关键词： 电力变压器   混合材料铁心   结构设计   损耗特性  

摘要： 电力变压器作为电力输送中的关键设备，其节能降耗具有重要意义。为了进一步降低大容量变压器铁心损耗水平，拓展非晶合金材料适用范围，本文设计了一种非晶合金和硅钢混合材料铁心结构，并且提出了相应的磁路模型和损耗模型。　　首先，设计了多级圆截面卷绕式混合材料铁心结构。对比分析了现有混合材料铁心结构特点，结合变压器常用硅钢和非晶合金两种材料特性，研究了新型铁心结构排布方案。研究了铁心直径设计方法、多级圆截面设计原则、净截面积计算方法。采用数值分析方法研究了混合材料铁心磁通密度分布规律。对比分析了混合材料铁心主磁通和法向磁通特性。研究了适用于混合材料铁心的磁路模型构建方法。　　其次，研究了混合材料铁心结构的损耗特性。从混合材料的磁滞损耗系数、涡流损耗系数、磁感应强度的变化率、铁损密度、磁通密度峰值等参数入手，对比分析混合材料铁心与单一材料铁心的损耗计算模型，研究适用于混合材料铁心的磁滞损耗模型、涡流损耗模型和工程计算模型。基于数值分析方法，从相角和位置两个因素分析混合材料交界面特有的法向磁通变化规律。将法向磁通引起的损耗定义为附加涡流损耗，分析了混合材料铁心损耗变化规律与空载损耗分布规律。　　最后，研究了考虑负载波动的混合材料铁心设计方法。研究变压器负载波动规律与负载波动等效原则。基于等效二级矩形负载周期图，研究考虑负载波动的混合材料卷铁心设计流程。考虑不同导磁材料磁通密度-损耗密度特性，研究混合材料铁心材料配比依据。研究适用于圆形、矩形截面卷铁心的结构尺寸设计方法。本文研究成果为混合材料铁心设计提供了理论依据。

关键词： CMOS工艺   倍频器   集成电路   巴伦   变压器  

摘要： 本振信号产生链路是通信系统的核心模块,不仅给收发机提供本振信号,也给数字电路提供参考时钟,因此本振信号的性能会对整个系统产生极大的影响。同时,随着通信技术的不断发展,对通信设备有了小型化、可移动化、低功耗的要求。而CMOS工艺具有高集成度、低成本、低功耗的特点,因此在毫米波系统方面受到了越来越多的关注与应用。高频信号产生电路是毫米波系统的一个关键组成部分,随着频率的升高,高性能毫米波信号的产生难度越来越大。为了解决这个问题,一般都会采用高效率倍频器将低频信号转换为高频信号,同时理论上倍频器也不会引入额外的相位噪声。本文的主要工作包括以下几个方面:1、倍频器相关理论介绍。首先对器件进行非线性分析计算,得到非线性器件的各次谐波分量大小,这是实现倍频功能的基础。接着对常用的基于场效应管的有源倍频器进行了原理介绍与理论分析。同时分析了差分信号幅相误差对push-push对性能的影响。最后还对常用的电容、电感、变压器和巴伦等进行了简单介绍。2、设计了一款66GHz四倍频器。针对5G毫米波通信频段,设计了一款高谐波抑制度、高转换增益的四倍频器。该四倍频器采用了两级二倍频器级联的结构,其工作带宽为14 GHz～18.8 GHz(为29.3%),带内最大转换增益为11.3d B。带内一次和二次谐波抑制度大于35d Bc。3、设计了一款220GHz太赫兹频段四倍频。该四倍频器基于65-nm CMOS工艺,采用改进的push-push对级联。同时为了驱动倍频器,每级倍频器前均有驱动放大器(DA);为了减小损耗,第一级倍频器与第二级DA之间的级间巴伦采用了槽线巴伦结构。该倍频器的3d B带宽为220GHz～244GHz(约10%),带内最高转换增益为-10d B,谐波抑制度均大于35d Bc。4、设计了一款二三倍频器。该倍频器利用变压器的特性,可以在变压器的初级线圈和次级线圈分别提取二次谐波信号和三次谐波信号。为了提高输出三次谐波的基波抑制度,在三次谐波输出端口级联了注入锁定放大器(ILB)。该倍频器的工作带宽为20.8 GHz～43.8 GHz(74%),其输出功率大于-7d Bm,谐波抑制度大于25d Bc。

关键词： 电力变压器   绕组变形   力累积效应   绕组状态辨识  

摘要： 电力变压器作为电网系统的电力转换枢纽,因短路冲击造成其损坏的事故时有发生,统计发现单次短路冲击有时并不会对绕组造成严重的损坏,但会存有难以检测的暗伤,经多次作用累积,绕组损伤逐渐加强。课题基于国家自然科学基金“电力变压器绕组中电磁、热和力的耦合作用机理及其累积效应研究”项目,通过有限元建模计算,结合理论公式解析,加以实验验证,深入探究电力变压器在承受多次短路电流冲击后,计及力累积效应的绕组损坏机理。首先确定电力变压器最恶劣的运行工况,按照已有的一台变压器参数数据建立二维与三维场物理模型,分别进行电磁场数值计算与结果比对后,结合解析公式验证精准度。再以电磁载荷形式作为结构场瞬态动力计算的输入激励,分析单次短路电流冲击下内绕组的短路强度与稳定性问题。在理论层面利用解析公式计算并与国标GB1094.5中的规定许用应力值进行比较,结论与仿真一致。以屈曲分析方法研究内绕组的辐向稳定性,采取模态分析和谐响应分析研究内绕组的轴向稳定性,加以变压器轴向振动实验作为验证。假定电力变压器在运行中发生短路而不进行切断,任由短路电磁载荷的冲击,在忽略温度因素的影响后,分析计及高周疲劳的内绕组所能承受单次短路电磁载荷冲击的极限时间。结合单次三相对称短路电流冲击下绕组的短路强度计算,模拟电力变压器承受多次短路电流冲击工况,并设定特有的场路耦合方式实现变压器处于短路和断路之间的状态切换,记录绕组的历次残余形变数值。分析数值总结残余形变规律,提出“小失稳”结论,梳理电力变压器在多次短路全过程中内绕组损坏的机理。最后对电力变压器绕组进行健康状态辨识,根据已有的振动实验信号,再补充一定数量的振动仿真数据共同组成样本库训练集,通过经验模态分解与支持向量机方式对原始振动信号进行分解处理、特征值提取和分类学习,实现绕组健康状态的辨识诊断,并开发相应的辨识软件,成功辨识测试集信号。

关键词： 变压器油   分形   大尺寸   沿面放电   介电匹配   电场畸变   电荷积聚  

摘要： 换流变压器是特高压直流输电工程的核心设备,油纸绝缘是油浸式电力变压器的主要绝缘结构,其绝缘性能直接影响电力变压器的整体性能与可靠性。高电场条件下变压器油中向各个方向发展出放电通道,且放电通道都具有向低压端发展的趋势,即为分形,放电分支间的相互作用会影响流注通道中电荷分布,进而影响变压器油的击穿电压。为了获得提升变压器油绝缘特性的方法和机理,有必要开展变压器油中放电分形的形成及发展机理方面的研究。实验中研究手段有限,不能直观的反映油中放电的微观机理,需要借助流注放电仿真分析进行研究,而目前的放电仿真模型并不能模拟放电分形现象。因此本文中对传统放电模型进行了改进,在放电的仿真模型中加入了会诱发放电分支产生的电场强度概率函数以及促进放电分支发展的电荷产生项,并进行了 一系列验证证明改进仿真模型的合理性。而放电分形仿真若要应用于实际工程中,必定要实现大型设备中的大尺寸放电仿真。而大尺寸仿真需要占用巨大的计算机内存,对计算机要求颇高,并且仿真需要大量时间,不利于实际工程中的应用。因此本文中对大尺寸放电分形仿真进行了优化,提出了泊松方程简化、分区域计算、动态网格剖分的模型简化方法,大大节省了仿真耗时和占用的内存。文中模拟了电压幅值和电压波前时间对放电分形的影响,发现电压幅值的上升和电压波前时间的下降都会加快放电发展速率,增加放电分支的个数。除此之外,文中通过和试验分析了交流电压下油中放电情况,发现在电压绝对值下降时,油中发生放电,且电压在负半周期绝对值下降时,油中放电最为剧烈,此时放电脉冲电流出现主脉冲。除油中放电外,油纸界面也是油纸绝缘中相对薄弱的一部分。在放电分形仿真和模型简化方法的基础上,本文仿真分析了油纸界面处沿面放电的发展和分形,通过仿真和试验发现随着油和纸板介电常数介电匹配程度的增大,沿面放电发展变缓,且放电分支向油中发展的趋势增大。最后提出了变压器油和纸板的介电匹配影响沿面放电发展和分形的机理,认为放电发展速度的变化是由于界面处电场畸变和电荷积聚程度的改变,放电分形的变化是油中放电分支与界面电荷相互作用的结果。

关键词： 变压器   绕组变形   特征提取   概率神经网络   麻雀搜索算法  

摘要： 变压器运行环境复杂、结构部件繁多,在运行过程中不可避免会出现各种故障,其中发生频率较高且对变压器运行影响最大的为绕组变形。本文以变压器的漏磁场磁感应强度作为表征绕组变形状态的特征,通过分析绕组变形类型与漏磁特征之间的非线性映射关系,实现变压器的绕组变形诊断。针对先验知识不健全导致漏磁特征无法充分表征变压器绕组状态的问题,研究了基于特征评估与核主成分分析法的漏磁特征提取方法。通过特征评估剔除冗余特征,利用核主成分分析法提取能够反映绕组变形状态的关键特征。研究表明:基于特征评估与核主成分分析法的特征提取方法可以降低漏磁特征之间的关联性,用更少的特征表达更多的绕组关键状态信息。为了处理变压器绕组变形类型和漏磁特征之间复杂的非线性映射关系,实现绕组状态的有效判别,研究了基于概率神经网络(Probabilistic Neural Network,PNN)的变压器绕组变形诊断方法。同时,针对PNN的平滑因子设置过于依赖操作者经验的问题,将麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm,SSA)用于PNN的平滑因子选取。通过分析样本中蕴含的故障信息,选取基于实际样本分布的最优平滑因子,并通过算例分析验证了SSA-PNN用于绕组变形诊断的可行性。针对SSA迭代过程中搜索停滞、陷入局部最优的问题,研究了一种强化型麻雀搜索算法(Improved Sparrow Search Algorithm,ISSA),并将其用于变压器的绕组变形诊断。通过优化ISSA的种群初始化流程,实现种群初始个体质量的提升。将种群个体之间的位置信息差异作为调整因素融入ISSA的位置更新方式,通过加强种群个体之间的位置信息联系来改善ISSA的搜索性能。算例分析表明:本文所提方法协调了ISSA的全局搜索性能和局部开拓能力,可以进一步提升变压器绕组变形的诊断精度。

关键词： 有源调压式换流变压器   有源调压   高压直流输电   换相失败   换相失败预测控制  

摘要： 基于电网换相换流器的高压直流输电(LCC-HVDC)技术已日趋成熟,在我国得到了广泛应用,但其换流器件晶闸管的特性使得换相失败成为一个不可避免的问题,对高压直流输电稳定性和可靠性产生严重影响。此外,换流变压器作为HVDC中重要的大型电气设备,其分接头动作时间长达5s以上,无法实现对电压的快速调控,且故障率偏高,也是制约LCC-HVDC技术发展的瓶颈之一。因此,本文针对换流变压器分接头动作慢、故障率高及高压直流输电换相失败的技术难点,研究一种新的换流变压器,充分发挥电力电子技术的优势,实现快速、精确调压。该方案利用有源调压技术,用有源电压调节器取代换流变压器分接头,形成有源调压式换流变压器(AVT),对于实现精确调压,维持阀侧电压的稳定性,有效抑制换相失败具有重要意义。本文首先介绍了 LCC-HVDC的主回路拓扑和基本工作原理,并分别从整流侧和逆变侧介绍了其控制运行特性。在此基础上,基于PSCAD/EMTDC平台搭建了灵州-绍兴±800kV特高压直流输电仿真模型,模拟了该工程的稳态和暂态运行情况。其次,结合换相失败产生机理及原因分析了有源调压式换流变压器抑制换相失败的原理,并研究了其基本控制策略。在详细了解锁相环(PLL)工作原理的基础上,采用电压外环-电流内环的双环控制策略,并在CIGRE HVDC模型中进行了仿真验证。仿真结果表明,该方案实现了调压功能,体现了分接头的作用,且调压快速、精确。最后,将有源调压式换流变压器应用在灵-绍模型中,计及不同的故障条件,验证了其抵御换相失败的效果。在此基础上,对有源调压式换流变压器与HVDC换相失败预测控制(CFPREV)之间的相互影响进行研究。在PSCAD/EMTDC中的仿真结果表明,有源调压式换流变压器能取代分接头实现快速调压,同时,能与换相失败预测控制配合,在一定程度上抑制换相失败。