超高频法（精选9篇）
超高频法 篇1
1 概述
电缆作为电力系统的重要组成部分, 其可靠性对整个电力系统的安全运行都有重要的意义。电缆的局部放电导致绝缘损坏, 很可能会产生重大电力事故, 因此, 通过局部放电的试验, 改进测量设备, 能够发现早期的故障隐患, 对电力系统的温度运行具有重要的意义。
该试验主要研究天线传感器接收到电缆放电所释放的超高频电磁波信号, 通过超高频信号, 可以确定电缆的放电位置, 放电强度等, 所接收的信号越准确, 越能满足工程要求。该实验搭建了放电接收装置平台, 并且利用软件进行了仿真, 实验结果表明, 优化后的天线在增益、轴比、驻波比、回波损耗等方面均有明显提升。
2 阿基米德天线优化前后仿真结果对比
为了降低传输过程中的损耗, 优化后的天线减小了螺旋臂的宽度, 优化前后的仿真结果对比如下。
(1) 驻波比:在400MHz-1GHz频率内, 两种天线仿真结果对比如图1、2所示。
结果分析对比表明, 优化前后的两种阿基米德螺旋天线都满足驻波比小于2的设计要求, 优化后的阿基米德天线的驻波比更小, 测量结果会更准确。
(2) 回波损耗:在400MHz-1GHz频率内, 两种天线仿真结果对比如图3、4所示。
结果分析对比表明, 优化前后的两种阿基米德螺旋天线都满足回波损耗小于-10的设计要求, 但是优化后的阿基米德天线在大部分频率范围内的回波损耗更小, 测量结果会更准确。
(3) 轴比:在400MHz-1GHz频率内, 两种天线随Theta (天线法相与天线仰俯面各方向夹角) 变化的仿真结果如图5、6所示。
结果分析对比表明, 优化后的阿基米德螺旋天线在其工作的中心频率700MHz处, 在Theta=128.1039°时、Theta=232.3929°时的轴比为3d B。天线在104°的波束宽度里均满足轴比小于3d B的要求。但是优化后天线的圆极化特性更明显, 波束宽度更宽, 实验结果会更优。
(4) 优化前后的阿基米德螺旋天线的三维增益方向图如图7、8所示。
仿真数据表明, 优化前的阿基米德螺旋天线的增益值为3.8407e+000, 优化后的阿基米德螺旋天线的增益值为5.5930e+000, 优化后的增益更高, 接收信号的效率也大大提升。
(5) 实物图对比, 如图9、10所示。
3 两种天线实验结果对比分析
相同位置两种天线试验结果对比分析:
测试时天线位置保存不变, 天线正前方为0°, 正左方为90°, 正后方为180°, 正右方为270°。
优化前测量结果如图11、12所示。
优化后测量结果如图13、14所示。
实验结果对比表明, 在每个相同的位置, 优化后阿基米德螺旋天线接收到放电信号的幅值都是大于优化前的, 表明优化后的阿基米德天线的接收效果更好。
4 结束语
通过仿真结果对比表明, 文章设计的新款的阿基米德螺旋天线与之前的天线相比, 在增多项指标上都有了明显的改进, 增益值比优化前的增加了1.8d B, 驻波比最小值比优化前低了0.35, 在大部分频段内, 驻波比比原有的阿基米德螺旋天线都要小。
同时利用搭建的试验平台对放电信号进行了实际对比, 结果表明, 文章设计的新款阿基米德螺旋天线接收到的放电信号强度更明显, 尤其在垂直天线辐射面方向上, 接收效果最佳。总之, 优化后的阿基米德螺旋天线采集的结果更准确, 对于检测电缆的故障有重要意义。
参考文献
[1]伍志荣, 聂德鑫.特高压变压器局部放电试验分析[J].高电压技术, 2010, 1:54-61.
[2]杨明铜.电力设备状态检修技术应用[J].山东工业技术, 2014, 16:142.
[3]孙曙光, 陆俭国.基于超高频法的典型GIS局部放电检测[J].高压电器, 2012, 4:7-12.
[4]张新魁.基于平面螺旋天线和Labview软件平台的超高频法局部放电研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学, 2014.
[5]常文治, 李成榕, 苏, 等.电缆接头尖刺缺陷局部放电发展过程的研究[J].中国电机工程学报, 2013, 7:192-201.
超高频法 篇2
reason n.理由, 原因 vt.说服, 推理
reasoning n.推理, 评理 adj.推理的
reasonable adj.合理的
182
standard n.标准, 规格 adj.标准的
standardise v.使符合标准
183
volume n.音量，体积
184
crop n.农作物, 产量 vt.收割, 种植
cropland n.农田
185
diagram n.图表
186
plastic n.塑胶, 可塑体 adj.塑胶的, 塑造的
187
respond vt.响应, 做出反应
response n.响应, 反应
responsible adj.有责任的, 可靠的
responsibility n.责任
responsive adj.灵敏的
responsiveness n.灵敏性，反应
respondent adj.回答的 n.回答者
correspond vi.符合, 相应
correspondence n.相应, 通信, 信件
corresponding adj.相应的, 通讯的
188
hypothesis (复数hypotheses)n.假设
hypothesize v.假设
hypothetical adj.假设的
189
urban adj.城市的
urbanisation n.城市化
190
apply vt.申请, 应用
application n.申请, 应用
applicant n.申请者
191
advertise vt.做广告, 登广告
advertisement n.广告, 做广告
192
purpose n.目的, 意图 vt.打算, 企图
193
document n.文件,文献 v.证明
documentary n.记录片 adj.文件的
documentation n.文件
194
emphasize vt.强调, 着重
emphasis n.强调, 重点
195
dam n.水坝 v.筑坝
196
period n.时期
periodic adj.周期的, 定期的
periodical n.期刊，杂志 adj.周期的, 定期的
197
cancer n.癌
cancer-causing adj.致癌的
198
believe vt.相信, 认为
belief n.信任,信仰
believable adj.可信的
199
expect vt.期待, 预料
expectation n.期待, 预料
unexpectedly adv.意料之外地
inspect v.仔细检查，视察
inspection n.仔细检查，视察
aspect n.方面，外表
prospect n.前景，展望
prospective adj.预期的
perspective n.远景，前途，观点
spectacular adj壮观的 n.盛大景象
spectator n.观众
200
超高频法 篇3
气体绝缘组合电器由于在制造、装配以及运行过程中不可避免会产生缺陷,对GIS绝缘水平造成一定损失,一旦发生事故,其维修时间较长,造成的经济损失往往也比较严重。因此,寻找有效评估GIS内部绝缘状态的方法尤为重要,对其内部缺陷的检测和评估成为GIS绝缘状况监测的重要内容[1～3]。
常见的GIS局部放电检测方法如化学检测法、机械振动法、光电检测法、脉冲电流法等都存在一些难以克服的缺陷。GIS内缺陷在局部放电过程中会激发出0.3~3 GHz的超高频电磁波,超高频法正是通过接收这些频段内的电磁波,从而判断出GIS内是否存在故障以及故障类型[4～6]。在此基础上,设计了3种GIS内典型绝缘缺陷故障模型即高压导体上毛刺缺陷、自由金属微粒和绝缘子上金属污染物。用超高频法对局部放电信号进行测量,获得了各种缺陷类型的局部放电图谱,通过研究不同局部放电类型的图谱特点,为GIS设备故障检测和安全运行提供参考。
2 试验平台的设计
2.1 典型绝缘缺陷模型
为了对GIS典型绝缘缺陷进行有效诊断,设计了3 种典型绝缘缺陷模型。将直径0.6 mm、长度6.7 mm的金属丝固定在高压导体上,用来模拟毛刺缺陷;采用直径0.4 mm、长度1 mm的小铁丝金属颗粒来模拟GIS腔体内的自由金属微粒;将长度40mm、直径0.8 mm的细铜丝固定在绝缘子上,模拟GIS绝缘子上金属污染物缺陷。图1 为GIS中存在的各种缺陷模型示意图。
2.2 试验装置
设计了一套220 k V的GIS设备局部放电试验平台,通过升压装置、检测装置和数据采集装置进行局部放电试验。试验中GIS各个气室内充0.4MPa的SF6气体。在GIS外放置超高频传感器,试验装置见图2。
2.3 信号采集
为对试验数据进行实时采集和记录,本试验设计了5 通道超高频同步数据采集装置,采用触发方式,保障各通道之间数据采集的同步性。超高频局部放电采集装置可以有效地过滤掉各种干扰信号,本试验所用的采集装置见图3。
3 试验结果
3.1 各种缺陷局部放电图谱
对各种缺陷模型长时间加压试验,当局部放电稳定进行时,记录下此时的放电图谱。其中图谱中的N表示局部放电次数(n),p C表示局部放电量(q),deg表示一个局部放电试验周期(Ф)。
(1)高压导体上毛刺缺陷
对设置的毛刺缺陷模型进行局部放电试验,测得的局部放电图谱见图4。
试验中,随着电压的升高,局部放电程度越来越大。试验中发现,局部放电起始电压为105 k V,起始放电量为5.1 p C。随着时间的延长,局部放电信号越来越明显。在n-q分布图中,达到起始放电量后,局部放电次数集中在5.1~7.7 p C,在26.9~37.7 p C范围局部放电次数明显减少。观察q-Ф分布图谱,放电量集中在正半周的5~88º和负半周的198~276º之间。
(2)自由金属微粒缺陷
对设置的自由金属微粒模型进行局部放电试验,测得的局部放电图谱见图5。
在对自由金属微粒进行局部放电试验中,测得起始电压为123 k V,起始放电量为5.5 p C。局部放电试验中,随着所加电压的升高,局部放电激烈程度迅速增大,与高压导体上金属毛刺不同的是,自由金属微粒一旦达到局部放电,电压缓慢增加,其局部放电会持续不断地激烈进行。放电次数集中在5.5~8.6 p C,其他位置处不存在局部放电次数。而局部放电量也主要是集中在相位正半周的12~67º和负半周的196~247º。与高压导体上毛刺缺陷相比,最大放电量明显降低。
(3)绝缘子表面金属污染
当绝缘子表面固定一金属后,对其进行高压试验,超高频局部放电检测装置测得的局部放电图谱见图6。
当绝缘子上存在金属微粒时,对其进行加高压试验,试验中测得其局部放电起始电压为156 k V,明显高于高压导体上毛刺缺陷和自由金属微粒缺陷。观察n-q局部放电图谱发现,在放电量5.5~7.2 p C、25.9~37 p C两个放电量段内,局部放电次数较多,而在18.5~21.1 p C也存在一定的放电次数。在q-Ф分布图中,在放电周期的正半周和负半周,局部放电量相位明显小于前面两种情况。
3.2 典型缺陷类型试验结果对比
对比3 种GIS典型缺陷图谱发现,高压导体金属毛刺缺陷起始放电电压最低,绝缘子表面固定金属微粒起始放电电压最高。自由金属微粒缺陷模型局部放电次数仅仅集中在单一的放电量区间内,而绝缘子表面固定金属缺陷局部放电次数集中在多个放电量区间内。自由金属微粒一旦开始发生局部放电其程度往往比较激烈,但是最大放电量最小,绝缘子表面固定金属缺陷放电量在正负半周放电相位区间都比较小。
4 结束语
(1)试验设计了3种GIS典型绝缘缺陷模型,通过超高频法对局放进行了检测,获得了各种缺陷类型的典型局放图谱。
雅思阅读超高频词汇整合 篇4
recycle v.使再循环, 反复应用 n. 再生, 重复利用
162
scheme n.计划, 阴谋 v.计划, 图谋
163
maximum n.最大量 adj最大的
maximal adj.最大的
maximize vt.取...最大值
164
avoid vt.避免, 消除
avoidance n.避免
unavoidable adj.不能避免的
165
survive v.幸免于,生还
survival n.生存,幸存者
survivor n.生还者, 残存物
166
charge n.费用, 主管, 充电 v.收费
discharge vt.卸下, 放出, 解雇 n.卸货, 流出, 解雇
167
real adj.真的, 真实的
really adv真正地，十分，是吗
reality n.现实，真实
realistic adj.现实(主义)的
realise vt.认识到, 实现
realisation n.实现
168
lack n.缺乏, 短缺的东西 vt.缺乏, 没有
169
identity n.身份, 一致
identify vt.识别, 把...和...看成一样
identification n.辨认,视为同一
identical adj.同样的
170
approximately adv.近似地, 大约
171
habit n.习惯,习性
habitual adj.习惯的, 惯常的
habitat n.(动植物的)栖息地
inhabit vt.居住于, 栖息
inhabitant n.居民
172
mass n.大多数, 大量 adj. 大规模的
mass-produced adj.大量生产的
massive adj.大块的,结实的
173
customer n.消费者
custom n.习惯，风俗;(复数)海关
174
image n.图像, 肖像 vt.想象, 象征
imagine vt.想象, 设想
imagination n.想象, 想象力
imaginative adj.想象的, 虚构的
175
critic n.批评家, 评论家
critical adj.评论的, 批评的, 危急的
criticise vt.批评
criticism n.批评
criteria n.标准
criterion n.(批评判断的)标准
176
courage n.勇气
encourage vt.鼓励
encouragement n.鼓励
encouraging adj.鼓舞人心的
discourage vt.使气馁
discouragement n.气馁, 挫折
discouraging adj.气馁的
177
contact n.接触, 联系 vt.接触, 联系
178
super adj.超级的
superb adj.出色的, 极好的
superior n.高手, 上级 adj.较高的, 高傲的
superiority n.优越
supersede vt.代替
supervise vt.监督, 管理
supervision n.监督, 管理
supervisor n.监督人, 管理人
supervisory adj.管理的, 监督的
supreme adj.至高的, 最高的
179
consume vt.消耗
consumption n.消费, 消费量
consumer n.消费者
consumerism n.用户至上主义
180
pane n.长方块, 面
超高频法 篇5
气体绝缘金属封闭开关设备 (GIS, 含HGIS、罐式断路器) 由于其一体化、紧凑型、免维修、受外界干扰少等优点在高压输变电系统中的应用比例越来越高[1], 早期设备已处于寿命中后期, 因生产工艺不良、安装调试不当、运行维护不到位等原因引起的GIS设备停电事故越来越多[2], 尤其是绝缘失效事故呈逐年增多趋势[3,4]。为及时发现GIS内部存在的故障缺陷, 开展局部放电检测是目前维护GIS设备的重要手段[5]。特高频 (UHF) 法是近年发展起来的一种新检测技术并得到了迅速发展和广泛应用[6,7,8,9,10,11]。大量实际应用经验表明, 这一技术对应的众多产品性能差异很大[12,13,14], 加之该技术评价标准的空白, 进一步放大了此类技术推广应用的负面效应[15]。
以下基于GTEM室的局部放电特高检测标定平台, 在两种典型的GIS盆式绝缘子外表面结构 (工装) 上, 对4种UHF传感器进行了等效高度测试, 研究了不同传感器、不同工装、不同安装角度下的参数差异。
1 GTEM室及传感器等效高度
为了克服传统的横电磁传输室的可用频率上限低的缺点, 提出了吉赫横电磁传输室 (Gigahertz TEMcell, 缩写为GTEM) [17]。随后将GTEM利用至UHF传感器时域测量领域[18,19], 并实现了对局部放电UHF传感器的标定[20,21]。
基于GTEM室的脉冲时域参考测量标定系统由标准脉冲信号源、GTEM室、单极标准探针、高速数字示波器、测控计算机、测控分析软件及各种线缆附件等构成, 如图1所示, 系统实物如图2所示。
假定通过标定信号源注入脉冲电压V1至GTEM, 假设此信号在GTEM内部产生的电场为E1。参考传感器和被测传感器测量产生的电压输出分别为VMr和VMs。设GTEM室的传递函数为Hcell, 单极标准探针传感器的传递函数为Href, 待测传感器的传递函数为Hsens, 测量系统的传递特性为Hsys, 则参考传感器和待测传感器的测量输出可分别表示为
由 (1) 中的上下两式左右相除, 可得到用参考传感器的传递函数来表示待测传感器传递函数的表达式:
由 (2) 式知, 利用参考传感器的传递函数Href及参考传感器和被测传感器对于注入脉冲信号的电压响应, 即可求得待测传感器的传递函数特性。
设E (t) 为GTEM室内被测天线所在位置处的电场, U (t) 为天线输出的电压信号。天线的作用即是将入射电场转换为电压信号输出, 根据入射电场和输出电压的关系, 即可得到天线的传递函数H (f) :
式中, U (f) 为输出电压U (t) 的FFT变换, E (f) 为入射电场E (t) 的FFT变换;电压的单位为V, 电场单位为V/mm, 所以H (f) 的量纲为mm, 故此也称其为频域等效高度。该参数反映了天线的接收能力, 对于同样的入射电场而言, 天线输出信号的电平越高, 则表示其耦合能力越强, 也即等效高度越大。将传感器在300~1 500 MHz测试频带内各频率点等效高度的累计平均值, 称为平均等效高度He (f) 。
2 UHF传感器响应特性测评
2.1 典型安装结构
GIS局部放电UHF传感器的安装结构 (工装) 分为外置式和内置式两种:内置式工装就是在GIS腔壁上开孔, 将UHF传感器安装于孔内;外置式工装就是将UHF传感器放置在GIS盆式绝缘子外表面。内置式工装的检测灵敏度高于外置式工装, 但是内置式传感器的引入必将改变GIS结构, 使得制造和改造成本大幅增加, 目前主要采用外置式工装进行检测[22]。外置式工装又分为裸盆子式 (开放式) 工装和带有浇注口 (屏蔽式) 工装。开放式工装是把UHF传感器直接安装于盆式绝缘子法兰处, 法兰外没有金属屏蔽圈;屏蔽式工装是在盆式绝缘子法兰处设置有外金属屏蔽圈以消除可能存在的不可靠因素 (紫外线、螺栓紧固力及螺母嵌件尖角) [23], 并在屏蔽圈上开有安装UHF传感器的浇注口。
2.2 不同UHF外置传感器
对3个厂商的5支UHF外置传感器进行检测, 其中PDS-620W型号传感器2支, GWA型号传感器2支, SPM-2/GPD型号传感器1支, 测试结果如图2所示。
测试结果表明:利用GTEM室可以进行UHF传感器的标定测评。对于同一厂商生产的传感器, 等效高度曲线一致性有两种表现:如图5 (a) 两支PDS-620W型传感器一致性较好, 且平均等效高度值也较大;如图5 (b) 两支GWA型传感器一致性表现尚可, 但是平均等效高度较差。对于不同厂商的传感器, 等效高度曲线有较大差异, 且平均等效高度值差异也很大, 如图5 (c) 三厂商传感器平均等效高度最大相差超过4倍。
2.3 不同工装UHF外置传感器
以4支来自不同厂商生产的传感器为测试对象, 在图4所示两种典型的外置工装下测得的等效高度曲线如图3所示。
测试结果表明:不同的工装对传感器信号接收性能有显著影响, 传感器在开放式工装上的信号接收性能显著优于在屏蔽式工装上的。开放式工装可形成有效的电磁泄漏窗口;对于带有浇注口的屏蔽式工装, 因电磁泄漏口很小而使信号受到不同程度的衰减, 传感器不能有效接收到相应频段的信号, 因此其等效高度比开放式显著降低。从传感器的平均等效高度测试结果看出, UHF传感器在开放式和屏蔽式两种工装下的平均等效高度最大相差超过百倍。
2.4 不同安装角度UHF外置传感器
在实际的测试中, 由于条件的限制使得传感器并不能比较理想地被安装于各种工装上。以4个来自不同厂商生产的传感器为测试对象, 工装为开放式工装, 分别测试传感器在0°、90°、180°角度下的等效高度曲线, 结果如图4所示。
测试结果表明:不同的安装角度对传感器检测性能有影响。0°和180°下传感器等效高度曲线基本一致, 而在90°下等效高度曲线明显下降, 这一结论印证了UHF传感器具有方向性的说法[22]。4传感器的平均等效高度如表1所示, 可以看出, 在0°和180°下传感器平均等效高度约为90°下的2~5倍。
3 结束语
基于GTEM的局部放电特高检测标定平台可以对UHF外置传感器进行等效高度参数测试, 测试结果表明:
1) 不同的传感器等效高度曲线具有较大差异, 测试的5支传感器平均等效高度最大相差超过4倍;
2) 开放式的工装更有利于传感器接收信号, 在两种典型工装上测试的4支传感器平均等效高度最大相差超过百倍;
3) 在进行传感器安装时, 不同的安装角度对传感器的接收性能也有较大影响, 在0°和180°下测试的4支传感器平均等效高度较90°下最高超过4倍。
利用基于GTEM室的局部放电特高检测标定平台, 可对云网在运的UHF局部放电监测系统用的外置UHF传感器开展性能评价, 可对拟装及拟购的UHF局部放电监测系统或仪器开展性能评价, 以确保在运系统的有效性和拟装及拟购系统或仪器的可用性。
参考文献
超高频法 篇6
地热能源的发展一直都是全球经济环境的可持续能源发展体系的重要组成部分,它是是一种可再生能源。
它具有应用和经济价值,对于现代的作物生产,栽培渔业,浴疗,取暖,旅游,皮革,酿造,除湿,发电,等等。现在,地热能源资源的开发和应用技术在世界上进展的很快。
如日本,美国,意大利等一些国家的地热储温度在300°或者300°以上。
一些专业机构是主管了在地热能源的开发和应用基地。在中国地热能源储量非常丰富,约占整个全球储备的7.9%。前途是光明的,但目前的产量仅为可利用的产量的5.82%并且发展仍然是困难的。
由于地下水是可利用的地热能源的最重要载体,应用勘查地球物理方法在地热和地下水之间没有明显的差异。水饱和限制了图层的电性特性,因此,电法是一个寻找地下水有利的方法。
1 方法和原理
从理论上说,地表几公里以上的电阻率大小主要取决于水的存在。有四个因素影响岩层的电阻率:
1)地下水的盐度和温度;
2)岩层孔隙率;
3)含水矿化度;
4)岩矿石的电阻率大小。
一些学者认为,电阻率的影响因素主要有粒度,完整性和组成成分。这四个因素都和地热和地下水勘探密切相关,为高频电磁测深应用的作出了重要前提。一个饱和多孔介质(ρ)的电阻率可以表示为:
其中F是因子,ρ是孔隙水电阻率。因子通常是相关的几何形状形成的孔隙和孔隙度。是用Arcbic公式来描述它们之间的关系。
其中a和m是相关的几何形状的孔隙常数,并且φ是中介常数。a的值一般在0.47到2.3之间,m的值一般在1.3到2.6之间。反映从像黏土胶结的的胶结程度,如小型的石灰石样。这两个公式,通常不用于进行定量计算,但有一个是地下热水勘查的参考值。
2 应用
尽管在地热的地下水之间的电阻率有一些不同,但是自从有这么多会影响到地下水温度的因素后它就很难用电磁法或电法直接确定地下水温度,施(2002)提出了一些比较和分析的常用方法:直流电法(DC),大地电磁测深(MT),音频电磁测深(AMT),激发极化(IP),和可控源大地电磁测深(CSAMT),哈斯布劳克和摩根(2003)提出了应用到地下水表面勘查物探方法的系统性分析:电法分析和地震反射剖面方法是合适深度超过60m的地下水勘查,时间域电磁法可以应用到超过150m探测中,重磁勘探适合当地地下水调查,但没有具体的探索目的,并且地震折射法和频率域电磁法地下水在勘查深度超过305m可以取得良好的效果。
然而,高分辨率反射地震方法成本较高。高频电磁测深是上面提到的方法一种非常重要补充并且自从1990年得到发展。其频率范围从10Hz到10KHz和更高分辨率的特点,更大深度的探索,更低的成本,它已广泛应用于地热能源基地地下水勘查,自从1996年它被引进中国后,这种方法已经被广泛应用在四川,上海,浙江,陕西,山西,内蒙古等地区的地热能源开发上了。
3 结论
由于地层的电阻率和温度,孔隙度,地热水矿化度和地层连通性是密切相关的。因此,电法勘探可以在地下找地热水发挥重要作用。高频电磁测深法能获得比其他方法更高的分辨率和更深入的探测深度,是地热能源开发的首选方法。
电法和电磁探测结果都表明,在ST地区地热水含有高盐度。其电阻率明显低于围岩和淡水的电阻率。很少用电法来区分淡水咸水。因此,地球物理数据和资料,在这方面的特点具有很高的应用和经济价值。
参考文献
[1]Bin Dezhi,2000,The status of China geothermal resource:Proceedings of China Geothermy in the21st Century,China Petroleum Press,Beijing,1-4.
[2]Hasbrouck,J.,and Morgan,T.,2003,Deep groundwater exploration using geoph)sics:Southwest Hydrology,2(4):6-7.
[3]He Lanfang,He Zhanxiang,and Wang Xuben,2005,Application of the high-resolution EM method in the investigation of B Tunnel:Applied Geophysics,2(3):140-144.
超高频法 篇7
目前, 国内外制备高纯超细球形硅微粉的方法大概有化学气相法、化学沉淀法、高频等离子法、高温熔融法和溶胶一凝胶法等化学制备方法以及机械物理制备法, 但现有上述化学制备方法都存在有投资大, 产量低, 成本高, 投入产出率小的问题, 现有机械物理制备方法又存在球化率不高, 白度低等问题。采用高频等离子体熔融法温度范围适中、控制平稳、产量高, 可达到较高球化率, 因而是一种较合适的生产方法。
1 球形硅微粉生产制备工艺
1.1 球形硅微粉的原料
高频等离子法制备球形硅微粉, 为避免赌塞送料管, 影响粉料的输送以及在熔融时产生水汽, 影响熔融效果。原料必须采用不含水分, 未经偶联剂处理的角形结晶型硅微粉或熔融型硅微粉。
1.2 制备球形硅微粉的工艺流程及主要设备
工作气为压缩空气, 工作气量为10m3/h。高频等离子体发生器输入功率为100k W, 产生4000℃~7000℃的高温气体作为热源, 将二氧化硅粉体通过给料器从顶部输送到等离子反应炉弧区内, 粉体受热熔化和气化, 经特制的骤冷器进行淬冷, 再经重力收集, 旋风收集 (微米级) 和布袋集尘 (纳米级) , 在1s~2s内, 就可得到球状微米级和纳米级Si O2粉体。
制备球形硅微粉的主要设备有:等离子体发生器、粉体输送器、等离子反应炉、冷却回收装置、旋风收集器、布袋收集器。工艺设备如图1。
粉料输送器:用气体输送的方法将要加工成球形的硅微粉原料混合, 流态化后, 连续稳定的输送到等离子弧区内。
等离子体发生器:主要是通过电场能量进入放电媒介质的电磁藕合产生等离子体, 当射频交流电通过相匹配的线圈时, 在附近产生的振荡磁场将藕合于部分电离的气体负载 (负载在放电腔内流动) 并提供欧姆加热来维持等离子体。感应等离子体特别适合于粉体球化加工, 因为体积大, 轴向粉体喂料在放电区内滞留时间长。
冷却回收装置:煅烧后的物料温度在1000℃以上, 在物料进入收尘器之前, 必须使其温度下降到200℃以下。为了保证降温可靠, 系统采用水冷加风冷的降温方式。将已被熔融且分散的高温球形硅微粉, 迅速冷却避免出现晶析现象。
收集装置:旋风收集器主要收集熔化后的球形硅微粉, 布袋收集主要收集气化后的纳米硅微粉。到反应室下段时, 高温汽化物很快被大量空气从2000℃急剧冷却凝结至120℃以下, 形成球形二氧化硅粉体, 在等离子气体和激冷气体的输送下, 球形粉在布袋和旋风收集下来, 就可以得到成品。
1.3 二氧化硅粉体的SEM测试
图2为原料和经高频等离子处理后的球形硅微粉。
从图2可以看出, 原料硅微粉颗粒形状分布不均, 大多数为角形、条形。加工后的粉体大部分成球形, 只有个别颗粒成角形。这是因为等离子粉体球化加工过程基本上是由闪速加热和喂入材料粉体的单个粒子的熔化过程组成。粉体颗粒能否被熔融取决于两方面:一是火焰温度要高于粉体材料的熔融温度, 这就要选择合适的气体燃料;二是保证粉体颗粒熔融所需要的热量。在火焰温度一定的情况下, 不同粒径的粉体颗粒达到熔融所需要的热量是不同的, 而吸收热量的多少与粉体颗粒在火焰中的时间成正比。当粉体进入高温火焰区时其角形表面吸收热量而呈熔融状态, 热量进一步被传递到粉体内部, 粉体颗粒完全呈熔融状态。在表面张力的作用下, 物体总是要趋于稳定状态, 而球形则是最稳定状态, 高温形成的熔融球形小液滴在自由落体条件下通过保温炉逐渐冷却, 根据粉体粒径大小和比表面积上的密度, 控制下降速度, 到达反应室底部之前, 使熔化的小液滴完全固化, 从而达到产品成球的目的。在等离子弧区内, 只有少部分微小的二氧化硅粉体被气化。
2 结语
高频等离子法可以提高粉体的纯度, 二氧化硅粉体在经过等离子设备高温弧区内, 在弧内3000℃高温下, 一些杂质在高温下汽化, 从而起到提高球形二氧化硅粉体纯度的作用。
由于气相反应时生成的产品在系统中随即进入冷却区进行强制冷却, 因此使产品的结构和形态被“冻结”在高温生成时的状态, 因此, 通过对反应条件的调控, 可制备出在晶型、结构上更具优势的产品。
超高频法 篇8
关键词：二醚,聚丙烯,熔体流动速率,熔喷纤维
超高熔体流动性聚丙烯目前主要可用于生产超细纤维无纺布[1,2]和聚丙烯蜡[3]。在生产非织造布方面,采用超高MFR的聚丙烯可大大降低生产过程的能耗,生产超细旦纤维,提高生产率。在用作聚丙烯蜡时,因其具有熔点高(通常高于聚乙烯蜡)、熔融度低、润滑性和分散性良好等特点,可广泛用于化纤粒料、静电复印墨粉载体制造、油墨耐磨剂、LLDPE和HDPE等聚烯烃树脂的改进剂和节能剂以及聚丙烯注塑和拉丝的脱模剂等领域。
超高MFR的聚丙烯的制备和生产方法主要有两种。一是将常规聚合的聚丙烯进行控制降解,降低其分子量以提高MFR。这种方法又分为热降解、超声波降解和化学降解等[4]。其中化学降解因具有降解完全、熔体流动性好、制备工艺相对简便等特点近年来得到广泛研究和应用。但化学降解方法由于所使用的高温和自由基的存在,容易引起带支链聚合物链的二次反应。其结果是导致聚合物的耐热性和抗氧化性的降低。此外,化学降解法得到的产品还会出现气味、食品药品接触安全性差的问题。另一种方法是通过控制聚合物反应工艺以控制聚丙烯的分子量及分子量分布,如采用提高链转移剂如氢气浓度的方法降低聚合物分子量,从而提高MFR。过去这种方法往往受催化剂体系、反应条件或工艺等因素的限制,高MFR下的稳定性生产较难控制,实施比较困难。这在采用芳香羧酸脂为内给电子体的第三、四代Z-N催化剂体系尤为明显。工业化生产通常只能使MFR达到100g/10min左右。
借助茂金属催化剂单活性中心的特点,加上茂金属催化剂对氢气具有高敏感性,已经可以制备出MFR为1200和2000g/10min的超高MFR的聚丙烯。并且在单段聚合中能够使Mw/Mn达到2～2.5。但茂金属催化剂在聚丙烯方面由于存在生产成本、链段规整度分布等问题,大规模工业化还需一段时间。在Z-N型催化剂体系方面,以1,3-二醚类为内给电子体的催化剂也被证实具有高活性、高氢调敏感性、分子量分布窄和高等规度等特点[5,6,7]。但现有文献对二醚类催化剂用于超高熔体流动性聚丙烯生产的特点鲜有报道。本文将利用1,3二醚类催化剂在间歇反应釜上直接聚合得到超高MFR聚丙烯。然后通过GPC,DSC和13C-NMR等研究所得聚合物的结构特征,为二醚类催化剂用于直接聚合生产超高熔体流动性聚丙烯产品提供一定的参考。
1 实验部分
1.1 主要原料
丙烯:聚合级,聚合前除水除氧;氢气:高纯,经除水、除氧后使用;三乙基铝(AlEt3):进口分装;催化剂:按文献[7]的方法制备,1,3-二醚为2-异丙基-2-异戊基-1,3-二甲氧基丙烷。
1.2 聚合反应
实验室聚合在容积为5L的不锈钢反应釜中进行,经气体丙烯充分置换后,加入AlEt3 25mmol,固体催化剂8～12mg及一定量的氢气,通入液体丙烯2.3L,升温至70℃,保持此温度lh降温,泄压,获得聚丙烯粉料。
1.3 分析测试
聚丙烯等规度的测定:按沸腾庚烷萃取6h后不溶物占所有聚合物的比例计算。使用装有3根Polymer Laboratory MIXED-B柱子的Waters Alliance GPC V2000 凝胶渗透色谱仪测定聚合物相对分子质量及其分布,以 1,2,4-三氯苯为溶剂,在150℃下以聚苯乙烯为标样。13C NMR表征采用Bruker dmx300核磁共振仪,以邻二氯苯为溶剂,120℃下,扫描3000次以上,每次间隔3s。聚合物熔点与熔融热焓采用Perkin-Elmer DSC-7差示扫描量热仪进行测定,先将试样以10℃/min的速率升温至200℃,维持5min,然后以10℃/min的速率降至50℃,再重新以10℃/min的速率升温。流变PI表征采用Rheometric Scientific公司的ARES旋转流变仪,在190℃下对样品执行小振幅下的动态频率扫描,频率扫描范围为0.1～100 rad/s。可利用下述公式,从分离模量值来获得流变PI。
流变PI=54.6*(分离模量)-1.76
其中分离模量定义为:
分离模量undefined为储能模量,G″为损耗模量)
2 结果和讨论
2.1 1,3-二醚催化剂性能及粉料结构
表1为1,3-二醚催化剂在间歇反应釜进行聚合试验的结果。从表1可看出1,3-二醚催化剂可在无外给电子体和相对较低的氢气浓度下(摩尔百分数为1%～2%)直接聚合得到MFR 为1000g/10min以上的聚丙烯树脂。随着釜内氢气浓度从1.28 V%增加到1.84 V%,聚合物树脂的MFR增加了910g/10min,显示出良好的氢调敏感性。另外,从表1可看出,生产如此高MFR的聚丙烯树脂时二醚催化剂仍保持较高的活性。但由于没有加外给电子体,超高MFR的聚丙烯树脂的等规度偏低,在93%左右。随着聚丙烯树脂MFR的增加,其等规度呈现下降趋势。需要说明的是,由于正庚烷萃取法可以溶解部分等规小分子到溶液中,所以分子量越小,其测试的误差越大。
表2为二醚催化剂聚合制得的聚合物粉料的颗粒分布情况。从表2可看出,超高MFR的聚丙烯粉料颗粒相对较细,表现为细粒结构。其尺寸主要集中在10至60目之间,且含有少量的细粉,但小于80目的粒子百分数不超高4.5%。1,3-二醚催化剂制得的超高MFR的聚丙烯颗粒形态见图1。从图1可进一步看出,1,3-二醚制得聚合物的颗粒表面比较光滑均匀,但含有少量细粉,这在1#聚合物比较明显。
2.2 相对分子量及分布
1,3-二醚催化剂得到聚合物的相对分子量及分布见图2和表3。从表3可得出1#和2#聚合物的Mn比较接近,差别主要在Mw和Mz,尤其是Mz。由此可得出1#聚合物含有的高相对分子量部分的聚丙烯要比2#聚合物多。正是这种差别导致1#聚合物的MFR比2#聚合物小,见表2。从Mw/Mn来看,1#和2#聚合物的分子量分散指数分别为5.33和4.94。和二酯类催化剂相比,分子量分布相对较窄,与相关文献[6]上报道的二醚类催化剂的相对分子量分布在4～5之间的结论是一致的。
采用旋转流变仪测试聚合物的流变性能,并计算了反应分子量分布的PI值。图3是1#和2#聚合物在190℃下的动态频率扫描曲线。从图中可看出两个聚合物在190℃下储能模量(G′)和损耗模量(G″)不相交,并表现出末端松弛行为,即符合G′∝ωα和G″∝ωβ的定量关系。拟合图3的实验数据可得出1#聚合物的模量与角频率满足G′=0.33ω1.44;G″=14.81ω0.97,2#聚合物的模量与角频率满足G′=0.181ω1.40;G″=9.51ω0.97。假定G′和G″都等于500Pa,可计算出1#和2#聚合物对应的角频率数值,从而最终得到两个聚合物的流变PI值,具体见表4。从表4可看出2#聚合物的流变PI要比1#聚合物小,与Mw/Mn和Mz/Mn变化趋势一致。
2.3 DSC的测定结果
图4是1#和2#聚合物的DSC曲线。表5为1,3-二醚催化剂得到聚合物的熔点和熔融焓。从表5可得出超高MFR的聚丙烯的熔点在158℃左右,熔融焓在110J/g。通常聚合物的等规度越高,其熔点和熔融焓也都相应地较高。由于本试验未加外给电子体,生产的超高MFR的聚丙烯的等规度明显偏低,为92.9%～93.4% 。因此也不难理解1#和2#聚合物的熔点都比较低。根据结晶完全的聚丙烯熔融焓为209J/g可计算得到1#和2#聚合物的结晶度分别为52.6%和53.1%,都显示出较高的结晶度。这主要是因为1#和2#聚合物的相对分子量相对较小,分子链运动能力强,结晶相对较为完全。
2.413C NMR分析结果
1,3-二醚催化剂得到的聚合物的13C-NMR谱图和微观结构见图5和表6。由此可看出,在不加外给电子体的情况下,二醚催化剂也可以制得微观结构五单元组[mmmm]摩尔分数较高的超高MFR的聚丙烯树脂。
2.5 聚合物的力学性能
由1,3-二醚催化剂聚合得到的聚合物加入 750ppm 1010、750ppm 168、 200ppm CaSt进行造粒,按相关ASTM标准测试了聚合物的力学性能见表7(表略)。从表可知,二醚催化剂制得的超高MFR的聚丙烯等规度偏低。如需进一步提高聚合物的等规度可考虑加入适当的外给电子体。由于结晶度相对较高,且相对分子量较小,1#和2#聚合物都表现出很低的断裂伸长率和冲击强度,表明所得超高MFR的聚丙烯树脂比较脆。
3 结论
(1)1,3-二醚具有良好的氢调敏感性和较高的催化活性,可在较少链转移剂氢气用量下,直接聚合得到MFR超过1500g/10min的超高熔体流动性聚丙烯树脂。
(2)1,3-二醚催化剂制得的超高MFR聚丙烯具有中等分子量分布宽度和中等等规度,其熔点和结晶度也偏低。
(3)1,3-二醚催化剂制得的超高MFR聚丙烯的拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度较低,但弯曲强度和弯曲模量并不降低。
参考文献
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超高频法 篇9
开关磁阻电机(SRM)以其电机结构简单坚固、起动转矩大启动电流小、调速范围宽、系统效率高等特点受到国内外广大专家学者的重视。随着电力电子技术与驱动控制技术的发展,开关磁阻电机系统成为继变频调速系统和无刷直流电机调速系统之后最具潜力的新一代调速系统。然而,SRM特有的结构和运行方式使得电机运行时转矩脉动较大[1],且需要转子位置检测电路的配合。
准确的转子位置判断是SRM正常运行的前提,传统的转子位置检测采用旋转变压器和光电传感器等器件。额外的硬件设备增加了驱动系统成本的同时,降低了系统的可靠性。因此,使用无位置传感器来估计转子位置,不仅能降低SRM的硬件成本,还能提高系统可靠性,是当前SRM的研究热点之一。
继1985年Acarnley教授等提出“相电流波形法”以来,调制解调法、互感检测法、磁链/电流法、电流梯度法、电感模型法、反电势估计法、高频脉冲注入法等多种方法被提出[2]。这些方法各有千秋,诸如调制解调法、互感检测法需要在驱动回路中增加额外的检测电路,增加了系统的复杂性,转子位置估计的准确性也有待商榷;而磁链/电流法、电流梯度法、电感模型法等需要对测得的电流电压信号进行复杂运算[3,4,5],最终通过非线性模型对比或者查表来估计转子位置。这些方法对处理器的运算功能要求较高,单一算法只能对特定参数的SRM实现准确转子位置估计。
本研究针对上述方法的局限性,利用12/8极三相SRM,提出一种基于高频脉冲电流法的改进型SRM无位置传感器控制技术,在不添加额外检测电路的基础上,进一步简化运算复杂度,并实现SRM的无反转启动与低中速运转。
1 开关磁阻电机的数学模型
开关磁阻电机磁路呈严重的非线性特征,其精确数学模型也是一个多变量、强耦合、的时变非线性方程组。
为简化分析,本研究将SRM分为电气子系统和机械子系统。
开关磁阻电机控制框图如图1所示。
电气系统与磁场系统间通过电机转子位置θ和磁链φ联系,磁场系统与机械系统间通过电机转子位置θ和磁共能联系。
描述电气系统的数学方程为:
描述机械系统的数学方程为:
式(1~3)完整地描述了开关磁阻电机数学模型[6]。
然而,上述方程以及方程组是多变量、非线性、复杂的。为得到开关磁阻电机的可用一般模型,实际分析过程中对上述模型进行一定的简化。
忽略不同相之间的磁耦合关系,可以得到简化后的磁链方程:
假设当电流ik恒定时,电机电感Lk与电机转子位置θ呈线性关系,则有:
分析式(5)可知,SRM产生转矩正负由励磁时相电感变化率的正负决定,而与励磁电流方向无关。
2 高频脉冲注入法
脉冲注入法由剑桥大学的Harris和Lang在1990年首先提出[7]。通过向非导通相注入高频电压脉冲,检测响应电流的幅值,进而估计转子位置。非导通相注入脉冲可以避免磁通饱和的情况;由于注入脉冲时开关管开通时间短,响应电流幅值很小,可以忽略电机反电势与绕组压降,因此,SRM的电压方程简化为:
由于响应电流幅值小,对绕组电感的影响小到可以忽略;而较高的频率使得响应电流产生的周期内,转子转过很小的角度,角度变化对绕组电感的影响也可以忽略。因此,注入高频脉冲的一个周期内,响应电流波形为一个三角波脉冲形式;同时,影响电感的最主要因素是转子位置,绕组电感随着转子位置的变化而呈现周期性变化,相应的响应电流幅值也呈周期变化。
波形图如图2所示。
笔者研究的是12/8极开关磁阻电机,驱动开关管的PWM频率较高,为了减小非导通相脉冲注入对电机运行效率的影响,本研究将注入脉冲的占空比设置为12%~20%之间。
3 基于脉冲注入法的SRM启动策略
对于电机未启动状态,本研究采用三相同时注入高频脉冲的方法,得到三相响应电流信号。结合电感分区法实现SRM的无反转启动。
3.1 电感分区方法
随着转子转动,SRM三相电感呈现周期性变化。在一个电周期内,三相电感值对应唯一的电角度,这就为通过相电感估计转子位置提供了理论可能。电周期内通过相电感交叠处实现分区[8]。三相SRM电机电感分区图如图3(a)所示。这里,以B相定子与转子凸极重合位置为初始位置。理想状况下,整个周期平均地分为6个扇区。
SRM电机采用直流供电,绕组两端电压稳定,而注入脉冲的占空比和周期均不变,则响应电流幅值与相电感成反比[9],由式(6)可得:
式中:K—与绕组电压u和导通时间t相关的常数。
对应三相电感的三相响应电流波形图如图3(b)所示。
3.2 SRM启动转子位置估计
由式(5)可知,在电感上升区域施加电流就会产生正转矩,反之,在电感下降区域施加电流产生负转矩。本文默认电机正向旋转的励磁顺序为A-B-C,对应转子转过的扇区位置顺序为1-2-3-4-5-6。
启动时,对三相同时注入高频脉冲,根据检测到的响应电流大小关系判定励磁相。
判定逻辑如表1所示。
3.3 非导通相转子位置估计
电机经过启动转子位置估计后,判断励磁相并进行启动励磁。此时,已有至少一相进入励磁状态。若对导通相进行高频脉冲注入,响应电流容易受到磁通饱和的干扰,并且高频响应电流幅值也较难获得。
分析图3可以发现,三相绕组电感估计转子位置实际上是一种冗余检测。只需要对其中两相非导通相注入高频脉冲,通过其响应电流信息即可估算出转子位置[10,11]。结合励磁相,在一相励磁区间内,两相非导通相电流检测也是一种冗余检测,此时,只需对一相非导通相注入高频脉冲,即可实现转子位置估计[12]。因此,高频脉冲注入相的选择有两种,根据检测相对应励磁相的顺序,分别将这两种选择称为前相检测和后相检测。
后相检测即对励磁相的后一相注入高频脉冲信号,通过检测其响应电流来估计转子位置。一相励磁时,换相点正是后相响应电流幅值最大点。当检测到响应电流幅值到达最大点附近时,执行换相。后相检测电流阈值图如图4所示。
A、B点—电流幅值阈值点
前相检测即对励磁相的前一相注入高频脉冲信号,通过检测其响应电流来估计转子位置。相励磁时,换相点处在前相响应电流幅值上升区域,同样采用电流阈值比较方法,当电流幅值大于阈值,执行换相。此种换相方法可以避免后相检测法造成的启动反转现象。
前相电流检测如图5所示。
前相检测法同样存在局限性,由图5可以看出,理想换相点对应的电流幅值过低,容易受到干扰,造成换相条件判断失误。若阈值过低,会出现一直触发换相,若将阈值调高,则会出现换相延迟。而过迟的换相会使电机产生反向转矩,从而严重影响电机运行的高效性。
综上所述,对比与电感分区法有相似之处的使用光电传感器控制方法,本研究采用启动初使用前相检测法进行换相,实现电机无反转启动;之后使用后相检测法进行换相,实现电机高效、快速运转。
4 实验及结果分析
SRM驱动控制器采用基于ARM Cortex-M3架构的STM32F103RCT6芯片,该芯片具有采样速率较高,功能简单,性价比高的特点,满足SRM降低成本提高可靠性的研究目标。开关管选用IR公司的IRFP4468系列MOSFET实现高频开关。电机选用12/8极三相4 KW开关磁阻电机,额定转速为3 000r/min。为验证基于高频脉冲的无位置传感器控制方法的正确性,本研究使用光电对管来检测转子实际位置。
对三相绕组同时注入高频脉冲,同时手动转动转子,得到的三相响应电流波形图如图6所示。
实际测量得到的响应电流图与理论相似。
转子转动时A相电流与转子实际位置关系如图7所示,验证了高频脉冲注入法估计转子位置理论的正确性。
由图7可以看出,响应电流低幅值所占角度较大,且上升速度缓慢。对于前相检测方法,换相阈值点所处位置正好是波谷处较为平滑的位置,因此对换相时机的判断较为困难。电机是否能持续运转与电流阈值的选取有直接联系,实验调试后可以接受的电机运转电流波形如图8所示。
使用前相检测法时A相电流与转子实际位置的对应关系如图9所示。
电机转动时,绕组依次有序励磁,但是换相时间有明显延迟。
由于前相检测法具有明显的速度限制,并且换相不及时,启动成功后,采用后相检测法继续驱动电机。采用后相检测法时,电机运行的电流波形图如图10所示。
使用后相检测法时A相电流波形与转子实际位置的对应关系如图11所示。
由图可见,采用后相检测法后,换相延迟的现象得以解决。电机运行较为稳定。
5 结束语
本研究提出了一种基于高频脉冲注入法的开关磁阻电机无位置传感器控制方法,实现了开关磁阻电机的无位置传感器控制,基于stm32芯片搭建了电机驱动控制器,并进行实验比较了估计位置与实际位置,验证了方法的可行性。同时,根据检测相的不同提出了前相检测法和后相检测法,前相检测方法从理论上避免电机启动反转;后相检测方法对换相响应速度较快,换相逻辑正确,能够实现依次准确换相。合理选择高频脉冲的占空比,减小脉冲响应带来的能量损耗。
实验结果表明,将前相检测方法和后相检测方法相结合,利用前相检测法可以保证电机无反转启动,利用后相检测法可以避免换相过迟带来的负转矩,提高了电机长时间运转的可靠性和高效性。
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