大二暑期实验室学习记录

记录大二暑假在实验室的专业学习~

学习任务

软件部分

1. Ansys仿真PP电缆
2. 学习使用pscad仿真软件和COMSOL，对PP电缆进行仿真
3. 深度学习部分

硬件部分

1. 使用运放电路对电流互感器进行数据采样
2. 摸鱼时间，完成至少一个嘉立创的开源硬件项目
   PS：拜托！！ 这里有焊台，有常用的检测仪表，还有白嫖的一堆元器件！！

时间线

• 7.15-7.19：使用PSCAD对PP电缆进行仿真和阻抗分析
• 7.20-7.22：使用COMSOL对PP电缆进行二维的几何建模和基础电磁场分析，完成中期报告
• 7.23-7.25：台风天，摸鱼天~完成发明专利的文书材料，并进行修改
• 7.26-7.29：对PP电缆进行三维的几何建模，进行频域和瞬态仿真，得到单相和三相电流波形
• 7.30-7.31：硬件实验室学习罗氏线圈测试电流的基本原理，调试积分器的增益，安装波形采集器的驱动，学习波形采集和FFT分析，预约现场测试时间
• 8.1：确定数据处理方案，查阅相关文献，拟定下周安排
• 8.2-8.4：学习JavaScript

电气小知识集萃

电力系统

Q：电力系统中，谐波的存在会产生什么影响？

1. n次谐波，表示该谐波的频率是基频的n倍。
2. 谐波会带来电流或电压的扭曲，闪变或者异常波动，这种情况会导致设备体温度升高，产生信号串扰，并使中性点的电压升高，进而造成一些不可预测的风险：
   比如设备意外停机，火灾，电气事故等等。
3. 谐波的监测设备：谐波检测仪，又称谐波分析仪。
   绝大部分谐波测量仪器都使用傅立叶变换的方法来进行谐波测量，使用傅立叶变换进行谐波分析的前提是要求被分析的波形必须是一个周期波形，也就是说，使用傅立叶变换只能测量整数次谐波。极少数谐波检测仪可以检测分数谐波，测量分数谐波不能使用傅立叶变换的方法，

Q:什么是零序阻抗？

零序阻抗（Zero-Sequence Impedance）是电力系统中用于分析`不对称故障`（如单相接地故障）的一种参数。它是指在`零序分量`（所有三相电流或电压相等且同相位）的条件下，电力系统元件对零序电流的阻抗。

• 零序阻抗的背景
  在电力系统中，电流和电压的对称分量法（Symmetrical Components）将不对称的三相系统分解为对称的正序、负序和零序分量：

  • 正序分量：三相电流或电压具有相同的幅值，依次相差120度。
  • 负序分量：三相电流或电压具有相同的幅值，依次相差-120度。
  • 零序分量：三相电流或电压具有相同的幅值和相位。

• 零序阻抗的计算和意义
  零序阻抗通常由系统元件（如变压器、发电机、电缆、线路等）的物理特性决定。它包括零序电阻和零序电抗。计算零序阻抗的方法通常包括短路试验或基于设备参数的计算。

  • 在零序条件下，通过设备的电流为零序电流，这些电流会在中性点或地线上循环，因此零序阻抗直接影响到单相接地故障时的电流大小和系统响应。

• 零序阻抗的应用

  • 故障分析：在单相接地故障时，零序阻抗用于计算故障电流和电压。它帮助工程师评估故障对系统的影响，选择合适的保护设备和策略。
  • 保护设置：零序阻抗影响接地保护装置的设定。正确的零序阻抗参数有助于准确识别和隔离故障，防止设备损坏和系统停电。
  • 系统设计：在设计电力系统时，工程师需要考虑零序阻抗来优化系统的性能，确保在故障情况下系统能够安全运行。

• 例子
  考虑一个简单的电力系统，包括一个发电机、一个变压器和一段输电线路。每个元件都有其独特的零序阻抗：

  • 发电机：发电机的零序阻抗取决于其内部结构和接地方式。通常较小，因为发电机接地电阻较低。
  • 变压器：变压器的零序阻抗与其绕组连接方式有关（如Y-Y、Y-Δ等）。
    • 例如，Y-Δ变压器不传输零序电流，因此在零序网络中表现为开路。
  • 输电线路：输电线路的零序阻抗包括导线的零序电阻和电抗，通常较大，因为零序电流流经地线或回路电阻。

Q：什么是Surge Impedance？

Surge Impedance：浪涌阻抗，也称为特性阻抗，是在传输线（如电力线或通信线）上描述波动（如电压波或电流波）如何传播的一个重要参数。它是电力工程和电信领域中的一个核心概念，对于理解和设计传输线系统至关重要。

定义和公式
Surge impedance 是传输线的电阻、电感和电容参数的函数，其公式为：
$$
Z_0=\sqrt{\frac{R+jwL}{G+jwC}}
$$

其中：
$Z_0$是特性阻抗，单位是欧姆（Ohms）。
$R$ 是单位长度的电阻，单位是欧姆/米。
$L$ 是单位长度的电感，单位是亨利/米。
$G$ 是单位长度的导纳，单位是西门子/米。
$C$ 是单位长度的电容，单位是法拉/米。

物理意义:
在理想情况下，如果传输线是无损的（即$R$和$G$都是零），特性阻抗简化为：
$$Z_0=\sqrt{\frac{L}{C}}$$

这表明特性阻抗主要由线的电感和电容决定。特性阻抗是传输线的一个重要属性，因为它描述了线路如何响应电压和电流的变化，特别是在快速变化的情况下，如电压冲击。

Q：什么是Susceptance？

Susceptance，电纳Y的虚数部分，是电气工程中一个重要的概念，表示交流电路中对电流的容许性或接受度，通常用于描述电容或电感元件的行为。电纳是电阻（impedance）的倒数。电纳、电阻、电容和电感这些量都用于分析和设计交流电路，特别是在电力系统和信号处理中非常重要。

电纳$Y$可以分解为电导$G$（实部）和电纳$B$（虚部）:
$$
Y=G+jB
$$
电导$G$表示电路的真实功率消耗，而电纳$B$表示电路的无功功率，即能量在源和负载之间往复移动但不进行实际功率转换的部分。

• 对于电容元件，Susceptance $B$为正值，表示其积累能量的能力。

• 对于电感元件，Susceptance $B$为负值，表示其释放能量的能力。

• 对于纯电容或纯电感的理想元件，Susceptance 的计算公式如下：

  • 电容的 Susceptance $B_C$：
    $
    B_C=wC
    $
    其中，$w$是角频率，C是电容值。$w=2\pi f$
  • 电感的 Susceptance$B_L$:
    $B_L=-\frac{1}{wL}$
    其中$L$是电感值。

Q：什么是trapped charge？

"（trapped charge）是一个在电力系统特别是高压电缆中常见的现象。当电缆在没有完全放电的情况下被断开或重新通电时，电缆内可能残留的电荷就被称为困难电荷。这些电荷可以对电力系统的运行和设备的安全产生影响。

困难电荷的产生原理

• 电缆的电容特性：高压电缆具有一定的电容，可以存储电荷。当电缆被通电时，其内部的介质（通常是绝缘材料）会储存电能。断电时，如果没有一个完全的放电过程，这些电能不会完全释放，形成困难电荷。

• 断开和重新通电：当电缆在有电荷的状态下断开，断路器或其他开关设备可能不能将电缆内的所有电荷放掉。这些残留的电荷如果未被妥善处理，当电缆再次通电时，这些困难电荷会突然释放，可能导致电压和电流的瞬间冲击。

绝缘老化的一些影响因素

• 电压应力：
  电缆在运行过程中，特别是高压电缆，其绝缘层经常承受高电压。电缆的电容特性会导致电荷在绝缘介质中积累，从而在材料中产生电场。持续的高电场强度可以加速绝缘材料的电化学分解，从而导致老化。

• 温度变化：
  电荷的充放电过程会在电缆中产生热量，尤其是在频繁的充放电周期中更为显著。这种温度的升高可能会加速绝缘材料的热老化过程，特别是在材料已经由于外界环境或运行条件处于高温状态时。

• 局部放电：
  电缆在特定的条件下，如存在微小的空气隙或绝缘材料的缺陷时，可能发生局部放电现象。这种局部放电可以在绝缘材料内部产生小的电弧，导致绝缘材料破坏，加速老化。电缆的电容特性与其内部的电场分布相关，不均匀的电场可以增加局部放电的风险。

• 水树和电树：
  电缆绝缘材料在长期运行中可能形成微小的裂纹或通道，这些通道在电场作用下进一步发展成为所谓的水树或电树现象。这些结构损害了绝缘材料的完整性，是电缆绝缘老化的常见原因。电容特性影响电场的分布和强度，间接影响这些现象的发展。

电流互感器

作用：

1. 扩大电流表的量程，实现用小量程的表测量大电流。
2. 隔离高压线路，确保人身和设备安全。

电流互感器其实是一种特殊的变压器。
$$
\frac{I_1}{I_2}=\frac{N_1}{N_2}=K_i
$$
因此，电流互感器上二次侧导线穿几圈都是根据变比K来决定的。

感觉不错的哔站视频1——电流互感器采样电路设计

感觉不错的哔站视频2——电流互感器穿几圈

感觉不错的哔站视频3——电流互感器的使用

RLC直流电缆测量

RLC直流电缆测量指的是通过测量电缆的电阻（R）、电感（L）和电容（C）来评估电缆的电气特性。这些测量有助于了解电缆的性能、健康状况和故障情况。

(1) 电阻（R）测量
测量电缆电阻可以提供关于电缆材料和连接质量的信息。

(2) 电感（L）测量
电感是指电缆中导体在电流变化时产生的磁场，并且这种磁场对电流变化产生的反作用力。测量电感有助于了解电缆在交流电流下的表现。

• 交流电感测量: 使用交流信号（通常是正弦波）测量电缆的电感。
  • 方法: 通过LCR测量仪施加已知频率的交流电流，测量产生的电压，计算电感值。

(3) 电容（C）测量
电容是指电缆在导体之间存储电荷的能力。电容测量能够揭示电缆的隔离性能和材料特性。

RLC电缆仿真分析

Step1：消除导体层

在进行RLC分析时，特别是在测量同轴电缆的情况下，需要先消除导体层，这是因为：

• 减少误差：
  导体层（如屏蔽层、护套等）可能引入额外的电阻、电感和电容成分，这些成分会干扰精确测量内导体的真实电气特性。
  消除这些导体层可以减少这些干扰，使测量结果更准确地反映电缆本身的特性。

• 隔离目标导体：
  为了单独测量和分析电缆核心导体的RLC参数，必须去除外部导体层。这可以确保测量只涉及内导体，而不包括外部导体的影响。

  • 特别是在多芯电缆或带有屏蔽层的电缆中，外层导体可能会引起互感和寄生电容的变化，影响测量结果。

• 简化测量模型：
  在测量和建模过程中，简化电缆结构有助于创建更简单和更易于理解的电气模型。

• 提高测量精度(实际测量中)
  测量设备和技术，如四端测量法和LCR测量仪，通常需要直接连接到目标导体上进行精确测量。
  通过去除导体层，可以确保测量设备直接接触到内导体，从而提高测量精度。

电缆相关的专业术语

English Term	Chinese Translation	English Term	Chinese Translation
Coaxial Cable	同轴电缆	Arrester	避雷器
conductor	导体	source impedence	源阻抗
sheath	护套	Aerial shunt conductance	架空分流电导
insulator	绝缘层	Aerial	架空
armour	铠层	resistivity	电阻率
permittivity	介电常数	relative permeability	相对磁导率
SC layer	屏蔽层/半导层	outer radius	外半径
interface	接口	encompass	围绕
instantaneous	瞬时的	active power	有功功率
reactive power	无功功率	phase angle	相位角
Resistance	电阻	RMS	有效值
semi-conductor	半导体	Reactance	电抗