主变220kV断路器闪络保护动作原因分析

断路器的闪络保护动作是一种高压保护机制,闪络事故指的是在固体绝缘子周边的气体电介质被击穿时进行表面放电的现象。在主变220kV断路器发生闪络事故后,容易引起设备故障,对发电机的运行造成巨大破坏,因此闪络保护的设置十分重要。本文将结合闪络保护动作的原理和作用,对断路器闪络保护动作的原因进行分析,并对其预防和防控策略进行探索,为降低断路器端口闪络事故的发生概率提供理论参考。

复合绝缘子交流盐雾闪络的可见光判据研究

绝缘子闪络事故一旦发生,严重危害电网安全运行。为探索放电检测和电弧发展成闪络预警的新方法,采用图像处理技术研究复合绝缘子交流盐雾闪络过程中不同阶段的电弧演化特性,提出复合绝缘子表面放电和电弧发展成闪络的可见光判据。首先进行10 kV复合绝缘子交流盐雾闪络试验,拍摄黑暗背景和明亮背景下的电弧演化视频,接着分析并发现局部电弧发展阶段和临闪阶段的电弧熄灭重燃特征差异,最后提出用放电像素数作为可见光图像放电程度评估参数,并通过图像处理技术提取不同背景下各阶段电弧演化过程的放电像素数时间序列。结果表明,放电像素数能准确反映绝缘子表面放电状态,放电像素数时间序列与各阶段电弧熄灭重燃规律高度匹配,可将放电像素数不为0和放电像素数时间序列谷值不为0分别作为复合绝缘子表面放电和盐雾闪络的可见光判据。

高电压下多孔材料沿面闪络特性综合实验

针对电气设备复合绝缘在高电压下极易发生沿面闪络故障问题,提出利用多孔结构提升闪络强度的方法,并设计了多孔绝缘材料沿面闪络特性综合实验。利用油/水乳液法制备了多孔聚二甲基硅氧烷材料,通过观测微观形貌分析了材料的孔隙分布特性,实验测试了直流和交流电压下的沿面闪络强度,通过等温表面电位衰减、表面电荷扫描和闪络路径观测探讨了闪络强度提升机理,利用表面流注发展的流体仿真考察了孔隙对沿面放电的影响,揭示了多孔结构的抑制碰撞电离和促进表面电荷消散效应在提升闪络强度中的作用。该实验涉及电气、材料、物理及多物理场模拟,可有效提高学生的实验、仿真及理论分析等方面能力。

高重复频率猝发多脉冲加载下交联聚苯乙烯真空沿面闪络特性

基于高重复频率强流多脉冲加速器的应用需求,针对交联聚苯乙烯(XLPS)材料在猝发多脉冲下的真空沿面闪络特性开展了实验研究。采用放置于平板电极中的XLPS圆台样品,在脉宽120 ns的单个脉冲和间隔500 ns的三脉冲加载下开展了真空沿面闪络实验,通过对实验平台和实验规范的优化设计,有效提升了实验效率和数据有效性,观测到了样品发生真空沿面闪络前的试样电压顶降现象和前序脉冲闪络对后续脉冲的显著影响,获得了XLPS材料在相应条件下真空沿面闪络的统计数据。在实验基础上,对XLPS材料在高重复频率多脉冲加载下的真空沿面闪络特性进行了分析,为高重复频率多脉冲加速器的绝缘设计提供了实验依据。

基于多物理场耦合的盆式绝缘子低频沿面闪络特性研究

为研究低频输电下GIS(气体绝缘金属封闭开关设备)中单相盆式绝缘子的沿面闪络特性,采用电-热-流体多物理场耦合仿真,考虑因集肤效应引起的温升变化以及材料性能参数的温度依赖特性,计算得到不同工作频率下盆式绝缘子的电磁损耗、温升特性与沿面电场分布。基于时间-体积理论,综合考虑温度对气固界面电场分布以及有效载流子产生速率的影响,计算得到不同电压幅值和频率下盆式绝缘子的沿面闪络概率。仿真结果表明:低频输电方式能够有效缓解电磁损耗,降低GIS罐体内的最高温度,在相同绝缘结构配置下具有更高的沿面闪络电压。研究成果可为校核不同工作频率下气体绝缘高压电气设备的绝缘水平提供理论依据。

雾霾对绝缘子交流闪络特性的影响

为研究雾霾环境对绝缘子闪络特性的影响,在自制小型雾霾室内利用超声波雾发生器产生水雾并启动气溶胶发生器,将不同成分(硅藻Ca SO4和(NH4)2SO4)的颗粒物通入试验罐内模拟雾霾环境,并对不同成分、粒径的气溶胶雾霾环境下的绝缘子进行多次交流闪络试验,分析了雾霾成分、颗粒粒径、盐密对绝缘子交流闪络电压影响规律。结果表明:雾霾颗粒会导致绝缘子表面快速积污,20 min内绝缘子表面等值盐密最大可增加0.028 mg/cm2,引起闪络电压降低32.2%;盐类气溶胶和小粒径气溶胶对闪络电压影响较大,可使轻度污秽绝缘子闪络电压降低20%以上;雾霾环境中绝缘子交流闪络依然为沿面闪络。

纳米氧化钛复合改性提升聚醚酰亚胺真空沿面闪络特性的物理机制分析

聚醚酰亚胺是重要的航天器用绝缘材料。提升聚醚酰亚胺的沿面绝缘性能并探究沿面闪络的物理机制具有重要意义。该研究通过纳米氧化钛复合改性有效地将聚醚酰亚胺的真空沿面闪络电压提高19.25%。通过表征纳米复合前后材料的表面形貌、表面释气和表面电荷输运特性发现,表面气体吸附量随着TiO_(2)含量的升高而增大,而深陷阱能级和表面电阻率与闪络电压呈正相关关系。分析认为,纳米复合改性后气体吸附特性变化不足以影响真空沿面闪络。纳米复合改性提高真空沿面闪络电压的根本原因在于适量的TiO_(2)能提高材料的表面电阻率和深陷阱能级,二者的提高阻碍电极处电荷的注入和表面电子发射,进而造成电子倍增过程受阻。当电子倍增过程受阻时,介质表面需要更大的能量去释放更多的内部溶解气体或使介质分解产生更多气体以便碰撞电离形成足够强度的电子崩,因此沿面闪络电压有所提升。

ZnO形貌及粒径对EP复合材料表面电荷传输及沿面闪络性能的影响

无机填料的形貌及粒径是影响环氧树脂(EP)复合材料沿面耐压性能的关键因素。本研究采用ZnO纳米纤维和不同粒径的颗粒状ZnO掺杂改性环氧树脂制备EP复合材料,并对复合材料进行了直流沿面闪络性能与电荷消散速率测试。结果表明:ZnO填料掺杂能有效提升EP复合材料的闪络电压,其中纤维状ZnO填料的提升效果要明显优于颗粒状ZnO填料,颗粒状ZnO/EP复合材料的闪络电压随填料粒径的减小呈现上升趋势。当ZnO纳米纤维的质量分数为15%时,EP复合材料的闪络电压相比纯EP提高了27.1%。构建了有限元仿真模型,计算结果表明纤维状ZnO使得EP内部电场非均匀系数提升,提高了复合材料的电流密度。

考虑磁场闪络抑制效应的真空绝缘堆闪络概率计算

基于统计学闪络经验公式,计算绝缘堆闪络概率,结果显示:绝缘堆电压峰值越低、电压有效作用时间越短、材料常数越小,则闪络概率越低;在一定绝缘堆电压范围内,绝缘堆半径越小,闪络概率越低。考虑磁场闪络抑制效应,计算了绝缘堆闪络概率。通过电场强度与磁感应强度之比得到磁场开始闪络抑制作用的临界比值。根据绝缘体与电极的夹角以及阴极三相点电场强度与平均电场强度的关系,得到不同的临界比值,比较闪络概率计算结果的差异。计算结果表明:在磁场闪络抑制效应作用下,绝缘堆闪络概率下降。

真空中激光触发脉冲电压下绝缘材料闪络特性

搭建了真空中脉冲电压下激光触发沿面闪络试验平台,在试验平台上进行常用开关绝缘介质尼龙、聚碳酸酯和Al2O3陶瓷的激光触发沿面闪络特性试验,探讨了真空中激光触发沿面闪络的机理。试验结果表明:聚碳酸酯试品的自闪络电压最高;在真空中脉冲电压下的激光触发沿面闪络试验中,随着激光能量密度的增大,3种材料的时延和抖动均减小;532 nm和1 064 nm波长激光触发的条件下,3种材料的抖动均在1 ns左右,聚碳酸酯抖动较小;532 nm波长激光触发的时延小于1 064 nm波长激光触发的时延。

新型筒状双层闪络板等离子体枪

提出了新型筒状双层闪络板等离子体枪及其驱动电路的设计方案。枪内层接脉冲高压，均布160个电弧点，每个电弧点由中心焊盘及填充TiH2粉末的外围凹槽组成，TiH2粉末用硅酸钠粘接于凹槽中；通过100Ω电阻连接每个高压焊盘与接地端，电极间隙中产生等离子体。通过放电实验得出：当由3kV，20μF电容器驱动时，脉宽为1．5μs、幅值约150A的电流通过枪，产生的等离子体密度为10^13～10^14cm^-3，存在时间0．5μs，等离子体定向速率达到5cm／μs。实验证明：该闪络板等离子体枪可靠性强，可重复产生均匀等离子体。

紊流随机风场下多相多分裂覆冰输电导线舞动的相间闪络概率评估

针对覆冰输电导线在紊流随机风场中舞动的相间闪络问题,提出了一种多相多分裂覆冰导线舞动的相间闪络概率评估方法。首先,通过生成覆冰导线在紊流随机风场中舞动时的随机风荷载,结合多相多分裂覆冰输电导线有限元模型对紊流随机风场中的导线舞动响应进行模拟;其次,通过等价极值分布法构建了多相多分裂覆冰输电导线舞动时的相间闪络失效准则,基于概率密度演化法发展了一种多相多分裂覆冰导线在紊流随机风场中发生非同步舞动的相间闪络概率评估框架;最后,对某单跨三相四分裂覆冰输电导线算例进行分析。结果表明:1)不同相对位置的覆冰导线相间闪络概率评估结果差异明显,并且相较稳态风场情况,紊流随机风场作用下的各相导线相间闪络概率密度曲线峰值位置左移,峰值存在明显的降低;2)随着紊流度的增加,各相覆冰导线在紊流随机风场中舞动时更易发生相间闪络;3)该跨覆冰导线的相间闪络概率随平均风速的增加呈现先升后降的变化趋势,不同初始风攻角工况的各相导线相间闪络概率差异明显。

电触发真空沿面闪络开关工作特性

电触发真空沿面闪络开关(VSFS)具有高导通速度、高绝缘恢复速度、体积小、结构简单等优点,适合于高电压、高功率转换的场合。导通速度和稳定性是VSFS输出性能的重要指标,其影响因素的研究决定了VSFS的优化方向。研究了结构、材料、触发极性对真空沿面闪络开关的输出性能影响。结果表明,体式结构相较于片式结构导通速度更快、更稳定。钛酸钡介质和氮化铝介质具有稳定的脉冲击穿电压,适合作为触发介质。石英的直流耐压高,适合作为主间隙介质。正触发方式下开关的输出指标要优于负触发。

温度对环氧树脂沿面闪络特性的影响研究

特高压穿墙套管的绝缘问题是特高压输电技术研究的重点,在实际的工况中,由于内部及外部环境的影响,穿墙套管时常处于室温以上的环境温度中,导致绝缘性能受到一定程度的影响。为了研究交流和直流电压下环氧树脂闪络电压随温度的变化规律以及温度的影响机制,搭建了环氧树脂沿面闪络试验平台,测量在恒定气压的SF_(6)氛围中,环氧树脂在不同温度下的闪络电压,仿真分析了闪络电压的变化原因。结果表明:在25~70℃范围内,随着温度升高,环氧树脂的闪络电压出现先小幅下降后上升的现象,存在闪络电压的最小值。该现象是由气—固界面电场分布、SF_(6)气体临界场强和环氧树脂表面陷阱能级的共同作用导致。研究成果可以为特高压直流穿墙套管绝缘优化配置提供实验依据。

1m级间隙正极性雷电冲击闪络判据海拔校正方法的适用性

绝缘子及空气间隙的雷电冲击闪络判据是评估输电线路耐雷性能的重要仿真模型之一,同一间隙的闪络判据在不同海拔地区应用需要进行海拔校正。绝缘子及空气间隙的雷电冲击U50%闪络判据可以采用g参数进行海拔校正,但是更加精确的闪络判据如伏秒特性及先导发展模型法尚缺乏有效的海拔校正方法。该文针对110kV线路用复合绝缘子及1m棒-板间隙,分别在平原和高海拔地区开展了正极性标准雷电冲击试验,对比了海拔对冲击闪络特性的影响,分析了现有海拔校正方法在U50%及伏秒特性散点校正中存在的问题。然后,拟合了适用于不同海拔的110 kV单支复合绝缘子及1 m棒-板间隙的正极性标准雷电波先导发展模型,并将该模型计算得到的U-t曲线与试验所得的伏秒特性散点进行对比分析,验证了先导发展模型通过改变相对空气密度开展闪络判据海拔校正的适用性。最后,通过对比分析不同先导发展模型对计算110kV输电线路耐雷水平的影响,证明了先导发展模型闪络判据海拔校正的精确性。

高压GIS功能梯度绝缘子交/直流电场优化与沿面闪络抑制

在双极高压直流(high voltagedirect current,HVDC)系统中,气体绝缘金属封闭开关设备(gas-insulated switchgears,GIS)可能承受交-直流混合电压。为了提高盆式绝缘子的沿面耐电性能,该文提出了基于多维功能梯度材料(multi-dimensional functionally-graded material,MFGM)的绝缘子交、直流电场协同优化方法,制备了兼具体介电常数梯度材料(ε-functionally gradient materials,ε-FGM)和表面非线性电导材料(surface nonlinear conductivity materials,SNCM)的MFGM绝缘子,并在直流、交流和交-直流混合电压下开展电场仿真计算与沿面闪络测试。结果表明:直流电压下MFGM绝缘子的凸面中心区域积聚同极性表面电荷,而周围区域积聚异极性表面电荷,使高压三结合点处的电场强度较常规绝缘子降低25%,沿面闪络电压提升约14.5%;交流电压下,MFGM绝缘子的沿面电场畸变较常规绝缘子降低21%,沿面闪络电压提升约18%;交-直流混合电压下,MFGM绝缘子可同时降低暂、稳态电场分量,沿面闪络电压提升约12.7%。MFGM绝缘子满足暂、稳态工况下的沿面电场协同优化需求,在高压直流气体绝缘装备中具有很好的应用前景。

鸟粪形貌特性对220 kV复合绝缘子闪络影响的仿真分析

通过COMSOL有限元仿真软件研究不同形貌特性的鸟粪对绝缘子闪络的影响。通过研究鸟粪的长度和黏度对闪络的影响以及鸟粪下落导致绝缘子闪络的过程,本文得出了不同黏度多段鸟粪构成的组合空气间隙击穿电压的计算方法。结果表明:鸟粪黏度越高,鸟粪的连续性越好,构成的空气间隙击穿电压越低,容易造成复合绝缘子闪络。因此若想提高防鸟罩对高黏度长鸟粪的防护能力,防鸟罩需具有减少鸟粪长度的能力。本研究在防鸟罩表面设计导流槽,将原本一段高黏度且长度较长的鸟粪通过导流槽分割成多段长度较短的鸟粪,通过减少鸟粪长度从而增加空气间隙长度,进而可以提高击穿电压,降低鸟粪闪络概率。

复合绝缘子芯棒EP/AlN复合材料沿面闪络及破坏机理研究

复合绝缘子芯棒用环氧树脂具有机械强度高、绝缘性能好的优点,但在发热温升情况下极易产生电痕破坏,导致电网长期运行稳定性和安全性降低。因此,本文制备了不同微纳比环氧树脂/氮化铝(EP/AlN)复合材料,测试了沿面闪络及表面耐电痕特性,并结合陷阱分布特性及表面破坏参数进行分析。结果表明:随纳米颗粒掺杂比例提高,表面陷阱对电荷捕获能力下降,表面电导率有所提升,加快了表面放电进程,使闪络电压降低,单次释放能量减小;结合热导率上升共同作用,有效抑制了环氧树脂表面温升,提高了环氧树脂耐电痕性能。

沿海核电厂输变电设备绝缘材料在台风产生盐害情况下绝缘降低发生闪络导致丧失厂外电有关现象的研究

2020年9月,韩国8台核电机组因台风“美莎克”(2020年9月3日)和“海神”(2020年9月7日)发生丧失厂外电源事件。发生此事件是由于核电厂与外部变电站及相关设施之间的输电线以及绝缘材料路出现问题。本文调查分析了丧失厂外电的原因和事故序列,判断事件主要原因为输变电设备绝缘材料在台风产生盐害情况下绝缘降低发生闪络导致丧失厂外电。同时,梳理了国内外类似盐害现象导致绝缘降低的事件,研究盐害引起绝缘降低发生的闪络现象,得出研究结论并提出合理改进建议。

特高压直流套管气-固界面长时闪络放电特性及其影响因素

胶浸纸(resin-impregnated paper,RIP)干式套管内部的SF_(6)气体与环氧树脂浸纸电容芯体组成的气-固界面是套管内部易发生放电的绝缘薄弱点。该文搭建闪络放电特性实验平台,测试套管环氧浸纸试样和芯体模型在不同表面状态、微粒影响下的表面电荷分布,揭示多种因素对表面电场及闪络特性的影响机制。同时,对套管芯体缺陷试样长时局部放电至闪络放电发展过程进行试验验证。结果表明:高压侧区域套管气-固界面存在高分散性的纤维凸起,运行过程中吸附微粒,在直流电压作用下电荷积聚和电场畸变引发微弱起始局部放电;长期的电压作用使电荷积聚加剧,电场畸变程度进一步增大,局部放电频次和幅值逐步增加,最终导致贯穿性闪络放电。该研究可为胶浸纸套管芯子表面处理工艺的优化,以及长期直流下闪络放电的抑制措施的制定提供理论和实验依据。