关键字:
语言:English

新闻资讯
新闻资讯

字号:    

1200kV柔软型脉冲高压馈线的仿真研究

浏览次数: 日期:2018-04-03 00:36

  内容提示:光纤与电缆及其应用 技术Op t i ca l F ib e r & E l e c t r i c C ab l e2013 年第5 期No.52013檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪殏产品设计殏殏殏1 200 kV 柔软型脉冲高压馈线的仿真研究宋旭鹏,倪红坚( 中国电子科技集团公司第二十三研究所, 上海201900)[摘要]利 用 An so f t HFSS 软件 仿线 kV 柔软型脉冲 高压馈线时域阻 抗和 等效特性 阻 抗; 利 用An so f t M axw e l l 软件仿真了 该馈线D 电场强度分布; 利用 MSC N a s t r an软件仿线 MP a 充气压力下该馈线外导体径向变形和绝缘子的应力-应变分布。 通过这些仿真数据可以指导该馈线的工程设计和实践。[关键词]高压馈线; 柔软型; 脉冲高压馈线; 仿真[中图分类号...

  光纤与电缆及其应用 技术Op t i ca l F ib e r & E l e c t r i c C ab l e2013 年第5 期No.52013檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪殏产品设计殏殏殏1 200 kV 柔软型脉冲高压馈线的仿真研究宋旭鹏,倪红坚( 中国电子科技集团公司第二十三研究所, 上海201900)[摘要]利 用 An so f t HFSS 软件 仿线 kV 柔软型脉冲 高压馈线时域阻 抗和 等效特性 阻 抗; 利 用An so f t M axw e l l 软件仿真了 该馈线D 电场强度分布; 利用 MSC N a s t r an软件仿线 MP a 充气压力下该馈线外导体径向变形和绝缘子的应力-应变分布。 通过这些仿真数据可以指导该馈线的工程设计和实践。[关键词]高压馈线; 柔软型; 脉冲高压馈线; 仿线[文献标识码]B[文章编号]1006-1908(2013)05-0021- 05Th e S imu la t ion S tudy o f a 1 200 kV F l e x ib l ePu l s e H igh V o l t ag e F e e d e rSONG Xu-peng,N I Hong- j i an(Th e 23rd R e s e a r ch In s t i tu t e,CETC,S h angh a i 200437,Ch in a)Ab s t r a c t: Th e t im e dom a in imp ed an c e and e qu iv a l en t ch a r a c t e r i s t i c imp ed an ce o f a 1 200 kV f l ex ib l e pu l se h ighvo l t ag e f e ed e r i s s imu l a t ed by An so f t HFSS so f tw a r e. And th e 3De l e c t r i c f i e ld in th e f e ed e r i s s imu l a t ed by An so f tM axw e l l so f tw a r e. Mo r eov e r MSC N a s t r an so f tw a r e i s u sed to s imu l a t e th e r ad i a l d i s to r t ion o f th e ou t e r con du c to rand th e s t r e s s- s t r a in d i s t r ibu t ion o f th e in su l a to r un d e r 2. 5 MP a a i r in je c t ion p r e s su r e. Th e se s imu l a t ion d a t a canp rov id e gu id an c e f o r th e en g in e e r in g d e s ign an d p r a c t i c e o f th e f e ed e r.K ey w o r d s:h igh vo l t a g e f e ed e r;f l ex ib l e;pu l se h igh v o l t a g e f e ed e r;s imu l a t ion[收稿日 期]2012- 12-27[作者简介]宋旭鹏(1983) , 男 , 中 国 电子科技集团 公司第二十三研究所工程师.[作者地址]上海市铁山 路230 号, 中国电子科技集团 公司第二十三研究所,2019001脉冲高压馈线的简介在高功率脉冲技术领域, 根据馈源输出 的脉冲信号性质[1], 馈线]和脉冲同轴高压馈线]两大类, 其中, 高功率波导主要用 于传输高功率微波信号, 传输脉宽约几十纳 秒或微秒级的脉冲波束(通常含有一个中心频率), 脉冲同 轴高压馈线主要应用 于传输超宽带电磁脉冲, 其上升沿在几个n s 以下或p s 级, 它们的主要共同 点在于能够承受 GW 级的峰值功率(重复频率在1 Hz 到几百 Hz)。随着高功率脉冲技术的进步, 小型化和紧凑型逐渐成为高功率脉冲装置的主要发展方向 。 作为高功率脉冲电源与匹配负 载(发射天线) 的 馈电 连接线, 高功率脉冲高压馈线是高功率脉冲装置小型化发展方向的关键组件之一。 当脉冲源与负载的空间距离较大且机动性要求较高时, 传统的 刚性馈线的安装施工复杂和无法动态弯曲的局限性表现得较为突出 , 因此, 在机动性要求较高和较长馈电距离内 传输高功率脉冲, 柔软的 高功率脉冲馈线取代刚性馈线是必然趋势。本文介绍的馈线为脉冲同轴高压馈线 mm U 型不锈钢薄壁深皱纹软管, 皱纹深度13 mm, 波距为15 mm; 内导体采用0. 6 mm 薄壁U 型铜皱纹管, 皱纹深度为8 mm, 波距为9 mm; 外导体表面编织不锈钢丝网 套作为抗拉和保护层; 该馈线采用不连续的垫片绝缘结构, 两端焊接刚性法兰端; 馈线。 纳 秒脉冲 高压信号有较宽的频带和极高的 脉冲峰值电压, 馈线设计中需要同时考虑射频传输性能和高电压绝缘水平两个关键指标, 射频传输性能主要包括特性阻抗和脉冲衰减, 高电压绝缘水平设计则涉及到 超高压压缩气体绝缘输电线]。 苛刻的性能要求决定了馈线设计的复杂性, 本文对馈线各个组成部分进行仿真研究, 更为详细的馈线结构优化问题不在文 22光纤与电缆及其应用 技术2013 年第5 期图1馈线内 部结构示意图中阐述。2馈线主体阻抗仿真在射频仿真设计领域, 利用 An so f t HFSS 仿真元器件全模型的电压驻波比(VSWR), 优化器件结构是普遍采用的方法, 但是对元器件阻抗仿真很少。对于采用光滑导体的馈线, 特性阻抗Zc严格按照Zc=132. 8槡elgDede计算, 其中,De为外导体等效直径,de为内 导 体等效直径,e为 介 质 的 等 效介电 常数。 我们设计的馈线导体结构是深皱纹, 相对应的等效直径De和de难以确定, 因此这种非均匀传输线的 特 性 阻 抗 理 论 计 算 复 杂, 本 文 利 用 An so f t[6]对皱纹导 体馈线进行阻抗仿真, 利 用 仿真HFSS结果, 为深皱纹的同轴电缆阻抗设计提供参考。2. 1气体段阻抗仿线时域阻抗(TDRZ)由于馈线导体为皱纹形, 仿真求解量大, 为简化计算, 利用对称边界, 对1/4 模型或1/2 模型进行仿真, 馈线两端 W av epo r t 端口归一化阻抗为50 , 阻抗计算精度为0. 2 。 采用 An so f t HFSS 的 TDR求解模块, 激励波形为阶跃脉冲。1 MHz~4 GHz 频率范围对应的阶跃脉冲上升沿Tr为0. 125 n s( 电 长 度3. 75 cm), TDR 分 辨率[7]为Tr/2=0. 0625 n s(电长度1. 875 cm)。 馈线气体绝缘段仿线 cm(即 传输时间 为0. 9 n s), 是实 际 气体绝 缘 段 长 度18. 9 cm 的1. 4倍, 是上升沿电 长度的7. 2 倍, 利 用 An so f t HFSS的 TDR 模块仿真气体绝缘段阻抗应有足够的 分辨率。 TDRZ 测试结果的图形显示为单端反射测量的时域阻抗, 因此, 横坐标显示的是仿线 中三角标记的位置(文中后续TDRZ 图中标记的位置都是仿线 倍)。在实际装配中, 内外导体横截面上, 皱纹的相对位置是随机的, 本文中, 取两种内 外导体皱纹端面对应方式, 即C-p和P- c(第一个字母为外导体波峰P或波谷C, 第二个小写字母为内 导体波峰p或波谷c), 对内 径196 mm 的外导体和外径92mm 的内 导体构成的馈线模型进行仿真, 假定气体绝缘介电常数为1. 0(不同绝缘气体, 其介电常数与气压的依赖关系不同。 非极性气体, 如 氮气可认为介电常数与气压无关; 但电负 性气体, 如SF6, 其介电常数与气压有明 显的依赖关系[8], 这一点在工程设计中应予足够重视)。 从图2 中可以看到,1. 8 n s 范围内水平台阶的阻抗值为50. 8 。2. 1. 2等效特性阻抗通过时域阻抗曲线可以观察沿馈线长度各点阻抗的分布情况, 而馈线作为一个元器件, 其平均特性阻抗对于整机系统设计中馈线与负载匹配设计更具有实际意义。 深皱纹结构的馈线是典型的非均匀传输线, 当负载一定时, 理论上, 长度为L 的馈线可等效为长度l(L l)、阻抗为Zc的均匀传输线, 其中Zc称为等效特性阻抗。 与传输线特性阻抗的常用计算方法(谐振法和开短路法[9]) 不同, 本文是根据馈线值, 通 过 计 算 求 得 其 等 效 特 性 阻抗的。图3 为馈线阻抗分析图, 馈线输入端口 为终端I, 输出 端口为始端O,ZI为输入端口阻抗,ZO为输出端口 阻抗, 等效后传输线长度为l, 馈线], 传输线在并联谐振频率点下, 无耗线有最 大 反 射 系 数|(l)|。 输 入 阻 抗Zin(l) 有 最 大值Zm ax,in(l):Zm ax,in(l) = Zc1 + (l)1 - (l)在串联谐振频率点下, 有最小反射系数-|(l)|, 输入阻抗Zin(l)有最小值Zm in,in(l):(1) 宋旭鹏, 等:1 200 kV 柔软型脉冲高压馈线的仿线时域阻抗Zm in,in(l) = Zc1 - (l)1 + (l)(2)式(1) 和式(2) 相乘, 可得到等效特性阻抗Zc[11]:Zc =Zm ax,in(l)Zm in,in(l槡)(3)图3馈线阻抗分析图我们知道, 反射系数为常数时, 在Sm i th 圆图上的轨迹是一系 列 同 心圆, 每个圆 与实轴 左交点 m1和右交点m2分别对应最小反射系数和最大反射系数。 若通过仿真得到一定频率范围内馈线的反射系数轨 迹, 并 读 出 两 个 交 点 对 应 的 Zm ax,in(l) 和Zm in,in(l), 由式(3)就可求出等效特性阻抗。由于An so f t HFSS 仿真结果并不直接给出 端口反射系数, 只能求得S 参数矩阵, 当输出端阻抗匹配时,S 矩阵中的S11就是输入端的 反射系 数, 由 输入端反射系 数可从Sm i th 圆 图 上可获得等效特性阻抗。以P- c 仿真模型为例, 仿线, 相 邻 插值点 频 率 间 隔1 MHz。为避免设置50 归一化阻抗时, 可能导致端接阻抗引 起馈线模型S 矩阵的变化, 直接将馈线两端的几何端面阻抗值设置为归一化阻抗, 且ZI=ZO=64. 2。 仿线对应的归一化阻抗的虚部值都很小, 故忽略, 仅考虑实部,m1点对应的Zm ax,in(l) 为64. 2 , 频率为481 MHz,m2点对应的Zm in,in(l) 为40. 1 , 频率为254 MHz。由式 (3) 可 得 仿 真 模 型 的 等 效 特 性 阻 抗 约 为50. 7 。图4S11的Sm i th 圆图(P- c 模型)表1仿真结果参数频率/MHz归一化阻抗Rxm14810. 999 9+i 0. 001 4m22540. 625 0-i 0. 000 42. 2绝缘子段阻抗仿真馈线绝缘子由法兰端绝缘子(端绝缘子) 和内绝缘子组成, 绝缘子实物如图5 所示。 法兰端绝缘子的仿线 mm, 绝缘子材料为改性聚苯醚(PPO), 相 对介电常数2. 65, 模型全长为320 mm, 对应的传输时间约1. 07 n s, 绝缘子两侧的气体段特性阻抗50 , 气体相对介电常数取1. 0, 仿线 GHz。 法兰端绝缘子时域阻抗的仿线b) 所示, 可见法兰端绝缘子的阻抗(三角标记处) 约为48. 5 。内绝缘子的仿线a) 所示, 绝缘子厚20 mm, 绝缘子材料为改性聚苯醚(PPO), 相对介电 24光纤与电缆及其应用 技术2013 年第5 期常数2. 65, 模型全长270 mm, 仿线 GHz。 内绝缘子时域阻抗的仿线b) 所示, 从图中可以看到绝缘子阻抗(三角 标记处) 约为45. 8 。图5绝缘子实物照片图6法兰端绝缘子仿真模型及其时域阻抗的仿线馈线电场仿真同轴电极的电场为不均匀电场, 在脉冲条件下,同轴电极的击穿具有明 显的极性效应, 正极性击穿电压比负极性击穿电压高, 文献[12] 和[13] 报道了利用 K e r r 电光效应研究了 同 轴圆 柱电极在正负 极性电压下, 电极间的电场分布, 结果表明负极性电压下内导体表面电场强度明显高于正极性条件下内 导体表面电场强度, 因此, 负极性击穿是设计绝缘水平的临界参考值。 不论施加正负极性电压, 理论上, 内导体表面场强最大, 利用 An so f t M axw e l l 旨在仿真出馈线内导体表面最大电场强度, 根据最大表面电场强度, 设计馈线的 绝缘水平。 因 此, 利 用 An so f tM axw e l l 仿真了馈线D 静电场。 据文献[14]的报道, 相对于光滑外导体, 皱纹外导体引 起内导体图7内 绝缘子仿真模型及其时域阻抗的仿线D 模型仿真耗时长, 为节省机时, 仿真时将外导体简化为光滑导体。由于高功率脉冲电源输出的是1. 2 MV 脉冲高压[15], 考虑到脉冲信号的反射, 引 入了1. 33 的电压驻波比, 并设导体激励为-1 600 kV, 外导体零电位。 仿真结果显示, 绝缘垫片(内 绝缘子) 表面最大场强约为460 V/cm(如图8a) 所示); 内 导体表面最大场强约为900 V/cm(如图8b) 所示), 位置在绝缘垫片两侧的波峰处, 嵌套绝缘垫片的 内 导体光滑段表面场强相 对较小, 约460 kV/cm; 法兰 端内 导 体表面场强约为800 kV/cm; 端绝缘子最大场强约为450 kV/cm。4 2. 5 MPa 气 压 下 的 外 导 体 变 形仿真馈线实际使用 时, 外导体在高气压下会产生一定的变形而偏离结构的设计尺寸, 可能会导致电性能的改变。 文献[16]建立了皱纹软管与金属外编织层的耦合关系, 将弯曲 和拉伸的有限元分析数据与金属软管的弯曲 、拉伸试验数据进行对比, 有较好的一致性, 而我们设计的馈线外编织为多层钢丝编织,无法建立金属编织层与金属软管以及金属钢丝之间的耦合关系, 金属编织层的刚度参数也无法确定, 甚至无法建立馈线D 模型。 考虑到馈线实际安装时, 两端固定, 径向 压力 大部分由 皱纹管承受, 另 一小部分由编织层承受[17], 皱纹管单独承受气压时的 宋旭鹏, 等:1 200 kV 柔软型脉冲高压馈线的仿线绝缘垫片和内 导体表面场强分布变形应大于带编织层的皱纹管, 因此, 在气压下不带编织层的皱纹软管变形仿真结果可认为是编织皱纹管的变形上限, 因此仿真气压下不带编织层的 皱纹软管的变形具有重要的参考意义。我们对7 m 长的 馈线在伸 直状态和弯曲 状态下分别进行了2. 5 MP a 静态密封耐压试验。 伸 直状态时, 馈线两端保持自 由状态(存在对地摩擦), 充气前后, 馈线%; 弯曲 状态时, 静态弯曲半径为2 m, 两端固定。我们用 MSC Na s t r an 中非线 仿线 mm 长的 馈线 MP a 充气状态下, 伸直和弯曲状态时, 外导体皱纹管径向变形。 仿真伸直状态时采用 上述馈线伸长率的试验数据: 轴向伸长13 mm(伸长率2%); 仿真弯曲状态时, 一端固定, 另一端横向 位移150 mm(相当 于弯曲 半径2m)。 将不锈钢物性参数设置为弹性模量194 GP a,泊松比0. 30, 密度7. 8 g/cm3。 在仿真模型中, 采用con t a c t 方式将几根钢丝与皱纹管表面以及钢丝之间建立约束关系(此步仅作直观示意用 , 对皱纹管受力状态基本无影响)。仿线 所示, 弯曲状态时, 径向最大变形约为0. 4 mm, 伸 直状态时, 径 向 最大变 形 约 为0. 04 mm, 即最大变形率为0. 2%, 可见2. 5 MP a 的充气气压对馈线电气性能的影响几乎可以忽略。5绝缘子受力状态仿真由 于无法确定馈线动态弯曲 时, 绝缘子的受力情况, 因此利用so l 106 仅仿真了 端绝缘子和内 绝缘子在安装状态下的受力情况, 通过仿线外导体径向形变和径向位移的云图设计过程中, 避免绝缘子的某些部位出 现过大的 应力集 中。 由 于 馈 线 工 作 方 式 为 运 行1 m in, 停5m in,3 n s 脉冲的重复频率为100 Hz, 馈线 kW, 再加上馈线外径较粗, 散热较好, 因此在仿真时不考虑温度对材料的 影响。 已知工况为: 绝缘子外边缘约束, 中心孔一侧 施加4 kN的静压力, 模拟端绝缘子承受整个电缆重量时的 形变和内应力; 绝缘子中心孔约束, 模拟两端塑料螺栓的预紧力500 N 时, 内 绝缘子的 形变和应力。 由 于软件中F ie ld 无法输入PPO 材料非线性应力-应变曲线上大量的 实测数据,PPO 实测弹性模量2 700MP a, 屈 服点 应力 为54 MP a, 因 此, 采用 双线性曲线, 作 为 简 化 的 PPO 应 力应 变 曲 线, 近 似 表 征PPO 的应力应变特性, 如图10 所示, 过原点做斜率为2 700 MP a 的斜线 MP a 水平线MSC N a s t r an 中简化的PPO 应力应变曲 线 所示,端绝缘子内孔边缘最大形( 下转第41 页) 叶蕾: 基于窄带光纤激光器的光频域反射计研究41图920 根光纤长度测量结果5结束语本文研究了基于窄带光纤激光器的光频域反射( 上接第25 页)变0. 23 mm, 最大应力为4. 74 MP a, 内 绝缘子螺纹连接 处 最 大 形 变 为0. 012 mm, 最 大 应 力 为0. 49MP a。 绝缘子的内 应力 在塑料线弹性范围 内 , 远小于PPO 材料54 MP a 的 屈 服应力, 在这种条件下,绝缘子可以长期使用[18]。计, 经过理论推导, 得出 增大光源光频调谐范围 可以提高OFDR 系统的 空间 分辨率。 使用 一副 辅助干涉仪, 可以避免光源非线性扫频对测量结果的影响。 运用一台光频可调谐窄带激光器, 并结合测试干涉仪和辅助干涉仪, 实现了对光纤长度的高精度、高空间分辨率测量。[参考文献][1]GLOMB ITZAU,BR INKMEYERE.Coh e r en tf r e qu en cy dom a in r e f l e c tom e t r y f o r ch a r a c t e r i z a t ion o fs in g l e-m od e in t eg r a t ed-op t i c a lw av egu id e sL igh tw av e T e chn o l,1993,11(8) :1377-1384.[J ].图11内 绝缘子和端绝缘子的应力云图6结束语本文通过软件仿真指导馈线各组件的电气和机械设计, 希望本文能够给压缩气体绝缘传输线工程设计提供一些借鉴。[参考文献][1]贺成,苏五星,徐敬伟,等. 超宽带雷达和高功率微波武器一体化设计[J]. 舰船电子工程,2009,29(2):83-87.[2]钟哲夫, 刘盛纲. 用 束波导与真空椭圆 软波导传输的高功 率 微 波 发 射 系 统 研 究 [J]. 强 激 光 与 粒 子 束,1996,8(3) :337- 341.[3]张强, 袁成卫, 刘列. 具有同轴结构的高功率微波弯曲波导 设 计 [J]. 强 激 光 与 粒 子 束,2011,23(11):3127-3130.[4]孟凡宝. 高功率超宽带电磁脉冲技术[M]. 北京: 国 防工业出 版社,2011.[5]阮全荣. 气体绝缘金属封闭输电线路工程设计研究与实践[M]. 北京: 中国水利水电出 版社,2011.[6]谢拥军, 刘 莹. HFSS 原理与工程应 用 [M]. 北京: 科学出 版社,2009.[7]邓锦辉. 特性阻抗测量课程[R]. 北京: 泰克验证与调试中心,2003.[8]K IT A T, UOSAKL Y, MOR IYO SH I T. S t a t i c r e l a t i v ep e rm i t t i v i t y o f su l f u r h ex a f lu o r i d e u p t o 30 MP a[J]. B eB u n s e n g e s Ph y s C h em,1994,98(1):112-118.[9]郑玉东. 通信电缆[M]. 北京: 机械工业出 版社,1985.[10]汪祥兴. 射频电缆设计手册[R]. 上海: 电子工业部第二十三研究所,1996.[11]李新伟. 矢 网 在测 量传输线特性 阻 抗中 的 应 用 [J].计量与测试技术,2008,35(4) :5-6.[12]范建斌, . 800 kV 特高压直流G IL 关键技术研究[J]. 中国电机工程学报,2008,28(13):1-6.[13]ZAHN M,MCGU IRE T J.Po l a r i ty e f f e c tm e a su r em en t s u s in g th e K e r r e l e c t r o-op t i c e f f e c t w i thcoax i a l cy l in d r i c a l e l e c t rod e s [J].IEEE T r an sa c t ion son E l e c t r i ca l In su l a t ion,1980,E I-15(3) :287-293.[14]DALE S J, BOL IN P C,COOKSON A H , e t a l.D i e l e c t r i c d e s i g n a n d t e s t o f 1200 kV s em i- f l e x ib l e SF6in su l a t e d t r a n sm i s s i on l in e[J]. IEEE T r a n s a c t i on s onP ow e r A pp a r a tu s a n d S y s t em s,1983,102(2):400-407.[15]马成刚, 谢敏, 刘 云涛, 等.1. 2 MV 脉冲 变压器设计及实 验 研 究 [J]. 强 激 光 与 粒 子 束,2010,22(3):550-552.[16]葛子余. 金属软管[M]. 北京: 宇航出 版社,1985.[17]屈彩虹, 王心丰, 岳林. 金属软管的网套及端部过渡波的有限元研究[J]. 压力容器,2006,24(3) :20- 22.[18]宋旭鹏, 王坤, 陆根生. 大尺寸改性聚苯醚绝缘垫片注塑工艺的 研究 [J]. 光 纤 与 电 缆 及 其 应 用 技 术,2012(3):29-33.

所属类别: 媒体报道

.

联系我们
电  话:0756-5551333
传  真:0756-5551888 
E-mail:ephraim09323@gmail.com.cn
Website:http://hct6677.com
 
留言类别:
*
留言内容:
* 已输入字符:0
小于等于500字符
验证码: