断路器碳陶瓷合闸电阻能量耐受及失效特性

合闸电阻在大能量注入下的热电耐受及性能稳定是超/特高压交流系统断路器安全稳定运行的关键因素。为此通过开展合闸电阻模拟能量注入实验,并建立碳陶瓷复合材料微观结构热电耦合仿真模型,研究碳陶瓷电阻在不同强度能量注入下的材料温升、动态导电、性能劣化及结构破坏行为,分析碳陶瓷合闸电阻的能量耐受及失效机理。研究发现,碳陶瓷电阻具有随温度变化的动态导电特性,导通电阻及恢复电阻随能量注入强度的增加而减小;在大能量注入下,碳陶瓷电阻劣化及损伤模式包含恢复电阻下降、侧面绝缘击穿及电阻体碎裂。根据大能量注入下电阻内部多物理场分布仿真结果,结合碳陶瓷复合材料微观结构观察及电接触导电机制分析,揭示来源于碳陶瓷电阻内部电流密度、温度及热应力不均匀分布的性能劣化及结构破坏电热正反馈物理机制。

基于双温度磁流体电弧仿真改进Mayr电弧模型的特快速暂态过电压仿真方法

特快速暂态过电压(VFTO)仿真研究中,传统电弧黑盒模型因电弧时间常数和散热功率常取经验值会引起VFTO计算结果出现较大误差。对此,该文提出了一种基于双温度磁流体电弧仿真的改进Mayr电弧模型建立方法。首先,建立了双温度磁流体电弧模型,并通过该仿真研究了上述关键参数与电弧电导的关系,建立了改进Mayr电弧模型;其次,搭建了VFTO仿真模型,采用改进Mayr电弧模型和多种传统电弧数学模型计算了特高压GIS隔离开关切合空载短母线过程的VFTO波形;最后,对比分析了各电弧模型的仿真结果与实测结果波形特征的相对误差。结果表明,改进Mayr电弧模型的VFTO仿真结果与实测结果的相对误差较小,计算准确度较高。

特高压GIS隔离开关切合短母线过程中对地二次击穿机理仿真研究

近年来,在特高压气体绝缘开关设备(GIS)的操作过程中发现,隔离开关在切合短母线时会在断口间产生流注分叉对地二次击穿现象。传统有限元-通量修正(FEM-FCT)方法和粒子网格-蒙特卡罗(PIC-MCC)方法在仿真此类长距离气体流注放电分叉现象时,会因高昂的计算成本而难以应用。针对这一问题,该文提出了一种基于相场法的流注放电仿真方法,实现了双阳极流注放电过程中流注分叉现象的模拟,仿真结果与PIC-MCC方法对比证明了该方法的合理性。最后,采用该方法对特高压GIS隔离开关切合短母线过程中的流注分叉现象及其引起的二次击穿现象进了模拟,结果表明,屏蔽罩的屏蔽区域与二次击穿现象有直接关系,减小第一次击穿时的触头间距以及增大屏蔽罩的屏蔽区域,均可以有效地抑制隔离开关对地二次击穿现象。

交变载荷下绝缘拉杆用GFRP电树枝劣化特性

气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)现场调试或运行过程多次发生绝缘拉杆内部击穿问题,影响工程投运与设备可靠性,迫切需要探明故障机理。该文选取GIS断路器绝缘拉杆用玻璃纤维增强环氧树脂复合材料(glass fiber reinforced epoxy resin composite,GFRP)为研究对象,通过计算分、合闸下绝缘拉杆主应力分布特性,设置交变载荷下电树枝劣化实验条件,研究不同交变载荷对GFRP内电树枝生长特性影响规律。结果表明,相较于单一载荷,交变载荷条件下GFRP中电树枝生长速度加快,平均击穿时间降低,击穿概率增大。基于复合材料力学仿真发现交变载荷下GFRP内树脂-纤维界面处会出现较大的应力集中,局部应力损伤已达到失效的临界值。综上,交变载荷下绝缘拉杆纤维-树脂界面机械损伤与绝缘劣化交互演进是造成绝缘击穿的主要原因,也可作为试验考核与结构设计的改进依据。

测试条件对断路器喷口材料性能测试的影响研究

断路器喷口是重要的动作绝缘部件,对断路器开断有决定性影响。为加强喷口的质量管控,对喷口材料性能的测试条件进行研究。对比不同试样尺寸、不同拉伸速率下喷口材料试样拉伸性能的测试结果,发现采用较小的试样、较快的拉伸速率时测得的试样拉伸强度分散性更小;对比不同升压方式下喷口材料试样电气强度的测试结果,发现选取20 s逐级升压方式测得的试样电气强度分散性更小。根据试验结果选取了较为合理的喷口材料机械强度、电气强度测试条件。

特高压气体绝缘金属封闭开关设备用盆式绝缘子的质量控制

为改进特高压气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）的盆式绝缘子,在充分考虑生产、运输、运行过程中绝缘子的各种工况及兼顾产品技术水平、综合性能和工艺稳定性考核的情况下,从型式试验、材料试验、工艺控制和出厂检测等方面开展研究,提出了相应的质量控制措施。大量抽样试验结果表明,满足所提型式试验要求的绝缘子的水压破坏平均值在3.1~3.8 MPa之间,远高于标准要求的2.4 MPa;其标准偏差在0.32~0.65 MPa之间,因此提出的措施有效提高了特高压盆式绝缘子的质量稳定性。

提高特高压串补用旁路隔离开关转换电流开合能力的方法

提出一种提高隔离开关转换电流开合能力的方法,通过在主导电回路中加装并联辅助回路,使得转换电流的开合由并联辅助回路中的真空断路器进行,可大幅提高隔离开关的转换电流开合能力,满足特高压串补用旁路隔离开关的需要。该方法使得电弧密封在真空灭弧室内部,完全消除了电弧对外部设备产生的影响。基于该研究成果研制的特高压旁路隔离开关已通过型式试验验证,并成功应用于特高压工程。

苏通综合管廊工程特高压GIL绝缘关键技术

气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)已广泛应用在极端环境和紧凑条件下的电力输送,GIL绝缘可靠性关系到系统运行安全稳定,是其规模化应用的基础和关键。特高压苏–通穿江输电采用GIL管廊输电方式,其距离长、电压高,绝缘结构典型,材料特性复杂,运行工况特殊,研发之初无可以借鉴的经验。针对特高压苏–通GIL综合管廊工程,研究掌握了GIL绝缘子用环氧复合材料电、热、力性能及其随温度的变化规律,结合固化动力学–热–力耦合仿真分析了材料工艺流程,开发了释缓界面应力、屏蔽界面缺陷的半导电界面材料,提出了材料关键性能控制指标;基于多物理场耦合仿真与复杂曲面优化设计方法,优化设计了特高压GIL盆式绝缘子结构,发明了哑铃型三支柱绝缘子,提出了苏–通GIL综合管廊基础单元绝缘子和载流结构配置方案;总结详述了GIL真型绝缘子的放电特性。通过研究解决了特高压交流GIL输电中的关键绝缘问题,掌握了特高压交流GIL的核心技术,为先进GIL输电装备自主研发提供了重要依据,为保障华东特高压交流环网可靠运行提供了有力技术支撑。

特高压交流输变电装备最新技术发展

特高压工程大规模建设,核心装备是关键。为促进特高压交流输电技术的进一步发展,对特高压交流变压器、气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)、串联补偿装置和避雷器等关键装备的最新技术发展进行了总结和展望。结果表明:特高压变压器应选择局部放电概率为1‰时的电场强度允许值作为许用场强;采用器身端部磁屏蔽、油箱电屏蔽、油箱磁屏蔽、采用不导磁钢板等漏磁控制措施可有效降低1 500 MVA大容量特高压变压器的漏磁和温升;特高压断路器的开断能力可达63 k A,采用基于"三回路法"的合成试验回路可突破试验设备限制,完成1 100 k V断路器开断试验;明确了通过在"立式"隔离开关静触头侧安装阻尼电阻来限制VFTO的幅值和频率;提出了从持续运行电压的角度出发,特高压避雷器的额定电压降低到780 k V是安全的。未来特高压交流输变电装备应在高可靠性、大容量、新工作原理和性能参数优化等方面进行深入研究。

1100kV气体绝缘开关设备用盆式绝缘子中心嵌件结构设计

为改善1 100 k V GIS用盆式绝缘子的机械性能,在现有盆式绝缘子中心嵌件结构(结构A)的基础上,重新设计了B、C 2种结构,对其进行了界面力学仿真和水压试验;并仿真计算、分析了其绝缘性能。结果表明,B、C 2种结构均能显著提高盆式绝缘子水压破坏强度值、减小分散性。但结构C的绝缘裕度较低,个别三交区位置的电场强度已经超出了许用值。因此,综合考虑机械和电气性能,宜优先采用结构B的盆式绝缘子。

1100kV盆式绝缘子改善机械强度的研究

1 100 kV盆式绝缘子是特高压GIS的关键部件,但制造难度较大,目前国内试制的盆式绝缘子机械强度略差,水压破坏值较低,成为制约其工程应用的瓶颈问题。在确保电、热性能的前提下,就如何改善盆式绝缘子的机械强度开展了研究。首先,尝试了环氧界面剂和导电橡胶两种嵌件处理工艺,通过改善中心嵌件与环氧树脂界面的接触效果改良了盆式绝缘子的机械强度;其次,设计了两种新的嵌件结构,得到了强度高、一致性好、接近国际领先水平的水压破坏结果。改进后的盆式绝缘子满足了技术规范要求,经严格考核后已应用于皖电东送工程,标志着中国已经具备了制造1 100 kV盆式绝缘子的能力。

检测GIS局部放电的小型化平面螺旋天线研究

为满足超高频检测法对天线小型化、宽频带的设计要求,设计了一种用于气体绝缘全封闭组合电器(GIS)局部放电检测的小型化平面螺旋天线。该天线是在传统阿基米德螺旋天线的基础上进行正弦波曲折化处理后,来达到小型化的目的。天线的测试结果显示在920 MHz^3 GHz频带范围内电压驻波比(VSWR)<2。天线结构简单,尺寸较小,口径为97 mm,剖面高度为51 mm;具有超宽带的特性,在工作频段内方向性良好,能够实现全向辐射。最后,在实验室搭建了测试平台,将天线和外置超高频传感器进行了局放测量效果的对比,结果表明,所设计的天线特性良好,可用于GIS局部放电检测。

微/纳米氧化铝填料对环氧树脂浇注体系性能的影响

采用微米、纳米和微纳共掺氧化铝作为填料制备了环氧树脂浇注体系,并测试其黏度和力学性能。结果表明:氧化铝粒径越小,对浇注体系的黏度影响越大,可添加量越少;当不同粒径的微米氧化铝添加量为300份时,各浇注体系的力学性能均达到最佳,但冲击强度比树脂基体明显下降;当纳米氧化铝的添加量为2.5份时,浇注体系的冲击强度相比树脂基体提升了10%;微纳共掺能够在单一组分(微米或纳米)基础上使浇注体系的力学性能进一步提高。

1100kV/63kA气体绝缘金属封闭开关设备的研制

1100kV气体绝缘金属封闭开关设备(gas-insulated metal-enclosed switchgear,GIS)是特高压电网中最重要的控制和保护设备,对确保特高压电网的安全稳定运行和可靠供电起着重要作用。特高压交流试验示范工程用1100kV/50 kAGIS设备已不能达到开断系统短路电流63kA的要求,为满足未来特高压电网建设需求必须研制出1100kV/63 kAGIS设备。分析并研究了国内外已有的特高压输电技术,从电网需求、仿真分析、结构设计、型式试验等多方面,系统论述了1 100 kV/63 kA GIS设备的研制全过程。从理论上计算并分析了GIS核心部件断路器,详细阐述了四断口和两断口断路器设计结构,并进行了仿真模拟验证。经过方案比选提出了1100kV/63kA断路器型式试验解决方案。最终,四断口和两断口设计的断路器均依照国家标准完成了型式试验。结果表明,1100kV/63 kA GIS设备的研制是完全可以实现的。

GIS盆式绝缘子气隙缺陷下电场变化规律仿真研究

为了研究气体绝缘组合电器(GIS)盆式绝缘子存在气隙缺陷时的电场变化规律,以800 kV GIS盆式绝缘子为研究对象,建立了三维仿真模型,基于有限元原理仿真计算了GIS盆式绝缘子内部分别含有气泡及缝隙等典型气隙缺陷时的电场分布,并分析了气泡位置及大小、缝隙分布方向及宽度对盆式绝缘子电场的影响规律。仿真结果表明:电场畸变主要出现在缺陷处,气泡表面最大场强比无气泡时增大50%左右,较高场强区气泡表面的场强能够引起气体电离;气泡半径对场强变化的影响不到6%;横向裂缝场强最大增大约1.78倍,远大于径向裂缝场强的变化;径向裂缝越宽,裂缝最大场强越大;横向裂缝越宽,场强畸变越小。

1100kV盆式绝缘子界面处理工艺及质量管控措施

1 100 k V盆式绝缘子是特高压GIS的关键部件,然而国内在设计、制造方面仍落后于国际领先水平,加快实现1 100 k V盆式绝缘子的国产化意义重大。在1 100 k V盆式绝缘子的研发过程中,机械强度偏低成为制约国产化应用的瓶颈,尝试了两种先进的界面处理工艺,结果表明采用导电橡胶工艺大幅提升了水压破坏值及其一致性,并通过了型式试验的考核。在产品批量化生产初期,产品合格率较低,存在较严重的外观质量缺陷,对此进行分析并制定了一系列切实可行的质量管控措施,成效显著,盆式绝缘子以高质量出厂并成功应用于"皖电东送"特高压输电工程。

基于改进EMD的GIS局部放电特高频信号降噪方法研究

特高频法检测GIS局部放电时往往受到不同类型的噪声干扰,天线采集到微弱的特高频信号容易被噪声淹没,导致局部放电检测不准确甚至检测系统在现场无法正常工作等问题。针对上述问题,提出一种基于改进EMD的GIS局部放电特高频信号降噪方法。该方法利用对偶树复小波(Dual-Tree Complex Wavelet Transform,DTCWT)对经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)降噪法进行改进并对GIS局部放电特高频信号进行降噪。利用EMD法将含噪信号分解为一系列的固有模态函数(IMF)分量,然后利用联合分布模型进行每个IMF分量的DT-CWT降噪的小波系数估计,对每个IMF分量进行降噪。最后将降噪后的IMF分量进行信号重构得到降噪后的信号。GIS局部放电特高频信号降噪试验结果表明了该方法达到很好的噪声与非噪声信号的分离效果,拥有较高信噪比,以及能够保持早期局部放电特高频信号特征。

典型内部缺陷下GIS盆式绝缘子有限元应力分析

受制作工艺及运行条件影响,GIS盆式绝缘子较易产生气泡、裂缝等典型内部缺陷。采用有限元法对252 k V盆式绝缘子内部存在气泡、裂缝时不同受力状态下的应力进行分析,并与正常情况下绝缘子的应力进行比较。结果表明:对绝缘子凹凸两面同时施加SF6气体压力时,绝缘子的应力最大;绝缘子存在内部缺陷时,应力变化集中在缺陷处;存在气泡时,气泡处应力变化具有波动性,且气泡位于不同位置,应力变化有所不同,气泡位于绝缘子中间部位时应力变化较大;存在裂缝时,裂缝中间部位应力变小,但裂缝两端出现应力奇异性,应力最大值达到正常情况下的9倍左右,且裂缝应力平均值变大。

1100 kV特高压交流变电站开关设备低温应对措施

随着特高压交流工程建设的不断开展,越来越多特高压变电站将建设在低温地区。由于特高压开关设备普遍采用SF_6气体绝缘,在低温地区使用会存在低温液化问题,降低设备运行稳定性,提升电网运行风险,需采取措施提高设备耐受低温能力。基于设备重要性的考虑,对于1 100 kV GIS,宜采用户内布置方式。对于户外使用的1 100 kV出线套管和分支母线可采用降低气压的方法降低气体液化温度。对于其他电压等级的GIS设备,可在设备外壳加装加热装置,按一定程序对设备气室加热,保证绝缘和灭弧介质SF_6的状态稳定。上述低温应对措施均通过了低温试验考核,试验结果将为后续低温特高压站的建设和运行提供指导。

145kV断路器开合电容器组电流试验研究

笔者研究了145 kV断路器开合电容器组电流试验的标准选用、试验方法、试验回路参数、试验要求等,并介绍了试验情况。研究成果的应用使得145 kV投切电容器组断路器的开合电容器组性能得到了型式试验考核,为工程的安全可靠运行提供了保障。