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计及硅橡胶应力松弛的电缆接头界面压力演变仿真研究

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高电压技术 2024年第3期50卷 1043-1052页

作者：伊德伦郑莹莹蒋浩月高建武康宁李建英西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室西安710049

高压电缆中间接头的电气性能与其硅橡胶-交联聚乙烯界面压力的大小密切相关。为探究实际电缆接头界面压力的演变规律,开展了考虑老化过程中硅橡胶应力松弛现象的220 kV电缆中间接头界面压力仿真研究。首先综合电缆接头处物理场特点建立... 详细信息

高压电缆中间接头的电气性能与其硅橡胶-交联聚乙烯界面压力的大小密切相关。为探究实际电缆接头界面压力的演变规律,开展了考虑老化过程中硅橡胶应力松弛现象的220 kV电缆中间接头界面压力仿真研究。首先综合电缆接头处物理场特点建立有限元模型,确定了电缆中间接头硅橡胶-交联聚乙烯界面的初始压力分布情况;其次通过力学理论计算的解析解以及预置压力传感器的实测结果对有限元分析结果进行验证;之后结合硅橡胶的热机械老化实验结果,提出一种将老化过程中硅橡胶应力松弛转化为过盈量变化的方法,得到了考虑老化过程中应力松弛与弹性模量变化的多参量有限元分析方法,并成功应用于电缆中间接头绝缘硅橡胶-交联聚乙烯界面压力的分析。分析认为,硅橡胶的老化同时导致应力松弛和弹性模量增大。综合考虑弹性模量和应力松弛的仿真结果表明:对中间接头硅橡胶在100℃、125℃、150℃下分别经过2040 h、1680 h、1200 h热机械老化后,界面压力从0.156 MPa分别下降到0.129 MPa、0.125 MPa、0.107 MPa。这说明应力松弛对于界面压力的影响更显著,界面压力随着老化时间的增加而下降,同时温度升高会显著加快中间接头界面压力的衰减过程。该文研究结果可为提升电缆中间接头设计与运行可靠性提供理论依据。

关键词：电缆中间接头界面压力有限元分析热机械老化应力松弛硅橡胶

高压电缆绝缘低密度聚乙烯交联过程中级数和自催化反应的逆向调控

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电工技术学报 2024年第1期39卷 13-22页

作者：李加才尚恺司志成王诗航李盛涛电工材料电气绝缘全国重点实验室(西安交通大学) 西安710049

在保证交联度的前提下提升耐焦烧性能是进一步发展国产高压电缆低密度聚乙烯绝缘料的关键之一。焦烧和交联度本质上是交联反应及其结果的反映,该文基于高分子化学流变学和凝胶理论,提出了绝缘料耐焦烧性能的定量表征方法,结合实验分析... 详细信息

在保证交联度的前提下提升耐焦烧性能是进一步发展国产高压电缆低密度聚乙烯绝缘料的关键之一。焦烧和交联度本质上是交联反应及其结果的反映,该文基于高分子化学流变学和凝胶理论,提出了绝缘料耐焦烧性能的定量表征方法,结合实验分析和交联反应动力学模型,首次全面探讨了交联反应与焦烧和交联度的关联机理,提出了提升耐焦烧性能并保证交联度的优化策略。研究发现,低密度聚乙烯交联过程中有级数反应和自催化反应,低温下级数反应的级数越低,越有利于延缓交联反应,增加凝胶时间,提高耐焦烧性能;而高温下自催化反应的级数越高,越有利于加速交联反应,提高交联度。单一添加剂只能同向改变级数反应和自催化反应的级数,复合添加剂的协同作用则能逆向改变级数反应和自催化反应的级数,从而实现了在保证交联度的前提下提升绝缘料的耐焦烧性能。该研究为推进高压电缆低密度聚乙烯绝缘料国产化提供了重要理论支撑。

关键词：低密度聚乙烯级数反应自催化反应焦烧交联度

面向叶片损伤修复的机器人电弧熔丝沉积工艺研究

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机械工程学报 2024年第6期60卷 187-196页

作者：陈祉旭李晨星杨春利哈尔滨工业大学材料结构精密焊接与连接全国重点实验室哈尔滨150001

电弧熔丝沉积修复薄壁变宽度叶片时,控制尖角处熔塌和确保各层等高是一大技术难题。本文面向整体叶盘叶片损伤修复工艺技术需求,通过设计TC4钛合金叶片模拟件,进行机器人操作钨极气体保护电弧(Gas tungsten arc,GTA)熔丝沉积工艺技术研... 详细信息

电弧熔丝沉积修复薄壁变宽度叶片时,控制尖角处熔塌和确保各层等高是一大技术难题。本文面向整体叶盘叶片损伤修复工艺技术需求,通过设计TC4钛合金叶片模拟件,进行机器人操作钨极气体保护电弧(Gas tungsten arc,GTA)熔丝沉积工艺技术研究。提出一种控形拘束片控制尖角处熔塌及沉积成形的方法。针对界面上散热条件的不同,结合脉冲电流工艺精确调控热输入分布,实现了首层至前5层沉积宽度及高度一致性良好的成形。此时沉积层成形宽度均匀,上表面高度波动范围在±0.12 mm。随后结合恒定工艺参数进行了40层沉积,沉积区壁厚控制精度为±0.17 mm,各层上表面成形基本平整。模拟修复件组织细小均匀,平均极限抗拉强度和伸长率分别达到基体的92.5%和94.7%,为叶片高精度修复奠定了工艺基础。

关键词： GTA电弧熔丝沉积控形拘束片电流调控脉动送丝成形控制

现代稳定型氧化锌压敏陶瓷的直流老化研究进展

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高电压技术 2024年第2期50卷 621-633页

作者：武康宁程卓林李柔李建英李盛涛西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室西安710049

现代稳定型氧化锌压敏陶瓷的直流老化功耗随时间持续降低,完全不同于功耗不断上升的传统老化现象,给基础老化理论和工程应用均带来了巨大挑战。这种反常的老化现象已经超出了经典离子迁移老化理论的范畴,其非阿雷尼乌斯特征也使实际状... 详细信息

现代稳定型氧化锌压敏陶瓷的直流老化功耗随时间持续降低,完全不同于功耗不断上升的传统老化现象,给基础老化理论和工程应用均带来了巨大挑战。这种反常的老化现象已经超出了经典离子迁移老化理论的范畴,其非阿雷尼乌斯特征也使实际状态评估和寿命预测难以开展。文中详述了现代稳定型氧化锌压敏陶瓷的直流老化及恢复特征:正向伏安特性在直流老化后存在“交叉”现象;老化过程可逆,试样充分恢复后能达到其未老化状态。离子重排(donorionredistribution,DIR)老化模型可合理解释氧化锌压敏陶瓷的直流老化现象。氧化锌压敏陶瓷的老化功耗取决于界面态消耗与耗尽层离子“U”型分布之间的竞争,前者导致功耗上升而后者有利于功耗降低。稳定型氧化锌压敏陶瓷的势垒界面态在高温、缺氧气氛等条件下不能保持稳定,其原本下降的功耗也能转变为不断上升。此外,广为应用的功耗(泄漏电流)具有显著的电压依赖特性,并不能反映氧化锌压敏陶瓷真实的老化状态,反向老化系数则有望成为一种有效的老化状态表征参数。通过深化现代稳定型氧化锌压敏陶瓷的老化现象、老化机制及状态评估的认识,本文旨在推进我国高性能氧化锌压敏陶瓷生产制造和高端避雷器发展。

关键词：氧化锌压敏电阻老化过电压保护避雷器状态评估

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基于电介质薄膜的器件自愈性能的研究现状

高电压技术 2024年第6期50卷 2283-2296页

作者：吴锴徐子航张琛吕泽鹏西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室西安710049

随着能源与电力技术的不断发展,对电容器的需求越来越大,而各种资源的稀缺强调了利用各种能源的必要性,对于各种储能器件如金属化薄膜电容器以及基于电活性聚合物(electroactive polymers,EAP)的能量转换装置提出了更高的要求。然而这... 详细信息

随着能源与电力技术的不断发展,对电容器的需求越来越大,而各种资源的稀缺强调了利用各种能源的必要性,对于各种储能器件如金属化薄膜电容器以及基于电活性聚合物(electroactive polymers,EAP)的能量转换装置提出了更高的要求。然而这两类装置却极易发生电击穿,在工作循环中有着极高的故障率,因此器件的自愈性具有十分重要的意义。文中综述了金属化薄膜电容器和EAP能量转换装置自愈性能的国内外研究现状,首先重点关注了金属化薄膜电容器中自愈理论发展以及各种关键参数对自愈的影响,其自愈最为稳定且研究相对完善。随着介电弹性体的兴起,想要其拥有自愈性能,参考金属化薄膜电容器的结构是一个可行的思路。但如何使得金属电极满足大应力大形变的需求成为一种柔性电极是一个很大的挑战。碳电极是弹性体中应用最为广泛的电极材料,它拥有极好的形变能力,但对于其自愈性能的深入研究较少且缺乏成熟的理论支撑,使得其在工业领域中难以应用和改善。最后总结对比了金属电极以及碳电极在自愈性能上的差异,并预测了可自愈柔性电极新的发展方向,进一步拓展自愈性的器件在工业领域中的应用。

关键词：自愈性能金属化薄膜电容器电活性聚合物金属电极碳基电极

基于全桥型MMC的开关序列切换方法及IGBT开路故障诊断策略

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高电压技术 2024年第4期50卷 1608-1620页

作者：武鸿王跃刘熠李鹏坤西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室西安710049

全桥型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)因具备直流故障穿越能力受到广泛关注,但全桥子模块(full-bridge submodule,FBSM)中更多的开关器件数量对MMC的运行可靠性带来了巨大挑战。针对于此,首先提出了基于全桥型MM... 详细信息

全桥型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)因具备直流故障穿越能力受到广泛关注,但全桥子模块(full-bridge submodule,FBSM)中更多的开关器件数量对MMC的运行可靠性带来了巨大挑战。针对于此,首先提出了基于全桥型MMC的开关序列(switching sequence,SS)切换方法,通过增加一种子模块(submodule,SM)切除状态,能在不额外增加开关损耗的基础上,使所有类型IGBT开路故障均能够体现故障特性。进一步,分析了所提SS切换方法下的故障特点,并提出了IGBT开路故障诊断策略。所提策略通过判断SS计数是否超出阈值对故障进行检测,并定位故障SM,之后基于SS计数的正负或电容电压变化值进一步辨别故障类型。所提故障诊断策略能够准确检测出IGBT故障,定位出发生IGBT开路故障的SM,并辨别其故障类型,有利于主动运维。此外,所提策略无需额外硬件,并可在一个工频周期(20 ms)内完成对所有故障的准确诊断。最后通过硬件在环平台验证了所提SS切换方法及IGBT开路故障诊断策略的有效性。

关键词：模块化多电平换流器全桥子模块开路故障诊断开关序列故障类型开关损耗

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交流电场下变压器油中贴壁气泡形变特性

高电压技术 2024年第2期50卷 816-824页

作者：张哲滔张锐郭冲张乔根西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室西安710049

气泡是油纸绝缘系统的典型缺陷,会显著地降低变压器油的绝缘性能。为了明晰气泡对油纸绝缘系统的危害,搭建了油中贴壁气泡动力学观测平台,研究吸附于电极表面的气泡在交流电场中的形变特性及影响规律。结果发现:油中贴壁气泡沿电场方向... 详细信息

气泡是油纸绝缘系统的典型缺陷,会显著地降低变压器油的绝缘性能。为了明晰气泡对油纸绝缘系统的危害,搭建了油中贴壁气泡动力学观测平台,研究吸附于电极表面的气泡在交流电场中的形变特性及影响规律。结果发现:油中贴壁气泡沿电场方向拉伸并以100 Hz的频率进行脉动变形;随着电场强度、气泡半径和温度的增大,气泡的变形程度也逐渐增大。基于相场方法搭建了气液两相流仿真模型,仿真与实验结果相互验证,揭示了气泡变形的本质为电场力和表面张力作用的平衡。气泡会影响油隙电场分布,其内部场强随气泡沿电场方向的拉伸而降低。该文研究可为深入评估气泡对液体绝缘的危害和变压器的绝缘设计提供参考。

关键词：变压器油交流电场贴壁气泡形变特性相场方法

考虑温度梯度的高压直流GIL盆式绝缘子空间电荷仿真

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高电压技术 2024年第3期50卷 1014-1024页

作者：庞曦许天蕾刘鹏魏鼎欣谢宗良彭宗仁西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室西安710049

在直流电压和温度梯度作用下,直流气体绝缘输电线路(gas-insulated transmission line,GIL)中盆式绝缘子内部易积聚空间电荷,引起局部电场畸变。因此,研究直流电压下盆式绝缘子内空间电荷积聚特性,对提高直流GIL的绝缘性能具有重要意义... 详细信息

在直流电压和温度梯度作用下,直流气体绝缘输电线路(gas-insulated transmission line,GIL)中盆式绝缘子内部易积聚空间电荷,引起局部电场畸变。因此,研究直流电压下盆式绝缘子内空间电荷积聚特性,对提高直流GIL的绝缘性能具有重要意义。以直流GIL盆式绝缘子为研究对象,基于2维双极性载流子模型,建立了电-热-流-电荷多物理场耦合模型,研究了不同温度分布、不同电压等级和不同极性电压下盆式绝缘子内空间电荷分布特性和电场分布规律。仿真结果表明:仿真模型能够有效地模拟盆式绝缘子内空间电荷和电场分布,在盆式绝缘子工作条件下,空间电荷主要积聚在金属与绝缘材料界面处,最大电荷密度为156.59 mC/m^(3),在一定程度上造成设备内部电场畸变。绝缘子在复杂工况下的空间电荷仿真可以解决电力设备难以直接测量空间电荷分布的难题,研究方法和结果可为直流GIL的绝缘优化设计和可靠运行提供理论支撑。

关键词：空间电荷盆式绝缘子直流GIL 电场分布环氧复合材料

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三元复合聚丙烯电介质材料性能调控研究进展

高电压技术 2024年第6期50卷 2332-2343页

作者：程璐刘宏博刘标迟晓红刘文凤李盛涛西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室西安710049

当前快速增长的能源需求要求电力设备具有更高运行电压、更大容量、更小体积,因此要求聚丙烯等介质材料实现电学、机械和热学等多种性能的协同提升的同时,兼顾加工性、环保性、经济性等优势。针对聚丙烯单一性能提升方面的研究取得了显... 详细信息

当前快速增长的能源需求要求电力设备具有更高运行电压、更大容量、更小体积,因此要求聚丙烯等介质材料实现电学、机械和热学等多种性能的协同提升的同时,兼顾加工性、环保性、经济性等优势。针对聚丙烯单一性能提升方面的研究取得了显著成效,而多性能协同提升成为了近年来的研究重点和难点,其中将共混改性和纳米复合改性两种方法结合,构筑三元复合聚丙烯的性能调控思路具有突出优势。文中基于电缆绝缘和电容器薄膜两个典型的聚丙烯应用场景,对“聚丙烯/有机物/纳米粒子”三元复合聚丙烯的研究进展进行了总结梳理,进一步阐明了三元复合聚丙烯绝缘性能与机械性能协同提升的机理,建立了三元复合聚丙烯储能密度与介电损耗平衡调控的演化模型,最后对三元复合聚丙烯未来的发展提出了展望。

关键词：聚丙烯电介质纳米复合电缆电容器