摘要：为支撑复杂应力环境下新能源电力系统装备绝缘可靠设计与状态评估,该文提出一种具备高时空分辨潜力的光电子学空间电荷测量方法,并构建了光-电-机械电荷测量信号传变转换模型。模型分析指出,电荷受太赫兹脉冲电场扰动所产生的弹性波大小与平衡探测器所检测光强差近似成正比。针对测量传感器部分,结合分子动力学模拟,提出以SU-8胶为基体、羟基化石墨烯为掺杂分子的传感器材料改性设计思路,并基于光刻工艺,完成了高可靠弹光传感器的研制。进一步,搭建椭偏传感探测系统对所研发传感器开展了测试验证。实验表明,平衡探测器输出电压与传统电声脉冲压电传感模块输出量级一致,均为mV量级。同时,所研发弹光传感器可实现kHz级重复弹性波与飞秒脉宽脉冲弹性波的追踪测量,相较于压电传感模块,测量波形光滑且无畸变,具备较高的测量可靠性,可应用于光学测量方法。

摘要：石墨烯(graphene,Gr)因其优异的性能而被广泛作为金属基材料增强相,但目前石墨烯对铜钨合金(Cu W)耐磨损性能的微观作用机制仍不清晰。该文基于分子动力学模拟方法,针对Cu W“假合金”的特点,应用粒子群算法建立Cu W80和掺杂不同质量分数石墨烯的CuW80Gr复合模型。基于该模型在LAMMPS下计算温度300~3000K范围内的弹性模量,通过纳米压痕模拟计算模型的硬度,从微观位错动态演变过程分析石墨烯对Cu W80Gr复合模型耐机械磨损性能的增强机制。结果表明:Cu W80Gr模型的弹性模量与硬度均比Cu W80高,且均表现出随着石墨烯质量分数增大而降低的趋势,石墨烯的引入有助于解决断路器在开断关合过程中由于高温引起的机械性能下降问题,石墨烯对CuW复合材料的增强机制为屏障作用与位错强化。研究结果可为铜钨合金复合材料的掺杂优化设计、遴选与性能调控提供理论指导和技术支撑。

摘要：金属微粒是引发交流GIS绝缘故障的主要原因之一,微粒陷阱作为抑制微粒运动的关键组件,尚缺乏微粒抑制机制与定量设计方法。文中搭建了真型GIS微粒陷阱捕捉过程观测平台,分析了微粒陷阱的捕捉机制,微粒陷阱对底部电场强度的抑制作用以及微粒运动的高度分布是影响微粒陷阱捕捉效果的关键因素。基于陷阱捕捉机制定义了微粒陷阱的危险系数,以评估微粒陷阱对不同特征微粒的捕捉能力,进一步建立了考虑微粒荷电碰撞运动特性的微粒陷阱捕捉过程仿真模型,仿真计算了不同参数微粒陷阱的危险系数与捕捉概率,获得了微粒陷阱的最优尺寸。提上高度为4 mm的110 k V微粒陷阱与提上高度为6 mm的220 kV微粒陷阱具有最佳的微粒抑制效果,最后通过实验验证了仿真优化结果的有效性。提出的微粒陷阱优化设计方法可为不同电压等级的陷阱设计提供定量指导。

摘要：石墨烯因出色的功能特性被用于金属基材料的增强相,但目前对于石墨烯增强铜钨(copper-tungsten,CuW)合金电触头抗烧蚀性能的微观作用机制尚不清晰。该文通过粒子群优化算法构建符合“假合金”结构的CuW80复合材料模型以及掺杂不同质量分数的CuW80Gr复合模型。引入双温模型–分子动力学方法,建立考虑晶格振动和自由电子热传导效应的CuW合金电弧烧蚀模型,并针对材料局部物理状态提出评估烧蚀程度的微观表征量,从材料内部固–液相变动态演变过程分析石墨烯对CuW合金复合材料的微观增强机制。结果表明,CuW80Gr模型的损失质量与电弧侵蚀深度均比CuW80低,且随石墨烯质量分数增大呈下降趋势,其中在100ps时刻,CuW80Gr0.15%的损失质量较CuW80降低10.66%,电弧侵蚀深度降低92.56%。石墨烯对CuW80Gr合金的增强机制,主要体现为Cu相热传导能力的加强,使得热流通过Cu相将能量更快地传导至基体深处,从而减少表面原子的蒸发飞溅和电弧对W骨架的侵蚀。结果可为石墨烯增强铜钨合金电触头的抗烧蚀性能的优化设计和性能调控提供理论依据与技术支撑。

摘要：为支撑大功率电力电子装备绝缘可靠设计与状态评估,本文基于椭圆偏振原理与太赫兹波的高信噪比窄脉宽特性,提出了适用于复杂电应力下的固体电介质空间电荷反射与透射法光学测量方案,推导构建了电荷信号传变过程的数学表征模型,对比指出两种方案下探测光光强差与电荷信号幅值近似成正比,且当反射法入射角大于0.29°时测量灵敏度更高。进一步搭建两种方案的椭圆偏振测量系统开展实验研究,结果验证了反射法测量比例系数高于透射原理,同时选用熔融石英晶体作为传感器材料时灵敏度和稳定性较高,且测量线性度误差与重复性误差均低于5%。本文工作将为空间电荷高时空分辨率测量系统的拓扑设计提供前期基础。

摘要：以高频电力变压器等为代表的新型电力系统装备面临大容量化、紧凑型发展需求,但装备多层复合绝缘材料中的电荷积聚问题严重影响其安全稳定运行,基于电声脉冲法测试空间电荷分布有利于分析其时空演化特性,但测试系统中的复杂声波透射与反射过程直接影响多层介质的电荷结果分析。本文基于电声脉冲测试信号传递和基本传输线系统中信号传播的相似性,提出了电声脉冲系统的等效表征原理,并结合与实验测量波形的一致性模拟结果验证了模型的可靠性。进一步,基于所构建传输线模型,开展了多层绝缘介质下的电荷仿真模拟,研究表明介质及吸声材料厚度是影响多层介质电荷测量结果的关键因素。基于此,提出了适用于多层介质的电声脉冲法测量遴选标准,所提出方法可有效减少声波反射对测量结果的影响。同时,针对声阻抗匹配程度对测量结果的影响作用机制开展研究,模拟结果表明:当半导电电极与试样声阻抗不相等时,将改变界面处的声波产生系数,进而影响上电极界面侧的被测信号幅值;而当传感器与背衬吸声部分的声阻抗不相等时,则会导致所测结果中所有界面处电压波形发生畸变,出现波形展宽和拖尾的情况。本文相关工作可为多层介质电声脉冲测量实验设计与波形恢复提供相关指导。

摘要：高频电力设备的绝缘老化行为受电压参数和环境温度等多个因素的共同影响。为了探究这些影响因素的主次顺序以及因素间的交互作用,基于正交实验设计理论,采用高频正弦电压和球-板电极结构,研究了聚酰亚胺绝缘寿命随电压频率(5~30 kHz)、幅值(1.5~3.0 kV)和环境温度(13~180℃)的变化情况。结合极差分析、方差分析和关系图法讨论了3个因素对绝缘寿命的影响程度及其交互作用的大小顺序,并分析了因素水平变化对电、热应力耐受系数以及多因素协同作用效果的影响。结果表明:频率和幅值对绝缘老化的加速作用接近,且远大于温度的影响;同时,频率和幅值的交互作用最大,其次为幅值和温度、频率和温度的交互作用;交互作用的存在使材料对某一因素的耐受系数随着其它因素水平的提高而降低,并且多因素共存时的协同作用要弱于各因素独立作用的叠加效果。该研究方法为分析多因素耦合作用下的绝缘老化行为提供了一种新思路。

摘要：为支撑复杂应力环境下大功率电力电子装备绝缘可靠设计与状态评估,该文提出一种基于弹光效应的固体电介质空间电荷光学测量方法,并构建信号传变模型。模型分析指出,平衡探测器光强差变化与电荷受扰动所产生弹性波的幅值变化近似成正比关系。接着,基于所构建椭圆偏振测量平台与传感器耦合模型对该探测系统的可行性与空间分辨特性开展实验验证。结果表明,所提探测方法可实现皮秒级脉宽弹性波的追踪测量,具备实现空间电荷高时空分辨的潜力。

摘要：风机叶片雷击损伤事故严重威胁风电场正常运行,传统分析方法无法给出叶片表面任意点雷击概率,现有叶片防雷系统设计尚无成熟理论作为指导。该文基于上行先导起始物理机制,提出了风机叶片表面任意位置雷击概率计算方法,建立了风机叶片雷击概率评估模型。考虑不同叶片姿态、下行先导侧面距离、接闪器布置方式等因素,分析了1.5MW典型风机在不同工况下雷击概率分布,并与试验结果相对照,验证了模型的有效性。结果表明：接闪器保护范围随叶片角度变化而变化,呈现不对称的特点,雷电下行先导侧面距离对接闪器保护范围的影响具有方向性,叶尖接闪器的防护效果优于叶身接闪器。该评估模型可为叶片防雷系统优化设计提供理论分析工具。