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介电工程师和科学家的消失

虽然世界范围内对电能的需求正在增加,但劳动力中的工程师和了解介质的学者的供应却在迅速减少。对于不熟悉“介质”一词的读者来说,正是介质以其多种形式——固态、液态、气态和真空——使系统具有非零电压,从而在需要的时候和需要的地方产生电力。交直流运行电压定期提高到1000kv以上,使电力系统输送能力大幅提高;从传统的ACSR(铝导体钢增强)到现代HTLS(高温低凹陷)导体的演变超高压地下电缆的发展,举几个例子,是退休或去世的工程师和科学家的工作成果。在20世纪80年代以前,电气工程本科课程中关于高压工程的课程相当普遍,但现在,甚至在大多数大学的研究生课程中也没有。

这一代人不愿从事这一领域工作的一个重要原因是该学科的多学科性质。一个人需要良好的物理、化学、数学、电磁学和材料知识。当然,即使是在计算机和手机发展的基础上的电子等令人兴奋的领域,人们也需要电子产品,但不同之处在于,与电力和能源不同,电子产品对消费者的影响直接而迅速。相比之下,即使是设计糟糕的电力系统组件似乎也能使用很多年。

在电介质方面的研究经费几乎已经消失。想象一下,如果我们能在电气设备中(尤其是变电站中)加入故障安全功能,那么目前的电网会变得多么“智能”?或者我们是否可以升级现有的网络以提供更高的电力,而无需重建或招致额外的通行权(HVDC、混合ac/dc)?

机械支撑架空导线和隔离接地结构的绝缘体对电力输送的可靠性起着至关重要的作用。虽然购买绝缘子的成本低于线路成本的10%,但如果选择不当,就会消耗大量的公用事业维护预算。从户外供电开始,就开始使用陶瓷和钢化玻璃等材料。对于高电压水平和自然(沿海)或工业污染地区,使用陶瓷和玻璃会导致绝缘子串太长、太重。这就需要更高的结构,在断层和自然灾害(如龙卷风和地震)期间,这些结构会增加风险。20世纪70年代,对替代材料(主要是聚合物)和设计的研究开始了。这种绝缘体,通常称为聚合物或复合绝缘体,自那时以来一直在使用。与陶瓷和玻璃相比,聚合物更轻,更疏水。因此,它们可以用于不适合陶瓷和玻璃的设计。

当涉及到聚合物绝缘体时,人们必须愿意大胆打赌,因为新产品没有长期存在的测试、安装、应用和维护行业标准。但是,如果对服务环境、新技术的优点和限制有很好的理解,那么就值得冒一场经过计算的风险。例如,当DC Pacific Intertie线路在南加州和俄勒冈州之间建设(850英里长)时,线路南端(洛杉矶地区)的严重污染使传统陶瓷或玻璃绝缘体的使用出现问题。绝缘子串会更长更重,需要定期清洗。采用硅橡胶外壳的复合绝缘子在30多年的使用中取得了显著的效果。

聚合物绝缘体在中国电网的快速扩张中也发挥了重要作用。爬电比距是一个参数,常被用来确定绝缘的数量,需要执行令人满意的户外。它简单地给出了固体材料表面每施加kV必须提供的绝缘距离。直流线路的这一数字比交流线路高(约30%),因为直流电压的单向特性吸引了更多的空气污染。陶瓷和玻璃绝缘子的爬电比距交流为30- 55mm /kV,直流为50- 90mm /V,这取决于污染程度。材料和制造细节的性质,加上管柱长度的限制,使得陶瓷和玻璃绝缘体的价格非常昂贵,污染程度高于介质。但由于聚合物材料的疏水性,即使在重污染区域,复合绝缘子也能在20mm /kV ~ 25mm /kV的爬电比距下运行。由于不需要像陶瓷和玻璃那样频繁地清洗,这些绝缘体不仅通过减少停机次数提高了可靠性,而且大大降低了维护成本。

复合绝缘子的失效模式与陶瓷和玻璃有很大的不同。聚合物的有机特性使其在比无机陶瓷和玻璃低得多的温度下降解(称为跟踪和侵蚀)。无机填料通常添加到聚合物混合物中,以提高跟踪和耐侵蚀性。此外,复合绝缘子可能发生机械故障,导致线路下降。

许多用户喜欢使用陶瓷或玻璃,并希望聚合物绝缘体的疏水性。变电站中安装的设备太多,用复合材料代替它们是不经济的。在这种情况下,聚合物涂层可以应用于现有的陶瓷。这些涂料是由硅橡胶等疏水性材料组成,并通过喷涂(如油漆)应用。流动性和均匀性是涂层的重要标准,从这个角度来看,无机填料的含量最好保持在最小。纳米技术的进展表明,在制备少量纳米填充颗粒的同时,获得具有大量难以应用的微米级填充颗粒的聚合物的电阻是可能的。

Figure 1 showing the dispersion problem with nanodielectrics

Figure 2 showing the effect of the amount and type of filler in epoxy dielectrics

环氧介质中填充量和填充类型的影响。M表示微米级无机(二氧化硅)颗粒,N表示纳米二氧化硅颗粒。填充物相对于基聚合物的重量百分比显示在M和n旁边。这项研究由亚利桑那州立大学的PSERC赞助。

图1和图2显示了环氧材料概念的证明。在环氧树脂中加入不同重量的纳米基聚合物和微米级填料颗粒(二氧化硅)。样品制备为1毫米厚的薄片。它们在针的作用下会受到电晕长达几个小时。由此产生的侵蚀是用光学(非接触式)技术测量的。可以看出,与传统微米级填料60%的加入量相比,纳米菲勒的重量仅为10-20%,其抗侵蚀性能要优越得多。但挑战是确保填料颗粒均匀地分散在材料中。纳米颗粒的小尺寸使它们彼此紧密地粘在一起,形成一团一团的填料。需要特殊处理才能获得良好或均匀的填料分散。

在建模(模拟)方面也可以做出很大的贡献。了解绝缘体在潮湿和受污染的环境下如何工作,需要大型实验室进行大量、耗时的实验。好的计算模型对工程师来说是一笔宝贵的财富。理解电场和风作用下水流的动力学是相当具有挑战性的。可以通过调整材料的介电常数和导电性来优化设备的尺寸,并在使用过程中提高性能。

进一步阅读:

1。G。高瑞明,“环氧基纳米复合材料的耐电晕性:实验结果与模拟”,载《电气与电子绝缘学报》,第19卷第1期,第118-125页,2012

2 . J。何文平,“绝缘子在潮湿环境中的闪络”,《电气与电子工程学报》,第24卷第2期,第1038-1044页,2017

虽然世界范围内对电能的需求正在增加,但劳动力中的工程师和了解介质的学者的供应却在迅速减少。对于不熟悉“介质”一词的读者来说,正是介质以其多种形式——固态、液态、气态和真空——使系统具有非零电压,从而在需要的时候和需要的地方产生电力。交直流运行电压定期提高到1000kv以上,使电力系统输送能力大幅提高;从传统的ACSR(铝导体钢增强)到现代HTLS(高温低凹陷)导体的演变超高压地下电缆的发展,举几个例子,是退休或去世的工程师和科学家的工作成果。在20世纪80年代以前,电气工程本科课程中关于高压工程的课程相当普遍,但现在,甚至在大多数大学的研究生课程中也没有。

这一代人不愿从事这一领域工作的一个重要原因是该学科的多学科性质。一个人需要良好的物理、化学、数学、电磁学和材料知识。当然,即使是在计算机和手机发展的基础上的电子等令人兴奋的领域,人们也需要电子产品,但不同之处在于,与电力和能源不同,电子产品对消费者的影响直接而迅速。相比之下,即使是设计糟糕的电力系统组件似乎也能使用很多年。

在电介质方面的研究经费几乎已经消失。想象一下,如果我们能在电气设备中(尤其是变电站中)加入故障安全功能,那么目前的电网会变得多么“智能”?或者我们是否可以升级现有的网络以提供更高的电力,而无需重建或招致额外的通行权(HVDC、混合ac/dc)?

机械支撑架空导线和隔离接地结构的绝缘体对电力输送的可靠性起着至关重要的作用。虽然购买绝缘子的成本低于线路成本的10%,但如果选择不当,就会消耗大量的公用事业维护预算。从户外供电开始,就开始使用陶瓷和钢化玻璃等材料。对于高电压水平和自然(沿海)或工业污染地区,使用陶瓷和玻璃会导致绝缘子串太长、太重。这就需要更高的结构,在断层和自然灾害(如龙卷风和地震)期间,这些结构会增加风险。20世纪70年代,对替代材料(主要是聚合物)和设计的研究开始了。这种绝缘体,通常称为聚合物或复合绝缘体,自那时以来一直在使用。与陶瓷和玻璃相比,聚合物更轻,更疏水。因此,它们可以用于不适合陶瓷和玻璃的设计。

当涉及到聚合物绝缘体时,人们必须愿意大胆打赌,因为新产品没有长期存在的测试、安装、应用和维护行业标准。但是,如果对服务环境、新技术的优点和限制有很好的理解,那么就值得冒一场经过计算的风险。例如,当DC Pacific Intertie线路在南加州和俄勒冈州之间建设(850英里长)时,线路南端(洛杉矶地区)的严重污染使传统陶瓷或玻璃绝缘体的使用出现问题。绝缘子串会更长更重,需要定期清洗。采用硅橡胶外壳的复合绝缘子在30多年的使用中取得了显著的效果。

聚合物绝缘体在中国电网的快速扩张中也发挥了重要作用。爬电比距是一个参数,常被用来确定绝缘的数量,需要执行令人满意的户外。它简单地给出了固体材料表面每施加kV必须提供的绝缘距离。直流线路的这一数字比交流线路高(约30%),因为直流电压的单向特性吸引了更多的空气污染。陶瓷和玻璃绝缘子的爬电比距交流为30- 55mm /kV,直流为50- 90mm /V,这取决于污染程度。材料和制造细节的性质,加上管柱长度的限制,使得陶瓷和玻璃绝缘体的价格非常昂贵,污染程度高于介质。但由于聚合物材料的疏水性,即使在重污染区域,复合绝缘子也能在20mm /kV ~ 25mm /kV的爬电比距下运行。由于不需要像陶瓷和玻璃那样频繁地清洗,这些绝缘体不仅通过减少停机次数提高了可靠性,而且大大降低了维护成本。

复合绝缘子的失效模式与陶瓷和玻璃有很大的不同。聚合物的有机特性使其在比无机陶瓷和玻璃低得多的温度下降解(称为跟踪和侵蚀)。无机填料通常添加到聚合物混合物中,以提高跟踪和耐侵蚀性。此外,复合绝缘子可能发生机械故障,导致线路下降。

许多用户喜欢使用陶瓷或玻璃,并希望聚合物绝缘体的疏水性。变电站中安装的设备太多,用复合材料代替它们是不经济的。在这种情况下,聚合物涂层可以应用于现有的陶瓷。这些涂料是由硅橡胶等疏水性材料组成,并通过喷涂(如油漆)应用。流动性和均匀性是涂层的重要标准,从这个角度来看,无机填料的含量最好保持在最小。纳米技术的进展表明,在制备少量纳米填充颗粒的同时,获得具有大量难以应用的微米级填充颗粒的聚合物的电阻是可能的。

Figure 1 showing the dispersion problem with nanodielectrics

Figure 2 showing the effect of the amount and type of filler in epoxy dielectrics

环氧介质中填充量和填充类型的影响。M表示微米级无机(二氧化硅)颗粒,N表示纳米二氧化硅颗粒。填充物相对于基聚合物的重量百分比显示在M和n旁边。这项研究由亚利桑那州立大学的PSERC赞助。

图1和图2显示了环氧材料概念的证明。在环氧树脂中加入不同重量的纳米基聚合物和微米级填料颗粒(二氧化硅)。样品制备为1毫米厚的薄片。它们在针的作用下会受到电晕长达几个小时。由此产生的侵蚀是用光学(非接触式)技术测量的。可以看出,与传统微米级填料60%的加入量相比,纳米菲勒的重量仅为10-20%,其抗侵蚀性能要优越得多。但挑战是确保填料颗粒均匀地分散在材料中。纳米颗粒的小尺寸使它们彼此紧密地粘在一起,形成一团一团的填料。需要特殊处理才能获得良好或均匀的填料分散。

在建模(模拟)方面也可以做出很大的贡献。了解绝缘体在潮湿和受污染的环境下如何工作,需要大型实验室进行大量、耗时的实验。好的计算模型对工程师来说是一笔宝贵的财富。理解电场和风作用下水流的动力学是相当具有挑战性的。可以通过调整材料的介电常数和导电性来优化设备的尺寸,并在使用过程中提高性能。

进一步阅读:

1。G。高瑞明,“环氧基纳米复合材料的耐电晕性:实验结果与模拟”,载《电气与电子绝缘学报》,第19卷第1期,第118-125页,2012

2 . J。何文平,“绝缘子在潮湿环境中的闪络”,《电气与电子工程学报》,第24卷第2期,第1038-1044页,2017

历史上的今天
八月
24
    哇哦~~~,历史上的今天没发表过文章哦
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