牽引變壓器負(fù)序分析及補(bǔ)償-史明慧(完整版)實(shí)用資料

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54牽引變壓器負(fù)序分析及補(bǔ)償牽引變壓器負(fù)序分析及補(bǔ)償_史明慧（完整版）實(shí)用資料(可以直接使用，可編輯完整版實(shí)用資料，歡迎下載）史明慧1,羅文廣2,何多昌2,張志學(xué)2(1.南廣鐵路有限責(zé)任公司,廣西南寧530022;2.南車株洲電力機(jī)車研究所,湖南株洲412001摘要:分析了不同聯(lián)結(jié)形式的牽引變壓器在不同負(fù)荷條件下的負(fù)序電流特性;指出在同時(shí)具有牽引負(fù)荷和回饋負(fù)荷的工況下,三相電流不對(duì)稱程度的嚴(yán)重性;介紹了采用鐵路靜止電能調(diào)節(jié)器(RPC對(duì)負(fù)序、無(wú)功、諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行綜合治理的基本原理;重點(diǎn)討論了利用RPC消除三相-兩相牽引變壓器負(fù)序電流所需的裝置容量問(wèn)題,為RPC的工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。關(guān)鍵詞:牽引變壓器;負(fù)序電流;鐵路靜止電能調(diào)節(jié)器;制動(dòng)電能回饋中圖分類號(hào):TM761+.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):2095-3631(202104-0054-04AnalysisandCompensationofNegativePhase-sequenceforTractionTransformerSHIMing-hui1,LUOWen-guang2,HEDuo-chang2,ZHANGZhi-xue2(1.LimitedLiabilityCompanyofNan-GuangRailway,Nanning,Guangxi530022,China;2.CSRZhuzhouInstituteCo.,Ltd.,Zhuzhou,Hunan412001,ChinaAbstract:Itanalyzedthecharacteristicsofnegativephase-sequencecurrentfortractiontransformerswithdifferentconnectiontypesunderdifferentloads.Thethree-phasecurrentasymmetrydegreeoftractiontransformersisseriousunderbothtractionloadandfeedbackload.Thebasictheoryofintegrativecompensationforrailwaystaticpowerconditioner(RPCwasintroducedaimingtothepowerqualityproblemsintermsofnegativesequencecurrent,reactivepowerandharmonic.ItfocusedonanalyzingtheratingcapabilityofRPCforeliminatingthenegativesequencecurrentofthree-phasetotwo-phasetractiontransformer,whichcouldprovidereferenceforengineeringapplicationofRPC.Keywords:tractiontransformer;negativephase-sequencecurrent;railwaystaticpowerconditioner(RPC;brakingenergyfeedback收稿日期:2021-05-08作者簡(jiǎn)介:史明慧(1983-,男,工程師,從事電氣化鐵路建設(shè)管理工作。電力系統(tǒng)HIGHPOWERCONVERTERTECHNOLOGY2021年第4期0引言電氣化鐵路系統(tǒng)中,電力機(jī)車是相互獨(dú)立、隨機(jī)波動(dòng)的單相負(fù)荷,它會(huì)引起電力系統(tǒng)三相電流不對(duì)稱,產(chǎn)生負(fù)序電流。負(fù)序電流給發(fā)電機(jī)帶來(lái)附加損耗,引起轉(zhuǎn)子發(fā)熱、附加振動(dòng)等一系列問(wèn)題,嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。負(fù)序電流經(jīng)過(guò)電網(wǎng)阻抗將引起三相電壓不平衡。根據(jù)國(guó)標(biāo)電壓不平衡度規(guī)定,電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)處的電壓不平衡度95%概率值不得超過(guò)2%,短時(shí)值不得超過(guò)4%[1]。負(fù)序電流的大小與牽引變電所兩供電臂的牽引負(fù)載大小、相位差及牽引變壓器的聯(lián)結(jié)形式有關(guān);而三相電壓不平衡度與負(fù)序電流成正比,與高壓進(jìn)線短路容量成反比[2]。因此,對(duì)牽引負(fù)荷在三相電力系統(tǒng)中造成的負(fù)序問(wèn)題進(jìn)行分析一直是交流牽引供電系統(tǒng)的主要研究課題之一。對(duì)負(fù)序電流的傳統(tǒng)分析一般是針對(duì)直流機(jī)車負(fù)載,未考慮電能回饋到牽引變壓器時(shí)的情況[3-4]。近年來(lái)具有制動(dòng)電能回饋功能的交流機(jī)車已大批量投入運(yùn)行,牽引負(fù)載的變化使其產(chǎn)生的負(fù)序電流也發(fā)生改變,因55此該條件下的負(fù)序特性值得深入研究。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)電氣化鐵路的負(fù)序補(bǔ)償方法進(jìn)行了一些研究和應(yīng)用嘗試,其中鐵路靜止電能調(diào)節(jié)器(railwaystaticpowerconditioner,RPC以其對(duì)負(fù)序、無(wú)功和諧波的綜合治理性能優(yōu)異而得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。本文將分析和研究在不同牽引負(fù)載,包括具有再生制動(dòng)電能回饋的情況下,不同聯(lián)結(jié)方式的牽引變壓器的負(fù)序電流特性,以及利用RPC對(duì)牽引變壓器負(fù)序電流進(jìn)行補(bǔ)償?shù)幕驹砑把b置容量設(shè)計(jì),為RPC的工程應(yīng)用提供參考和指導(dǎo)。1牽引變壓器負(fù)序分析1.1各種聯(lián)結(jié)形式牽引變壓器及負(fù)序電流負(fù)序電流的大小與牽引變壓器的聯(lián)結(jié)形式有關(guān),牽引變壓器常見(jiàn)的聯(lián)結(jié)形式有單相聯(lián)結(jié)、三相V/v聯(lián)結(jié)、YNd11聯(lián)結(jié)、Scott聯(lián)結(jié)、阻抗匹配平衡聯(lián)結(jié)等(圖1。其中單相變壓器、三相V/v變壓器、YNd11變壓器為非平衡變壓器,而Scott變壓器和阻抗匹配平衡變壓器為平衡變壓器(即當(dāng)牽引變壓器二次側(cè)連接的兩供電臂電流大小和功率因數(shù)均相等時(shí),一次側(cè)三相電流對(duì)稱。若將圖l所示的各種聯(lián)結(jié)形式的牽引變壓器視為多端口網(wǎng)絡(luò),則圖1(a牽引側(cè)僅有一端口,其余的牽引側(cè)都有2個(gè)端口。設(shè)一次側(cè)電力系統(tǒng)的相電壓和相電流分別為UA、UB、UC和IA、IB、IC;牽引側(cè)2個(gè)端口的電壓、電流分別為Um、Im(m=1,2,則所有端口負(fù)荷電流(即各供電臂負(fù)荷電流在三相系統(tǒng)中造成的總正序電流I(+和總負(fù)序電流I(-分別為[5]:,一般有K1=K2;m——端口m的電流Im滯后端口電壓Um的角度(即端口m的功率因數(shù)角。由式(1可知,各端口負(fù)荷造成的三相系統(tǒng)正序電流與端口的接線角無(wú)關(guān),而各端口負(fù)荷造成的三相系統(tǒng)負(fù)序電流與端口的接線角有關(guān)。端口的接線角和數(shù)量不同,在三相系統(tǒng)中產(chǎn)生的負(fù)序電流也不同。定義電流不對(duì)稱系數(shù)。單相聯(lián)結(jié)只有1個(gè)端口,由式(1可見(jiàn),正序和負(fù)序的電流大小始終相等,即電流不對(duì)稱系數(shù)1、1、1、1=I(表1。可以看到,4種牽引變壓器在1個(gè)供電臂為牽引負(fù)荷、另1個(gè)供電臂為制動(dòng)回饋的工況時(shí),電流不對(duì)稱系數(shù)將大于1。極端情況下,當(dāng)兩供電臂的牽引和回饋電流相等(即KI=-1時(shí),一次側(cè)三相電流全為負(fù)序,正序分量為0,此時(shí)不對(duì)稱系數(shù)為無(wú)窮大。圖2給出了Scott聯(lián)結(jié)變壓器在這種情況下一、二次側(cè)電壓和電流的仿真波形。從表1還可以看出,在相同的負(fù)載條件下,V/v和YNd11聯(lián)結(jié)的兩種非平衡變壓器的電流不對(duì)稱系數(shù)相等,Scott和阻抗匹配聯(lián)結(jié)的兩種平衡變壓器的電流不對(duì)稱系數(shù)也相等。(a單相聯(lián)結(jié)(bV/v聯(lián)結(jié)(cYNd11聯(lián)結(jié)(dScott聯(lián)結(jié)(e阻抗匹配平衡聯(lián)結(jié)56因此,對(duì)于為交流機(jī)車供電的牽引變壓器,有再生制動(dòng)電能回饋時(shí),除單相聯(lián)結(jié)外,其余的三相-兩相變壓器(包括V/v、YNd11、Scott、阻抗匹配平衡變壓器一次側(cè)三相電流不對(duì)稱的程度比傳統(tǒng)只考慮兩供電臂均為牽引負(fù)荷工況下的要嚴(yán)重得多。在兩供電臂的牽引和回饋電流都比較大時(shí),三相電力系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生很大的負(fù)序電流,從而導(dǎo)致較高的負(fù)序電壓。2RPC對(duì)負(fù)序電流的補(bǔ)償2.1RPC的基本原理RPC能較好地綜合治理牽引負(fù)荷產(chǎn)生的負(fù)序、無(wú)功、諧波、電壓波動(dòng)等電能質(zhì)量問(wèn)題,其工程應(yīng)用前景廣闊。RPC的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示(適用于三相-兩相牽引變壓器,主要包括兩端的降壓變壓器和背靠背變流器,它跨接于牽引變電所兩個(gè)供電臂之間,可實(shí)現(xiàn)牽引變壓器二次側(cè)兩相之間有功功率相互轉(zhuǎn)移。另外,RPC相當(dāng)于2個(gè)背靠背的SVG,可分別對(duì)2個(gè)供電臂下?tīng)恳?fù)荷產(chǎn)生的無(wú)功和諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。由于RPC不僅能控制兩相間有功功率的雙向流動(dòng),而且能控制兩相電流的功率因數(shù)角,因此用RPC更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引變壓器一次側(cè)的負(fù)序電流的補(bǔ)償。2.2RPC補(bǔ)償負(fù)序的容量設(shè)計(jì)RPC在工程應(yīng)用中推廣的瓶頸是裝置成本,而裝置成本主要取決于其容量,因此對(duì)RPC裝置的容量設(shè)計(jì)值得仔細(xì)分析。對(duì)于一般交流傳動(dòng)機(jī)車運(yùn)行的線路(例如高速鐵路、城際鐵路等,其功率因數(shù)接近1,可不考慮RPC補(bǔ)償無(wú)功的容量,而諧波治理的容量相對(duì)較小,因此以負(fù)序補(bǔ)償要求的容量為主。對(duì)于Scott、阻抗匹配聯(lián)結(jié)的平衡牽引變壓器,若要完全消除其負(fù)序電流以及使一次側(cè)三相電流對(duì)稱,其必要條件是二次側(cè)兩相電流的大小和功率因數(shù)均相等。設(shè)兩供電臂的負(fù)載功率分別為(,為了使?fàn)恳儔浩鞫蝹?cè)兩相電流相等,RPC只需轉(zhuǎn)移(2表1各種牽引變壓器在不同負(fù)荷條件下的電流不對(duì)稱系數(shù)Tab.1Currentasymmetrycoefficientsofallkindsoftractiontransformersunderdifferentloads聯(lián)結(jié)形式V/v聯(lián)結(jié)YNd11聯(lián)結(jié)Scott聯(lián)結(jié)阻抗匹配平衡聯(lián)結(jié)KI=10.500KI=0111KI=-1圖2Scott聯(lián)結(jié)牽引變壓器兩側(cè)電壓、電流仿真波形(I2=-I1時(shí)Fig.2SimulationwaveformsofvoltageandcurrentonbothsidesofthetractiontransformerinScottconnection(whenI2=-I1(a兩供電臂輸出電壓、電流波形(b一次側(cè)三相電壓、電流波形57通常情況下,Kp根據(jù)兩供電臂的負(fù)荷大小確定,其最大范圍為-1≤Kp≤1。對(duì)于V/v、YNd11聯(lián)結(jié)的非平衡牽引變壓器,若要完全消除負(fù)序電流以及使一次側(cè)三相電流對(duì)稱,其必要條件是二次側(cè)兩相電流的大小相等,功率因數(shù)角相差60°[6-7]。為使二次側(cè)兩相電流大小相等,與平衡變壓器相同,RPC需提供的有功容量為I為0.5,二次側(cè)兩相對(duì)應(yīng)有功功率均為;同樣引入兩供電臂負(fù)荷功率比Kp,需提供的無(wú)功容量為(3將式(2和式(3繪成曲線(圖5。一般情況下,交流機(jī)車運(yùn)行時(shí)回饋到牽引變壓器的再生制動(dòng)功率比牽引功率要小,因此Kp取-0.5,即符合大部分線路的需求。對(duì)于上述的平衡變壓器和非平衡變壓器,此時(shí)RPC補(bǔ)償負(fù)序所需的容量分別為0.75Pe和0.764Pe,兩者相差不大,因此可統(tǒng)一設(shè)計(jì)RPC的額定容量為0.75Pe。3結(jié)語(yǔ)通過(guò)對(duì)牽引變壓器負(fù)序的分析得出以下結(jié)論:(1當(dāng)一個(gè)供電臂為牽引負(fù)荷、另一個(gè)供電臂為制動(dòng)回饋負(fù)荷時(shí),V/v、YNd11、Scott、阻抗匹配平衡牽引變壓器的三相電流不對(duì)稱系數(shù)大于1(單相變壓器始終為1,比傳統(tǒng)只考慮兩供電臂為牽引負(fù)荷工況時(shí)要嚴(yán)重得多。(2當(dāng)牽引變壓器二次側(cè)的牽引和回饋電流都比較大時(shí),三相電力系統(tǒng)產(chǎn)生很大的負(fù)序電流,從而導(dǎo)致較高的負(fù)序電壓。(3RPC可控制兩供電臂的有功相互轉(zhuǎn)移,實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)序、無(wú)功、諧波等電能質(zhì)量的綜合治理。對(duì)于交流機(jī)車運(yùn)行的高速鐵路、城際鐵路,RPC的容量以負(fù)序補(bǔ)償?shù)囊鬄橹鳌?4RPC完全消除負(fù)序時(shí)的容量與牽引變壓器的聯(lián)結(jié)形式有關(guān)。對(duì)于Scott、阻抗匹配等平衡變壓器,RPC只需提供有功容量;對(duì)于V/v、YNd11等非平衡變壓器,RPC還需提供無(wú)功容量。當(dāng)考慮回饋功率為供電臂額定容量Pe的一半時(shí),RPC的額定容量可統(tǒng)一設(shè)計(jì)為0.75Pe。參考文獻(xiàn):[1]武漢國(guó)測(cè)科技股份.GB/T15543-2021電能質(zhì)量三相電壓不平衡度[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2021.[2]夏焰坤,張帆,周福林,等.兩類牽引變壓器負(fù)序特性對(duì)比研究[C]//20213rdInternationalConferenceonComputationalIntelligenceandIndustrialApplication(PACIIA,2021:199-201.[3]王果,任恩恩,田銘興,等.不同類型牽引變壓器負(fù)序電流特性的分析比較[J].變壓器,2021,46(11:24-27.[4]張永祥,吳連,秦浩庭,等.V/v接線牽引變壓器的負(fù)序分析[J].電氣化鐵道,2021(1:5-8.[5]張秀峰.高速鐵路同相AT牽引供電系統(tǒng)研究[D].成都:西南交通大學(xué),2006:24-42.[6]吳傳平,羅安,徐先勇,等.采用V/v變壓器的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)負(fù)序和諧波綜合補(bǔ)償方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2021,30(16:111-116.[7]張麗艷,李群湛.YNd11接線牽引變壓器負(fù)序分析[J].變壓器,2006,43(1:21-24.圖4RPC補(bǔ)償非平衡變壓器負(fù)序時(shí)一次側(cè)三相電流相量Fig.4Three-phasecurrentphasorofunbalancedtransformeronprimarysidewhenusingRPCtocompensatethenegativesequence(a僅轉(zhuǎn)移有功使兩臂電流相等(b轉(zhuǎn)移有功并補(bǔ)償無(wú)功使兩臂功率因數(shù)角相差60°一、正激式開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器：No待求參數(shù)項(xiàng)詳細(xì)公式1副邊電壓VsVs=Vp*Ns/Np2最大占空比θonmaxθonmax=Vo/(Vs-0.5)3臨界輸出電感LsoLso=(Vs-0.5)*(Vs-0.5-Vo)*θonmax2/(2*f*Po)4實(shí)際工作占空比θon如果輸出電感Ls≥Lso：θon=θonmax否則：θon=√{2*f*Ls*Po/[(Vs-0.5)*(Vs-0.5-Vo)]}5導(dǎo)通時(shí)間TonTon=θon/f6最小副邊電流IsminIsmin=[Po-(Vs-0.5)*(Vs-0.5-Vo)*θon2/(2*f*Ls)]/[(Vs-0.5)*θon]7副邊電流增量ΔIsΔIs=(Vs-0.5-Vo)*Ton/Ls8副邊電流峰值IsmaxIsmax=Ismin+ΔIs9副邊有效電流IsIs=√[(Ismin2+Ismin*ΔIs+ΔIs2/3)*θon]10副邊電流直流分量IsdcIsdc=(Ismin+ΔIs/2)*θon11副邊電流交流分量IsacIsac=√(Is2-Isdc2)12副邊繞組需用線徑DsDs=0.5*√Is13原邊勵(lì)磁電流IcIc=Vp*Ton/Lp14最小原邊電流IpminIpmin=Ismin*Ns/Np15原邊電流增量ΔIpΔIp=(ΔIs*Ns/Np+Ic)/η16原邊電流峰值IpmaxIpmax=Ipmin+ΔIp17原邊有效電流IpIp=√[(Ipmin2+Ipmin*ΔIp+ΔIp2/3)*θon]18原邊電流直流分量IpdcIpdc=(Ipmin+ΔIp/2)*θon19原邊電流交流分量IpacIpac=√(Ip2-Ipdc2)20原邊繞組需用線徑DpDp=0.55*√Ip21最大勵(lì)磁釋放圈數(shù)Np′Np′=η*Np*(1-θon)/θon22磁感應(yīng)強(qiáng)度增量ΔBΔB=Vp*θon/(Np*f*Sc)23剩磁BrBr=0.1T24最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BmBm=ΔB+Br25標(biāo)稱磁芯材質(zhì)損耗PFe(100KHz100℃KW/m3)磁芯材質(zhì)PC30：PFe=600磁芯材質(zhì)PC40：PFe=45026選用磁芯的損耗系數(shù)ωω=1.08*PFe/(0.22.4*1001.227磁芯損耗PcPc=ω*Vc*(ΔB/2)2.4*f1.228氣隙導(dǎo)磁截面積Sg方形中心柱：Sg=[(a+δ′/2)*(b+δ′/2)/(a*b)]*Sc圓形中心柱：Sg={π*(d/2+δ′/2)2/[π*(d/2)2]}*Sc29有效磁芯氣隙δ′δ′=μo*(Np2*Sc/Lp-Sc/AL)30實(shí)際磁芯氣隙δ如果δ′/lc≤0.005：δ=δ′如果δ′/lc＞0.03：δ=μo*Np2*Sc/Lp否則δ=δ′*Sg/Sc31穿透直徑ΔDΔD=132.2/√f32開(kāi)關(guān)管反壓UceoUceo=√2*Vinmax+√2*Vinmax*Np/Np′33輸出整流管反壓UdUd=Vo+√2*Vinmax*Ns/Np′34副邊續(xù)流二極管反壓Ud′Ud′=√2*Vinmax*Ns/Np

二、雙端開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器：No待求參數(shù)項(xiàng)詳細(xì)公式1副邊電壓Vs如果為半橋：Vs=Vp*Ns/(2*Np)否則：Vs=Vp*Ns/Np2最大占空比θonmaxθonmax=Vo/(Vs-0.5)3臨界輸出電感LsoLso=(Vs-0.5)*(Vs-0.5-Vo)*θonmax2/(4*f*Po)4實(shí)際工作占空比θon如果輸出電感Ls≥Lso：θon=θonmax否則θon=√{4*f*Ls*Po/[(Vs-0.5)*(Vs-0.5-Vo)]}5導(dǎo)通時(shí)間TonTon=θon/f6最小副邊電流IsminIsmin=[Po-(Vs-0.5)*(Vs-0.5-Vo)*θon/(4*f*Ls)]/[(Vs-0.5)*θon]7副邊電流增量ΔIsΔIs=(Vs-0.5-Vo)*Ton/(2*Ls)8副邊電流峰值IsmaxIsmax=Ismin+ΔIs9副邊有效電流IsIs=√{[1+(Vs-Vo-0.5)/(Vo+0.5)]*(Ismin2+Ismin*ΔIs+ΔIs2/3)*θon}10副邊電流直流分量IsdcIsdc=[1+(Vs-Vo-0.5)/(Vo+0.5)]*(Ismin+ΔIs/2)*θon11副邊電流交流分量IsacIsac=√(Is2-Isdc2)12副邊繞組需用線徑DsDs=0.5*√Is13原邊勵(lì)磁電流Ic如果θon＜0.5：Ic=Vp*Ton/(2*Lp)否則Ic=Vp/(4*Lp*f)14最小原邊電流IpminIpmin=Ismin*Ns/Np15原邊電流增量ΔIpΔIp=(ΔIs*Ns/Np+Ic)/η16原邊電流峰值IpmaxIpmax=Ipmin+ΔIp17原邊有效電流IpIp=√[(Ipmin2+Ipmin*ΔIp+ΔIp2/3)*θon]18原邊電流直流分量IpdcIpdc=(Ipmin+ΔIp/2)*θon19原邊電流交流分量IpacIpac=√(Ip2-Ipdc2)20原邊繞組需用線徑DpDp=0.55*√Ip21磁感應(yīng)強(qiáng)度增量ΔB如果θon＜0.5:ΔB=Vp*θon/(2*Np*f*Sc)否則ΔB=Vp/(4*Np*f*Sc)22最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BmBm=ΔB23標(biāo)稱磁芯材質(zhì)損耗PFe(100KHz100℃KW/m3)磁芯材質(zhì)PC30，PFe=600磁芯材質(zhì)PC40，PFe=45024選用磁芯的損耗系數(shù)ωω=1.08*PFe/(0.22.4*1001.225磁芯損耗PcPc=ω*Vc*ΔB2.4*f1.226氣隙導(dǎo)磁截面積Sg方形中心柱Sg=[(a+δ′/2)*(b+δ′/2)/(a*b)]*Sc圓形中心柱Sg={π*(d/2+δ′/2)2/[π*(d/2)2]}*Sc27有效磁芯氣隙δ′δ′=μo*(Np2*Sc/Lp-Sc/AL)28實(shí)際磁芯氣隙δ如果δ′/lc≤0.005：δ=δ′如果δ′/lc＞0.03：δ=μo*Np2*Sc/Lp否則δ=δ′*Sg/Sc29穿透直徑ΔDΔD=132.2/√f30開(kāi)關(guān)管反壓Uceo如果為半橋：Uceo=√2*Vinmax否則Uceo=√2*Vinmax*231輸出整流管反壓UdUd=2*Vsmax一般考慮到效率，輸出整流不會(huì)采用全橋。如采用全橋整流，則；Ud=Vsmax注：1、對(duì)于雙端電路，變壓器初級(jí)電感量要足夠大（一般磁芯不留氣隙），否則，初級(jí)在Ton時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存的磁能足夠大而不能忽略，因磁能會(huì)在Toff時(shí)間內(nèi)傳遞給負(fù)載，從而影響占空比θon，這樣在做電路分析時(shí)，就需要兼顧其影響而變得復(fù)雜。2、在本設(shè)計(jì)程序中，未考慮初級(jí)電感量對(duì)負(fù)載和占空比θon的影響。

三、反激式開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器：No待求參數(shù)項(xiàng)詳細(xì)公式1最大占空比θonmaxθonmax=(Vo*Np/Ns)/[Vp+(Vo*Np/Ns)]2臨界電感Lpo如果為PWM式：Lpo=η*θonmax2*Vp2/(2*f*Po)如果為自激式：Lpo=Lp3自激式電路工作頻率ff=(η*Vp2*θ2)/(2*Lp*Po)4實(shí)際工作占空比θon如為PWM式且θonmax2*Vp2/(2*f*Lp)＞Po/η：θon=√[2*f*Lp*Po/(η*Vp2)]否則θon=θonmax5導(dǎo)通時(shí)間TonTon=θon/f6最小原邊電流IpminIpmin=Po/(η*θonmax*Vp)-θonmax*Vp/(2*f*Lp)7原邊電流增量ΔIpΔIp=Ton*Vp/Lp8原邊電流峰值IpmaxIpmax=Ipmin+ΔIp9原邊有效電流IpIp=√[(Ipmin2+Ipmin*ΔIp+ΔIp2/3)*θon]10原邊電流直流分量IpdcIpdc=(Ipmin+ΔIp/2)*θon11原邊電流交流分量IpacIpac=√(Ip2-Ipdc2)12原邊繞組需用線徑DpDp=0.55*√Ip電流密度取4.2A/mm213最小副邊電流IsminIsmin=Ipmin*Np/Ns14副邊電流增量ΔIsΔIs=ΔIp*Np/Ns15副邊有效電流IsIs=√[θon*(Ismin2+Ismin*ΔIs+ΔIs2/3)*Vp*Ns/(Vo*Np)]16副邊電流直流分量IsdcIsdc=Io17副邊電流交流分量IsacIsac=√(Is2-Isdc2)18副邊繞組需用線徑DsDs=0.5*√Is19磁感應(yīng)強(qiáng)度增量ΔBΔB=Vp*θon/(Np*f*Sc)20剩磁BrBr=0.1T21標(biāo)稱磁芯材質(zhì)損耗PFe(100KHz100℃KW/m3)磁芯材質(zhì)PC30，PFe=600磁芯材質(zhì)PC40，PFe=45022選用磁芯的損耗系數(shù)ωω=1.08*PFe/(0.22.4*1001.223磁芯損耗PcPc=ω*Vc*(ΔB/2)2.4*f1.224氣隙導(dǎo)磁截面積Sg方形中心柱Sg=[(a+δ′/2)*(b+δ′/2)/(a*b)]*Sc圓形中心柱Sg={π*(d/2+δ′/2)2/[π*(d/2)2]}*Sc25有效磁芯氣隙δ′δ′=μo*(Np2*Sc/Lp-Sc/AL)26實(shí)際磁芯氣隙δ如果δ′/lc≤0.005：δ=δ′如果δ′/lc＞0.03：δ=μo*Np2*Sc/Lp否則δ=δ′*Sg/Sc27直流Ipmin產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度BoBo=Ipmin*Np/(lo/μo+Sc/AL)28最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BmBm=ΔB+Br+Bo29穿透直徑ΔDΔD=132.2/√f30開(kāi)關(guān)管反壓UceoUceo=√2*Vinmax+(Vo+0.5)*Np/Ns31輸出整流管反壓UdUd=Vo+√2*Vinmax*Ns/Ns農(nóng)村配電變壓器無(wú)功補(bǔ)償電容器的合理配置[摘要]提高電壓質(zhì)量、降低線損。[關(guān)鍵詞]配電變壓器電容器配置0.引言運(yùn)行中的配電網(wǎng)，不僅有功要平衡，無(wú)功也要平衡。通常對(duì)有功的平衡都知道要平衡，但對(duì)無(wú)功卻遠(yuǎn)沒(méi)有像有功一樣引起重視，而當(dāng)電網(wǎng)的無(wú)功平衡失調(diào)，功率因數(shù)降低時(shí)，電力設(shè)備得不到合理應(yīng)用，線路損失增大，用戶末端電壓下降。因此，無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題越來(lái)越引起人們的重視。在經(jīng)過(guò)近幾年大規(guī)模的農(nóng)網(wǎng)建設(shè)和改造，農(nóng)村電網(wǎng)的健康水平有了明顯提高的同時(shí)，也安裝了大量的無(wú)功補(bǔ)償。這些大都采用自動(dòng)投切，但往往由于電容器配置不合理，電容器只數(shù)太少，單只容量太大，投一級(jí)達(dá)不到要求的功率因數(shù)，再投一級(jí)又會(huì)因超過(guò)功率因數(shù)定值而投不上。這樣提高功率因數(shù)就達(dá)不到預(yù)期的目的。1.農(nóng)村負(fù)荷特點(diǎn)及無(wú)功補(bǔ)償荷無(wú)功的需求。盡量不向系統(tǒng)吸收無(wú)功或少吸收無(wú)功。農(nóng)村除專用變外，一般是自然村的綜合變，它的負(fù)荷主要農(nóng)村生活用電，副業(yè)生產(chǎn)以及少量的糧食加工等，這些負(fù)荷的特點(diǎn)是“二低一高”，即負(fù)荷率低，功率因數(shù)低，同時(shí)率高。一般情況配電變壓器容量處于半載或輕載情況下運(yùn)行，晚間燈峰負(fù)荷可能出現(xiàn)最高負(fù)荷。負(fù)載端一般沒(méi)有無(wú)功補(bǔ)償裝置，自然功率因數(shù)cosф在0.7以下，極少數(shù)甚至在0.5左右。無(wú)功補(bǔ)償裝置就要針對(duì)負(fù)荷的特點(diǎn)有的放矢。1.1變壓器運(yùn)行時(shí)自身所需的無(wú)功功率變壓器空載運(yùn)行所需的無(wú)功功率：Q0＝I0％Se/100變壓器滿載運(yùn)行所需的無(wú)功功率：Qe=Q0+Ud%Se/100變壓器正常運(yùn)行時(shí)所需的無(wú)功功率：Q=Q0+Ud%Se（S/Se）2/100式中：Ud%短路電壓百分比值I0％空載電流百分比值Se變壓器額定容量S變壓器實(shí)際運(yùn)行容量根據(jù)以上的方程式可計(jì)算出變壓器所需的無(wú)功功率。1.2負(fù)載所需的無(wú)功功率考慮負(fù)載側(cè)所有的無(wú)功功率作集中補(bǔ)償。其計(jì)算方法如下：Qc=P(tgQ1-tgQ2)Qc：補(bǔ)償電容器容量（KVAR）P：負(fù)載的有功功率Q1：改善前功率因數(shù)角Q2：改善后功率因數(shù)角每千瓦的有功功率提高功率因數(shù)所需的無(wú)功功率如下表：2．無(wú)功補(bǔ)償?shù)男б鎸?duì)于電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備可裝在高壓側(cè)或低壓側(cè)。當(dāng)然，如無(wú)功功率裝在低壓側(cè)，不僅可以提高功率因數(shù)，而且還可以減少線路，變壓器的損耗，提高變壓器、線路的利用率和減少系統(tǒng)的電壓下降。無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備越近負(fù)荷端，獲取的經(jīng)濟(jì)效益就越大。2.1改善功率因數(shù)－降低總電流I（即視在電流）I:視在電流，Ip：有功電流，Iq：無(wú)功電流功率因數(shù)提高，視在電流I降低的百分?jǐn)?shù)從計(jì)算表我們可以看出，功率因數(shù)對(duì)視在電流的影響極大。例如，當(dāng)功率因數(shù)從0.70提高到0.90時(shí)，視在電流I降低26.53％；提高到0.95，I降低34.04％。2.2減少線路損耗通過(guò)線路輸送的電流I＝P/cosф：Pxs=3I2R=3RP2/U2cos2ф以功率因數(shù)等于1為基點(diǎn)，當(dāng)實(shí)際功率因數(shù)為cosф時(shí)，線損增加的百分?jǐn)?shù)為：ΔPxs=?（1/cosф）2－1?*100％由此式可計(jì)算出功率因數(shù)由1.0下降與線路損失增加的關(guān)系：同理，提高功率因數(shù)與降低線損推算為：ΔPxs=?1-（cosф1/cosф2）2?*100％式中：ΔPxs－降低線損百分?jǐn)?shù)cosф1－原有功率因數(shù)cosф2－提高后的功率因數(shù)由上式可計(jì)算出功率因數(shù)提高與線路損失減少的關(guān)系。（以cosф＝0.6為參考點(diǎn)）當(dāng)功率因數(shù)由0.60提高到0.90，線路損失將減少80％，可見(jiàn)功率因數(shù)對(duì)線損影響極大。3.無(wú)功補(bǔ)償電容器的合理配置電容器的合理配置包括選擇的電容器容量和只數(shù)兩個(gè)方面。3.1功率因數(shù)的目標(biāo)值提高功率因數(shù)需要增加電容器，但提高功率因數(shù)后帶來(lái)的是視在電流下降和線路損耗降低，為方便比較，列出下列關(guān)系表。功率增加與每千瓦有功功率所需增加的無(wú)功容量，視在電流降低和線損未下降的關(guān)系從表中我們可以看出，當(dāng)功率因數(shù)提高時(shí)所需的電容器和視在電流下降的百分比呈線型關(guān)系，唯有線路損耗下降的百分?jǐn)?shù)不是線型關(guān)系，功率因數(shù)愈高，經(jīng)濟(jì)效益就越差。當(dāng)功率因數(shù)cosф由0.6提高到0.7時(shí)，線路損失下降近50％；而由0.7提高到0.8時(shí)，線路損失只下降了20％；當(dāng)由0.8提升到0.9時(shí)，線路損耗僅下降10％，功率因數(shù)愈高，效果愈差，因此不要認(rèn)為把功率因數(shù)提高到越高越好，往往事與愿違。筆者認(rèn)為功率因數(shù)的目標(biāo)值定為0.85較為合適。3.2電容器的容量和只數(shù)如果將功率因數(shù)的目標(biāo)值定為0.85，假定負(fù)荷的自然功率因數(shù)數(shù)為0.65，計(jì)算出變壓器所需的補(bǔ)償電容器容量。確定了電容器的容量，電容器只數(shù)的選擇應(yīng)考慮幾個(gè)方面，理論上只數(shù)越多，調(diào)節(jié)越細(xì)，每只電容器的容量最好為制造廠的最小容量，但考慮到與功率因數(shù)自動(dòng)調(diào)整器的配合，每臺(tái)變壓器的電容器數(shù)量不宜超過(guò)12只，另外為保證變壓器空載和變壓器滿載及接近功率因數(shù)數(shù)定值投運(yùn)率，建議首、末投入的電容器的容量為最小。變壓器補(bǔ)償?shù)碾娙萜髦粩?shù)為下表：4.結(jié)束語(yǔ)合理配置農(nóng)村配電變壓器的無(wú)功補(bǔ)償電容器，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的就地平衡，提高負(fù)荷的功率因數(shù)，不僅能減少線路損耗，增加線路輸送容量，還能改善電壓質(zhì)量。只要能合理配置變壓器的無(wú)功補(bǔ)償電容器，加強(qiáng)設(shè)備的運(yùn)行管理，確保電容器的投運(yùn)率，就能提高電能質(zhì)量和電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，增加可觀的經(jīng)濟(jì)效益。尹項(xiàng)根：配電變壓器集成化補(bǔ)償系統(tǒng)的多目標(biāo)分析及控制華中科技大學(xué)，尹項(xiàng)根教授柔性石墨烯/聚苯胺納米纖維復(fù)合薄膜超級(jí)電容器的研究摘要:化學(xué)改性的石墨烯(CCG與聚苯胺納米纖維(PANI-NFs薄膜通過(guò)真空過(guò)濾這兩種混合分散的組成成分來(lái)制備。復(fù)合薄膜是一個(gè)層狀結(jié)構(gòu),PANI-NF處在CCG層之間。此外,它有機(jī)械穩(wěn)定性和良好的柔性,因此,它能夠彎曲較大的角度或者形成多種想要得到的結(jié)構(gòu)。含44%的CCG的復(fù)合薄膜的電導(dǎo)率(5.5×102Sm-1大約為PANI-NFs薄膜的10倍。這種導(dǎo)電柔性復(fù)合薄膜的超級(jí)電容器在放電率為0.3A/g時(shí),顯示出了較大的電化學(xué)電容(210F/g。它們也顯示出了極大改進(jìn)的電化學(xué)穩(wěn)定性和速率性能。關(guān)鍵詞:石墨聚苯胺納米纖維超級(jí)電容器復(fù)合柔性石墨烯,sp2雜化的二維單層碳原子,在最近幾年吸引了人們大量的注意力,主要是因?yàn)樗姆浅８叩碾妼W(xué)和熱學(xué)傳導(dǎo)性、高的機(jī)械強(qiáng)度、高比表面積和潛在的低制造成本。石墨烯在組裝儲(chǔ)電和儲(chǔ)能裝置、傳感器、透明電極、超分子組裝和納米復(fù)合材料方面已經(jīng)被研究用于應(yīng)用。特別是石墨烯與高分子復(fù)合材料是科學(xué)上與工業(yè)上的興趣,因?yàn)橛筛唠妼?dǎo)率和石墨烯的強(qiáng)化性能引起的它們的強(qiáng)大的性能。另一方面,導(dǎo)電高分子材料(CPs也被廣泛的研究和在多種有機(jī)裝置中應(yīng)用。為了改進(jìn)裝置的性能或者提高其功能,CPs通常為納米結(jié)構(gòu)。聚苯胺(PANI是典型的高分子材料,它擁有良好的環(huán)境穩(wěn)定性、引人關(guān)注的電導(dǎo)率和不同尋常的摻雜/去摻雜化學(xué)過(guò)程。納米結(jié)構(gòu)的PANI可以通過(guò)多種化學(xué)方法合成。例如,聚苯胺納米纖維(PANI-NFs可以通過(guò)界面或快速混合聚合很容易制備,它們被用于組裝化學(xué)傳感器、制動(dòng)器、存儲(chǔ)設(shè)備、電池和超級(jí)電容器。然而,化學(xué)制備的納米導(dǎo)電高分子材料(包括PANI-NFs通常為粉末狀和在去摻雜狀態(tài)時(shí)為絕緣態(tài)。因此,各種多孔碳材料(如活性炭、中孔碳和碳納米管和高分子粘合劑(如全氟磺酸通常用作制備高分子電極的添加劑。作為碳納米材料的新種類,也被應(yīng)用于制備高分子復(fù)合材料。PAN和石墨烯、石墨氧化物和石墨烯納米薄片或者石墨烯紙的復(fù)合材料通過(guò)原位化學(xué)或者電化學(xué)的方法聚合、共價(jià)或非共價(jià)功能化和自組裝都能成功制備。然而以前的大多數(shù)工作中,石墨氧化物或者石墨烯聚合物而不是穩(wěn)定分散的石墨烯片層被作為原料使用。可是,石墨氧化物是絕緣體,聚合的石墨沒(méi)有了高的比表面積和石墨烯顯著的單層電學(xué)特性。這本論文中,我們報(bào)道了制備穩(wěn)定水分散的CCG/PANI-NFs復(fù)合材料的新方法。通過(guò)過(guò)慮混合分散液,制造出CCG和PANI-NFs(G-PNF紙裝復(fù)合薄膜。在這些薄膜中,PANI-NFs都夾在CCG層中間。另外,含質(zhì)量分?jǐn)?shù)44%CCG的復(fù)合薄膜與那些純PANI-NFs薄膜相比,顯示出優(yōu)良的機(jī)械性能和電導(dǎo)率。這些薄膜材料的超級(jí)電容器擁有高電容和高的循環(huán)穩(wěn)定性。結(jié)果與討論在本研究使用的PANI-NFs是參照文獻(xiàn)通過(guò)苯胺的界面聚合制備的。這樣制備得到的PANI-NFs被證明是以苯胺綠鹽的形式填充的。因此,有報(bào)道說(shuō)這種形式的PANI-NFs能夠穩(wěn)定的復(fù)合材料,通過(guò)靜電作用分散有負(fù)電荷氧化碳納米管(OCNTs。另一方面,CCG片層也能帶來(lái)負(fù)電荷,這是由于它的多余的羧基基團(tuán)的原因。因此可以預(yù)料,分散有CCG和PANI-NFs的復(fù)合材料也可通過(guò)相似過(guò)程來(lái)制備。然而,CCG片層與OCNTs有很大的不同,主要體現(xiàn)在兩方面:首先,CCG片層有很多羧基基團(tuán)由于靜電作用處在它們的邊緣;第二,在pH值為2.6時(shí),OCNTs和PANI-NFs都能夠在水溶液中穩(wěn)定的分散。但是,CCG片層只能在弱堿性中間物(pH=10穩(wěn)定的分散?；旌螩CG和當(dāng)前制備的酸性PANI-NFs的分散物(pH分別為10和2.6可以形成有著高的鹽濃度的混合物。當(dāng)CCG、(PANI-NFs+CCG的重量比rG高于3%時(shí),這種混合物并不穩(wěn)定,并且在幾天之內(nèi)就能發(fā)生沉淀。此外,對(duì)于一種組分選擇一個(gè)合適的pH值,可以引起另一種組分發(fā)生聚集。尤其是,CCG的聚集是高度不可逆的。為了解決這種問(wèn)題,我們通過(guò)對(duì)PANI-NFs進(jìn)行24小時(shí)透析,除去過(guò)量的離子來(lái)凈化PANI-NFs,然后與CCG膠質(zhì)立刻混合來(lái)避免聚集(看方法部分。圖1.(a穩(wěn)定分散在氨水中rG為30%的G-PNF復(fù)合材料(pH=9(左和在相同媒介中老化兩周后沉淀出的純PAN-NFs(右,(bG-PNF復(fù)合材料和純PANI-NFs(插圖的Tem圖像通過(guò)超聲處理來(lái)混合凈化的PANI-NFs分散物與可控?cái)?shù)量的CCG膠質(zhì)(pH=10,可以得到pH值約為9的深藍(lán)色混合物。出人意料的是,當(dāng)它的rG高于20%時(shí)混合分散物相當(dāng)穩(wěn)定,僅以小部分復(fù)合材料(重量<5%preticipated重量比的范圍是20-40%。復(fù)合分散材料如此穩(wěn)定以至于很少沉淀物在一個(gè)多月后或者是在1500轉(zhuǎn)/分速度下離心10分鐘被發(fā)現(xiàn)(圖1a,左。作為對(duì)比,我們?cè)诎比芤褐姓{(diào)節(jié)凈化的PANI-NFs分散物的pH值為9,兩周后,大部分PANI-NFs沉淀出來(lái)(圖1a,右。圖1b顯示的是典型的G-PNF復(fù)合材料和PANI-NFs的透射電鏡圖像(TEM。正如圖1b的插圖看到的,PANI-NFs的平均直徑大約為120nm,長(zhǎng)度為0.5-3μm,這些數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)報(bào)道的一致。在這種G-PNF復(fù)合材料中,PANI-NFs處在CCG層之間(圖1b。我們知道,在堿性媒介中,PANI-NFs處在中性狀態(tài),而CCG片層處在負(fù)電荷狀態(tài)。結(jié)果,CCG/PANI-NFs納米復(fù)合材料也帶來(lái)了負(fù)電荷,由于靜電排斥作用,它們能夠形成穩(wěn)定的分散物。我們應(yīng)該注意到,我們?cè)趶?fù)合材料的透射電鏡圖像中也發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)裸露的PANI-NFs;然而,它們通常經(jīng)過(guò)老化或者經(jīng)過(guò)離心處理后就發(fā)生沉淀。圖2.柔性G-PNF薄膜的數(shù)字照片通過(guò)多孔聚四氟乙烯(PTFE膜過(guò)濾混合分散液,能夠成功制備G-PNF復(fù)合薄膜。經(jīng)過(guò)HCl水溶液(0.1mol/L處理后,薄膜中的PANI組分可以去摻雜。因此,G-PNF薄膜的顏色會(huì)從深藍(lán)色變?yōu)樯罹G色。我們發(fā)現(xiàn),這些包膜的機(jī)械性能是由混合分散液(rG中CCG的含量決定的。如果rG太低(如20%,制備的復(fù)合薄膜易碎。當(dāng)rG增加到30%時(shí),就能得到高質(zhì)量柔性薄膜(圖2。當(dāng)rG高于40%,復(fù)合薄膜在干燥后會(huì)發(fā)生收縮,原因可能是CCG片層的局部聚集。因此,我們選擇rG為30%(G-PNF的復(fù)合薄膜用于以后的研究。通過(guò)元素分析,我們決定G-PNF中CCG的含量為44%(支撐信息表S1和S2,高于之前的rG(30%。這主要是因?yàn)榛旌戏稚⒁涸谟妹藁ㄟ^(guò)濾的過(guò)程中,損失了一部分PANI-NFs。圖3.用真空過(guò)濾得到的G-PNF30(a,b、純CCG(c和PANI-NF(d薄膜的橫截面的SEM圖像。G-PNF薄膜的橫截面掃描電鏡圖像(SEM,圖3a顯示出有一個(gè)層狀結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)可能是由在過(guò)濾時(shí)石墨烯片層的流動(dòng)組裝效應(yīng)。放大的SEM圖像(圖3b顯示出PANI-NFs夾在CCG層之間。CCG層之間的空隙范圍處在10-200nm之間。與在同樣條件下制備得到的致密的石墨烯相比,G-PNF薄膜的形貌賦予了它額更大的比表面積(圖3c。過(guò)濾PANI-NFs分散液也能得到多孔薄膜(圖3d。然而,這種薄膜的機(jī)械性能不好,它經(jīng)常會(huì)干燥后破碎成小片。因此,G-PNG薄膜比純石墨烯或者PANI-NFs薄膜在在組裝超級(jí)電容器方面有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。首先,G-PNF薄膜自身長(zhǎng)期性能和高柔順性提供了利用方便的機(jī)械技術(shù)塑造材料為預(yù)期得到的結(jié)構(gòu)的可能性。其次,G-PNF有高電導(dǎo)率5.5×102S/m,大約高出純PANI-NFs(50S/m10倍。第三,這種復(fù)合薄膜可直接用于組裝超級(jí)電容器裝置,并不需要絕緣的粘合劑和低電容傳到添加劑。另外,G-PNF是柔性薄膜,在組裝柔性電子裝置中起著不可替代的作用,例如,可卷起的顯示器、電子紙和智能布料。圖4.G-PNF、PANI-NF和CCG薄膜超級(jí)電容器的循環(huán)伏安曲線(a,掃描速率為5mV/s和充放電曲線(b,充放電電流密度為0.3A/gG-PNF組裝的超級(jí)電容器的性能通過(guò)在兩電極體系用循環(huán)伏安(CV和恒流充放電來(lái)測(cè)試。圖4a表示的是G-PNF薄膜的CV圖和與它相比較的相同重量的CCG或PANI-NF薄膜的CV圖。在G-PNF和PANI-NF薄膜的CV圖中都顯示出了兩對(duì)氧化還原峰,這是由于PANI氧化還原的原因,分別對(duì)應(yīng)于它的還原態(tài)聚苯胺/翠綠亞胺和翠綠亞胺/聚對(duì)苯亞胺結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。這兩個(gè)CV圖都有大的矩形面積,表明這兩種超級(jí)電容器都有大的雙電層電容。相比之下,CCG薄膜的CV圖顯示出了更小的矩形面積,主要是因?yàn)樗闹旅艿男蚊埠碗娀钚越M分PANI的缺少。圖4b顯示的是在0.3A/g的電流密度下,超級(jí)電容器的恒流充放電曲線。所有的超級(jí)電容器的電化學(xué)測(cè)試都是在兩電極體系下進(jìn)行的,這能更精確地測(cè)試它們的性能。CCG薄膜組裝的超級(jí)電容器顯示出三角形的充放電曲線,意味著它的電容主要是由純雙電層電容(EDL貢獻(xiàn)的。但是,G-PNF薄膜組裝的超級(jí)電容器的放電曲線顯示了兩個(gè)電壓階段,分別在0.8-0.45V和0.45-0V。在前一個(gè)階段相對(duì)較短的放電持續(xù)時(shí)間的由于是EDL電容的原因,不過(guò)后一個(gè)更長(zhǎng)放電時(shí)間階段是因?yàn)镋DL和PANI-NF法拉第電容組分共同作用的結(jié)果。PANI-NF薄膜超級(jí)電容器的放電曲線與G-PNF薄膜放電曲線相似,然而它的IR降比G-PNF超級(jí)電容器更大。這種結(jié)果反映出PANI-NF超級(jí)電容器的內(nèi)阻比G-PNF超級(jí)電容器內(nèi)阻更大。儲(chǔ)能裝置低內(nèi)阻有很重要的作用,因?yàn)樵诔浞烹娺^(guò)程中,更少的能量會(huì)被浪費(fèi)在生產(chǎn)不必要的熱量。因此,G-PNF薄膜比PANI-NF薄膜更適合組裝安全的節(jié)能的超級(jí)電容器。表1G-PNF、PANI-NF和CCG薄膜的BET-SSA、重量密度(ρ、重量電容(Cm與容積電容(Cv(id=0.3A/gG-PNF、PANI-NF和CCg薄膜的比電容從充放電曲線計(jì)算出的值在表1中列出。從表1中可以非常清楚的知道,G-PNF和PANI-NF薄膜的比電容比CCG薄膜的更大。G-PNF膜的重量比電容(210F/g比PANI-NF和CCG薄膜的比電容的平均值(214×0.56+57×0.44=145F/g要高,表明這兩種組分的共同效應(yīng)。這種效應(yīng)主要是由于下面兩個(gè)因素。首先,CCG中混合了的PANI-NF,形成擁有高比表面積的多孔結(jié)構(gòu),大大改善了復(fù)合薄膜的雙電層電容。Brunauer-Emmett-Teller比表面積測(cè)試(BET-SSA,表1顯示G-PNF的比表面積比CCG膜的高。其次,復(fù)合薄膜中PANI-NF的贗電容通過(guò)高導(dǎo)電的CCG組分得到了提高,CCG組分有助于PANI組分的氧化還原反應(yīng)。處于還原態(tài)聚苯胺或者聚對(duì)苯亞胺形式的PANI是絕緣體,因此,PANI-NF薄膜超級(jí)電容器當(dāng)充分充放電時(shí)有較大的內(nèi)阻。然而,在G-PNF薄膜中,CCG組分的電導(dǎo)率高達(dá)4.0×103S/m。因此它形成了一個(gè)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),能夠促進(jìn)PANI的氧化還原活動(dòng)。另外,G-PNF薄膜與PANI-NF薄膜相比擁有更高的容積電容,這是由于他的更致密的結(jié)構(gòu),顯示出了對(duì)于小批量高電容裝置的潛在應(yīng)用的明顯的優(yōu)點(diǎn)。圖5.(a不同放電電流密度下的比電容圖像,(bG-PNF和PANI-NF薄膜的Ragone圖像G-PNF薄膜的速率性能與PANI-NF薄膜相比,可以通過(guò)不同電流密度(id下的充放電來(lái)測(cè)試(圖5a。當(dāng)電流密度從0.3增大到3A/g時(shí),G-PNF薄膜的電容保持在初始電容的94%(197F/g,而PANI-NF損失了14%的電容。這可能是因?yàn)镚-PNF薄膜的高電導(dǎo)率在充放電過(guò)程中促進(jìn)了電荷轉(zhuǎn)移。然而,當(dāng)id增大到6A/g時(shí),G-PNF薄膜的比電容比PANI-NF薄膜稍微低些。這種情況,這兩種薄膜主要是受到了支撐電解質(zhì)擴(kuò)散的限制。結(jié)果是,G-PNF的更小的比表面積使得它在這種放電速率下,電容下降更加明顯。從圖5b我們也清楚看到在id在0.6-6A/g時(shí),G-PNF薄膜比PANI-NF薄膜也有較大的比能量和比功率。圖6.G-PNF和PANI-NF的Nyquist圖,插圖表示放大的高頻區(qū)圖6表示的是G-PNF和PANI-NF薄膜的Nyquist曲線。這些曲線并沒(méi)有顯示半圓區(qū),可能由于這些薄膜的低法拉第電阻。PANI-NF薄膜圖像的45°區(qū)域較短(50-10Hz,圖7插圖,表明是一個(gè)典型的Warburg阻抗。可是G-PNF薄膜圖像的45°區(qū)域很長(zhǎng)(1kHz到0.3Hz。這種結(jié)果與“傳輸線”行為一致,表明G-PNF薄膜擁有多孔結(jié)構(gòu),已從SEM(圖3b圖像得到了確認(rèn)。CO膜(特別是PANI的電容再長(zhǎng)時(shí)間充放電循環(huán)中不穩(wěn)定性是它們最致命的缺陷之一。如圖7所示,純PANI-NF的電容在電流密度為3A/g時(shí),800次充放電循環(huán)后降低了29%(從187到133F/g?？墒窃谙嗤瑮l件下,G-PNF薄膜的比電容僅僅降低了21%(從198到155F/g。G-PNF薄膜的更優(yōu)良的電化學(xué)穩(wěn)定