高电流现象（精选7篇）
高电流现象 篇1
1 概述
近年来, 随着金属膨胀器在互感器中的广泛应用, 出现了许多互感器中氢含量偏高的现象。其中有些是新设备投入运行一至两年后出现这种现象;也有已运行多年的设备, 历年的色谱分析都正常, 但自加装了金属膨胀器后, 也出现了同样的情况。以哈西一次变电所西滨甲线CT C相为例, 该设备从1998年投产以来, 油中氢浓度一直都很低 (<10μl/L) , 2008年3月装上了金属膨胀器, 投前油中氢浓度为0μl/L, 运行一年后, 于2009年3月春检发现油中氢含量已大幅度上升:C相为461.5μl/L, 而其它指标都正常。此后, 对该设备进行多次跟踪试验, 历次色谱跟踪试验结果如下表: (单位为μl/L)
虽然对上述现象产生的原因有着多种推测, 但对其中的产气过程和反应机理并没有一个确切的答案。故对这个问题进行探讨。
2 油中氢气的来源
2.1 水分的电解及与铁的化学反应。
油中存在水分时, 在电场作用下, 水可发生电解产生氢气。装有金属膨胀器的互感器内部一般都保持微正压状态, 且设备密封性能优良, 难有内部受潮情况发生。可通过对油中水分含量的测定来判断设备内部的受潮程度以弄清氢气的来源。哈西一次变西滨甲线CT C相2008年3月加装膨胀器时微水为7mg/L, 2009年3月春检微水为6mg/L, 2009年10月微水为11mg/L。一直在合格范围内。所以该CT不是由于水分的影响。
2.2 烷烃的裂化反应。
变压器油主要由于烷烃、环烷烃和芳香烃组成, 其中烷烃的热稳定性最差。高温下大分子烷烃裂化成小分子烷烃、不饱和烃 (烯烃和炔烃) 及氢。用气相色谱法检测充油设备内部故障的诊断原理即基于此。当设备内部存在故障引起过热或高温而发生裂化反应时, 与不同的故障温度相对应, 同时必然会伴随着一些气态烃的产生, 如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等。由此可判定西滨甲线CT C相油中只有氢含量高, 而其它特征气体又很低的情况, 不可能是设备内部故障引起的。
2.3 环己烷的脱氢反应。
环己烷是变压器油的主要成分之一。在炼油过程中由于工艺条件的限制, 难免要在变压器油的馏分中残留少量的轻质馏分, 其中也可包括环己烷。环己烷在某些条件下 (如催化剂、温度等) 会发生脱氢反应 (芳构化) 。常用的催化剂往往也是加氢催化剂, 故反应是一平衡体系。正方向是吸热反应, 逆方向是放热反应。在常温下并有较多的氢气存在时, 平衡向左移动, 有利于环己烷的生成;提高温度, 同时体系中没有或只有少许氢气平衡向右移动, 有利于氢和笨的生成。
在正反应中, 1moL环己烷可生成3moL氢。生成物氢与1moL环己烷可生成3moL氢。生成物氢与反应物环己烷的体积之比为22.4×3/0.108=622。因此大量的互感器中单纯产生较高氢气的现象与环己烷的脱氢反应最为一致, 而这个反应在运行的互感器中是有条件发生的。
3 反应机理及过程
3.1 金属镍在电场中的催化作用。
金属膨胀器的主要构件用不锈钢合金制成, 合金中的镍是一种著名的加氢、脱氢催化剂。环己烷脱氢制苯的反应, 曾用68种金属做试验, 只有Pt、Pb、Ir、Rh、Ni、Co、Re、Tc、Os12种金属有催化活性。镍在这个反应种有双向催化功能, 在正、逆两个方向的反应中都起催化作用。
油在运行中受到电场的作用。中性分子环己烷被极化后, 降低了化学吸附的活化能, 比较容易与镍起吸附反应, 从而提高了镍的催化活性, 有利于大大提高本来在常温下很慢的正反应速度。
3.2 反应速度。
一种物质能否参加某个反应, 有其性质决定, 而反应条件。如催化剂、反应物浓度、温度、气压等只能改变其反应速度。互感器的运行温度不高, 其脱氢反应不象化工生产那样迅速。反应在膨胀器合金表面上进行, 油与合金的接触面积不大。以正反应为例, 随着反应的进行, 合金附近的环己烷将减少, 氢气增多。因油不象在变压器内那样能形成对流, 氢从合金表面脱离后, 只能通过扩散方式进入本体。且膨胀器与本体之间的油道由一细管连接, 这些都阻碍了氢和其它反应物的传递速度, 结果是合金表面反应物减少, 生成物增多, 使反应速度变得很慢。
3.3 反应物浓度。
同样装有金属膨胀器的互感器, 有些油中氢浓度并不高, 这是因为不同的油中环己烷浓度是不同的, 在可逆反应中, 反应物浓度将影响平衡的移动。油中环己烷的含量不但和原油产地有关, 也受炼油厂的生产设备和生产工艺的影响。例如, 不同新油的闪点值, 低的在140℃左右, 高的可达170℃以上。如此大的差距, 充分说明了不同的油中轻质馏分含量的差异是很大的。当互感器油中环己烷浓度很低时, 正方向反应速度就很慢, 产生的氢也就很少了。
3.4 氢气生产过程。
设备投运初期, 油中有较多的环己烷, 而没有或只有少量的氢。在电场和镍的催化作用下, 这时的脱氢反应速度大于加氢反应速度。经长时间运行后, 正逆反应速度逐渐接近, 最后达到平衡, 此时油中氢浓度升至最大值。以后, 随着设备运行时间的延伸, 合金表面会逐渐钝化, 催化活性减弱, 不利于在常温条件下正反应的运行, 使平衡向左移动, 即加氢反应速度大于脱氢反应速度, 形成油中氢浓度呈缓慢下降趋势。
在整个过程中, 由于环境温度的影响, 平衡还会随着温度变化移动, 出现色谱跟踪试验中氢含量有较大不规则波动的现象。如前所述, 反应速度和氢的扩散速度都很慢, 故设备底部油中氢浓度的变化要比气温变化滞后较长一段时间。
4 结论
4.1 装有金属膨胀器的互感器, 若油中出现单纯氢超标而水分含量又在合格范围内, 可进行一段时间的跟踪试验, 待氢含量趋于稳定或下降后, 则减少或取消跟踪试验。
4.2 结合设备检修, 对油进行真空脱气, 效果很好。处理后由于氢浓度变小, 引起化学平衡移动, 重新投入后油中氢可能还会有所增加, 但要比处理前低很多。
参考文献
[1]向德辉, 等.固体催化剂[M].北京:化学工业出版社, 1983.
高电流现象 篇2
随着社会经济和电力工业的发展, 人们对供电可靠性的要求越来越高, 怎样维护电网的稳定运行, 提高供电设备健康水平, 减少电气设备损坏和电力事故, 是各地电力部门面临的一项艰巨的任务, 互感器是电力系统中计量和保护用的重要设备, 是一次系统和二次系统之间的联络元件, 这类设备体积小, 油量少, 电压高, 场强较集中, 其外壳是作为外绝缘的瓷套, 而且无防爆装置, 它内部气体存在的本身比故障更值得注意, 气体将导致这类设备的爆炸事故, 因此对产品的质量要求也越来越高, 设备投运后的监视、试验、维护、更是不容忽视的问题, 近几年互感器爆炸事故也屡见不鲜, 本文通过对系统内的电流互感器的色谱异常数据进行分析, 找出互感器油中氢气含量偏高的原因, 并提出相应的处理意见。避免了多起互感器爆炸事故, 从而保证了系统内电气设备安全可靠的运行。
2 对110KV互感器油中氢气含量偏高的分析
众所周知, 电流互感器也是按电磁感应原理工作的, 它的构造与普通变压器相似, 主要有铁心, 一次绕组和二次绕组等几个主要的部分组成, 而为了减少电流互感器测量时的误差, 在制造时, 有的时候会采用冷轧硅钢片或合金等高磁导率材料, 并尽量减小磁路长度, 以降低磁势。因此在制造中, 可能由于非故障原因, 使互感器内残留较多的故障特征气体, 分析原因, 主要有以下几个方面:
2.1 加装金属膨胀器的造成互感器H2含量偏高
近期我们通过色谱跟踪发现, 系统内多台110KV电流互感器的色谱分析数据异常, 其中加装金属膨胀器的互感器H2含量偏高尤为突出, 最高接近20000μL/L, 而且CH4含量也达到1000μL/L。例如红旗变110KV红安甲线A相等4台110kv电流互感器都是同一互感器厂生产的, 型号为LB6-110, 它们于2006年6月23日进行了交接试验, 试验数据正常。
特别是用TI9N18CR不锈钢薄板制成金属膨胀器, 产品内部的不锈钢材料能吸附氢气, 由于不锈钢中吸附的氢即使在真空处理较好时, 也不易被除去, 投运后, 在油的浸泡和电场作用下释放出来, 很快溶于油中, 而且释放的速度非常快, 而组成不锈钢合金中有一种镍金属, 它是一种催化剂, 在电场及高温的作用下促进油中溶解气体生成大量氢气, 氢气的产生进一步引发局部放电。使油中产生小气泡当小气泡附着在绕组表面逐渐形成大量气泡而突然向上浮动时, 经高电场区域可能引发局部放电并且含气油在局部放电时还会产生二次气泡, 进一步危害绝缘, 甚至发生闪络。
2.2 烃的分解引起的
从分析数据来看H2和CH4的增长明显, 从理论上讲, 氢气和甲烷的形成是由于烃的分解引起的, 该过程的可能解释是油中溶解的空气在电场作用下可能形成气泡, 并在足够强的电场下发生电离, 由于离子对气泡-油界面烃分子的撞击, 使C-H和C-C键断裂, 形成烃和氢游离基, 形成的游离基不仅促进油的氧化, 而且是气泡的二次来源, 在高电场作用下, 纸板中吸收的水分也形成气体, 大量氢气的形成不排除受潮的可能, 但通过微水分析把这种可能排除, 那么氢气和甲烷显著增加的原因是什么造成的呢?
2.3 互感器底箱及储油柜内壁涂刷的绝缘清漆干燥程度将影响油中含氢量。
试验表明漆膜干燥不良是一个重要的致氢源, 而且不易清除。
2.4 互感器在施加工频电压时, 主绝缘中铝箔电屏边缘, 一次绕组端部等部位都可能产生电晕放电;
产品真空干燥, 注油及脱气等工艺不完善时, 油纸绝缘中残存气泡亦可能游离;器身包绕或产品组装时卫生不良, 悬浮于油中的尘埃微粒形成导电小桥。这些都降低了产品的局放水平, 导致油的分解产气。
2.5 变压器油的来源及其处理工艺也影响氢的含量。
油中烷烃组分的热稳定性最差, 易于热分解产生低分子的烯烃和氢气。不同厂家的变压器的烯烃组分差异较大, 因此油源的选择应予以重视。如果厂家充入未经洗脱处理的劣质油, 在投运较长时间后会释放出故障气体。
2.6 互感器的器身在加热干燥及处理时, 若过于靠近罐壁, 将使
以纸纤维为主的绝缘材料过热, 挥发分解产生氢烃和碳的氧化物等气体, 如果设备组装和注油不抽真空或真空度不够, 则这些气体可能包藏很厚的固体绝缘层内, 这些气体需要较长的时间扩散才能与油达到溶解平衡。温度过高将会析出气体。
2.7 互感器产品中橡胶制品也是产生甲烷的主要原因, 为证实
这种看法, 有关方面对丁晴橡胶制品在变压器油中产生甲烷的机理进行了试验研究, 通过对试验结果的分析认为, 丁晴在变压器油中产生甲烷的本质是橡胶将本身所含的甲烷释放到了油中, 而不是将油催化, 裂化为甲烷。硫化丁晴橡胶向变压器油中释放甲烷的主要组分是硫化剂, 其次是增塑剂、硬脂酸、促进剂等含甲基的物质。释放量取决于硫化条件。
2.8 密封不良或检修不当, 也会使产品受潮使油氧化分解, 水分侵蚀铁的氧化物也会产生氢气。
这里不排除厂家因脱氢处理不当而造成H2含量增高的原因。由此可见, 氢气含量偏高是由多方面因素引起的, 但通过试验数据分析, 我们提出以下处理意见。
3 处理意见
3.1 在运行中发现互感器氢气和甲烷含量增高后, 应结合产品
绝缘电阻、介质损失角、局部放电量、微水及产气速率等测量结果进行综合分析判断, 找出故障原因。
3.2 更换金属膨胀器。
3.3 对存在故障的互感器返厂重新进行干燥及脱氢处理, 在产品工艺处理上进行改进。
3.4 换油或真空脱气处理。
3.5 综合设备检修检查设备内部结构, 即绝缘是否良好, 绝缘材
料及奥氏不锈钢处理是否达到要求, 互感器末屏与地的连接线焊接是否良好等。
3.6 检查橡胶制品含有甲基物质的含量, 不达标不用。
3.7 加强色谱跟踪。
4 结论
当设备下台后, 通过返厂解体进行分析, 造成氢气和甲烷显著增加的原因是由于互感器是在寒冷的冬季制造的, 冬季过程中烘干温度达不到要求, 而且在较短的时间干燥效果不良, 再加上设备内部绝缘材料及奥氏不锈钢质量均达不到要求, 以及处理不当, 才造成氢气和甲烷含量显著增高, 由此可以证明正是由于加强色谱跟踪工作, 才能有效的预防设备爆炸事故的发生, 通过对这些互感器的跟踪分析, 积累了大量的数据, 丰富了实践经验, 从而对故障设备的准确判断奠定了基础。
摘要：我们在大庆电业局某变电所发现多台110kV电流互感器油中氢气浓度偏高, 本文通过对这些110kV电流互感器油中氢气浓度偏高现象进行了分析, 找出加装金属膨胀器、烃的分解、互感器底箱及储油柜内壁涂刷的绝缘清漆及干燥程度等因素引起的互感器H2含量偏高, 并提出了相应的处理意见。
关键词：互感器,氢气,金属膨胀器,绝缘材料
参考文献
[1]操敦奎.变压器油中气体分析下与诊断[М].武汉:湖北新生日报出版社, 1987.[1]操敦奎.变压器油中气体分析下与诊断[М].武汉:湖北新生日报出版社, 1987.
高电流现象 篇3
一、通电自感
如图1所示电路，分析开关K接通以后流过灯泡的电流随时间的变化规律。设灯泡的电阻为R，不计线圈自身电阻，线圈在电流变化时相当于一个电源，它产生自感电动势e自，规定方向如图所示，由基尔霍夫第二定律有：
ε+e自=iR, 因为其中
故
把方程改写为
积分得(C是积分常量)
令A=ec，则：
将初始条件t=0时i (0)=0代入上式得：
故，将其代入(*)式得符合所给物理条件的特解为：
用I表示电路稳定时的电流，则，代入上式即得通过灯泡的电流在开关K接通后随时间的变化规律：
变化图像如图2所示。
从以上分析可知，在开关K接通后的暂态过程中，流过灯泡的电流逐渐增大，最后达到稳定值，从i (t)的表达式分析，只有t无限大时，才有i=I。事实上，当电流足够接近I时，从实用角度可以认为i=L，暂态过程结束，暂态过程持续的时间通常是很短的。所以用图1所示电路演示实验时，灯泡逐渐变亮，最后达到稳定的亮度。但要使现象更明显，最好用图3所示的电路比较灯泡的亮度。
二、断电自感
在用图4所示的电路演示断电自感时，不同型号的器材接入电路，实验现象却不尽相同，有时观察到开关断开时灯泡“猛亮一下，再逐渐熄灭”，有时则看不到灯泡“猛亮一下”，只看到其“逐渐熄灭”。到底什么原因使灯泡“猛亮一下”，下面笔者定量地分析了这个问题。
设图中的R代表线圈的电阻，规定流过灯泡电流i2、线圈电流i1及自感电动势e自的正方向如图箭头所示。以I1及I2分别代表i1和i2在开关K接通稳定时的电流值。则。开关K切断后，整个电路只剩一个由R2, R, L构成的回路，故i2=-i1。由基尔霍夫第二定律得：
其中
故
其通解为
将初始条件
从而得特解
所以
作出i1 (t)及i2 (t)的函数曲线如图5所示。
由图5可以看出，i1 (t)在开关断开时连续变化，但i2 (t)却在t=0时有一突变，这首先是方向上的突变，即从左突变为向右，其次是数值上的突变，即从I2突变成I1。在一般的实验器材中，线圈的电阻R都比灯泡的R2小得多，所以I1>I2，灯泡在电流I2突变成-I1时会“猛亮一下，然后逐渐熄灭”。如果线圈用线过细或匝数过多，其R就有可能大于R2，于是I1
例题1：如图6所示电路中，已知ε=6V，两灯泡电阻分别为R1=5Ω，R2=15Ω，L=10H。求在下列情况时，电路中的I1、I2、和I3各等于多少?
(1)当电键K刚接通时;
(2) K接通后很长时间。
解：(1)刚通电时，电感看成断路，
所以
(2)接通后很长时间电感看成导线，
例题2：在如图7所示的电路中，两灯泡的电阻R1、R2，线圈自感系数L，电源电动势ε都已知。电源ε和线圈L的内阻可略去不计。
(1)求K接通的瞬间，a和b间的电压以及R1和R2上的电流;
(2)电路稳定后，突然打开K的瞬间，问a和b间的电压与电流是多少?
解：(1) K未接通时，电路中的电流是稳定的。ε，R1, L构成回路，因不计L及ε的内阻，则回路中电流I0=ε/R1。突然合上K的瞬间，电感L中的电流不能突变，仍为I0，所以a, b两端电压为Uab=I0R总，其中
将I0及R总的表达式代入，即得：
根据欧姆定律，即可求出此时R1和R2中的电流分别为：
(2)合上开关K，稳定时电路中的电流和a, b两端的电压分别为：
突然打开K的瞬间，电感中的电流不能突变，仍为i0，但此时R2支路已被切断，电流全部流过R1，所以：
, 这说明短时间内R1上获得了大于ε的电压。
高电压大电流开关电源的制作 篇4
其中的一款LM2576芯片性能比较优良，能在很宽的电源范围下工作;普通型的上限达到40V，而LM2576HV能达到60V，输出电流均在3A左右(散热条件良好情况下)。而且，该芯片外围元件少，调试容易，所以为很多人所采用，特别是在DC-DC变换器上应用最广泛。
但是，由于DC-DC变换器输入电源多数为化学电源，即各类电池，而电池具有内阻，空载和满载端电压变化很大，所以制造大功率电池时，为减少电池极板面积，厂家的策略往往是增加串联个体数目，以致电池标称电压有逐渐增高趋向。以自行车用48V铅酸动力电池为例，空载时为58V，满载为48V。而48V燃料电池空载更达72V，满载达48V。
显而易见，48V铅酸电池空载电压已超过LM2576上限，已接近LM2576HV输入上限，而48V的燃料电池空载已超过LM2576HV上限。而且，很多应用要求DC-DC输出5-15A的电流，这就迫使LM2576输出扩流。然而这并非用大功率管组成射极跟随就可扩展为需要值。读者也不必去尝试，其结果为大功率管无法承受功耗发热严重而损坏!
欲使系统满足高电压输入、大电流输出要求，当然最简单是改换电路结构，采用高频变压器输出的开关电源。但是某些芯片转换效率欠佳，系统体积也无法和LM2576相比;而且由于制作方面复杂性，造价也倍于后者，所以很多输入、输出电源无需电气隔离的电源。设计者总不太喜欢采用，而希望保留简洁的LM2576平台，加以外围辅助电路，从而实现其性能提升，制作出具较高性价比的应用产品。
去年，笔者接受一个在48V燃料电池控制电源的任务：其参数为输入电压空载72V到过流时39V，输出为30V稳压、输出7A。而且有体积上的限制，不允许安装大的散热片。其中如此高的电源电压一项，就使很多元器件失去用户之地!为此，需要对输入电压、输出电流的扩展电路作一个全新的两全齐美的设计，才能脱出困境!
反复推敲得出具体设计方案：芯片电源用简易串稳电源24V供电，用VMOS管作为开关管替代芯片片内开关管;芯片仅作为VMOS管驱动器应用。实现此方案的关键问题，就是要求电路既要有效传送驱动信号，又要同时保证外接VMOS管与芯片输出端电位隔离良好，避免芯片与管子同归于尽的后果发生!
经过多次试验，简易电路具体结构介绍如图1所示。其中，R1、Q1、D1、Q2组成24V简易稳压电路。C3为滤波电容。该电源为LM2576提供稳定23V电源。当电源输入低于25V时不能稳压，但仍能在20V以上电压工作。如欲工作于低电源电压，可降低D1稳压值，实验可低到10V应用，而不影响电路工作，但R1须调整阻值，使稳压管正常工作。由于该电源仅提供小电流输出的LM2576芯片，所以Q2不需装散热片。
在电源上限不超过芯片输入电压上限值时(LM2576HV-60V, LM2576-40V)可省略稳压电路，电池直接LM2576电源端。
LM2576输出由R2、R3分压驱动Q7导通与截止。Q7导通时，电流从VCC流出经D3、D2、R4、Q7到地。D3产生15V电压供给Q3～Q5栅压，而Q6因D2导通而反偏充分截止。截止时的高阻不构成Q3～Q5栅压的旁路。从而使Q3～Q5充分导通，C2充电。Q7截止时，VCC→D3→D2→R4电流回路被切断，D3无压降使Q3～Q5栅压消失，而D2截止，不构成对Q6反偏箝位。Q6因R6供电导通，致使Q3～Q5栅极同源极短接，从而迫使Q3～Q5迅速关断，C2仍由D4产生下正上负的感生电压通过L1充电。此状态直至Q7重新导通结束。
Q7由LM2576输出端口经R2、R3分压驱动，高电平时导通，低电平截止。由于VMOS管驱动电流很小，因此5551驱动3～4个VMOS是没有问题的。必要时更换TIP41驱动能力更大，能驱动更多的VMOS管。
LM2576-ADJ (ADJ为输出电压可调型)的电压调整机理，由R7、R5阻值调整构成调节系统。其公式VOUT (V) =1.23* (R7/R5+1) ，附加的电子开关不影响其数值。电路中R7为42K, R5为1.8K;实测输出电为30.3V。同计算值非常接近。
电路调试结果：品质极其良好，基本上合乎设计要求;输出电压稳定，发热很小;在不加散热片情况下，3个IRF9540并联输出4A时工作3小时管子不烫手;而LM2576和20100肖特基二极管根本无温升。装上散热片后，可输出7.0A电流。转换效率同lm2576单独应用相仿。其性能竟满足了要求极其苛刻的军方要求：输入电压22～80V;输出电流1～7A;全天候工作温升<27℃总的来说，系统提升应用效果相当成功。
此外，本电路还可派生出很多应用电路，如可以用作有刷直流电机控制器;R7改成电位器可平稳的调节转速;R5并接适当阻值负温热敏电阻后，使成为一个DC无刷风机控制器;可根据器件温升自动调节风机转速…，作为一个高效、宽范围电源输入、大功率输出平台;肯定有很多等待读者开发用途!
注：LM2576---TO-220封装
IRF9540、TIP41、20100均为TO-220封装
D1、D2、D3均为贴片1005封装
Q1、Q6、Q7为贴片SOT-23封装
R1-R7为贴片0805封装
L1Φ12X16工字磁芯用1.35漆色铜线绕制，电感量47μH—100μH
C1、C3为RB.3/.6封装
C2为RB.2/.4封装
C5为贴片1005封装
图2:LM2567原资料中二种封装
磁流体发电机的电流饱和现象研究 篇5
磁流体(简称MHD)发电机是将热能直接转换成电能的一种新型发电机。其基本工作原理,与传统的发电机一样,同样是根据众所周知的法拉第电磁感应定律[1,2]。不同的是,磁流体发电是利用高温导电气体穿过磁场,在与磁场和流动方向相互垂直的方向上产生法拉第电动势的。由于MHD发电机没有转动部分,所以单机容量原则上不受限制,这种发电机的有效功率取决于体积,而其损失决定表面积,因而机组容量越大,转化率越高[3]。与传统发电机相比,MHD发电机具有结构紧凑,输出功率大等优点[4]。使其在高功率应用方面有着不可替代的优势[5,6]。
自从1959年美国首次在阿夫柯公 埃费雷实验室(Auco Euerett),利用磁流体发电方法建造了功率为11.5kW的实验性磁流体发电机[7]以来,苏联,日本,德国和中国等国家的科学家在实验室内进行了大量工作,取得了重大进步[8]。几十年以来,对磁流体应用的研究一直十分活跃,特别是在大功率特种电源方面 [9,10]。同时等离子体射流技术广泛应用于推进[11]、引燃[12]、喷涂[13]以及化学合成[14]等领域。并实现了干净燃料的燃气轮机——蒸汽联合循环已经商业化,因而磁流体发电研究人员已转向燃煤MHD发电方面研究[8]。目前,MHD发电机的研究出现了一个新的方向——采用介质阻挡放电方式产生低温离子体射流,并将其作为MHD发电机用的等离子体[15]。
虽然MHD发电机得到很多的发展,但依然面临诸多困难。MHD发电之所以难,是因为它必须应用其他尖端科学技术领域的最新成就,才能体现出它本身优越性的一项综合性技术,因此MHD 发电技术的发展,不完全决定于与它本身技术的发展进程。更主要的决定于其他科学技术的发展,诸如超导技术,高温材料等[1]。
MHD 发电机发展所遇到的困难包括在发电系统的性能上。MHD发电通道是MHD发电系统的关键部件之一,它的性能好坏直接影响MHD发电机的输出乃至整个电站的效率。本文就影响MHD发电通道性能因素问题上提出了自己的见解。通过对磁场强度对电流产生的影响的研究后,笔者发现,在磁场强度达到一定值时,MHD发电机的电流将达到饱和状态。文章就这一问题提出了临界磁场这一理论加以解释,并运用控制变量法展开论述。
1MHD发电原理简述
MHD发电机的通道可以是扩展形,喇叭形等截面或其他形状的,在此为了叙述方便,取等截面通道,如图1所示为MHD发电机通道的3D模型,给通道建立与之相对应的三维坐标,如图2。
通道的上下M,N两面为阳极和阴极,两侧面为绝缘壁,其沿x方向的长度为d,y 方向上的高度为L,电极板的面积为S,通道中沿z的负方向通有均匀静磁场。其磁场强度为B。
设有一束电阻率为ρ,电子密度为ne的等离子体以速度u沿x方向通进通道,则正负粒子在洛仑兹力的作用之下分别向阳极和阴极偏转,使两极上分别出现正、负电荷,这些电荷在通道中产生沿y方向的电场。
在无外电路时,随阴阳极板上聚集的电荷越来越多,最后洛仑兹力与电场力达到平衡,则M、N极板间产生电势差UMN,大小为:
UMN=BLu (1)
当内外接通如图1的外电路时,电路中就有了电流,即有输出功率,电流大小为:
方程式(1)、(2)即表示等离子体在通道中,在磁场作用下所产生的电流与电压的大小。这两个方程式很好地阐明了电流、电压与磁感应强度B的关系。
2MHD发电机的饱和现象及其临界磁场的意义
在这里,外电路电流的产生是大量的电子在导线中的定向移动产生的,当B增大时,电流也增大,这就要求要有越多的进入通道的电子偏转并进入外电路,可电流一旦大到足以使进入通道的电子全部进入外电路,也就是进入通道的电子全部被利用时,那电流将不再随磁感应强度B的增大而增大,此时电流已达到最大值了。
在此定义,随着磁场强度增大而使电流达到最大值的现象称为饱和现象,而使电流达到最大值的最小磁场,称为临界磁场,符号为Bc。
在这里,引入时间参数t,在时间t内,有N个电子进入通道,N为:
N=nehbut (3)
假设某时刻电流达到最大值Imax,此时磁感应强度B达到临界值Bc,
B=Bc (4)
则这N个电子将全部进入外电路, 此时的电流为:
当B再增大时,电流已不是I= BLuS/(RS+Lρ)。因为磁感应强度B达到或超过临界值Bc时,进入通道的电子已经全部被利用,磁感应强度B再增大,已经没有足够的电子来满足电流的增大了,所以当磁感应强度B达到或超过临界值Bc时,电流达到最大值,其为:
电流的两个公式(2)与式(3)等价的。由此可以由式(2)、式(5)、式(6)推出磁场强度的临界值Bc,其为
这就是适合以法拉第电场输出电功率的磁流体发电机的非常重要的临界磁场方程式,从方程式(7)可以看出,磁感应强度的临界值Bc只与发电机的构造及等离子体的电子密度有关,与等离子体的流速毫无关系,临界磁感应强度Bc限制着电流的最大值。上述所论述的就是磁流体发电机中所存在的电流的饱和现象。
3 小结
分析了适合以法拉第电场输出电功率的磁流体发电机的电流饱和现象的成因,及通过控制变量法推导出了临界磁场Bc的普适方程式。
磁体是磁流体发电机不可或缺的重要部件,它的作用和传统的发电机的磁极的功能是一样的。超导磁体在MHD上的运用已成为了一个趋势,但由MHD发电的饱和现象可以知道,当磁场强度达到或超过临界磁场时,电流达到饱和状态。由此不得不考虑,若临界磁场小到一定程度,那就不得不研究在使用超导磁体时是否还必要产生很大的磁场了。不然会造成不必要的浪费。
饱和现象和临界磁场的提出有利于研究磁流体发电系统的性能以及研究超导磁体在磁流体发电机上的运用,同时可以避免在出现电流达饱和状态而不再增大这一反常现象时,被科研人员误以为出现了量子效应。
高电流现象 篇6
关键词：小电流接地系统,反向残流有功分量,接地选线
（一）引言
中性点不接地系统单相接地后，都属于小电流接地系统。该系统具有发生单相接地时故障电流小的优点，同时系统线电压基本不变，不影响对负荷连续供电，《电力系统安全规程》规定仍可继续运行0.5～2个小时。小电流接地故障尽管不影响电网的正常运行，但由此引起的过电压会危害电网绝缘，可能导致短路故障，使事故扩大，严重影响了供电系统的安全可靠性。
因此，需要尽快选出故障线路，以便帮助运行人员快捷地判别接地，及时采取措施加以处理。但单相接地时，由于故障电流小，小电流接地故障选线(简称接地选线)比较困难。为在供电系统的中性点非直接接地系统中应装设灵敏度高、选择性好、接线简单的接地保护装置或接地选线装置。长期以来，人们做了大量的工作，开发出了许多种检测方法及装置，但实际运行效果并不理想。以前广泛采用的继电绝缘检察装置是利用测量母线零序电压来反应系统接地的，因而无选线功能。利用容性零序电流和零序功率原理可构成具有选线功能的中性点不接地系统的接地保护或选线装置，但由于反应容性零序电流原理构成的零序电流保护其灵敏度受系统一相对地电容大小和分布的影响。因此，在某些场合不得不采用接线较复杂、维护较困难的零序功率方向保护，甚至在新型的微机接地选线装置中，也仅采用零序功率方向原理构成中性点不接地系统的接地选线功能。
显然，采用接线较简单的零序电流原理构成选线装置，提高其灵敏度是关键。本文提出的反向残流有功分量(DESIR)原理可提高选线灵敏度，以利于零序电流原理在接地保护和选线装置中的应用。
近年来，随着综合自动化设备在供电系统中的应用，对小电流接地选线已经能够做到：单相接地后可直接判断故障点所在线路。这样就为我们迅速查找故障点提供了可靠的保证。正确应用综合自动化设备中小电流接地选线功能，是一个值得研究和重视的问题。
（二）单相接地时中性点不接地系统的特点
电路模型的建立：
图1为简化的小电流接地系统模型，为了分析方便，忽略输电线阻抗以及线路对地电导。
在中性点不接地的电网中，假定有i条长度不等的线路，当线路2的C相发生永久性单相接地故障时，电网中基波电容电流的分布状况如图1所示。
对于非故障的线路1来说，其三相电容电流各为：
式中：分别为故障电网的A相和B相的对地电压kV;ω为电网的角频率 (2πf) rad/s;COl为线路l的单相对地电容 (为使问题简化，认为三相相等) ，µF。
这样，非故障线路1的基波零序电流可用下式求得：
式中：为线路l的基波零序电流A;为中'性点的零序电压kV。
由(式-2) 可知，线路1的零序电流的大小，等于该线路三相对地电容电流的向量和，方向是从母线流向线路。
同理，非故障线路i的基波零序电流，其方向与线路l相同，从母线流向线路。
对于故障线路2来说，健全相的电容电流仍用同样方法求得，只是故障相的电容电流不再为零。此时，三相的电容电流值分别为：
同样，利用(式-2) 可求得故障线路3的基波零序电流为：
(式-4)说明，故障线路的零序电流等于所有非故障线路零序电流的向量和，唯方向相反，由线路流向母线。
不接地的电网中，利用基波零序电流方向保护有可能检出故障线路。不过，在电网的最小运行方式下，只有当故障点的总电容电流达到最长线路电容电流的(3～4) 倍时，才能实现继电保护的选择性。实际上，许多电网的结构比较复杂，满足不了这个条件。运行经验表明，零序电流方向不能不能全部正确动作。
（三）DESIR接地选线原理
为了检出高阻接地故障，法国电力公司(Electricite de France) 开发了DESIR (DEtection Selective par les Intensites slleud) 保护装置，其原理是以电网的基波电流信号为基础发展起来的。当发生单相接地故障时，该保护装置首先从所有馈线中检测零序电流的基波有功分量，算出故障点的残余有功电流，对于中心点不接地系统也即所有馈线零序有功电流的向量和IR，并选取该向量和的垂直线作为参考轴，再对所有的馈线的基波零序电流在参考轴上的投影进行比较。此时，故障馈线的接地电流的投影与各条非故障馈线零序电流的投影不仅相位相反，而且数值最大 (图2) ，据此便可检出故障馈线。图中的Irl、Ir2、Ir3…Iri分别为馈线l、2、3….i零序电流的基波有功分量。
当电网发生单相永久接地故障时，残流中的基波有功分量与零序电压同相，其数值主要由电网的接地电容电流等参数确定，该接地电容电流的相位领先零序电压90°，所以，故障点的残余电流在零序电压上的投影便等于它自身的有功分量。DESIR检出故障线路的唯一性，源于只用所有馈线的零序有功电流总和的相位作为参考相位 (与上述参考轴等效) 。所以，此种接地保护既不要求测量零序电压，也不需要专用的传感器，只要利用现有的电流互器就足够了。
由于DESIR接地保护是以所有馈线零序电流的变量作为输入数据，故在灵敏度方面可以达到很高的水平 (50kΩ以上) 。该保护反应迅速，检出故障的时间仅为1s。
（四）微机选线装置的实现
DESIR接地选线方案的实现可基于微机综合保护成套装置，充分发挥微机系统的运算能力，利用成熟的高速DSP模块，对采集各条线路的零序电流进行快速的傅里叶分析计算，求出各线路的零序电流的相位和幅值，按DESIR的原理计算出所有馈线零序有功电流的向量和IR，及各线路零序电流在参考轴上的投影的分解值进行比较，以实现单相接地快速选线功能。
此方案可实现综合保护系统与接地选线系统为一体。降低变配电所的设备投资，减少其设备的维护量;对于老系统只要对总控单元进行相应的软件升级或升级中央控制板，以比较简便的方式实现快速接地选线功能，避免了新投设备的安装及安装过程对原有设备进行改动而造成的设备隐患;提高运行人员分析处理出现的供电系统单相接地故障能力，减轻处理时设备检查和操作的工作强度。
（五）零序互感器的选择和安装
中性点不接地系统一般不允许接地电流超过10A，所以一般10A以下保护就要动作。要求零序电流互感器在一次接地电流较小时，和非金属性接地时，零序电流互感器也要有一定的输出，来满足装置启动的门坎值。使用的综合保护，就要求有整定值，一般定值≤10A，如整定值一次电流为5A，可考虑100/5A或20/1A，一次电流5A时，二次电流0.25A，一般已超过综合保护的启动电流。如综合保护最小启动电流>0.25A，则选用75/5;50/5;15/1;10/1的变比，这些变比的零序电流互感器最好选用整体式的，否则精度要差一些。装置本身的负载阻抗并不大，但需要通过电缆将各个零序电流互感器与装置连接起来，所以电缆的阻抗就是零序电流互感器的主要负载阻抗，这种零序电流互感器的负载阻抗一般为2.5Ω左右，经过多年实践和试验得知与小电流选线装置配套的零序电流互感器选用容量：5VA
另外选线装置要求比较相位，因此零序互感器的安装方式、接线极性要求保持一致，安装校验时对其极性进行检验。
（六）结论
本文对零序电流反向残流有功分量(DESIR)原理，比较各零序电流间的相位差别，实际隐含了有功分量的原理，因为有功分量都是在同一零序电压作用下产生的，零序有功在各支路中存在区别主要原因还是各出线零序电流相位上的区别，而本方法则直接利用了这一特征，减少了多引入零序电压一个量带来的误差，同时利用了残流特征，提高了该方法的选线准确率。
参考文献
[1]贺家李, 宋从矩.电力系统继电保护原理[M].中国电力出版社, 2004.
[2]要焕年, 曹梅月.电力系统谐振接地[M].中国电力出版社, 2009.
高电流现象 篇7
随着社会发展和生活水平的日益改善, 人们对生存环境和影响人类健康的各种因素都提出更高要求。可靠的测量结果对国际贸易、环境保护、人类健康和生命安全的重要性日益突显出来, 同时准确可靠的测量数据和分析结果也成为一些法规和政策制定的重要依据。在化学领域中, 对化学测量方法准确性、可靠性进一步提高和化学测量结果如何溯源到国际单位SI已成为国际科学界争论热点之一。
高精密恒电流库仑法是国际公认的绝对测量方法。恒电流库仑基准装置通过准确测量电流 (I) 、时间 (t) 和样品质量 (m) 等基本物理量, 并借助物质摩尔质量 (M) 、法拉第常数 (F) 等基本物理常数, 根据法拉第电解定律计算出被测物质的化学物质的量以及被测物质的特性纯度量值。通过该基准装置可将量值直接向上溯源到国际单位SI, 在化学计量体系中具有最高的计量学特性。以该方法测定苯甲酸纯度量值可溯源至国际单位, 因此数值准确可靠, 溯源链明确, 总不确定度远远优于其他方法测定结果。
1 实验部分
1.1 主要仪器装置与试剂
1.1.1 仪器装置
基准试剂纯度国家基准装置 (高精密恒电流库仑滴定装置) :中国计量科学研究院研制;该装置由计时恒流电源、电流测量系统、电解池和终点指示系统等几部分组成。UMX5精密电子天平:梅特勒-托利多公司, 可读性0.1μg。
1.1.2 试剂
苯甲酸标准物质SRM350b:购自美国NIST;苯甲酸样品:购入商业试剂, 以自制区域熔融装置提纯;氯化钠、氯化钾、无水乙醇:优级纯, 北京益利精细化学品有限公司;高纯水:经电渗析、离子交换、蒸馏三级纯化。
1.2 实验
采用高精密恒电流库仑法准确测量苯甲酸纯度。具体实验过程如下。
1.2.1 预滴定
向阳极室中加入100mL 1mol/L氯化钾溶液, 阴极室中加入5.8g氯化钠, 倒入90mL无二氧化碳纯水和30mL无水乙醇混合溶解。用加压和减压的方法洗涤电解池内壁及氮气出气管若干次。电解池置放在冰水中, 用电解法产生H+调pH值至5, 在搅拌下从支管向阴极室溶液通高纯氮40min, 除去溶解的二氧化碳, 插入pH复合电极。调节氮气进气管的进气量, 维持一个小的氮气流, 使阴极室电解质溶液液面上保持高纯氮气氛。打开电解池支管上的活塞, 让阴极室电解质溶液流进侧管约2mm深, 在10.186mA电流下, 用增量法作预滴定曲线。
预滴定完成后, 用加压和减压的方法洗涤中间室, 并洗涤电解池内壁、顶盖及氮气出气管, 记录最终pH值, 绘制预滴定曲线 (见图1) 。图1中, C点是滴定终点, A点表示电解停止时间, B点表示完成洗涤后溶液的最后pH值。超过滴定所消耗的电荷量 (BC间相应的电荷量) , 应计入滴定的总电荷量中。取出pH复合电极, 用聚四氟乙烯塞子塞上相应的孔。
1.2.2 滴定和求终点
打开电解池支管活塞, 利用减压让阴极室电解质溶液充满中间室, 关好活塞。用镊子取1份以精密电子天平称重的固体样品 (该质量需进行浮力修正) , 连同样品杯一起投入阴极室中, 搅拌几分钟后停止。将氮气调节到较小流量, 通过进气管向液面上方吹气, 使阴极室保持正压以防止空气进入。在假负载上调节电流到101.86mA, 接上2个电极, 触发高精密计时恒流源, 开始电解。在电解过程中, 每隔一定时间, 用电磁搅拌器搅拌试样片刻, 并观察电流变化, 若有偏离做适当调节。电解至99.95%左右试样被滴定时, 切断电源, 记下电解的时间。
如同预滴定一样, 利用氮气加压和减压的办法, 洗涤中间室、砂芯、内壁、顶盖及氮气出气管若干次。电解池放在冰水里, 搅拌并从支管通入高纯氮30min, 除去可能在大电流电解时进入的二氧化碳。插入pH复合电极。通氮结束后, 同作预滴定曲线一样, 在10.186mA电流下, 用增量法求绘终点滴定曲线。求完终点后, 同预滴定一样, 进行洗涤, 直至p H值恒定, 绘制pH-t和 (ΔpH/Δt) -t的终点滴定曲线图 (见图2) , 求出终点。
2 结果与讨论
2.1 电流效率与滴定效率
电解产生还原剂的库仑滴定, 最经常遇到的、影响电流效率的副反应是氢离子还原反应。在强酸库仑滴定中, 氢离子还原是一种很特殊的情况, 其电流密度范围可以说是无限的。因为在滴定过程中, 当氢离子的极限电流被超过时, 水就在电极上还原, 产生氢氧根离子, 它再与溶解中的氢离子发生中和反应。这个过程一直进行到溶液中的氢离子全部作用完。因此酸的库仑滴定中, 电流效率和滴定效率都非常好, 实际上不受发生电流大小的影响。
对于一个体系滴定效率的测定, 可以在含有发生电解质的溶液中事先加入已知量的标准物质, 然后用恒电流电解产生库仑滴定剂进行直接滴定。从实际滴定所消耗时间与理论计算时间之间的比较, 可以确定该滴定体系的滴定效率。设ηt代表滴定效率, 则
式中, m为被测物的加入量, mg;n为电子转移数;M为被测物质的原子量或分子量;F为法拉第常数;I为电解电流强度, mA;t为滴定时间, s。
苯甲酸样品的滴定体系是乙醇和水的混合溶液, 加入已知量的NIST苯甲酸标准物质进行测定, 得到滴定效率实验数据 (见表1) 。
2.2 实验结果计算
苯甲酸的纯度p, mol/kg, 按下式计算:
式中, Qp为电解试样m实际消耗的电荷量, C;QT为电解试样m所需的理论电荷量, C;I为电解时通过溶液的电流, A;t为电解试样m实际所需要的时间, s;n为电子转移个数;m为盐酸的质量, g;F为法拉第常数, C/mol;I1为大电流电解的电流值, A;t1为大电流电解的时间, s;I2为预滴定和求终点的电流值, A;tC为到达终点的时间, s;tA为相应于A点的时间, s;tB相应于B点的时间, s;tP为预滴定中BC间相应的时间, s。
2.3 测量结果
采用高精密恒电流库仑法测定苯甲酸样品纯度, 对样品进行6次平行测定 (见表2) 。
2.4 测量结果验证
为验证测定结果的准确度, 采用高精密恒电流库仑法测定美国NIST苯甲酸标准物质SRM350b, 其标准值及不确定度99.9978%±0.0044% (见表3) 。从实验结果不难看出, 实验测定结果与标准物质的标准值一致性非常好, 说明测定结果可靠。
2.5 不确定度评定
高精密恒电流库仑法不确定度分析包含由实验测量引入的不确定度, 及整个实验过程中各个环节引入的不确定度。各个影响因素不确定度贡献和总不确定度分析见表4。
3 结论
在测量方法研究过程中, 充分考虑可能影响苯甲酸纯度测定的各种因素, 确定实验过程中需要控制的内容, 对由此产生的不确定度进行合理评估, 从而保障测量结果的准确性。实验结果证明, 所建立的高精密恒电流库仑法测定苯甲酸纯度的方法准确、可靠, 并且具有很好的测量精密度。高精密恒电流库仑装置通过检定校准, 可直接准确、有效地溯源到国际单位SI, 确保测量结果的有效性。
参考文献
[1]严辉宇.库仑分析[M].北京:新时代出版社出版, 1985.
[2]中国国家标准化管理委员会.GB10730-2008第一基准试剂邻苯二甲酸氢钾[S].北京:中国标准出版社, 2008.
[3]BIPM, ISO, IEC, OIML.Guide to the expression of Uncertaintyin Measurement, 1st ed., ISO, Geneva.
[4]Kenneth W.Pratt.Automated high-precision coulometrictitrimetry[J].Analytica Chimica Acta, 1994, (289) :135-142.
[5]吴冰, 巢静波.高精密库仑滴定法测定三氧化二砷的纯度[J].现代科学仪器, 2009, (03) :75-78.
[6]孙敏.基准试剂纯度试剂测量装置的自动化研究[J].计量学报, 1996, 7 (1) :21-23.
[7]Mohr, P.J., Taylor, B.N.CODATA Recommended Values of theFundamental Physical Constants:2002;Reviews of ModernPhysics, 2005, 77 (1) :1-107.
[8]Commission of atomic Weights and Isotopic Abundances;Atomic Weights of the Elements 2001;Pure&Appl.Chem.2003, 75 (8) :1107-1122.
[9]李德亮, 刘晴, 常志显, 等.恒电流库仑分析法测定乙烯基三乙氧基硅烷[J].分析试验室, 2009, (08) :103-106.
[10]黄忠慧, 张耀, 等.精密直流恒流源开发[J].机电工程, 2006, 23 (5) :62-64.
[11]王贵恩, 康实, 等.自适应逆控制原理应用于高精度恒流源[J].现代制造工程, 2006, (6) :73-75.