《高电压技术》网络首发2024年7月（下）

极端强电场下的绝缘可靠性问题是限制微纳电子器件性能提升的主要因素之一，因此认识纳米间隙的击穿特性以及绝缘失效机制极为重要。为此，本文利用高分辨成像技术与纳米级精密位移技术，基于透射电子显微镜与电学样品杆建立了真空纳米间隙脉冲击穿测试系统，实现了空间分辨率为1 nm的精准间隙调控，研究了纳米间隙距离（5 nm ～ 25 nm）、外施电压脉冲宽度（100 ns ～ 1000 ns）对球-板真空间隙脉冲击穿阈值的影响，讨论了纳米间隙的脉冲击穿过程。结果表明：脉冲击穿电压与间隙距离呈线性关系即U_b=Cd，且基本不随脉冲宽度变化，击穿场强阈值基本不变，约为8.8 V/nm；纳米间隙距离越小，径向电场梯度越大，场发射有效区域越小；球-板电极均匀场下的脉冲击穿过程为阳极金板在阴极钨球场发射电流的能量沉积下温度升高至接近熔点，进而发生热失控并诱导击穿；击穿过程的持续时间约为25 ns，与间隙距离以及脉冲宽度无关，且反映了阳极表面蒸发的原子在间隙内形成等离子体通道并导致阴极蒸发的时间。

为了提高海上风电功率预测的精度以及其预测结果的可信度，提出了一种融合可学习小波的自注意力模型，有效提升了海上风电功率预测的精度，并且具备一定的预测过程分析能力。首先，将小波分解与深度学习模型融合，使模型具备从不同频域提取特征的能力。其次，构建稀疏自注意力预测网络，实现对全局信息特征的有效提取，提高模型的预测性能。接着，提出一种时序“敏感度”量化分析方法，在多维度下对海上风电参量输入进行重要性评估，在一定程度上对预测机理进行合理的分析。最后，基于风场实际运行数据进行相关实验。实验结果表明，相照对比模型，所提模型在海上风电超短期预测任务上具有更高的预测精度。

碳捕集电厂(carbon capture power plant，CCPP)在降低碳排放的同时，增强了电力系统的灵活性，是促进可再生能源消纳和低碳化转型的关键。考虑CCPP运行的灵活性，提出一种网-储联合规划方法。针对海量场景规划计算困难的问题，利用改进k-means算法对风电出力场景进行削减，并基于Spearman系数筛选典型出力场景。分析CCPP的灵活性运行机理，构建电力系统灵活性供给模型和量化指标。建立考虑CCPP的网-储双层优化模型，在规划层中确定输电线路和储能的配置方案，并在运行层中考虑CCPP的灵活性。以改进IEEE RTS-24节点系统为算例进行分析，结果表明：所提规划方法能够提高电力系统的灵活性裕度，降低输电线路和储能的投资成本。研究结果证明了所提规划方法的有效性。

真空断路器在推动能源清洁低碳转型中发挥着重要作用，横向磁场技术作为一种磁控开断的关键手段，可以有效改善和控制真空电弧行为、减轻触头烧蚀。当前横磁触头间真空电弧与阳极之间的相互作用机制尚不明确，且实验难以全面观察到电弧与阳极之间的演变过程。因此，本文建立了一个横磁触头间弧根运动及阳极动态行为二维瞬态仿真模型，实现了对真空电弧-阳极表面的界面追踪。通过仿真分析，揭示了横向磁场作用下弧根运动与阳极区熔池热过程相互影响的规律性特征，进一步讨论了蒸发效应、触头材料特性以及热流密度变化带来的具体影响。研究发现，阳极表面温度的整体上升将加速弧根的运动，同时弧根的运动行为又会影响阳极的温度和熔化状态的分布。当输入到阳极的热流密度增加到一定水平时，虽然弧根的移动速度有所增加，但由于冷却时间不足，烧蚀程度仍会加剧。该模型的建立解析了横磁触头间电弧与阳极之间的相互作用机制，对于触头材料选择和结构设计及进一步优化真空断路器性能具有一定意义。

针对现有全并联AT牵引网单端故障定位方法存在故障区段识别灵敏度低、单端定位第二波头辨识难的问题，提出了一种基于主特征量的全并联AT牵引网故障定位方法。首先，分析了自耦变压器的边界特性，论证了利用主频差异度判据识别故障区段的可行性。然后，基于全并联AT牵引网上下行线路并联的结构，分析了电流行波突变幅值与两端母线出线数的关系，并根据突变幅值最大原则识别上下线路各自的行波主波头。最后，提出了一种基于主波头时差的全并联AT牵引网故障定位方法，利用主波头时差与故障距离的固定映射关系实现故障点的精确定位。仿真结果表明，所提方法无需识别易受过渡电阻影响的行波第二波头，能灵敏识别故障区段并精准定位故障点。

为了研究基于虚拟同步发电控制的新能源发电经柔性直流送出系统的暂态同步稳定性，首先建立了电流限制约束下送出系统的动态分析模型，发现系统会在特定功角差处发生定交流电压控制与限流控制模式的切换，从而将由代数变量(电流幅值)描述的切换条件转化为由状态变量(功角差)描述的切换条件。其次，利用传输有功功率与换流器功角差间的函数关系，揭示了系统的暂态同步稳定机理，基于分段等面积定则推导了系统临界切除角及临界切除时间的解析表达式。最后，基于系统稳定边界与控制参数和系统运行状态间的解析关系，提出了改善系统暂态同步稳定性的限流控制参数优化方法。仿真模型在不同故障切除时间下的控制模式切换现象以及同步稳定情况验证了暂态同步稳定判据及稳定性影响因素的准确性。

由于户外场景下智能巡视表计设备采集图像时会受光照条件影响，设备采集图像质量较低，从而难以实现表计的准确读数。为此，文中提出了一种户外场景下巡视表计的方法。该方法分为表盘检测与读数检测两部分，通过训练文中提出的表盘特征高效检测模型进行表盘检测后，将检测到的候选框图像进行预处理以及基于轮廓检测的二值图重构，然后在上述二值图中依次进行起始刻度线检测、指针检测，最后使用角度法获得表计读数。经实验验证，文中方法可以克服户外场景下表计图像存在的图像模糊、反光以及存在阳光阴影等低成像质量影响，在5种常见光照场景下的表盘目标误检率与漏检率分别为1.005%与0.505%，单张图像检测平均耗时为28.1ms，读数检测准确率为93.91%，对于复杂光照场景下的变电站指针式表计读数具有适用性与有效性。

随着数字化电力系统的不断发展，对高价值电力装备数字孪生模型的研究成为热点。为满足计算的时效性，通常采用模型降阶的方法，其中本征正交分解法(proper orthogonal decomposition，POD)是最为常用的方法之一。传统的POD方法在构造快照时无法高效地提取网格节点信息，造成大量的计算、存储资源浪费。本文为此提出基于场量梯度的快照分区POD降阶计算方法，以快照中各节点场量梯度为依据将计算域分区，通过对不同分区的节点数量进行不同程度的缩减，实现对计算域场量信息的高效提取。以换流变阀侧套管极性反转电场作为算例，对本文提出的分区降阶方法可行性及高效性进行验证。研究结果显示，相较于有限元方法，计算时间缩短97.1%，同时相较于传统的POD方法，其快照中节点数量减少95.2%，节约存储资源91.7%。同时，分区降阶计算的准确率高，平均误差仅为0.80%；实现了对阀侧套管极性反转电场的高效计算。

针对变压器故障识别方法在处理不均衡故障数据时存在较大偏差的问题，构建一种基于改进轻量级梯度提升机(Light Gradient Boosting Machine，LightGBM)的混合集成模型，用以变压器故障识别。首先，提出一种结合梯度调和损失函数和交叉熵损失函数的改进LightGBM(GCLightGBM)，提升模型对数据集中少数样本的关注度。然后，针对GCLightGBM中参数特异性取值影响模型识别能力问题，提出一种基于GCLightGBM的混合集成模型，进一步提高准确率的同时，确保模型对现实多变不均衡数据集依然保持良好的准确率。最后，实验表明GCLightGBM可有效解决少数类样本准确率低的问题，整体准确率高达91.1%。并且针对其他多变不均衡数据集，基于GCLightGBM混合集成模型故障识别方法平均准确率高达98.8%，且具有较高的鲁棒性适用于实际变压器故障识别。

地磁暴诱发的地磁感应电流(GIC)和高压直流输电(HVDC)单极运行对地电流入侵电网接地变压器导致偏磁异常。针对该问题，对比分析GIC/HVDC两种场景下大地电流的时域波动特征，提出考虑大地电流入侵的变压器多物理场耦合模型，提取电流、磁通、电磁力、振动及噪声作为各场域物理特征信息。仿真分析典型场景中GIC/HVDC对地电流对变压器多场传播特征的影响，归纳物理特征信息间的耦合关联，并对比两者造成的扰动差异。结果表明，HVDC对地电流入侵变压器的影响较平稳，GIC导致多场特征参数变化具有更加复杂的时序波动性。搭建动模实验平台，测量不同模式下变压器的电流、振动及噪声数据，并与仿真结果对比，验证本文模型与结论的正确性和有效性。最后，基于虚实一致性构建多元模-态空间，以扰动水平作为关键判据划分运行风险状态；当扰动水平达到1.5时，扰动电流导致变压器内部电磁、机械环境失稳。该方法能够有效识别GIC/HVDC对地电流入侵场景下变压器的运行风险状态，为变压器故障辨识和设备保护提供依据。

在实际工程中，电力电子变压器已经逐渐成为新能源电网等诸多领域不可或缺的重要组成部分，针对其关键设备高频变压器的优化设计也变得越来越重要。首先，利用改进的Steinmetz经验公式(IGSE)计算高频变压器铁芯损耗，并采用Dowell方法计算铜箔片在高频下的交流绕组系数；其次，分析了绕组交叉换位对铁芯窗口内漏磁场和导体内电流密度的影响，推导出基于能量法的漏电感公式，综合考虑散热器尺寸大小对温升的影响，建立了6节点的热网络模型；最后，提出基于自由参数扫描法的高频变压器优化设计方法，得到优化设计方案的Pareto前沿，为验证设计流程的合理性，设计并制作了一台15kW/5kHz高功率密度纳米晶高频变压器样机，并搭建了实验平台验证了仿真计算和优化设计的有效性，为高效率、高功率密度、大容量高频变压器的研究提供理论和实验基础。

真空灭弧室作为真空有载分接开关(on-load tap-changer， OLTC)的核心组件，其能否顺利合闸决定了负载切换的可靠性。在真空OLTC长期的运行过程中，真空灭弧室频繁遭受较大的机械冲击，容易发生疲劳破坏，从而导致触头合闸失败，影响切换操作的可靠性。本文以油浸式真空OLTC的真空灭弧室及其操动机构为研究对象，建立了描述触头碰撞过程的动力学模型和有限元模型，获得了合闸过程中的应力波传播规律，确定了容易发生疲劳破坏的部位，并研究了结构应力和合闸弹跳的主要影响因素。结果表明：当动触头碰撞速度不超过1m/s时，初次合闸碰撞后，合闸压力才成为触头弹跳的主要影响因素；在合闸时触头会发生明显的弹跳现象，且连杆上的应力迅速升高并在多个极值之间跳动，在循环应力作用下更容易发生机械损坏；增大静导电杆半径，回弹量基本不变，最大应力增大；增大动导电杆半径或连杆半径，回弹量增大，最大应力减小；增大合闸保持力，回弹量减小，最大应力基本不变；降低合闸速度有利于减小最大应力和回弹量。本文的研究结果可为真空OLTC的真空灭弧室及其操动机构的优化设计提供理论指导。

超高压、大容量、数字化电网目标架构对高压开关领域提出了新的挑战。为研究550 kV/8000 A气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear，GIS)的稳态温升，解决获取温度场时存在模型自由度大、计算时间长等问题，本文研究了GIS整间隔模型热特性并构建了基于本征正交分解(proper orthogonal decomposition，POD)方法的温度场降阶模型以面向数字孪生应用。首先，建立了基于物联网的电力设备数字孪生实现架构，提出了数字孪生驱动的GIS状态感知方法框架。基于该框架搭建了以珠东北站示范工程中的GIS为原型的虚拟实体模型，分析了模型在8800 A时的磁密、损耗、温度以及气流流速分布，进而搭建了大电流温升试验平台进行验证，试验测量结果与仿真结果吻合度高。其次，采用拉丁超立方采样方法构建该模型在不同工况下的快照矩阵输入参数样本集，进一步对温度快照采用POD方法生成温度场降阶模型。最后，对比了降阶前后模型的计算时长与误差：降阶模型相较全阶模型的计算时长由小时级降至秒级，阶数为6时均方根误差为0.053%满足POD误差规范要求。本文研究结果可为大容量开关的设计和运维提供支撑，为数字孪生技术在开关设备领域的应用提供参考。 

非晶铁芯具有优异的高频磁性能，但较电工钢等软磁材料具有更显著的磁致伸缩效应，在高频及谐波激励下的磁致伸缩特性较为复杂。本文基于内能最小原理，根据磁滞能量密度函数描述磁滞与磁致伸缩的耦合关系，并利用磁畴能量沿磁场方向贡献的总和表示无磁滞磁化强度，建立以磁滞效应为基础的Sablik磁致伸缩模型。采用将基本磁化曲线线性分段的方法对涡流损耗的表达式进行修正，进而建立动态Preisach磁滞模型，引入铁磁材料的非线性本构关系，构造单频正弦激励下磁滞与磁致伸缩解析表达式，并提出相应参数辨识方法。在谐波激励下，基于线性叠加原理推导对应场量的表达式，并进一步提出谐波激励下非晶合金的磁滞与磁致伸缩特性模拟方法。最后，模拟了非晶合金材料分别在正弦和谐波激励下的磁滞回线与磁致伸缩回线，通过与测量结果及传统方法进行对比，验证了所提方法的准确性和通用性。

面向电力应用场景，为克服复杂电磁环境对电磁式振动能量采集器的干扰，并实现器件谐振频率与环境振动频率相匹配，提出基于软磁材料进行磁场调制的调频方法。研究电磁式振动能量采集器的动力学模型与磁场耦合分布模型，明确磁力非线性和几何非线性对器件谐振频率的作用机制。探究永磁材料及软磁材料对能量采集器内部磁场分布规律的影响，完成调频单元及器件整体结构设计，制备样机并开展性能验证试验。研究结果表明：基于软磁材料的调频方法可实现96 Hz-139 Hz范围调频，相对调频范围44.8%。与基于磁力进行调频的方法相比，该方法不仅可实现电磁式振动能量采集器较宽范围、较高精度调频，还可进一步屏蔽外界磁场干扰并约束内部磁场泄露，有利于提升电磁式振动能量采集器在强磁场环境中的工作可靠性。

气体绝缘开关设备GIS是构建新能源电力系统不可或缺的物理支撑。近十年超/特高压放电故障统计分析表明，金属微粒与粉尘放电占比超过60%，现有特高频、超声传感等技术手段针对亚毫米及以上大尺寸微粒可以实现较好的在线监测，而随机性高、隐蔽性强且必然存在的微纳粉尘由于无法被现有技术有效表征，极有可能是隐藏在背后的“安全杀手”。本文针对微纳粉尘检测难、机制复杂这一难题，搭建了适于观察且契合GIS运行实际的微纳粉尘吸附实验平台，发现微纳粉尘在电场中的吸附状态主要包括沿绝缘子界面的团聚式吸附与沿地电极方向的扩散式吸附，影响运动行为的关键因素包括微纳粉尘的初始位置、质量、材质以及外施电压；进一步厘清了吸附过程中的特殊物理现象，团聚式吸附会在环氧树脂绝缘子表面吸附形成微纳粉尘斑随着电压升高，微纳粉尘斑会“爆炸”形成环状粉尘晕、粉尘晕轮廓加深等不同于起举吸附的特殊物理现象，这类特殊物理现象被认为是诱导沿面闪络的必要条件。粉尘斑构成的局部短路区域与剧烈电场畸变被认为是微纳粉尘诱导沿面闪络的重要先导因素，最多可降低试验系统击穿电压达71%。本文针对微纳粉尘吸附动力学特性的研究可为提升交直流输电管道绝缘安全运行水平提供理论基础和技术支撑。 

为提高综合能源系统（IES）多元负荷预测的精确度，本文综合考虑多能源相互作用机理、多元负荷耦合特性及气象因素相关性，提出了一种基于多尺度特征提取的IES多元负荷短期联合预测方法。首先，通过最大互信息系数(MIC)研究多元负荷耦合特性及影响因素相关性，选择预测特征；其次，利用变分模态分解技术(VMD)对输入特征进行分解，提升特征纯洁度；最后，采用CNN-BiLSTM多任务学习模型进行纵向、横向特征选择，注意力(Attention)机制对重要特征差异化提取，实现多尺度特征提取，并利用雪消融优化器(SAO)对VMD和CNN-BiLSTM多任务学习模型超参数优化，以此实现IES多元负荷的联合预测。以美国亚利桑那州实测数据实验，结果表明所提联合预测方法对IES多元负荷预测有更高的精确度。

局部放电检测是开展GIS/GIL设备绝缘状态评估的重要手段，特高频和超声波法是现场局部放电检测常用方法。然而，现场干扰复杂、局放信号传播衰减明显，检测到的局放信号信噪比低甚至完全淹没于噪声信号中，导致诊断和定位困难。为此，论文研究提出一种基于相干平均的局部放电特高频和超声信号降噪方法。与传统小波降噪和奇异值分解降噪方法相比，本文方法具有更低的MSE，更高的NCC和RNL，且本文方法无需复杂的参数选取。在某水电站开展局部放电现场检测，并对特高频和超声信号进行降噪和定位分析。结果表明，采用本文方法，局放信号噪声从十几mV降低至1 mV以下，可有效提取出了被噪声淹没的局放脉冲。极低信噪比情况下，本文降噪方法也具有良好降噪效果，传统方法则失效。基于降噪后的局放信号成功实现缺陷精确定位，验证了所提降噪方法的有效性。本文研究结果可有效提升局放检测有效性，为GIS/GIL缺陷检测和定位提供了有效支撑。

随着国家大力发展城市轨道交通，UPS系统作为关键供电装置，具有重要的研究意义和价值。为了满足相关电能质量法规的要求，集成PFC输入级是保证轨道交通基础设施设备供电的UPS系统的重要要求。三电平Boost PFC在采用传统载波调制时，在一定的输入电压范围内输入电流始终为零，导致变换器功率因数校正效果较差。因此，本文提出一种基于k值调制的变占空比控制的方法，不仅可以解决高输入电压下传统载波调制存在的问题，且可进一步抑制输入电流的畸变从而提高输入电流波形质量。本文首先介绍了这种k值调制方法，分析了其原理以及k值对变换器功率因数和电感电流有效值的影响。在此基础上，结合电压平衡策略对k值进行优化，解决直流侧输出电容电压上下不均衡问题。最后，针对高输入电压下输入电流仍然严重畸变的问题，本文提出一种基于k值调制的可变占空比控制方法，分析了变占空比控制对变换器功率因数、输出功率、电压纹波以及电感电流峰值的影响。最后通过仿真和搭建小功率实验平台，验证了所提控制方法的正确性和有效性。

多电平逆变器具有低谐波含量，电磁干扰小，高压大容量，输出波形质量好等特点，被广泛用于中高压大功率系统当中。特定谐波消除技术SHEPWM是在多电平逆变器中的一种常用开关策略，相比于高频调制，SHEPWM技术能够消除某特定次谐波，而且具有更低的开关频率和开关损耗等优点。本文针对传统SHEPWM技术中THD不能达到最优的问题，推导出了输出电压谐波总含量的解析表达式，并采用多种群遗传算法对解析表达式进行求解，在得到最优开关角度的同时求出全调制度下输出电压的最小THD值。文中以三单元7电平级联H桥为例，给出了THD解析式模型及其开关角度轨迹图，和传统多波段SHE进行了对比，发现谐波总含量THD得到很大程度上的降低，同时也解决了其存在电流倒灌的问题。仿真分析和实验结果验证了方法的可行性和优势。