新型电力系统源网设备典型外部灾害防治挑战与展望

随着“双碳”目标的提出,构建风光新能源迅速发展的新型电力系统成为国家战略。目前,新型电力系统受覆冰、山火、雷击等外部灾害影响严重,新型电力系统外部灾害防治技术研究迫在眉睫。本文分析了几种典型新型电力系统外部灾害风险,探讨了特高压地线覆冰、特高压输电线路附近山火、配网雷击、风机覆冰与雷击、光伏防灾以及储能电池火灾几类新型电力系统外部灾害问题及相应灾害防治技术研究现状,展望了新型电力系统外部灾害防治技术未来发展趋势,以期为新型电力系统外部灾害防治提供研究思路。

融冰风机叶片的接闪特性试验

风力发电机常遭受雷击、覆冰等灾害,严重影响风机正常运行。在叶片上加装电热融冰装置可有效去除叶片覆冰,但对叶片雷击概率以及原有防雷配置(接闪器加引下线)可靠性的影响尚不清晰。为研究融冰装置对叶片接闪特性的影响机理,设计了1:30缩比可旋转的3 MW融冰风机叶片开展长间隙雷击放电试验。试验结果表明雷电先导在叶片迎风面发展时,融冰叶片相比普通叶片更易发生接闪器失效、雷击融冰装置及叶身交界处的现象,最严重情况下接闪器保护效率仅为55%。搭建了融冰叶片电场分布模型,发现融冰装置改变了叶片表面原有电场分布,融冰装置与叶身交界处的电场畸变,更易产生电晕。同时叶片旋转使周围的正电荷以弧形分布,加速了融冰装置上方稳定先导的形成,使其更易遭受雷击,应当加强融冰装置处的雷击防护。所得结果为加强叶片雷击防护与融冰防护的深度结合提供了参考。

并联磁阀三相六柱式磁阀式可控电抗器磁损特性

分析磁阀式可控电抗器(MCR)的主要工作原理,介绍三相六柱三维式MCR的铁心结构和MCR铁心损耗的主要来源.从磁通密度的角度出发,将三维式铁心结构和传统平面式铁心结构进行对比,分析铁心中的磁路分布,介绍三维结构铁心减少损耗的主要机理.三相三维铁心结构的MCR采用并联式磁阀,利用磁阻材料和硅钢片混合堆叠,可以缓解由于磁阀处铁心饱和而产生的边缘效应,降低磁阀处的漏磁,进而减小磁阀边缘处的涡流损耗.使用Ansoft电磁场仿真软件对平面和三维2种类型的MCR进行磁场分析,研究铁心磁轭和磁阀中的磁通密度曲线,对比并联磁阀和传统磁阀表面位置的磁通密度分布.仿真结果表明:三相六柱和并联磁阀结构可以使磁通分布得到优化,进而有效减小MCR的铁心损耗.所采用的磁损特性研究方法同样适用于其他类型的可控电抗器.

GIS隔离开关操作过程中管壳空间暂态电磁辐射计算

随着电力系统的不断发展,越来越多的电子设备引入到变电站中,而气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear,GIS)中的隔离开关操作往往作会造成空间暂态电磁辐射,分析隔离开关操作过程中GIS管壳周围空间电磁场分布对安装在管壳周围的电子设备的电磁兼容设计有着非常重要的参考意义。建立了GIS管壳的电路和电磁辐射模型,计算得到了GIS隔离开关操作过程中管壳接地电流引起的空间暂态电磁场。结果表明:管壳周围电磁场时域波形跟随管壳电流变化;管壳附近的空间电磁场随着与管壳之间距离增加而剧烈衰减,在离管壳较远的位置,电场呈线性衰减,磁场呈指数衰减;随着接地点个数增加,暂态对地过电压的幅值显著降低,且离套管位置较远处电磁场幅值有所减小。对GIS管壳附近的空间电磁场进行了测量,计算结果与现场实测数据基本相符。

VFTO作用下电子式电流互感器二次端口电磁特性仿真分析

电子式电流互感器凭借绝缘简单、体积小、重量轻、动态范围宽、无磁饱和等优良特性在变电站中得到了广泛应用。随着变电站电压等级的不断提高,开关操作过电压,尤其是隔离开关特快速暂态过电压(VFTO)对变电站电子式互感器的电磁干扰问题得到了越来越多的关注。分析了高压变电站VFTO产生和传播的物理过程,建立了电子式电流互感器罗氏线圈的高频暂态模型,得到了VFTO作用下罗氏线圈端口的信号波形。通过对比集中参数、分布参数以及实测的信号波形,证明分布参数模型可更好地反映罗氏线圈在VFTO作用下的高频特性。

基于分段电弧模型的多次重燃弧VFTO计算与分析

精确的隔离开关电弧模型对变电站特快速暂态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO)的仿真有着关键性的作用。文中对开关电弧的电阻模型进行了优化,建立了电弧的分段模型。同时,笔者从间隙击穿,高频电弧熄弧对电弧重击穿的影响等方面进行了讨论,并以此为判据,建立了可以反映VFTO多次重燃过程的计算流程。根据实际测试线路,在ATP仿真软件中搭建了仿真电路并进行了暂态仿真。仿真结果表明,相对于单次燃弧的传统电弧模型,基于分段电阻的多次重燃弧模型可以更好地模拟实际开关特性。在此基础之上,文中对重燃弧过程中各个关键位置的VFTO波形以及流过隔离开关的电流波形进行了计算与分析。

GIS变电站开关操作过程中架空线产生的暂态电磁场计算

随着电力系统的快速发展,气体绝缘变电站(GIS)广泛应用于高压电力系统中。GIS变电站中的开关操作会产生强烈的瞬态空间电磁场,进而威胁到变电站中电子设备的电磁兼容性(EMC)。文中计算了GIS变电站中架空线路在开关过程中产生的空间电磁场。利用数值拟合法得到了开关操作过程中的快速暂态过电流,采用时域有限差分法(FDTD)计算了架空线路产生的暂态空间电磁场,未对接地管壳和绝缘套管等电力设备建模;分析了空间暂态电磁场随距离、时间、频率变化的情况,计算结果可为GIS变电站的电磁兼容设计提供参考。

防雷防冰闪合成绝缘子自适应电场分布仿真分析

本文提出一种具有防雷功能的防冰闪合成绝缘子,利用ANSYS有限元分析软件对其在清洁和覆冰2种情况下的电位和场强分布进行分析。计算结果表明在清洁环境下,绝大部分压降由绝缘子绝缘段承担,避雷段承受的电压很低,氧化锌老化过程大为减弱;而在覆冰环境下,受冰层电阻影响,绝缘段和避雷段承担的压降几乎相等,电位分布能够自适应地改变,保证了绝缘子的抗冰闪能力。

风机叶片金属网防护下的雷击损伤特性研究

风机叶片雷击损坏是风电系统实际运行中面临的难题,可采用金属网作为叶片雷电防护补充方法,但叶片敷设金属网后高幅值雷电流接闪过程及损伤机制尚不清晰。为研究风机叶片金属网防雷方法下雷击大电流接闪及叶身复合材料雷击损伤特性,搭建真型风机叶片雷击大电流闪络试验平台,通过先导附着试验,确定风机叶片潜在雷击位置,同步观测雷电引入点的直接损伤效应。试验结果表明,雷击转移电荷量和引下线通流能力是叶片是否产生雷击损伤的重要影响因素,叶尖与叶身之间的压接板有结构撕裂风险,应当优化金属网泄流通道和压接板的型式设计,提高叶片雷击大电流耐受可靠性。研究结果揭示了金属网防雷方法下风机叶片先导附着特性和雷击大电流损伤特征,指导防雷优化设计。

具有防雷功能的500 kV线路绝缘子优化设计及防雷防冰闪试验分析

安装线路避雷器是一种有效的线路防雷手段,但目前带间隙和不带间隙的氧化锌避雷器都存在各自的缺点,且安装维护难度大。为此提出了一种穿心结构带环形电阻片的氧化锌避雷器,并与带均压环的绝缘子串联,形成一种新型500 k V防雷防冰闪复合绝缘子。提出了总长度<5 m的绝缘子结构参数并进行了绝缘配合与电场仿真分析,仿真结果表明:正常工况下绝缘子表面电场最大场强为300 k V/m;在覆冰厚度为10 mm且冰凌长度达10 cm时,绝缘子表面最大场强为350 k V/m,均小于空气起晕与击穿场强。对500 k V防冰防雷绝缘子进行了工频湿耐受,操作冲击耐受与雷电冲击闪络试验,试验结果验证了防雷防冰闪绝缘子的有效性,为重冰多雷区域的输电线路保护提供了参考。

暂态时变负荷下避雷器热散逸模型

由于Zn O电阻片的阻抗在实际承受暂态负荷时具有明显的非线性,因此热散逸模型中必须考虑这一阻抗动态特性。基于ZnO电阻片非线性电热特性,建立暂态时变负荷下无间隙金属氧化物避雷器热散逸模型。首先研究ZnO电阻片在不同负荷与温度下阻抗特性变化规律,建立ZnO电阻片阻抗特性数学模型,然后将此数学模型代入热散逸计算模块,在暂态计算中不断将结果反代更新数学模型,实时根据即时温度结果调整模型阻抗参数。实验数据验证:暂态时变负荷避雷器热散逸模型计算结果能与实际较相符,在散热时间较长、散热时承担持续运行电压的情况下,考虑ZnO电阻片阻抗动态特性后避雷器温度曲线更精确。

重覆冰条件下防冰防雷绝缘子电场仿真与伞裙优化

为研究防冰防雷绝缘子在重覆冰条件下的电场分布特性,进而优化防冰防雷绝缘子的伞裙结构,缓解其在覆冰状态下的电场畸变,建立了220 k V防冰防雷绝缘子的有限元仿真模型,计算得到了不同伞裙结构的绝缘子在清洁和覆冰条件下的电场分布,根据仿真结果对伞裙结构进行了优化,并对比了伞裙优化前后防冰防雷绝缘子的电场分布特性。结果表明:清洁状态下,伞裙结构对绝缘子电场分布影响很小;覆冰状态下,超大伞裙数目为5时可以更加有效地缓解重度覆冰对空间电场产生的畸变。优化后的伞裙结构可以使绝缘子在覆冰条件下的空间电场畸变有所缓解,起到提高冰闪电压的作用。

覆冰状态下防雷绝缘子电位分布与提高电场均匀性措施

具有防雷功能的500kV绝缘子能有效地应对输电线路雷击和覆冰等自然灾害。在覆冰条件下,基于间隙击穿法研究了500kV绝缘子防雷段的电位分布,并利用有限元软件对其进行仿真建模,试验结果与仿真结果一致。为进一步均匀500kV复合绝缘子的电场分布,提出在绝缘段增加环形电阻的新型500kV防冰防雷复合绝缘子结构,提高了防雷段电压比例,整体电场分布更均匀,降低了局部最大场强,在工频闪络电压不变的前提下可实现整体结构进一步缩短,以适应不同窗口尺寸。以最大场强和防雷段电压比例作为结构优化判据,研究结果表明:当绝缘段环形电阻直径为60 mm时,500kV防雷绝缘子的整体电场分布能极大改善,在覆冰情况下最大场强降低了39.2%,大幅降低了在覆冰等极端自然条件下发生闪络的风险。

配电网触电事故预防与快速精准保护关键技术及装备

针对10 kV-400 V配电网触电伤亡事故频发难题,从10 kV雷击断线人身触电、施工和钓鱼等引发的10 kV意外触电、低压400 V触电等三个方面开展了防人身触电研究,发明了10 kV防雷击断线绝缘子,大幅降低雷击跳闸率的同时,有效防止了10 kV雷击断线引发的人身触电伤亡;研制10 kV触电接地故障转移防触电装置,大幅降低意外触碰10 kV高压导线引发的人身触电伤亡风险;发明人体触电波形精准识别的400 V剩余电流保护装置,降低了400 V人身触电伤亡事故。10 kV-400 V配电网防人身触电系列技术与装备已在湖南、江西等十余省份推广应用,应用区域人身触电事故得到有效遏制。

覆冰情况下10kV带间隙氧化锌避雷器工频续流特性研究

搭建了"工频—冲击"联合加压试验平台,模拟外间隙避雷器在交流运行条件下遭受雷击的工况,对盘型和针型两种结构的10kV带间隙避雷器进行了试验研究,获得了不同覆冰程度下的避雷器工频续流闪络特性。试验结果表明在"工频—冲击"联合加压作用下,冲击电弧沿避雷器间隙击穿;在清洁条件下,工频续流电流可以忽略不计,随着覆冰厚度的不断上升,工频续流幅值与持续时间不断增加,且续流电流主要沿续流电弧与避雷器表面流过试品;在30 mm厚度的重度覆冰条件下,两种试品均可以在工频电流过零时有效熄灭续流电弧。

冲击电流下氧化锌避雷器多物理场有限元分析

金属氧化物避雷器由于其优异电气特性,在电力系统中广泛应用。但实际使用过程中,多片ZnO阀片串联组装成的整支避雷器通流能力低于单片ZnO阀片,导致线路保护与设备绝缘的能力降低。大电流作用下的整只避雷器不仅仅受到电流的作用,也会因电流导致避雷器的热变与力变,为了进一步分析金属氧化物避雷器在大电流作用下的情况,在COMSOL有限元分析软件中对避雷器进行了电-热-力多物理场耦合仿真,分析了整支10 kV避雷器在承受峰值100 kA大电流冲击作用下内部电、热、力分布情况。仿真结果表明上下端金具与ZnO阀片交界处场强达5.27 kV/cm;阀片中心温度90℃,边缘温度160℃;使用填充胶使外套最大拉应力由9.34 MPa降至0.8 MPa,降幅明显。试验结果表明,使用填充胶使整支避雷器通过100 kA大电流冲击前后参考电压变化未超过3%。

探究两步烧结工艺下微米级粉料的氧化锌电阻片的微观结构及电性能

笔者以微米级粉体为原料,采用两步烧结法制备氧化锌电阻片,系统地研究了各烧结条件下氧化锌电阻片的微观结构,致密化程度,基本电性能和介电性能,包括阻抗谱和介电损耗谱。结果表明,两步烧结能有效地减小晶粒尺寸,使晶粒分布均匀,增强致密化。在合适的两步烧结曲线下,其样品的电压梯度为402.26 V/mm,漏电流为0.98μA/cm2,非线性系数为60.88。两步烧结样品在低温下介电损耗的两个驰豫峰对应的活化能为0.22~0.24 eV和0.34~0.37 eV,传统烧结样品对应的活化能为0.24 eV和0.32 eV,二者均认为分别由电阻片内部的本征缺陷,锌间隙和氧空位引起的。