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[学位论文] 王广柱山东大学 2008年博士导师: 李庆民共175页

摘要 : 脉宽调制(Pulse-Width Modulation-PWM)功率变换器的电流控制技术是现代电力电子学的重要研究课题之一。许多功率变换器的具体应用，如有源电力滤波器(Active Power Filter-APF)、PWM整流器、功率因数校正(Power Factor Correction-PFC)、逆变器等，都... 展开脉宽调制(Pulse-Width Modulation-PWM)功率变换器的电流控制技术是现代电力电子学的重要研究课题之一。许多功率变换器的具体应用，如有源电力滤波器(Active Power Filter-APF)、PWM整流器、功率因数校正(Power Factor Correction-PFC)、逆变器等，都要求具有优良动态性能的高精度电流控制。本文重点研究一种用于电压型变换器(Voltage Source Converters-VSC)的抛物线法电流控制新技术。该方法采用一对特定的抛物线函数曲线，以控制电流跟踪误差的正负峰值和PWM开关时刻，可实现变换器输入/输出电流的高精度、快速跟踪控制。详细分析并系统构建了该方法的理论基础，并给出了具体实施方案。结合理论分析和图示法，研究了该方法在各种工况下的收敛性与稳定性问题。与经典的滞环法和同步开关法进行了比较研究，表明该方法不仅具有经典滞环法的优良动态性能和控制精度，还能保持开关频率基本恒定。为提高抛物线法电流控制技术的控制性能，本文就关键影响因素以及具体控制策略开展了多项应用基础研究。分析了变换器输入/输出端串联电感及内阻、低压侧(或交流侧)电压变化等对抛物线法电流控制性能的影响，导出了影响抛物线信号幅值的定量公式，指出电感值对控制性能的影响较大；进一步基于开关频率偏差，提出了一种自适应的参数补偿控制方法，以改善电流控制性能。以三相三线电压型变换器系统为研究对象，系统研究了抛物线法电流控制技术的三相解耦控制问题，并提出了两种解耦控制方法，即“虚拟零序电流解耦法”与“虚拟两相电流解耦法”。前者基于叠加原理，采用三个独立的抛物线法电流控制器，易于实现三相三线电流控制与三相四线电流控制的互换；后者基于重构的两相虚拟电流，采用两个独立的抛物线电流控制器，使得开关次数与开关损耗显著减少。为验证抛物线法电流控制技术的有效性，本文开展了大量的仿真分析与实验研究。基于抛物线法电流控制器，分别建立了正弦波逆变器、PWM整流器、PFC和APF的电压-电流双闭环控制系统数学模型，并给出了上述各系统的调节器设计方法和参数整定公式。具体研制了220V/1.5kVA的单相电压型正弦波逆变器、PWM整流器、PFC和APF等实验装置，以及三相APF和PWM整流器的综合实验平台。仿真和实验结果均表明，抛物线电流控制技术具有优良的动态性能和控制精度。结合抛物线电流控制技术在APF、PWM整流器中的具体应用，并基于开发的综合实验平台，本文从控制系统的层次和角度，还深入研究了APF的控制与补偿策略。分析了谐波检测信号在APF闭环控制系统中的作用，阐明了APF电源电流直接控制策略与APF经典控制策略之间的内在联系，揭示了这两种控制策略的等价性，以及APF电源电流控制策略与PWM整流器控制策略的统一性。通过建立电网的谐波传递模型，从理论上详细分析了现有的两种主要APF补偿策略的优劣，进一步揭示指出：对抑制谐波传递而言，将非线性负载最终补偿为一个等效线性电阻，要优于将非线性负载的馈线供电电流最终补偿为基波正序有功电流，且APF控制策略的实现也相对简单。仿真和实验验证了上述结论的正确性。收起

关键词 : 电压型变换器脉宽调制电流控制解耦控制抛物线法有源电力滤波器 PWM整流器

2. 聚酰亚胺高频绝缘特性与沿面放电演化过程研究

[学位论文] 刘涛华北电力大学（北京） 2019年博士导师: 李庆民共167页

摘要 : 基于功率器件的电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)是未来智能电网中进行能源互联、调度和控制的路由器，可实现交流与直流以及不同直流电压等级间的灵活变换，在可再生能源大规模可靠并网方面具有很好的应用前景，且特别适用于对电能... 展开基于功率器件的电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)是未来智能电网中进行能源互联、调度和控制的路由器，可实现交流与直流以及不同直流电压等级间的灵活变换，在可再生能源大规模可靠并网方面具有很好的应用前景，且特别适用于对电能变换设备的体积、重量有特殊要求的场合。高频电力变压器是PET中实现电气隔离和电压等级变换的核心组件，在高频电压作用下其匝间、层间、相间、对地绝缘和气-固界面绝缘将面临损耗发热严重、局部/沿面放电、绝缘过早失效等一系列问题，且绝缘性能受到电压参数（波形、频率、幅值、上升时间等）和温度等多因子耦合作用的影响。为推进高频变压器向高电压、大功率、小型化和高频率发展，有必要针对高频电应力作用下的局部放电与沿面放电特性、放电损伤导致的绝缘寿命衰减行为及其内在物理机制等关键问题，开展系统性的探索研究，这对于高频变压器的绝缘设计和性能评估具有重要的基础理论价值和现实指导意义。通过搭建高频加速老化实验平台和放电信号采集处理系统，在50Hz～30kHz的宽频范围内，研究了电压频率对聚酰亚胺绝缘局部放电特性（涉及放电起始电压、放电相位谱图、放电幅值及放电次数等）和绝缘寿命的影响，发现随着电压频率的升高，单周波放电次数和平均放电幅值先增长后下降，存在“频致拐点”现象;为揭示该现象的产生机理，从空间电荷与放电特征参量的关联规律、温度对局部放电特性的影响机制分析着手，结合高频致热效应和电压频率对空间电荷耗散过程的影响，建立了“频致拐点”现象的理论模型。采用频率为1kHz的正弦波、三角波、双极性方波、单极性方波和振荡脉冲5种不同的电压波形，以及具有不同上升时间的双极性方波电压，研究了电压波形、极性以及上升时间对聚酰亚胺绝缘局部放电行为和绝缘寿命的影响规律;在此基础上从局部放电测试（涉及放电起始电压、平均放电幅值、单周波放电次数、单周波总放电幅值）和绝缘寿命测试两个角度出发，建立了不同高频电压波形之间以及工频与高频电压之间的等价性准则，另外，还通过引入峰-峰值因子、有效值因子和形状因子，实现了电压波形参数对绝缘老化速率的量化表征。基于正交实验设计理论，在5～30kHz、1.5～3.0kV、13～180℃范围内测试了不同频率、幅值和温度下聚酰亚胺试样的绝缘寿命，首先结合极差和方差分析法讨论了三种因素及其交互作用对绝缘老化速率的影响，确定了影响因素的主次顺序以及交互作用的强弱程度;进一步获得了各因素水平变化对电-热应力耐受系数的影响规律，以及单因素独立作用、多因素协同作用下的加速老化系数，证明了多因素间交互作用的存在性;最后，计算了各影响因素及其交互作用对绝缘寿命的影响系数大小，并据此建立了考虑因素间交互作用的多因子寿命预测模型，并通过验证组实验证明了预测模型的可靠性。采用针-棒电极结构，研究了电压频率和温度对空气-聚酰亚胺绝缘沿面放电起始电压、闪络电压和沿面绝缘寿命的影响规律，统计分析了沿面放电不同发展阶段的放电特性（放电形态、相位谱图和放电特征参量）;发现电压正、负半波的放电相位谱图间具有明显的极性效应，并基于放电统计特征的变化规律提出了沿面放电发展程度的表征参量以及临近沿面闪络的预警信号;结合不同放电阶段的绝缘材料界面特性分析（表面电荷分布、表面形貌和特征官能团），揭示了气-固界面沿面放电的发展演化规律以及沿面放电与界面特性的交互影响，并基于表面电荷积聚对沿面电场分布的影响分析，阐释了正、负半波极性效应的产生原因。采用反应集方法实现了对空气放电中粒子反应的大幅简化，基于流体动力学理论，通过对粒子输运方程、泊松方程和等离子化学反应的耦合表征，并充分考虑带电粒子在绝缘介质表面的反应与累积过程，建立了高频绝缘局部放电和沿面流注的混合数值模型;据此实现了球-板电极结构下局部放电、针-棒电极结构下沿面流注发展过程的动态模拟，获得了放电过程中带电粒子浓度、表面电荷密度、电场强度等参量的时空演化规律;进一步分析了局部放电与材料表面电荷累积、空间电荷分布的相互作用，电压幅值和频率对放电电流的影响，沿面流注发展的微观物理机制，以及温度、气压、二次电子发射系数等对沿面流注的影响机理;同时，利用已开展的实验研究结果与该数值模型仿真结果进行交互验证。收起

关键词 : 高频变压器聚酰亚胺绝缘材料局部放电特性绝缘寿命

3. 变压器复合故障智能识别与热动力学焓变诊断技术研究

[学位论文] 王学磊山东大学 2015年博士导师: 李庆民共163页

摘要 : 电力变压器作为电力系统中电压变换、电能分配及传输的核心设备，其正常运行是保证电力系统安全、可靠、稳定运行的关键。变压器一旦发生事故将造成巨大经济损失，甚至导致严重的社会影响。为此，深入理解变压器的故障机理，有效地诊断和评估变压器内... 展开电力变压器作为电力系统中电压变换、电能分配及传输的核心设备，其正常运行是保证电力系统安全、可靠、稳定运行的关键。变压器一旦发生事故将造成巨大经济损失，甚至导致严重的社会影响。为此，深入理解变压器的故障机理，有效地诊断和评估变压器内部潜伏性故障，对于预防和降低故障的发生几率，保障电力系统的可靠运行，具有十分重要的理论意义和现实价值。尽管目前已有多种基于油中溶解气体分析(DGA)的故障诊断方法，但电力变压器本身是一个十分复杂的系统，其内部绝缘故障的发生往往是多种类型的复合呈现，故障信息间也具有不确定性和模糊性特征。而且，绝缘裂化的物理化学过程尚不清楚，故障产气机理不够明晰，这是限制现有诊断方法仅能识别几种故障类型而无法更加细化地评估故障严重程度的重要原因之一。实际中变压器内部潜伏性故障均有一个发展过程，即不同故障类型之间不是突变的，同类故障类型的严重程度亦有差别，而目前基于油色谱的变压器故障诊断尚处在将故障区分为几类的层次，这或许与故障产气的物理化学过程不清晰、绝缘劣化机制不完备有关。化学动力学理论认为，化学反应本质上是旧化学键断裂和新化学键生成，这一过程需要一定的能量破坏反应物中的化学键，变压器绝缘裂解产气所需的能量主要来自于放电或过热故障。不同的键断裂需要不同的能量，而且裂解能量密度越大，产生的烃类气体的不饱和度应该越高。但是，现有诊断方法的理论基础主要是基于热力学平衡分压理论计算不同气体组分与温度关系，并根据经验统计提出气体特征量，其中忽略了化学反应的动态变化过程，也并未考虑化学反应的能量变化。为此，若想在故障诊断中进一步评估故障的严重程度，仍需深入研究绝缘裂化的动态过程，探索表征故障严重程度的新特征量，以便更为准确地评估变压器的运行状态。在全面了解电力变压器故障智能诊断与状态评估相关技术背景的基础上，本文通过改进复合故障类型的智能识别方法，并基于热动力学理论研究绝缘材料微观变化和宏观性质的联系，探索表征故障严重程度的新指标，对电力变压器的复合故障诊断技术进行深化研究，所取得的创新性成果主要包括: 针对目前众多油色谱诊断方法的特征量不同，以及对不同故障类型诊断时可靠性存在较大差异的问题，在沿用传统正确率指标的基础上，引入表征故障诊断漏诊程度的灵敏度指标，提出了故障诊断可靠性的双重指标评估方法，实现了对油色谱诊断方法更为全面定量的评估。应用最广泛的改良三比值法，它依然存在针对低温过热、火花放电、放电兼过热等故障类型的诊断可靠性较低的问题，为此本文分别提出了01*型编码组合、比值K和氢烃A诊断新判据，为诊断方法的进一步改进奠定了基础。针对故障诊断信息类型较为单一的问题，引入信息融合技术，通过综合利用气体比值和气体浓度含量等特征信息，并合理分层，提出了基于多特征信息融合的分层决策故障诊断方法，有效地融合了多种诊断特征信息。为进一步解决复合故障诊断中复杂的模糊对应关系，引入模糊数学理论，采用隶属度函数对边界进行模糊化处理，构建了隶属度关联矩阵;采用模糊逻辑推理中的交集、并集分别替代二值逻辑中的与、或逻辑，导出了模糊决策多值输出的逻辑推理模式，藉此提出了基于信息融合与模糊逻辑的综合诊断方法，实现了复合故障的模糊多值输出。并基于Microsoft Access开发平台研制了变压器复合故障模糊诊断软件系统，实现了故障诊断的可视化与智能识别。对实际故障案例的诊断分析表明，针对局部放电、火花放电、电弧放电和放电兼过热等故障类型的诊断可靠性显著提高。另外，该方法的模糊推理过程较为简化，保证了故障诊断的快速性，可满足变压器状态实时在线监测的需求。变压器故障的物理化学机制尚不清晰，仅从宏观实验结果提取特征参量并进行常规经验统计与推导较为困难，而微观层次的分析将有助于对各种复杂现象的机理进行更深刻的理解。为此，本文引入基于键级表达的ReaxFF反应力场，分别对变压器油和绝缘纸分子模型进行高温热应力下的反应分子动力学模拟，探索油中溶解气体产生的微观动态机理。采用元素追踪法统计分析了变压器油和纤维素分子模型高温裂解的轨迹文件，明确了变压器油的不同组分以及绝缘纸的初始裂解机理以及主要产物的差异性，厘清了C2H4、CH4、H2、CO2等主要产物的生成机制。通过对裂解过程中化学键离解能（即反应焓变）的计算，明确了油/纸裂解产物的种类和数量随时间的分布规律与微观化学键离解的相关性，揭示了油/纸裂解过程的能量变化规律。基于对油/纸绝缘裂化动态过程的分析，从原子层面揭示了变压器油/纸裂解产气的微观动态机理，这也为故障严重程度评估提供了理论支撑。为解决复合故障的严重程度评估问题，首先基于热力学焓变理论，建立了变压器油裂解产气的生成能计算模型，根据故障特征参量的发展趋势对比分析，从能量角度提出了表征故障严重程度的能量差异率新指标，藉此建立了单一类型下故障严重程度的定量评估模型;继而以信息融合与模糊逻辑综合诊断方法为框架，纳入表征故障类型发生概率、诊断方法可靠性等信息的权重参量，提出了基于多指标综合权重的变压器复合故障严重程度评估方法。对实际变压器故障案例的应用分析表明，该评估方法具有较高的准确性。收起

关键词 : 复合故障智能识别模糊逻辑信息融合变压器热动力学焓变诊断溶解气体分析

4. 低介损耐放电聚酰亚胺设计合成与高频绝缘性能调控机制

[学位论文] 黄旭炜华北电力大学（北京） 2020年博士导师: 李庆民共159页

摘要 : 高频电力变压器是实现电能灵活互联的关键装备——电能路由器的核心能量转换模块，其高频绝缘性能直接关系到电能路由器向高电压、紧凑型、高功率密度和大容量化发展。高频电力变压器中铁心材料的漏磁损耗和金属导体的集肤效应导致其长期运行温度远高... 展开高频电力变压器是实现电能灵活互联的关键装备——电能路由器的核心能量转换模块，其高频绝缘性能直接关系到电能路由器向高电压、紧凑型、高功率密度和大容量化发展。高频电力变压器中铁心材料的漏磁损耗和金属导体的集肤效应导致其长期运行温度远高于传统变电装备，对装备绝缘系统的耐热特性提出了较高要求。为保证装备的紧凑布置，高频电力变压器的经典绝缘结构包括匝间的聚酰亚胺包覆薄膜绝缘和外层对地的环氧树脂浇注绝缘两个部分，其绝缘问题逐渐成为限制高频电力变压器广泛应用和发展的卡脖子问题之一。特别地，与绕组直接接触的聚酰亚胺薄膜承受的高温、高频、高压冲击尤为显著，是装备的绝缘弱点所在，其高频绝缘特性决定了装备绝缘系统的运行状态。在高频高压的电应力作用下，聚酰亚胺绝缘薄膜面临介电损耗发热以及微放电的强烈冲击，出现绝缘过早失效的问题。因此有必要针对高频电力变压器的绝缘需求，有针对性地改性制备聚酰亚胺绝缘薄膜，在保证高温耐受特性的同时，降低高频下的介电损耗并提升其微放电耐受寿命，在此基础上针对改性参量对其优异高频特性的作用机制、改性材料的高频损伤机制等关键问题，开展系统性的探索研究，提出平衡各项绝缘性能的综合调控机制。利用包括量子力学和分子动力学的分子仿真手段，研究了数种合成聚酰亚胺含硫二胺单体的反应活性，发现当二氨基二苯硫醚(SDA)单体中至少一个氨基位于S原子对位时，其活性足够高适于作为改性媒介引入大分子链;分析了不同分子结构对聚酰亚胺长链构象的影响机制，发现选用4，4-SDA为改性单体时构成的聚酰亚胺长链规整性最高，这是由S原子更强的失电子能力和分子对称性决定的;预测了改性聚酰亚胺堆砌结构体系的基本理化特性，发现向传统Kapton?型聚酰亚胺(PMDA-ODA)中以4，4-SDA为媒介部分引入苯硫醚基团，基本不会影响材料的热力学特性;在此基础上提出了基于分子设计的聚酰亚胺总体改性方案，即:二胺单体(4，4-SDA和4，4-ODA)与二酸酐单体(PMDA)经过一定手段的随机共聚，通过高频绝缘特性试验进一步调控合成方案。基于热酰亚胺化的两步制备法，分别成功合成了二胺结构中苯硫醚含量为0％、20％、40％、60％、80％和100％的改性聚酰亚胺薄膜，并利用傅里叶红外光谱表征了各改性试样微观分子结构，确定了酰亚胺化的完成性和改性合成的有效性。分别研究了各类聚酰亚胺薄膜试样包括热稳定及结晶在内的基本理化特性，发现了分子结构改性对聚酰亚胺优良热学性能的影响规律:并得到了材料微结晶特性随二胶结构中苯硫隧含量的变化趋势。利用高频介电谱测试方法，研究了改性聚酰亚胺薄膜试样的频率介电特性，发现其介电损耗变化趋势与结晶度和光学吸收特性类似，苯硫醚含量为40％时的介电损耗因数仅为0％的1/3左右;阐明了二胺结构中苯硫醚基团对聚酰亚胺高频介电损耗因数的影响机制，即破坏相邻聚酰亚胺大分子链间电荷转移络合作用的平衡性，增加有损极化偶极子的分散性，离散松弛极化时间，进而降低介电损耗因数:结合理论推导和第一性原理仿真，以失电子结构核心原子的电荷密度为变量，提出了聚酰亚胺介电损耗因数的定量分析模型，进而阐明了基于分子设计的聚酰亚胺介电损耗特性的调控机制。利用针-棒电极结构的高频沿面放电测试平台，研究了不同苯硫醚含量聚酰亚胺薄膜试样的高频沿面放电触发行为，并结合理化和介电特性的测试结果阐释了改性参量沿面放电起始行为的影响机制，发现在环境和电极结构一定时，沿面放电起始电压几乎不受改性的影响;结合二维表面电荷的动态分布测试，研究了放电起始后改性聚酰亚胺薄膜表面高频沿面放电的发展过程，阐明了改性对沿面放电初始、发展与闪络各阶段的影响机制;进一步揭示了改性薄膜表面的高频沿面放电与电荷的交互作用机制，发现大量正半周期的沿面放电主要是负极性表面电荷感应电场导致的，而放电对材料的冲击又会增大负极性表面电荷的积聚，二者相互促进，交互作用。基于搭建的高频沿面放电试验平台，研究了不同改性聚酰亚胺薄膜试样的沿面放电耐受特性，结合理化特性的研究结果，阐明了改性参量对聚酰亚胺沿面放电耐受特性的影响规律，发现介电损耗产热和放电辐射光子吸收最低的PSI40型聚酰亚胺薄膜的耐受寿命最长。结合放电损伤试样的SEM微观形貌测试和放电作用下损伤反应的反应分子动力学仿真计算，厘清了聚酰亚胺在高频沿面放电作用下性能损伤的微观作用机制，发现在放电的强场下聚酰亚胺分子链从酰亚胺环中C-N键开始断裂并逐渐失效，裂解，使得紧密的堆砌结构逐渐松散并产生大量空隙，而聚酰亚胺大分子链失效释放乙炔等小分子气体产物加大空隙压强，最终导致材料击穿，绝缘性能完全丧失。在尽量减小场强对材料的直接冲击和增加材料对强场抵御能力之间取得平衡，是提升聚酰亚胺高频沿面放电耐受特性的关键。本研究制得了满足高频电力变压器绝缘需求的改性聚酰亚胺薄膜，其高频介电损耗因数约为传统Kapton?型的1/3，高频沿面放电耐受时长约为3倍。结合试验与仿真结论，提出了基于分子结构设计的聚酰亚胺高频绝缘特性的调控机制。收起

关键词 : 聚酰亚胺分子设计合成工艺高频绝缘性能调控机制

5. 特殊电应力下聚酰亚胺绝缘空间电荷演化机制与测试方法研究

[学位论文] 任瀚文华北电力大学（北京） 2021年博士导师: 李庆民共158页

摘要 : 电力电子变压器是实现未来能源网络柔性互联、灵活转换与优化调度的关键装备，其绝缘材料的介电性能直接影响了装备向高电压等级、大容量和紧凑型发展。与传统交直流电力装备相比，电力电子变压器绝缘承受高重复频率、高幅值类正弦、方波波形的特殊电... 展开电力电子变压器是实现未来能源网络柔性互联、灵活转换与优化调度的关键装备，其绝缘材料的介电性能直接影响了装备向高电压等级、大容量和紧凑型发展。与传统交直流电力装备相比，电力电子变压器绝缘承受高重复频率、高幅值类正弦、方波波形的特殊电应力作用，并进一步引起绝缘介电损耗与温升现象，运行环境较为恶劣。特别地，聚酰亚胺包覆绝缘直接承受变压器金属绕组侧的特殊电热耦合应力，其介电性能直接决定了装备绝缘系统的实际运行性能。在高频高压的特殊电应力作用下，聚酰亚胺绝缘易出现放电发展与过早失效等问题，但目前对造成这些现象的微观机理尚不清楚，其关键在于引起材料内部局部电场严重畸变与劣化问题的空间电荷演化机制尚不清晰，而现有针对直流与工频交流的电荷测试方法难以直接应用于特殊电应力下的电荷测试研究。为解决上述问题，本文综合利用微观仿真与实验观测手段，针对特殊电应力下的双极性载流子输运特性、空间电荷高精度测试方法以及不同条件下的空间电荷演化现象开展系统研究，可为电力电子变压器的聚酰亚胺绝缘优化设计和性能评估提供理论依据和有效方法。针对特殊电应力条件存在的瞬变特征，研究了双极性载流子输运模型中的空间电荷双向迁移行为，分析了以往直流肖特基电荷注入原理在特殊电应力下的适用性，提出了低电场电荷注入阈值设定原则以提高模型计算的准确度;针对模型自洽方程组的高精度计算问题，基于注入阈值设定对比研究了对流传导方程与泊松方程的不同求解算法，建立了联用对流传导方程差分加权非振荡算法与泊松方程边界元法的高精度模型求解方法;进一步利用新模型与算法研究了单/双极性方波、正弦等特殊应力条件下试样陷阱与界面特性对绝缘空间电荷演化的影响。结果表明，单极性应力下电荷的积聚与迁移受试样陷阱深度、界面势垒和电荷迁移率等多因素的耦合作用，而双极性条件下电荷演化则主要由注入势垒与电荷迁移率决定。为构建适用于特殊电应力条件的电声脉冲(Pulsed electro-acoustic，PEA)测试方法，基于电荷弹性波与分布参数传输线中电压波的数学表征，提出了PEA系统的等效传输线模型，基于模拟结果与理论分析的一致性验证了模型的适用性，并据此给出了硬件系统的设计方案;进一步结合特殊极化应力对试样承受电压和系统元件的耦合影响，提出了适配特殊电应力条件的测试系统改进设计方案，建立了受电应力频率影响的测试范围评定准则，指出PEA法存在一定的应用频率上限。针对测试系统的声阻抗匹配问题，利用电荷弹性波在各个测试环节的传变过程，推导建立了测试信号衰减系数与电压-电荷转换系数的改进计算方法，针对聚酰亚胺绝缘的电荷测试结果表明，改进算法可提高33.5％的信号恢复精度。利用改进设计的PEA系统，在20～60kV/mm场强、10～500Hz频率以及25～80℃温度的测试范围内，研究了正/负极性方波、半波正弦与全波正弦条件下聚酰亚胺绝缘的空间电荷演化规律，结合双极性载流子输运过程的模拟分析，指出不同电应力波形条件下的积聚电荷来源于不同侧的电极注入。方波的正负极性决定了正极性积聚电荷的所处频率范围，而低频段半波正弦与全波正弦条件下的空间电荷则主要来源于上电极，同时，高温条件将促进高频电应力下的空间电荷积聚与演化过程。特殊电应力的极性、波形、频率等条件会引起聚酰亚胺绝缘陷阱与势垒特性的改变，进而影响空间电荷的演化机制。针对空间电荷测试方法时空分辨性能的局限性，基于跳跃传导模型提出了空间电荷可被准确测试的判断准则，并利用电荷跳跃迁移概率与迁移时间的基本关系，建立了空间电荷测试方法时空分辨率影响下的陷阱深度计算方法，由此提出了评估方法可测范围的定量判据，指出以往方法仅能测试深度在0.68eV以上的深陷阱捕获电荷，并利用电流积分电荷测试结果验证了测试方法的可测电荷范围。在此基础上，融合弹光效应与椭圆偏振探测技术，探索提出了可实现纳米级空间分辨、微秒级快速响应和全光隔离结构的空间电荷光学测试方法，建立了含激励作用、信号传变到最终探测的测试全过程数学表征模型;进一步利用构建的椭圆偏振测试系统，实验和仿真研究表明，测试信号可在保持高信噪比的同时准确反映传感器上的弹性应力，而传感器的折射率变化可以追踪皮秒级脉宽的形变变化，验证了光学测试方法实现高时空分辨的可行性。上述研究可为高频特殊电应力下的聚酰亚胺绝缘空间电荷测试提供理论依据与有效方法。收起

关键词 : 聚酰亚胺绝缘电应力空间电荷演化机制电声脉冲测试

6. 大型风机叶片雷击接闪的极性效应与风险评估方法

[学位论文] 郭子炘华北电力大学（北京） 2020年博士导师: 李庆民共148页

摘要 : 随着人类对于能源需求的不断增加，化石燃料的快速消耗，温室效应的不断加剧，可再生能源成为未来能源的发展方向，风力发电是其中发展最迅速、技术最成熟、应用最广泛的利用形式。然而雷击事故严重威胁了风电场的安全稳定经济运行，其中以叶片雷击损... 展开随着人类对于能源需求的不断增加，化石燃料的快速消耗，温室效应的不断加剧，可再生能源成为未来能源的发展方向，风力发电是其中发展最迅速、技术最成熟、应用最广泛的利用形式。然而雷击事故严重威胁了风电场的安全稳定经济运行，其中以叶片雷击损伤问题最为突出。现有防雷系统在一定程度上提供了保护，但随着机组容量提升，叶片塔筒尺寸增大，风机防雷问题面临新的挑战。究其原因，目前的风机防雷系统设计多依靠经验方法，缺少相应的基础理论研究。为完善风机叶片防雷设计，提高风电机组雷击防护性能，降低雷击事故概率，保障风电场正常运行，本文综合利用实验研究与仿真建模手段，针对风机叶片接闪特性，防雷系统拦截失效原因，叶片雷击风险评估方法等问题开展系统性研究，为风机叶片防雷系统优化设计提供了理论基础与分析方法。通过搭建风机叶片雷击接闪特性试验平台，采用长间隙放电模拟雷击过程，研究了不同叶片姿态角度、下行先导侧面距离及雷电极性对叶片接闪特性的影响规律，归纳了接闪点类型，发现正极性雷击时，叶片处负极性上行先导起始难度较大，接闪点向远离叶尖方向转移，接闪器拦截性能下降，存在显著的极性效应。进而研究了不同极性雷击下空间电荷对接闪过程的影响作用，定性解释了极性效应的产生机制。同时指出正极性雷击更易导致叶片雷击事故，并提出了接闪器失效的三种典型模式。利用缩比旋转风机模型，模拟实际风机运行时叶尖线速度，研究了不同极性雷击作用下叶片旋转对接闪特性的影响规律，发现对于接闪过程，旋转使得叶尖处接闪器失效，接闪点向叶根方向转移，防雷系统整体拦截性能下降;对于主回击过程，旋转造成接闪点附近放电通道发生偏移，在叶片表面产生拉弧现象，使得接闪器成功拦截时叶片仍可能遭受损伤。此外，发现旋转下同样具有显著的极性效应，旋转对负极性雷击接闪过程影响较小，而对正极性雷击影响较大。从上行先导的起始机制与对下行先导的吸引作用两方面，分析了极性效应的产生原因。通过分析负极性先导各部分不同极性流注区域空间电荷分布特征，借鉴正极性先导发展模型中计算空间电荷量的简化方法，建立了负极性先导发展模型，模拟了梯级先导发展过程，获得了空间茎、空间先导、负先导主通道等结构的时空演化规律，利用长间隙放电试验结果进行了验证。结合观测数据，提出了负极性上行先导起始判据，模拟了正极性自然雷电接闪过程，为分析风机叶片雷击接闪特性的极性效应提供了理论依据。通过纳入雷电下先导速度对背景电场的影响作用，与先导速度对能量转化效率的对应关系，改进了不稳定先导转化条件，完善了先导发展模型，提出了稳定先导起始的初始流注动态临界长度判据，实现了先导速度、雷电流峰值对上行先导起始影响的量化表征，是现有先导起始判据的推广。在此基础上根据叶片表面不同位置上行先导起始难度的差异，提出了叶片表面任意位置雷击风险评估方法，分析了不同叶片姿态、不同接闪器类型以及不同雷电下行先导侧面距离下叶片防雷系统的防护效果，对比了不同极性雷击时叶片的雷击风险系数分布，定量分析了极性效应对接闪器拦截性能的影响作用。为风机叶片接闪器的优化布置提供了分析工具。收起

关键词 : 风机叶片雷击防护接闪特性极性效应风险评估

7. 直流GIL金属微粒的荷电运动机制与治理方法研究

[学位论文] 王健华北电力大学（北京） 2017年博士导师: 李庆民共145页

摘要 : 鉴于当前超特高压输电走廊紧缺、分布式能源就地输送、线路跨越江河的特殊需求等问题，以及未来直流电网规划发展需要，使得直流气体绝缘输电线路(Gas insulated transmission lines，GIL)愈加受到学术界和工业界的普遍重视。在直流GIL绝缘体系中，由... 展开鉴于当前超特高压输电走廊紧缺、分布式能源就地输送、线路跨越江河的特殊需求等问题，以及未来直流电网规划发展需要，使得直流气体绝缘输电线路(Gas insulated transmission lines，GIL)愈加受到学术界和工业界的普遍重视。在直流GIL绝缘体系中，由于生产、运输、组装、运行等阶段的机械碰撞、设备振动以及热伸缩摩擦，都会不可避免地产生金属微粒污染物，而金属微粒将在电场作用下带电、运动并引发腔体内的气隙击穿和绝缘子沿面闪络，进而造成GIL设备绝缘耐受能力显著下降，严重影响到直流输电系统的安全可靠运行。本文重点针对直流GIL中金属微粒的荷电运动机制及治理方法开展研究，所取得的成果主要包括: 利用流体力学理论分析微粒运动过程中混合气体阻力的影响，并结合弹性碰撞理论分析金属微粒与导体及外壳的非弹性随机碰撞过程，建立了球形金属微粒的运动模型。仿真和实验结果表明:相比于交流情况，直流GIL中的微粒存在贯穿电极间隙的运动，分布范围更大，危险程度更高;尽管微粒运动有很大随机性，但在封闭腔体内的运动分布仍呈现一定规律;微粒活跃度与随机反射角、电压幅值呈正相关，且随着微粒半径变化存在极大值。掌握微粒的动力学行为特征，可为微粒的危险程度评价及抑制措施研究提供重要的理论基础和技术依据。自由金属微粒运动将进一步引发直流GIL腔体内部的局部放电，而严重的放电甚至会导致整个气隙击穿。基于微粒局部放电实验平台，针对电压极性、幅值、SF6气压、微粒长度、微粒半径、微粒个数等影响因素开展实验研究，探究各因素对金属微粒运动特性以及放电特性的影响，并分析获得不同因素下微粒污染物的危险程度。进一步使用高速相机观测自由金属微粒诱导的气隙击穿过程，通过分析球形微粒启举后的电场畸变现象，并基于流注理论的微放电判据得到运动微粒与极板间的微放电特征间距，根据实验现象将直流匀场中金属微粒引起的击穿分为3种类型——静止直接击穿、微放电击穿、启举电压击穿。对于跳跃的自由线形微粒，其引起的微放电击穿间距随着微粒长度的增加而增加，击穿电压则随着微粒长度的增加而降低。除了诱发气隙击穿，附着金属微粒还对绝缘子表面电荷积聚具有严重影响。纳入微粒污染以及气体侧空间离子的产生、复合、迁移、扩散等作用，利用多物理场仿真软件COMSOL建立了绝缘子表面电荷积聚的微观模型，同时搭建考虑金属微粒影响的旋转式电荷测量平台进行测试，仿真分析和实验结果均表明:绝缘子表面电荷积聚与绝缘子表面场强的法向分量具有一致性;附着绝缘子表面的导电微粒能引起表面电荷积聚激增，其中附着在中间部位的微粒引起的电荷激增量更为显著，且微粒两端积聚电荷的电性相反，并与微粒尖端所对电极极性相反;悬浮微粒对表面电荷积聚的影响较小，当悬浮微粒距绝缘子表面垂直距离超过4倍微粒直径时，其对绝缘子表面电荷的影响可以忽略。针对直流GIL中自由金属微粒污染物的治理，一方面，研究电极表面覆膜对金属微粒启举特性的抑制机理，并利用气体电离及界面电荷积聚理论提出直流电极覆膜时金属微粒的带电与启举模型，发现直流应力下覆膜产生的静电吸附力可显著提高微粒的启举电压，覆膜介电常数及体电导率对微粒充电时间均有显著影响，从而明确了介电常数大、体电导率小这一覆膜材料遴选原则;另一方面，基于电场分析以及捕捉实验，提出了可用于直流GIL栅格式微粒陷阱设计的特征厚宽比参数，同时对绝缘子附近金属微粒的运动行为进行了研究，并在金属微粒落点集中区域进行陷阱布置，取得较好的抑制效果，可指导工程应用设计。收起

关键词 : 直流气体绝缘输电线路金属微粒动力学模型气隙击穿电荷积聚微粒陷阱

8. 微电网复合储能柔性控制技术与容量优化配置

[学位论文] 潭兴国山东大学 2014年博士导师: 李庆民共139页

摘要 : 近年来，因面临化石能源日渐短缺与枯竭以及全球气候变化等严峻现实问题，作为分布式可再生能源的有效组织形式，微电网技术在国内外得到前所未有的关注。储能作为微电网的重要组成部分，在微电网稳定控制、平抑可再生能源波动、电能质量补偿、削峰填... 展开近年来，因面临化石能源日渐短缺与枯竭以及全球气候变化等严峻现实问题，作为分布式可再生能源的有效组织形式，微电网技术在国内外得到前所未有的关注。储能作为微电网的重要组成部分，在微电网稳定控制、平抑可再生能源波动、电能质量补偿、削峰填谷、应急供电等领域可为微电网提供关键技术支撑。然而，受限于储能技术水平发展的掣肘，单一储能往往难以满足微电网内多种不同需求，发展复合储能技术，是目前在经济、技术上较为可行的解决方案。研究微电网复合储能关键技术，具有重要的现实意义和应用价值。本文着眼于微电网对储能技术的多种典型需求，针对微电网中复合储能的柔性控制与容量配置开展探索和创新研究，重点解决复合储能的多端口接入、储能变换器可靠容错运行、储能对微电网的关键支撑作用等基础性问题，在此基础上探讨微电网复合储能容量的多目标优化配置技术。以多绕组高频变压器为基础，构建了复合储能的多端口统一接入拓扑，揭示了端口间的功率传输规律及影响机制;基于超级电容和蓄电池相融合的三端口全桥复合储能等效电路，推导出三端口复合储能的平均电流小信号分析模型，并藉此获得三端口复合储能定功率传输策略;针对超级电容端口电压随储能容量波动较大的特点，研究得到一种异步占空比移相PWM算法，实现多端口变换器在功率传输过程中端口电压的匹配，可有效改善传输效率。上述研究为复合储能整体接入微电网所需的底层功率传输控制提供了技术基础。微电网储能装置的可靠性很大程度上取决于储能变换环节。在兼顾经济成本和控制性能的前提下，针对潜在的储能变换故障，研究三相四开关储能容错拓扑，并给出容错切换的临界条件和切换准则。准确快速地获取储能变换器的故障信息是实现故障容错的前提，针对建模中的故障信息丢失问题，引入电路状态逻辑构建了储能变换器混杂系统动态(HSD)模型，藉此获得一种基于电流状态残差演变特征的储能变换器故障诊断方法，可显著提高故障诊断的快速性。针对四开关变换器的内在缺陷，基于等效阻抗理论揭示了输出阻抗、逆变频率和辅助电容差异对输出不平衡的内在作用机制，根据调制信号与空间电压矢量作用时间的关联规律，推导出一种实现直流中点电位偏差前馈补偿的等效SVPWM控制方法，显著提高了四开关储能变换器容错运行的平衡度。可对微电网电能质量进行补偿的电力有源滤波器(APF)，存在功能单一、造价较高等问题，而四开关储能变换器因减少了功率器件和辅助装置，在低成本功率变换领域的应用前景较好。为此，本文开展了低成本三相四开关储能型APF应用技术研究。推导出一种基于电源电流跟踪的微电网谐波和无功直接补偿策略，因无需检测谐波，可有效降低四开关APF的实现难度。进一步研究了电压跌落引起的微电网不平衡对四开关APF的影响机制，推导出基于线电压矢量合成的四开关APF电流参考值生成策略，以适应微电网中的特殊不对称情况。四开关储能型APF可对微电网提供多种柔性支撑。针对四开关储能型APF工作模式的自适应切换，借助坐标变换推导出不同模式下的指令电流算式，并给出切换控制的边界条件;针对四开关APF的物理实现，给出了APF关键控制参数的取值准则及定量计算方法，并得到一种基于周期积分的单相软件锁相方法，实现了对电源电流的精确滞环跟踪补偿。微电网复合储能容量的配置多依赖于工程经验，缺乏理论指导和定量评估标准，为此，本文深入研究了微电网复合储能容量的多目标优化配置技术。构建了以投资成本最低、功率平衡最优、可再生能源发电功率波动最小为目标的复合储能容量配置多目标优化数学模型，从滤波系数、功率限幅、储能充放电管理等角度阐明了影响复合储能优化效果的关键因素;提出一种基于目标函数适应度离差均值排序的子目标函数权重确定方法，用以重组目标函数，可有效降低粒子群优化求解算法的实施难度;为评估多目标最优解的有效性，定义了可再生能源波动系数和供求平衡匹配系数，可实现优化效果的定量评估。针对超级电容和蓄电池构成的典型复合储能，就容量的多目标优化配置开展算例分析，给出了典型目标函数的建立方法以及优化算法实现流程，量化比较了复合储能和单一储能的容量多目标优化配置效果，表明复合储能容量优化配置的合理性。基于构建的微电网实验平台，进一步开展了复合储能柔性控制实验研究。研制了三端口复合储能全桥变换器、三相四开关储能容错装置、储能型四开关APF等实验样机，给出了关键参数的优化结果和软硬件实现方法，重点开展了复合储能定功率控制、容错判断及切换、直接电流滞环跟踪、电能质量统一补偿、锁相跟踪等实验研究，验证了本文理论与方法的有效性。本文研究结果可为微电网复合储能装置的拓扑设计和工程应用提供理论基础和技术依据。收起

关键词 : 微电网技术复合储能柔性控制容量配置

9. GIS盆式绝缘子电热老化的热动力学特性与绝缘寿命预测方法

[学位论文] 任鹏华北电力大学（北京） 2021年博士导师: 李庆民共138页

摘要 : 盆式绝缘子的绝缘缺陷一直是造成GIS设备故障的主要原因之一，而目前基于电气特征量的绝缘状态评估方法尚不能提供足够的准确度与可靠性，特别是针对GIS盆式绝缘子潜伏性及发展性绝缘缺陷的可靠探测和剩余寿命评估，迫切需要探索更有效的检测与表征方... 展开盆式绝缘子的绝缘缺陷一直是造成GIS设备故障的主要原因之一，而目前基于电气特征量的绝缘状态评估方法尚不能提供足够的准确度与可靠性，特别是针对GIS盆式绝缘子潜伏性及发展性绝缘缺陷的可靠探测和剩余寿命评估，迫切需要探索更有效的检测与表征方法，这给科学研究提出了实际应用需求和新的技术挑战。作为现有电气检测技术手段的拓展，基于绝缘材料热动力学本征属性的活化能研究，为上述问题提供了可能的解决方法与技术途径。然而，GIS盆式绝缘子采用的环氧树脂复合材料本身存在固化不彻底、热解反应复杂和反应机理函数多元不易求解等问题，这一定程度上制约了活化能方法在盆式绝缘子状态评估中的应用，还须在进一步厘清盆式绝缘子环氧树脂材料老化裂解微观机制的基础上，构建热解动力学参量的计算模型，进而建立绝缘失效判据与寿命评估模型。为突破这些技术瓶颈，本文综合利用微观仿真和实验研究手段，针对盆式绝缘子环氧树脂材料的裂解反应机制、热动力学参数求解方法以及绝缘寿命预测模型等开展系统性研究，可为实现基于热解动力学参量的GIS盆式绝缘子状态评估与寿命预测提供理论基础和技术方法。采用MS(Materialstudio)平台构建了交联环氧树脂的分子体系，并基于ADF(Amsterdamdensityfunction)的ReaxFF模块开展电热裂解的反应分子动力学模拟，研究了裂解产物的动态变化过程，并追踪到CO2、H2O、H2等小分子产物的生成路径，发现在裂解过程中热应力是影响裂解产物生成的主要因素，且表现为多种反应过程。同时利用自主搭建的电热加速老化实验平台，对环氧树脂试样开展电热老化实验，并由扫描电镜观测其微观形貌，结果表明环氧树脂复合材料出现了凸起、孔洞、裂纹等多种形貌特征，指出老化过程中存在多种反应机制，进一步通过热重光谱和质谱测试分析手段，对环氧树脂试样进行热动力学特性研究，并分析其热解特征温度和逸出气体，发现其热解过程具有多种反应并行、附加产物复杂、双台阶明显的特征。为定量表征环氧树脂试样复杂热解过程的反应机理，本文提出了热解机理函数的四参数通用表征模型，该模型适于表征包含多种反应的复杂热解过程。针对盆式绝缘子环氧树脂复合材料的多元反应过程和双台阶效应，研究提出了热解活化能的求解方法。热解反应台阶Ⅰ中的初始反应温度较低，结合积分中值点的渐近性质构建了中值近似函数，继而纳入低温效应影响，提出针对热解反应台阶Ⅰ的积分中值活化能计算方法，使得因低温近似带来的活化能计算误差显著降低。热解反应台阶Ⅱ的初始温度较高，低温近似处理不再有效，为此提出改进的指数式活化能求解方法，以温度积分近似为基础，建立了指数式积分变换，应用该方法时无须假定反应机理函数，使得活化能计算误差小于0.03％。融合反应台阶Ⅰ和台阶Ⅱ中的热解活化能求取，推导出可描述整个热解过程的反应机理函数。进一步提出新型的有理式积分变换形式，结合构造的误差函数方程，系统验证了活化能计算方法与反应机理函数的有效性。该计算方法为积分近似的数值逼近提供了新思路以及可推广应用的形式，可进一步减小温度积分近似误差。利用上述方法可对环氧树脂复合材料分阶段热解过程的活化能进行可靠求解，实现环氧树脂热解反应机制的定量数学表征。为获得热解特性及电气参量与材料老化程度的关联规律，利用电热联合老化实验平台，针对不同类型的环氧树脂复合材料试样，在100℃、130℃、160℃等温度点开展加速老化实验。同时，对不同老化状态的环氧树脂试样，分别开展绝缘击穿和机械拉伸强度实验，获得了试样质量损失率、击穿场强、机械拉伸强度与老化温度以及老化时间的关联关系。结果表明，老化试样可能存在二次固化现象，使得老化初期的击穿场强和机械拉伸强度呈局部增大趋势，而当老化温度高于玻璃化转变温度时，试样的击穿场强和机械拉伸强度随老化时间迅速下降，其中绝缘击穿场强下降最快。为此，以击穿场强降低为初始值的50％作为绝缘寿命终止基准，基于电气参量与热动力学参量之间的关联规律，提出了以质量损失率4.3％（对应热解反应转化率86％）为阈值的环氧树脂复合绝缘失效判据。进一步对全老化周期的绝缘样本开展热失重实验并求取热解台阶Ⅰ和台阶Ⅱ的活化能，建立了活化能与质量损失率的定量关系，由此提出GIS盆式绝缘子环氧树脂复合绝缘的剩余寿命预测模型，并基于已知运行寿命的实际GIS绝缘子验证了寿命评估方法的有效性。上述研究为GIS绝缘子的寿命评估提供了理论依据与有效方法。收起

关键词 : GIS盆式绝缘子热动力学分析电热老化剩余寿命评估

10. 经济型故障限流拓扑与应用技术研究

[学位论文] 刘洪顺山东大学 2010年博士导师: 李庆民共137页

摘要 : 随着我国电网规模的扩张、电力系统中负荷的迅速增长以及大容量机组不断投入运行,短路电流水平的日益提高严重威胁着电力系统的安全、可靠与稳定运行。采用调整电网结构、改变系统运行方式等传统短路电流限制措施,尽管可在某种程度上抑制短路电流,但无... 展开随着我国电网规模的扩张、电力系统中负荷的迅速增长以及大容量机组不断投入运行,短路电流水平的日益提高严重威胁着电力系统的安全、可靠与稳定运行。采用调整电网结构、改变系统运行方式等传统短路电流限制措施,尽管可在某种程度上抑制短路电流,但无一例外地将对电网运行的灵活性、经济性和可靠性带来不同程度的负面影响。因此,研究性能优良、经济合理的新型故障限流器(Fault Current Limiter,FCL)是大势所趋,对我国电网发展具有重要的现实意义和应用价值。本文旨在发展基于常规电气设备或元件的非超导、非电力电子型故障限流新技术,重点研究其在高压电力系统应用所面临的科学与关键技术问题。研究内容包括以下几个方面:基于ZnO避雷器和放电间隙的经济型故障限流拓扑优化及其数字化在线监测与控制系统研究；基于永磁偏置原理的经济型故障限流技术的探索研究,涉及材料选型、运行机理分析、等效建模与拓扑优化等；经济型故障限流器应用对高压电力系统的综合影响研究,涉及暂态稳定、断路器开断特性、自动重合闸技术等方面。在综合分析现有串联谐振型FCL优缺点的基础上,提出了基于ZnO避雷器和并联放电间隙的故障限流新拓扑,并开展了中低压模拟实验研究,进一步建立了110kV等级限流器的总体设计方案及其数字化在线监测、诊断、保护、触发与控制系统。此研究工作为超高压等级ZnO避雷器式FCL样机的研制奠定了理论基础和技术依据。本文还就基于永磁偏置饱和原理的经济型故障限流技术开展了探索研究。针对系统正常状态和故障限流状态,研究了永磁体与软磁铁心的工作点配合准则；在综合分析多种典型软磁材料和永磁材料的磁性能、机械性能和经济性能的基础上,提出了软磁铁芯和永磁体材料的选择原则；详细分析了不同永磁饱和型故障限流拓扑的静态和动态场、路特性,建立了等效磁路分析模型；开展原理性实验研究以寻找提高永磁体偏置能力以及FCL限流性能的有效技术途径,为实现永磁饱和型FCL的高压大容量化提供了基础依据。短路故障引发的暂态功角振荡以至失稳可能威胁到电网的安全运行,而FCL在限制短路电流的同时也参与了系统的暂态过程,其对电网暂态行为的影响值得研究。针对安装经济型FCL的单机-无穷大系统,利用等面积定则详细分析了其暂态物理过程,并进行了单机和多机系统的仿真验证,结果表明:安装经济型FCL故障限流器,可有效抑制摇摆曲线的振荡幅度并缩短衰减周期,延长系统的极限切除时间,提高系统的暂态稳定能力。安装FCL可有效降低电力系统的短路电流水平和对高压断路器的遮断容量要求,但也可能造成更加苛刻的开断条件。针对安装经济型FCL的系统发生出线故障和近区故障的情况,基于理论分析与数学推导,建立了描述断路器恢复电压上升率与限流比、杂散电容以及近区故障距离之间关系的数学表达式。基于这些理论公式,研究了各主要参数对恢复电压上升率的具体影响,并与文献中的有关仿真结果进行了比较,验证了分析方法的有效性。研究结果为经济型FCL的参数优化和高压断路器开断特性的选型提供了分析基础和理论依据。进一步分析了经济型FCL不同限流比对失步故障电流的影响,得到了单回和双回接线方式下输电线路临界长度的计算方法。提出了失步故障时断路器开断苛刻度的概念,导出了断路器开断苛刻度与FCL限流比的数学表达式,并研究了FCL限流比和杂散电容对断路器开断苛刻度的具体影响。分析结果表明,为有效降低断路器对失步故障的开断苛刻度,应尽量避免将FCL的限流比设计在0.5附近,并通过结构设计尽可能地增大FCL的杂散电容。在安装有氧化锌避雷器式FCL的超高压线路中,因FCL中串联电容器的存在,可能导致潜供电流中含有幅值较大、衰减较慢的低频分量,易造成潜供电弧不易自熄,使单相重合闸成功率降低。本文针对安装氧化锌避雷器式FCL的500 kV输电系统,利用电磁暂态计算程序分析了FCL旁路开关的不同断开时间和不同弧道电阻对潜供电流特性的影响。基于等效阻抗网络和拉普拉斯变换方法,研究了潜供电流自然振荡频率与衰减系数的变化情况,从理论上解释了潜供电流低频分量的产生机理。提出了氧化锌避雷器式FCL与单相自动重合闸的时序配合策略,并进行了仿真验证,结果表明,该策略可有效消除可能的潜供电流低频分量对单相自动重合闸的不利影响,既能确保自动重合闸操作的正常时序,又能兼顾故障限流器的自恢复特性。本文研究成果进一步发展了电力系统故障限流技术的基础理论和分析方法,对高压大容量经济型故障限流器的科学研究与工程应用具有重要意义。收起

关键词 : 经济型故障限流器仿真建模恢复电压上升率断路器开断苛刻度潜供电流低频分量单相自动重合闸