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『簡體書』直流气体绝缘管道输电系统中气-固界面电荷特性研究

書城自編碼： 3822408
分類：簡體書→大陸圖書→工業技術→一般工业技术
作者： 张博雅
國際書號(ISBN)： 9787302617501
出版社： 清华大学出版社
出版日期： 2022-12-01

頁數/字數： /
書度/開本： 16开 釘裝： 精装

售價：HK$ 111.3

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編輯推薦：
《直流气体绝缘管道输电系统中气-固界面电荷特性研究》入选“清华大学优秀博士学位论文丛书”。
內容簡介：
气体绝缘管道输电线路是一种重要的输电设备，而固-气界面电荷积聚是影响直流GIL绝缘性能的关键问题。《直流气体绝缘管道输电系统中气-固界面电荷特性研究》详细介绍了直流电场下固-气界面电荷的测量技术、电荷积聚与消散的机理和特性、以及抑制电荷积聚的方法。本书的研究成果不但具有重要的理论意义，同时具有潜在的应用价值，为我国高压直流气体绝缘设备的研制提供了重要的技术手段、理论基础和设计思路。
關於作者：
张博雅，分别于2013年、2018年在清华大学获得工学学士和博士学位，2016-2017年赴美国康涅狄格大学做访问研究，曾获清华大学优秀博士论文，北京市优秀博士毕业生。主要研究方向为高压电力设备沿面绝缘与放电诊断、高电压与大电流新技术、气体放电与等离子体。2018年7月进入西安交通大学电气学院从事教学科研工作，入选中国博士后创新人才支持计划。
目錄：
第1章绪论
1.1研究背景及意义
1.1.1高压直流输电
1.1.2气体绝缘管道输电
1.1.3直流GIL的绝缘问题
1.2国内外研究现状
1.2.1气固界面电荷积聚的早期研究基础
1.2.2气固界面电荷积聚的近期研究动态
1.2.3气固界面电荷积聚的研究现状小结
1.2.4气固界面电荷积聚研究存在的问题
1.3本书的主要工作

第2章基于缩比GIL的气固界面电荷测量系统设计
2.1静电探头法的测量原理
2.1.1无源静电探头的测量原理
2.1.2有源静电探头的测量原理
2.1.3有源静电探头对电场的影响
2.2基于缩比GIL的气固界面电荷测量平台
2.2.1绝缘子制作和电极结构设计
2.2.2实验装置和测量平台
2.3二维平面的气固界面电荷测量平台
2.4粉尘图的制作
2.5本章小结

第3章基于数字图像处理技术的气固界面电荷反演算法
3.1电荷反演问题的提出

3.2平移改变系统的电荷反演算法
3.2.1平移改变系统及其传递函数矩阵元素
3.2.2传递函数矩阵的病态特性
3.2.3基于吉洪诺夫正则化的维纳滤波器
3.2.4基于点扩散函数的空间分辨率分析
3.2.5仿真算例及计算精度分析
3.3平移不变系统的电荷反演算法
3.3.1平移不变系统算法设计的基本原理
3.3.2二维傅里叶变换和维纳滤波器
3.3.3系统的空间分辨率分析
3.3.4仿真算例和计算精度分析
3.4实测效果和算法验证
3.5本章小结

第4章直流电场中气固界面电荷积聚特性及其动力学模型
4.1气固界面电荷积聚实验现象
4.1.1空气中的气固界面电荷积聚现象
4.1.2SF6中的气固界面电荷积聚现象
4.2气固界面电荷积聚的两种模式
4.2.1基本模式
4.2.2电荷斑模式
4.3气固界面电荷积聚的动力学模型
4.3.1建立模型
4.3.2实验结果与仿真结果的对比
4.3.3仿真体积电导率对电荷积聚的影响
4.3.4仿真表面电导率对电荷积聚的影响
4.4对气固界面电荷积聚理论的实验验证
4.4.1不同体积电导率的绝缘子表面电荷积聚
4.4.2温度梯度下的绝缘子表面电荷积聚
4.4.3高离子浓度气体中的绝缘子表面电荷积聚
4.5本章小结

第5章气固界面电荷消散特性及其动力学模型
5.1实验设计

5.1.1实验样品
5.1.2充电电路
5.1.3研究内容
5.2环氧树脂材料表面电荷消散的观测
5.2.1开放气体空间中的气固界面电荷消散
5.2.2有限气体空间中的气固界面电荷消散
5.2.3离子风中的气固界面电荷消散
5.3气固界面电荷消散的动力学过程建模
5.4数值计算结果与实验结果的对比
5.4.1体电导主导的气固界面电荷消散
5.4.2气体离子中和主导的气固界面电荷消散
5.4.3面电导主导的气固界面电荷消散
5.5材料的本征电荷消散与表面陷阱能级
5.5.1等温电流衰减理论
5.5.2陷阱密度与表面电位衰减
5.5.3表面电位衰减测量和表面陷阱能级计算
5.6本章小结

第6章抑制表面电荷积聚的环氧复合材料改性探究
6.1环氧树脂材料本体改性的研究
6.1.1Al2O3纳米颗粒掺杂
6.1.2富勒烯掺杂
6.2环氧树脂材料表面改性的研究
6.2.1表面氟化处理
6.2.2二维纳米涂层
6.3本章小结

第7章结论

参考文献

在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢
Contents

1Introduction
1.1Research Background and Significance
1.1.1High Voltage Direct Current Transmission
1.1.2Gas Insulated Transmission Line
1.1.3Insulation Problems of GIL
1.2Research Status of GasSolid Interface Charge
Accumulation
1.2.1Early Research Basis
1.2.2Recent Research Trends
1.2.3Brief Summary of Research Status
1.2.4Existing Problems
1.3Main Contents of This Book

2Design of Surface Charge Measurement System for Downsized
GIL Model
2.1Measurement Principle of the Electrostatic Probe
2.1.1Measurement Principle of Passive Electrostatic
Probe
2.1.2Measurement Principle of Active Electrostatic
Probe
2.1.3Effect of Active Electrostatic Probe on Electric
Field
2.2Surface Charge Measuerment Platform Based on A
Downsized GIL
2.2.1Manufacture of Insulators and Design of Electrode
System
2.2.2Experimental Setup and Measurement Platform
2.3Surface Charge Measurement Platform for 2D Surface
2.4Production of DustFigure
2.5Summary

3Inversion Algorithm of Surface Charge Calculation Based on the
Digital Image Processing Technique
3.1Propose of the Inversion Algorithm for Surface Charge
Calculation
3.2Inversion Algorithm for ShiftVariant System
3.2.1ShiftVariant System and Transfer Function Matrix
Components
3.2.2The IllPosed Feature of Transfer Function
Matrix
3.2.3Wiener Filter Based on Tikhonov’s Regularization
3.2.4Spatial Resolution of the Algorithm Based on
the PSF
3.2.5Numerical Simulations and Accuracy Analysis
3.3Inversion Algorithm for ShiftInvariant System
3.3.1The Principle of Algorithm for ShiftInvariant
System
3.3.22D Fourier Transform and Wiener Filter
3.3.3Spatial Resolution Analysis
3.3.4Numerical Simulations and Accuracy Analysis
3.4Expreiment Results and the Verify of Algorithm
3.5Summary

4Surface Charge Accumulation Characteristics and Its Kinetic Model
4.1Experimental Phenomenon of Surface Charge
Accumulation
4.1.1Surface Charge Accumulation in the Air
4.1.2Surface Charge Accumulation in the SF6
4.2Two Patterns of GasSolid Interface Charge
Accumulation
4.2.1Dominant Uniform Charging
4.2.2Charge Speckles
4.3Simulation Model of GasSolid Interface Charge
Accumulation
4.3.1Model Building
4.3.2Comparison of Experimental Results and Simulation
Results
4.3.3Influence of Volume Conductivity on Charge
Accumulation
4.3.4Influence of Surface Conductivity on Charge
Accumulation
4.4Experimental Validation of Surface Charge Accumulation
Theory
4.4.1Influence of Volumn Conductivity
4.4.2Surface Charge Accumulation Under Temperature
Gradient
4.4.3Surface Charge Accumulation In Ionizing Gas
4.5Summary

5Surface Charge Dissipation Characteristics and Its Kinetic Model
5.1Experimental Design
5.1.1Test Samples
5.1.2Charging Circuit
5.1.3Research Contents
5.2Observation of Surface Charge Dissipation of Epoxy Resin
5.2.1Surface Charge Dissipation In Free Gas Volume
5.2.2Surface Charge Dissipation in Limited Gas Volume
5.2.3Surface Charge Dissipation in Ionizing Air
5.3Modeling of the Kinetic Process of Surface Charge
Dissipation
5.4Comparision of Numerical Calculations and Experimental
Results
5.4.1Surface Charge Decay Dominated by Volumn
Conducivity
5.4.2Surface Charge Decay Dominated by Gas
Neutralization
5.4.3Surface Charge Decay Dominated by Surface
Conducivity
5.5The Intrinsic Charge Dissipation and Surface Trap Energy of
Insulator
5.5.1Isothermal Current Decay theory
5.5.2Trap Denisity and Surface Potential Decay
5.5.3Surface Potential Decay Measurement and Surface
Trap Energy Caculation
5.6Summary

6Material Modification to Suppress Surfce Charge Accumulation
6.1Bulk Modification of Epoxy Resin Material
6.1.1Al2O3Filled EpoxyResin
6.1.2FullereneFilled EpoxyResin
6.2Surface Modification of Epoxy Resin Material
6.2.1Fluorination of Insulator Surface
6.2.22D NanoLaminar Coating
6.3Summary

7Conclusions

References

Published Papers and Achievements

Acknowledgements
內容試閱：
我国能源基地与负荷中心逆向分布，必然需要电力能源的跨区域、大规模调配。高压直流输电是实现远距离、大容量输电和电网互联的重要手段，能够实现大范围的资源优化配置。我国特高压直流输电线路不可避免地要经过高海拔、大落差、高地震烈度等地理环境恶劣和气象条件多变的地区，这对于输电走廊选择、线路检修维护和换流站设备连接等均提出了更高要求。气体绝缘输电线路（GIL）技术具有输送容量大、占地少、环境兼容性好、运行可靠性高等优势，可以很好地解决上述问题，成为传统架空线路、电力电缆和穿墙套管的有效替代方案，已广泛应用于交流输电系统。然而，GIL技术在直流输电中的应用却受到了极大限制，最为突出的问题就是绝缘子表面在长期承受单极性直流电场作用下会积聚大量电荷，导致局部电场畸变而诱发沿面闪络，大大降低设备的绝缘水平。因此，掌握直流GIL中的气固界面电荷特性、建立气固界面电荷基础理论、从而实现性能调控是研发直流GIL设备亟须解决的关键基础问题。
2014年1月，由清华大学牵头的国家重点基础研究发展计划（“973”计划）“大容量直流电缆输电和管道输电关键基础研究”项目获得立项启动，旨在解决我国大规模电能输送的关键通道问题，我们课题组负责直流管道输电中的气固界面电荷动力学过程研究。当时张博雅刚刚进组攻读博士学位，向我表达了参与该课题的强烈意愿。在此之前，我们课题组在直流GIL技术方面已取得了一些阶段性进展，实现了对真型盆式绝缘子表面电位的全自动化快速测量和对表面电荷的反演计算，得到了直流电压下盆式绝缘子表面电荷积聚的一些主要特征，联合中国电力科学研究院在国内较早开展了特高压GIL的直流闪络试验。随着研究的不断深入，我们也清楚地知道当时仍有很多难题没有解决，面临着下一步工作如何开展的问题。
首先，当时的表面电荷表征方法较为粗糙，采用静电探头测量的表面电位表征表面电荷仍是主流，当被测绝缘子的形状较为复杂时，所得结果与实际的电荷分布有显著差别； 而反演算法限于大型矩阵求逆的病态问题，使得网格数受限； 空间分辨率普遍较低，使得对电荷积聚现象无法做到精细化研究。其次，当时国内外对直流电压下气固界面电荷的积聚机制仍未达成共识，主要是由于影响电荷积聚的因素较多，电荷分布的随机性对机理分析造成了很大干扰，不同研究者根据各自的实验结果提出了不同的主导机制，但对电荷积聚的不同模式分析不足。最后，有效的电荷调控方法仍较为缺乏，这需要在明确电荷积聚机理的基础上，提出工程上较易实现的气固界面电荷调控和抑制手段。
在这种情况下，张博雅开始了他的博士课题。首先，搭建了基于缩比GIL模型单元的气固界面电荷实验平台，以圆锥形绝缘子为研究对象，采用多轴自动控制系统实现对绝缘子表面电位的精确扫描测量。借鉴数字图像处理技术，发展了针对“平移改变”和“平移不变”两种结构的气固界面电荷反演算法，获得了优异的计算稳定性、较高的空间分辨率和计算精度。其次，系统测量了直流电压下空气和SF6中气固界面电荷积聚特性，创新性地提出气固界面电荷分布具有两种模式，即“基本模式”和“电荷斑”模式，并详细分析了两种模式的形成机制。两种电荷积聚模式的提出得到了国内外同行的普遍认可，在此基础上，近年来电荷积聚模式的研究又得到了进一步发展和完善。同时，张博雅还通过实验和建模，研究了体电导、面电导、与气体离子中和这三种不同消散机理主导下的气固界面电荷消散现象，揭示了气固界面电荷消散特性和动力学过程。最后，从环氧树脂复合材料的本体改性和表面改性两个方面研究了抑制绝缘子表面电荷积聚的方法。其中，本体改性以降低绝缘材料体积电导率为目标，抑制绝缘子表面电荷积聚的“基本模式”； 表面改性以促进表面电荷沿切向疏散为目的，以降低绝缘子表面“电荷斑”的电荷密度。本书中探索的几种方法都表现出较好的电荷抑制效果，特别是自组装的PVA/MMT二维纳米涂层技术
，为未来绝缘子的制造提供了新的思路。
张博雅的博士学位论文研究成果丰富，有助于人们深入认识直流电压下气固界面电荷的产生、输运、积聚和消散过程及其调控方法，为直流 GIL 设备的研发提供了重要理论基础和技术参考。本书中的一些成果已发表于高压绝缘领域的高水平期刊和国际会议，博士学位论文获评2018年度清华大学优秀博士学位论文。本书是对他博士研究生阶段工作的系统总结，能够在清华大学出版社出版我感到非常高兴。
目前，随着轻型化海上风电柔性直流送出技术的发展，国际上对于高电压等级直流GIS/GIL的需求日益紧迫，同时，以C4F7N等新型环保气体为代表的环保型SF6替代气体正逐步走向应用，得知张博雅毕业后仍在继续从事相关领域的科研工作，我感到非常欣慰，希望在大家的共同努力下，新一代环保型直流GIS/GIL技术能够早日推广应用，助力我国实现“双碳”目标。
张贵新清华大学电机工程与应用电子技术系2021年12月于北京清华园

 

 

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