定量分析。首先，利用干燥剂、NaCl、KCl、KNO3、K2SO4、蒸馏水等作为添加物，分别在密闭环境中创造出相对湿度稳定在25%、75%、85%、95%、100%的小环境。通过在不同迁移时间内测量染污表面硅橡胶材料的静态接触角，研究了采用人工污秽试验常用的高岭土和硅藻土，特别是高岭土中含有各类常见可溶物质时，染污表面的憎水迁移特型曲线。通过研究，本文得出以下一些结论：1）硅橡胶表面污秽仅为高岭土和硅藻土，相对湿度对硅橡胶憎水迁移性的影响取决于惰性物质的吸水性。高岭土的吸水能力较强，相对湿度对憎水性迁移特性影响大。硅藻土的吸水能力较弱，相对湿度对憎水迁移性的影响较小，只有在高湿度条件下有一定的影响。2）当污秽中含有NaCl时，相对湿度对硅橡胶憎水迁移性有很大的影响。尤其是在高湿度情况下，由于 NaCl的吸水性，硅橡胶表面憎水性向污层迁移会受到极大的抑制。3）对于污秽中含有可溶物质的情况，存在一个临界相对湿度值，在此湿度值以上，表面污层受潮严重，憎水性向污层迁移的速度急剧下降，迁移达到的饱和静态接触角急剧下降到仅为 20°左右。对于不同种类的可溶物质，其临界相对湿度不同。吸水性极强的可溶物质（如糖分）的临界相对湿度较低，为60%以下；吸水性较强的盐（如NaCl）的临界相对湿度较高，为85%～89%；吸水性较弱的盐（如CaSO4）的临界相对湿度值很高，为90%～95%。复合绝缘子在电网中的运行位置不同，环境存在巨大差异，其表面的污秽成分也各不相同。总体来讲，环境湿度对染污硅橡胶材料表面的憎水迁移特性的影响和表面不溶物质和可溶物质的吸水性有很大关联。不溶物质和可溶物质的吸水能力强，则硅橡胶材料的憎水迁移性就相对较慢，尤其是在高湿度条件下；反之，不溶物质和可溶物质的吸水能力弱，则硅橡胶材料的憎水迁移性就相对较快，且环境湿度越低，憎水迁移性就越快。

来源出版物：高电压技术, 2012, 38(8): 2030-2036

入选年份：2015

电子式互感器性能检测及问题分析

刘彬，叶国雄，郭克勤，等

摘要：电子式互感器在中国的试点运行过程中的可靠性和稳定性较差，故障率较高。为促进电子式互感器关键技术的研究，提升产品质量和性能，提高电子式互感器运行的可靠性、稳定性和精确度，进一步完善技术标准，促进电子式互感器的工程应用，对 41台不同结构原理的电子式互感器进行了性能检测。检测内容包括国家标准要求的部分例行试验和型式试验，并专门针对电子式互感器可靠性、稳定性和精确度设置了特殊试验项目，分别为：基本准确度测试、温度循环准确度测试、电磁兼容试验、可靠性评估、隔离开关分合测试。结果表明：检测结果中的主要故障类型与实际运行故障基本一致，电子式互感器产品质量与供应商的研发能力、质量控制能力基本一致，部分电子式互感器的性能有待进一步提高；无源电子式互感器受环境温度和振动影响较大，在恶劣环境下的长期稳定性和可靠性也没有严格的论证和考核，因此试验中应增加专门针对产品的长期稳定性和可靠性的要求；试验中应提高对温度循环试验要求，对产品整个升温或降温过程进行监控，以便更好地掌握产品的温度特性；应提高现有电磁兼容标准要求，电磁兼容需针对产品的所有电子线路部分进行，尤其需要重点考核产品在高电压或大电流下的电磁兼容水平；制造单位应高度关注关键设备外协配套件的管理，采用质量优良的外协器件；加强电子式互感器的关键技术，包括基础研究、工艺控制、产品性能等方面的研究；通过开展电子式互感器性能检测、宣传关键设备生产质量控制的成功经验、组织技术交流研讨等一系列工作，共同分析解决电子式互感器在检测试验、现场运行中出现的问题，有利于引导制造企业改进产品设计、完善生产流程、提高产品标准、提升产品质量，推动电子式互感器的健康发展。

来源出版物：高电压技术, 2012, 38(11): 2972-2980

入选年份：2015