本期精选
2024年第9期
李斯盟，崔树群，杨宇翔，邸振国，汲胜昌，秦 锋
DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.20240999
随着新型电力系统快速发展，油纸绝缘承受的电应力环境更加复杂，其中暂态脉冲下的油纸绝缘放电行为备受关注。此外，由于不同传感系统的传递特性存在差异，导致采集的放电脉冲波形畸变而难以形成统一结论。因此亟需在不受传感系统影响的情况下，基于放电本质探索脉冲电流原始波形特性。
本文为弥补实验研究洞察微观机理能力的不足，基于全电流理论构建了油中流注场路耦合模型，研究了脉冲电压下流注演变规律及其影响因素，揭示了放电脉冲波形特性及其与流注演变过程的内在联系。
2.1 基于全电流修正的流注场路耦合模型
为使模型同时具备计算位移电流与传导电流的能力，以及计算不同介质界面极化电荷的能力，采用全电流方程替换现有模型的泊松方程，作为电场计算控制方程。根据全电流无散度特性可建立电场、热场、电荷密度的耦合关系，见图1。
图1 基于全电流修正的流注模型耦合关系
为揭示油中流注发展规律与脉冲电流波形内在关联，构建场路耦合模型，见图2。将流注有限元仿真模型等效为受控电流源Dx（受流注演变状态的控制），在场域中求解当前流注状态下的Dx支路电流，基于电路理论求解Dx端口电压，将此电压作为下一个时间步长下场域仿真边界条件，由此反复迭代实现场路耦合。
图2 场路耦合模型示意图
2.2 脉冲电压下流注演化规律及影响因素
脉冲电压上升沿处放电的流注演变过程分别如图3所示，上升沿放电伴随的流注可分为球状发展、定向发展、流注消散三个阶段；下降沿放电中，不存在定向发展阶段。球状发展阶段流注头部场强与净电荷密度逐渐减弱，定向发展阶段流注头部场强基本稳定，但净电荷密度仍减弱。流注消散的主要因素是油纸界面同极性电荷的“屏蔽”作用。
讨论电应力参数对脉冲上升沿处放电下流注演变规律及特性的影响。结果表明起始放电电压与vs近似指数正相关，与rs近似线性正相关；脉冲上升沿时间（陡度）与vs和rs均呈指数负相关关系；直流分量占比与vs近似指数负相关，与rs近似线性负相关。其中，放电起始电压与直流分量占比对球状发展速度影响显著。
图3 上升沿处放电的流注演变过程
2.3 放电脉冲电流波形特性
为探究流注演变过程与回路脉冲电流之间的关联关系，在不考虑LC的理想情况下揭示脉冲电流诱发机理。此时流注将诱发单极性双峰放电脉冲，放电脉冲与流注发展阶段的对应关系如图4所示。由于实际工程中的接线较长，不可避免地存在电感，回路电感将引起放电脉冲的首峰振荡，振荡频率、脉冲幅值均与回路电感近似线性负相关，振荡时长与回路电感近似线性正相关。
图4 无回路电感时上升沿放电脉冲电流波形
通过实验对脉冲前沿处放电产生的电流波形进行初步验证，无回路电感时的对比结果如图5所示，实测波形与滤波后的仿真波形在形状上相似，均具有“上升-下降-再上升-再下降”的变化规律，对应流注演变的球状发展阶段、定向发展阶段、纸板充电阶段和电荷消散阶段，定性地验证了仿真结果的正确性。回路电感为1μH时的对比结果如图6所示，由于传感器带宽限制，球状发展过程在LC回路中引起的过零振荡波形退化为含有振荡分量的单峰脉冲，但流注定向发展、纸板充电和流注消散过程诱发的持续性低幅值电流在实测波形和仿真波形中均有所反映，特别是在持续时间上较为吻合。
图5 无回路电感时上升沿放电脉冲电流波形对比
图6 回路电感1μH时上升沿放电脉冲电流波形对比
后续将进行可反映流注随机性（分叉与偏移）的两相流修正，关注油中杂质、水分及放电通道气化等因素。
引文信息：
李斯盟，崔树群，杨宇翔，邸振国，汲胜昌，秦 锋. 脉冲电压下油中流注演变规律及放电脉冲特性仿真研究[J]. 高电压技术，2024，50(9)：4207-4221.
汲胜昌，教授，博士生导师。2003年9月至今，在西安交通大学电气工程学院高压教研室工作。电工材料电气绝缘全国重点实验室固定研究人员，全国专业标准化技术委员会SAC/TC60/SC2副秘书长，中国电工技术学会电力电容器专业委员会委员、IEEE会员，《高电压技术》、《高压电器》、《变压器》、《电力电容器与无功补偿》、《绝缘材料》、《水电与抽水蓄能》、《电工技术》等学术期刊编委。主要从事电力设备服役特性及其状态评估、直流系统及装备故障机理及诊断、交直流设备振动噪声控制与应用等方面的科研工作。先后主持国家自然科学基金智能电网联合基金重点项目、面上项目、陕西省国际合作重点项目等国家及省部级纵向项目6项，国家重点实验室开放基金2项，参与国家自然科学基金/重点项目/科技支撑计划/863等项目8项，横向开发合作项目50余项。先后获得国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步二等奖3项。近5年来，在国内外重要学术期刊发表论文60余篇，SCI收录30余篇，授权国家发明专利20余项，参编国家团体标准3项。
李斯盟，副教授，硕士生导师，主要从事高电压绝缘及试验、电气设备智能感知与故障诊断、电力系统主动保护等方面的研究。主持国家项目、省部级项目多项，主持国家龙头企业来源项目10余项；研究成果在特高压电网等多个国家级重大工程得到应用。在国内外高水平期刊发表论文近20余篇，是多个国际及国内期刊的编委及特约主编；授权发明专利多项；获得中国电力企业联合会电力科学创新奖二等奖1项；编著学术专著1部。
西安交通大学汲胜昌教授课题组隶属西安交通大学高电压与绝缘技术二级学科、电气工程一级学科，为电工材料电气绝缘全国重点实验室固定研究人员，组建了多学科交叉背景的创新研究团队。团队创建了特殊电应力下油浸纸局放与击穿实验平台、直流系统及装备故障机理及诊断、交直流设备振动噪声控制与应用等研究平台，具备了开展高电压与绝缘技术学科相关的特殊电应力下油纸绝缘放电行为、输变电设备智能化状态检修、故障诊断以及智能感知等方面高水平科学研究的能力。团队针对超、特高压直流输电工程建设的迫切需求，围绕电力设备服役特性及其状态评估，重点进行电力设备的故障监测、电气绝缘结构优化设计及性能评估等方面的研究。近年来，团队已培养博士、硕士研究生30余人，发表相关科研论文一百余篇，获得国家发明授权专利四十余项，国家、省部级科研奖励十余项。
责编：卫李静
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