特高压混合直流工程快速旁路保护用兆伏级SF_6间隙等离子体喷射触发特性及工程设计

在江苏白鹤滩±800 kV特高压混合直流工程中,受端交流侧三相接地故障穿越失败时,会在±400 kV柔直母线上产生高幅值过电压,严重威胁柔直阀组安全,而基于等离子体喷射的超快速旁路开关1 ms内将柔直母线快速接地保护柔直阀组是一种全新的解决方案。DC 400 kV触发间隙需满足高耐压(>1.2 MV)、低工作系数(<5%)、短延时(<1 ms)、大通流等严苛要求,而如何实现高气压、长间隙的可靠触发导通,并提出工程化设计方案是关键难题。为此搭建了增强型等离子体喷射触发间隙导通研究平台,重点研究触发电压、气压、间隙长度以及工作系数等关键影响因素对SF_(6)触发间隙导通特性的影响规律。结果表明,提升触发电压可显著提升触发导通概率、降低触发延时,但存在一定的饱和现象;在固定的工作电压下,随气压或间隙长度的增加,工作系数显著减小,导致触发延时骤增且导通概率急剧减小;在相同工作系数下,高气压短间隙的触发导通性能更强。据此提出满足特高压混合直流工程400 kV柔直母线快速接地用DC 400 kV间隙开关,间隙采用复合外套单间隙结构,轮转型触发腔设计实现多次触发。研制了触发间隙试验样机(间隙距离为10 cm、压强为0.5 MPa的SF_(6)),其雷电耐压>1250kV,临界可触发电压<50 kV,导通时延<0.5 ms。该研究结果为特高压混合直流输电系统中柔直阀组快速保护用兆伏级SF_6触发间隙工程应用提供了理论支持和工程初步设计方案。

等离子体喷射触发型SF_(6)和SF_(6)/N_(2)间隙开关的触发性能劣化规律

在江苏—白鹤滩±800 kV特高压混合直流输电工程中,采用等离子体喷射触发型气体间隙开关可以对可控避雷器进行旁路控制,具有响应速度快,绝缘恢复能力强,通流容量大等优势,应用前景广泛,但触发间隙气体氛围的优化选择尚有所缺失,间隙触发特性和寿命的提升仍有待进一步研究。搭建了等离子体喷射触发实验平台,研究了等离子体喷射触发气体间隙的触发性能劣化规律,分别在SF_(6)和SF_(6)/N_(2)混合气体中探究了间隙触发的临界电路参数,在确定的电路参数下进行触发寿命实验同时探究性能劣化规律。结果表明:相同绝缘强度下,当间隙电压为10 kV时,0.2 MPa SF_(6)氛围下间隙最低可触发电压为3.5 k V,而在0.266 MPa SF_(6)/N_(2)氛围下降低为2.6 kV;在最佳触发电路参数条件和相同绝缘强度下,实验初期,SF_(6)中间隙导通时延为~270μs,等离子体最大喷射高度为4.8 cm,最大喷射速度为1296 m/s,而在SF_(6)/N_(2)中间隙导通时延为~100μs,等离子体最大喷射高度为7.2 cm,最大喷射速度为1525 m/s,而随着放电次数的增加,间隙导通时延增加,等离子体最大喷射高度降低,最大喷射速度减小,直到间隙第一次触发失败达到间隙寿命,SF_(6)中间隙的触发寿命仅有695次,而SF_(6)/N_(2)混合气体中间隙的触发寿命达到了1540次。对可控避雷器用气体间隙触发开关的性能和寿命提升提供了理论指导,同时有助于其在工程领域推广应用。

冲击振动激励下GIS内自由金属微粒运动及其诱发间隙击穿特性

大量GIS故障案例表明,断路器带电操作后的一段时间内,气室中常突发由金属微粒引起的间隙击穿故障。断路器操作产生的冲击振动可以有效地激励GIS中多个潜伏性微粒的起跳,但多个微粒起跳后在运动过程中诱发间隙击穿的过程尚不明确。针对于此,本研究在252kV真型GIS实验平台上进行了多微粒共存时的断路器带电操作实验,以复现GIS运行过程中微粒在冲击振动激励下的运动过程,并探究多微粒被激励起跳后诱发GIS放电故障的机理。研究表明,在带电实验中未操作断路器时,耐压期间自由金属微粒存在较大的概率可运动至气室的末端,并保持静止,形成了多微粒的聚集;在带电操作断路器后,多微粒受到壳体冲击振动的激励而起跳,并在起跳后的运动过程中于气隙间形成了多微粒串联击穿现象,而且断路器带电操作时多微粒引起的击穿电压总是低于耐压期间的击穿电压。基于流注放电理论,研究认为相较于耐压期间分散性的多微粒,带电操作前已形成聚集的多微粒彼此靠近,在操作后的运动过程中对电场的畸变能力更强,因此形成多微粒的串联击穿电压更低。

±800 kV混合直流输电工程用DC 80 kV SF_(6)/N_(2)等离子体喷射触发间隙研制

白鹤滩—江苏±800 kV混合直流输电工程在交流侧故障穿越过程中,为了限制柔直母线上过电压吸收冗余能量需要加装可控自恢复消能装置。为了实现可控自恢复消能装置的1 ms快速投入,需要研制DC 80 kV SF_(6)/N_(2)等离子体喷射触发间隙。根据工程需求,分析了工程应用条件,明确触发间隙关键技术要求。针对高性能触发的要求,提出了高压脉冲型等离子体双级接续触发方法,设计了同轴层压式产品化触发腔,搭建触发特性试验平台,开展触发性能试验研究,并提出通过监测触发过程中储能电容电压变化在线监测触发性能的方法,研究结果表明,最低可触发电压为50 kV,触发时延在0.3 ms以内,空载触发寿命为1800次。针对大直流通流及快速绝缘恢复的要求,依据横磁电极旋弧原理,完成自旋弧主电极设计,开展电场及旋弧仿真,设计搭建了通流及绝缘恢复试验回路开展试验研究,拍摄电弧运动。结果表明,电弧能够沿主电极边缘高速旋转,实现30kA/50ms通流后0.1s恢复耐受1.5倍额定电压、通流寿命50次。基于上述关键问题的解决,完成了双冗余等离子体喷射触发间隙本体及高电位测控的成套装置结构设计,研制了样机并通过了第三方性能试验验证,绝缘、触发和通流关键技术指标全面满足白江工程要求并将工程应用。

电极熔蚀导致的气体开关绝缘子性能劣化

气体开关导通时,电极材料熔融或汽化并从电极表面移出,导致开关绝缘子被染污,并可能诱发开关内绝缘闪络事故,直接影响气体开关寿命和脉冲功率系统稳定性。在开关内嵌入有机玻璃圆环,收集黄铜电极熔蚀产物,并研究其对开关绝缘子表面形貌和沿面绝缘强度的影响。实验结果表明,电极熔蚀会产生大量金属蒸汽和溅射液滴,且熔蚀产物具有明显的轴向分布特性,其中,金属蒸汽冷凝并附着在绝缘子表面,形成细微的金属粉末;溅射液滴轰击绝缘子表面,在局部区域形成密集的表面裂纹和金属颗粒嵌入物。在两种电极熔蚀产物的共同作用下,开关绝缘子表面绝缘电阻下降,闪络场强降低;同时,绝缘子表面轴向不同区域的绝缘电阻差别很大,引起绝缘子表面电压分布不均和局部电场增强,最终导致开关绝缘子闪络电压降低,闪络概率增大。

气体间隙放电火花电阻的光谱诊断

火花电阻是影响开关能量传输效率、寿命的重要因素,为了对其进行准确测量,提出了一种利用光学诊断获得气体间隙放电火花电阻的方法。首先利用光谱仪测量脉冲电压下气体间隙火花放电的发射光谱,获得了不同放电发展阶段和通道内不同位置的电子温度、电子数密度,并根据Spitzer电导率修正公式得到不同放电阶段火花通道的电导率。然后通过通道径向成像后谱线长度计算了不同阶段火花通道的外径,结合放电通道外径与电导率即可得到火花放电通道电阻。结果表明:随着放电发展,火花通道等离子体的电导率先迅速增大后逐渐减小,最后保持在104 S/m左右;火花通道电阻从绝缘状态骤减至0.1Ω左右然后基本维持不变,通道电阻值与过去文献中所提出的经验公式计算结果基本一致。随着电流增大,通道电导率基本不变,通道半径增大,通道电阻减小。随着气压增大,放电通道等离子体的电子温度降低,电导率减小,导致通道电阻增大。

冲击振动激励下GIS内自由金属微粒起跳特性

自由金属微粒是气体绝缘开关设备(gas insulated metal-enclosed switchgear, GIS)绝缘的主要威胁之一,由于断路器开关动作以及设备处于故障状态时电磁力等作用,不可避免造成GIS壳体振动,金属微粒很有可能在设备振动以及电场力作用下激活,给GIS绝缘性能带来威胁。为此搭建了半球形同心电极实验平台,模拟实际GIS内稍不均匀电场。使用力锤敲击实验腔体模拟断路器开关动作。实验研究了工频电压以及冲击振动激励下金属微粒起跳规律,分析了冲击振动激励对工频电压下球形以及片状微粒起跳场强的影响。研究结果表明:工频电压下微粒起跳场强要略高于理论计算值,经分析原因一是交变电场力相对于恒定电场力更难维持微粒起举,二是微粒与壳体之间存在的微弱局部放电导致微粒与壳体接触位置发生熔蚀,导致微粒与壳体发生粘接,使微粒更难起跳。外施冲击振动激励相对工频情况下能够明显降低微粒起跳场强,且随着外施冲击振动激励强度增加,微粒起跳场强逐渐降低。力锤敲击壳体过程中产生的冲量转化为壳体运动动量进而传递给静止微粒,转化为金属微粒运动动能,降低金属微粒临界起跳场强。

衰减振荡电流下火花电阻的光谱诊断

气体开关是脉冲功率系统的关键部件,开关的火花通道阻抗直接影响负载电压的陡度及其能量传输效率.提出一种光谱学诊断方法,通过对火花通道成像光谱的时空分辨测量,获得通道半径及电导率,从而计算时变的火花电阻.光谱测量结果表明,氮气间隙火花放电通道电子温度为2～3 eV,通道电导率先增大后减小,最大值约16 000 S,随着放电发展,火花通道电阻从绝缘状态快速跌落并趋于稳定值,时变趋势与电学计算结果基本吻合.3～100 kPa范围内,随着气压增大,放电通道半径减小,火花通道电阻增大.

高气压SF_(6)中毛细管放电等离子体的喷射特性

毛细管放电等离子体喷射是实现极低工作系数下间隙开关触发导通极具潜力的技术路线,而高气压SF_(6)对等离子体喷射的“抑制效应”直接影响喷射极限和触发特性,亟待开展相关研究。为此构建了高气压SF_(6)中毛细管等离子体喷射实验平台,研究了不同触发能量、毛细管结构和气压对等离子体喷射特性的影响,分析了不同放电次数后的性能劣化过程和机理。结果表明,等离子体喷射发展呈射流状,经过稳定增长到最大高度后迅速消失;提高触发能量可显著提升喷射速度和高度,但存在饱和效应;随着毛细管腔长度增加,喷射速度和高度呈现先增大后减小的趋势,这是消融产气量和寄生体积共同影响所致。SF_(6)气压在0.1~0.5 MPa增加时,等离子体喷射被显著抑制,最大喷射高度从6.3 cm下降至4.3 cm,喷口速度从1710 m/s下降至960 m/s。长期重复放电过程中,等离子体喷射速度和高度均呈现缓慢下降趋势,其主要原因是毛细管材料消融导致微腔形变和寄生体积增大。该研究为高气压SF_(6)中毛细管放电喷射等离子体特性提供了基础数据,对SF_(6)气体间隙开关的性能提升和推广应用具有重要意义。

金属氧化物避雷器在陡波下的试验与模型分析

为研究金属氧化物避雷器(MOA)在特快速瞬态过电压(VFTO)陡波下的响应特性,设计制作了陡波电流源装置,并对MOA阀片进行了陡冲击电流波下的残压试验研究。结果表明VFTO下阀片残压较雷电残压增加20%左右。对现有的MOA陡波模型进行了概要总结,并分析了IEEE推荐模型和东芝提出模型的参数计算和适用范围。应用2种模型对252kV GIS试验回路中安装MOA的VFTO特性进行了初步仿真计算,初步结果表明模型参数的取值对计算结果有较大影响。因此MOA对VFTO的抑制作用需试验验证。

GIS中SF6绝缘系统缺陷放电的“0-1”现象

气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)在电力系统中广泛应用,而SF6绝缘系统缺陷放电是影响GIS安全可靠运行的关键因素之一。文中主要从SF6气体绝缘系统的特点和缺陷放电特征两方面进行综述。首先介绍了SF6气体绝缘的特点,并从电子碰撞截面的角度揭示了'缺陷敏感'的原因。其次,综述了电极凸起、绝缘子附着微粒、绝缘子内部气隙、绝缘子裂纹、自由金属微粒这5类GIS常见缺陷在工频电压下的局部放电特征,发现GIS运行气压下缺陷放电的'0-1'现象,即外施工频电压(Ua)低于击穿电压(Ub)时,缺陷诱发的局部放电量(Q)极小且增长缓慢,呈状态'0';但当Ua逼近Ub时,Q骤增且立即发生贯穿性放电,呈状态'1';状态'0'和'1'之间的转变在很窄的电压区间完成,Q随Ua的变化呈阶跃状。最后,通过'驼峰曲线'、放电形态等揭示了SF6绝缘系统中缺陷放电'0-1'现象的形成机理,即高气压SF6氛围中的缺陷放电的'无晕'击穿机制。

大容量电力设备标准雷电冲击现场试验技术

随着电压等级的提高,气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）等电力设备电容量增大。现场耐压及绝缘试验作为GIS设备投运前的最后一道关口,是提高入网质量的重要保障。为此,结合国内外SF6间隙放电特性研究成果,发现极不均匀电场中SF6间隙工频或直流击穿电压随气压变化会出现“驼峰”现象,高气压下间隙击穿电压和电晕起始电压相近;随冲击电压波前时间增加,间隙放电电压升高可达10%-20%。解释了现行交流耐压与局部放电试验检测GIS绝缘缺陷的局限性,阐明了开展现场雷电冲击试验的必要性及其技术瓶颈,并分析了冲击电压检测绝缘缺陷的有效性。基于研制的新型紧凑型低电感冲击电压发生器,提出大容量电力设备标准雷电冲击现场试验技术,并在特高压南京站得到应用。此外,还从提高绝缘检测有效性出发,提出了现场耐压与绝缘检测试验改进方案。

SF_6短间隙中高频电弧的阻抗特性

气体绝缘开关设备(GIS)中隔离开关操作时,触头间隙会出现高频放电,产生威胁电力设备安全的特快速暂态过电压(VFTO),高频电弧的阻抗特性对VFTO的上升沿和幅值等具有重要影响。为此,提出了利用SF6间隙研究GIS隔离开关高频电弧阻抗特性,分SF6短间隙和长间隙2个阶段开展工作的技术方案,并介绍了SF6短间隙阶段的研究工作。建立SF6短间隙和紧凑型RLC放电回路产生高频电弧。采用高压探头、Rogowski线圈、B-dot传感器分别测量电弧电压、电流及电流变化率,利用高速分幅相机观测电弧形态。提出了电弧电感和电阻的分析方法,研究了气压、弧长及电流对电弧电感和电阻的影响,建立了基于能量平衡关系的电弧电阻模型。研究结果表明:高频放电起始后,电弧电感从约13μH/m迅速减小并趋于稳定值约9μH/m;电弧电阻在约60ns内快速跌落至约1Ω,随后缓慢下降并趋于稳定值约0.1Ω;气压增大时电弧电感和电阻增大,电流增大时电弧电感和电阻减小;提出的模型能够计算全过程电弧电阻,计算结果与试验分析结果基本符合。

基于共词分析的我国技术创新政策结构关系研究

对2000-2010年间中央和地方具有代表性的技术创新政策进行了关键词提取,以关键词共现为基础,利用UCINET软件对共词网络进行了分析。基于中心性分析和小团体分析,得到了我国技术创新政策的整体结构,并总结了中央和地方政策的内在关系。

影响GIS支柱绝缘子闪络电压的沿面电场特征参数

优化绝缘子沿面电场分布能够有效提高绝缘子的闪络电压,但决定绝缘子闪络电压的电场分布特征尚不明确。为进一步研究影响绝缘子闪络电压的沿面电场分布特征,通过调节绝缘子沿面形状、内嵌电极、外屏蔽电极的几何参数得到具有不同沿面电场分布的48种等高环氧支柱绝缘子;采用有限元分析法计算得到试样的静电场分布,通过后处理得到沿面电场及其切、法向分量的最大值、平均值、梯度、平方积分、电势分布等特征参数;实验测量了试样在0.2 MPa SF6中、标准雷电电压下的闪络电压。通过研究闪络电压与电场分布特征之间的相关性,发现绝缘子闪络电压不仅与沿面电场分布有关,与电场的切、法向分量的分布也显著相关。采用不同筛选策略,得到了与闪络电压相关但又互相独立的特征参数:沿面电场最大值及对应位置电场的法向分量、沿面电场切向分量的场不均匀度及其梯度的最大值、沿面电场切向分量大于其最大值90%区域的积分,并定性分析了这些特征参数对闪络起始和发展过程的影响机制。

沿面电场对GIS绝缘子闪络电压的影响

为分别探究绝缘子沿面合成场强、切向场强分量和法向场强分量对其闪络电压的影响,以不同沿面电场分布的48种环氧支柱绝缘子试样为研究对象,根据其在标准雷电波下的闪络电压,与有限元法计算的沿面电场分布结果,分析了绝缘子沿面合成场强最大值Emax、切向场强最大值Etmax、法向场强最大值Enmax对其沿面闪络电压Uf的影响规律。结果表明,Emax、Etmax、Enmax与Uf的相关度分别为-0.90、-0.84、-0.73。根据气体放电理论分析可知,Emax是影响绝缘子沿面闪络放电起始以及放电形式转变的主要因素,Etmax是影响绝缘子沿面闪络发展的次要因素。但根据气-固界面静电场衔接条件可知,通过改变绝缘子形状和电极结构来减小Enmax能够有效降低Emax,同时可以有效抑制绝缘子表面电荷的积聚。因此,建议将沿面合成场强、切向场强、法向场强控制值一同纳入绝缘子电场设计规范。

脉冲作用下气体火花开关电极熔蚀研究

气体火花开关在脉冲功率技术领域中具有广泛的应用,是大型脉冲功率装置的关键器件之一,对装置的输出参数和运行稳定性都有重要的影响。电极熔蚀作为气体火花开关不可避免的问题,从气体火花开关应用之初就得到了关注和研究。国内外学者针对电极熔蚀问题,从电极表面形貌变化、蚀坑表征参数、熔蚀热源分析、电极材料移出作用力和电极熔蚀对气体火花开关性能的影响等多个方面进行了广泛的研究,提出了几种电极表面蚀坑的表征参数,形成了经典的1维、2维电极熔蚀模型,并初步研究了重复运行时电极熔蚀对气体火花开关触发性能的影响。分析了目前高功率火花开关研究所临的主要问题,讨论了快前沿脉冲重频作用下,气体火花开关在电极熔蚀机理上可能存在的区别,指出了电极熔蚀后续研究的方向和关键点。

大容量GIS现场冲击试验问题探讨

受制于传统冲击试验设备技术瓶颈,现场冲击试验,尤其是标准雷电冲击试验难以开展。为此,结合气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated metal-enclosed switchgear,GIS)现场雷电冲击试验现状,研究了不同冲击电压波形参数对SF_6气体间隙放电特性的影响,发现冲击电压波前时间对GIS绝缘缺陷检测有效性有显著影响,在一定范围内,波前时间越短,绝缘缺陷检测有效性越高。分析了冲击试验回路参数对冲击电压波形的影响规律,发现负载电容和回路电感是影响冲击电压波前时间的主要因素,提出了2种提高冲击试验缺陷检测有效性的方法:现场试验时可采用隔离开关操作将GIS分成若干段,以减小负载电容;减小冲击电压发生器本体电感,以减小回路电感。

气体火花开关放电通道半径及电阻测量

搭建低电感实验回路平台,利用高速分幅相机拍摄火花开关放电通道发展过程,分析照片光强和放电通道半径的对应关系,根据图片光强测定不同时刻放电通道的半径,提出适合实验条件的放电通道半径计算公式。依据高压探头和Pearson线圈测量得到的放电通道电压和电流波形,计算放电通道的电阻,再利用测量的放电通道半径进而得到其电导率。放电通道半径随着放电通道的发展逐渐增大,有饱和的趋势,放电电流2kA时电流峰值处放电通道半径约0.6mm;随着放电电流峰值的增大,放电通道电阻下降速率增大,达到稳定值所需的时间减小,稳定值也随之减小,其电阻稳定值最小能达到0.08Ω。

数据库组件转变为智能化中间件方法研究

面对软件危机带来的巨大损耗,人们进行了广泛而深刻地探索,力求寻找到一条“应对需求不断变化,快速、高质的开发道路”。为了遵循这一主题,所以针对实际项目中如何设计跨平台操作数据库部件进行了研究;并提出了为应对需求变化,如何修改设计理念,选取适宜设计模式进行未来扩充的方法。研究中所采用的组件、中间件等技术均反映了“重用”的原则,以达到采用最佳的手段,为明天而工作的目的。