正极性直流电场对绝缘子雾凇覆冰的影响机理及覆冰试验验证

复杂大气环境下绝缘子覆冰是影响电网安全运行的关键科学问题。与交流相比,直流电场对荷电水滴具有较强的吸附作用,但鲜有研究涉及。基于场致荷电、流体力学和电磁学原理,对两种典型悬式绝缘子开展了电场-流场耦合仿真分析以及自然覆冰试验研究。结果表明,荷电水滴在直流电场中趋向于沿电场线运动,且其轨迹偏移量随着外施电压和水滴直径的增加而增大,而随着风速的增加而减小;直流电场下绝缘子表面产生冰树枝,不同绝缘子表面法向电场分量存在较大差异,进而影响冰树枝的生长特性;随着外施电压的升高,冰树枝逐渐从绝缘子伞裙边缘扩散至其表面,且冰树枝尖端逐渐变钝;带电情况下两种绝缘子覆冰量和覆冰长度大于不带电情况,且增长幅度均超过15%。研究结果对于建立带电绝缘子覆冰增长模型奠定了基础。

接地变抗出口短路能力分析及提升

针对目前接地变出口短路工况下绕组物理特征研究不足、损坏事故多等问题,文中以一台干式接地变为研究对象,利用有限元仿真软件搭建三维多物理场耦合模型,分析研究接地变低压侧出口短路工况下绕组电磁、温升、应力形变等多物理参量的变化及分布规律,探究影响接地变抗出口短路能力的关键因素。结果表明:接地变发生出口短路后,受其轭铁心及邻柱铁心的影响,绕组侧面磁通及其等效应力均大于绕组正面,整体形变极不均匀;受接地变特殊的绕组结构和工作方式的影响,其低压绕组在出口短路故障时的暂态温度可达140.9℃,远高于高压绕组。最后基于动、热稳定的双重约束,提出接地变抗出口短路能力的提升措施,对接地变抗出口短路能力的薄弱部位进行结构优化。

复合绝缘子无溢流覆冰增长数值模拟及自然覆冰试验验证

绝缘子覆冰对电力系统的安全可靠运行构成了严重威胁。目前,主要从试验角度定性解释伞裙结构对绝缘子覆冰形态、覆冰量的影响,少有基于覆冰增长机理的冰形数值模拟研究。因此以FXBW-35/70为研究对象,基于流体力学和热力学原理,计算分析了绝缘子表面冻结系数和对流换热系数的变化规律,建立了绝缘子无溢流覆冰增长三维数值模型,并进行了自然覆冰试验验证。结果表明,冻结系数随着温度、水滴直径和液态水含量的升高而降低;对流换热系数随着风速的增大而增大。绝缘子无溢流覆冰增长方向与位置有关,杆径覆冰主要沿径向增长,而伞裙边缘覆冰沿径向和轴向2个方向增长。模型计算得到的绝缘子覆冰特征参数与试验的误差均在15%以内,验证了模型的有效性。

覆冰绝缘子直流闪络双电弧动态电路模型

绝缘子覆冰对输电线路的正常运行造成重大隐患,研究覆冰绝缘子闪络模型有利于指导运行在冰雪地区输电线路的绝缘状态评估。鉴于现有闪络模型电弧电阻表征不明确,充分考虑实际覆冰绝缘子闪络时电弧由冰面电弧和空气间隙电弧组成,将电弧电阻区分为空气间隙与冰面时变电弧电阻之和,修正了电弧发展判据。通过观测现场覆冰绝缘子直流闪络路径得知,整条闪络通道由高压端及低压端2段相向发展的电弧组成。基于该闪络路径,建立了覆冰绝缘子直流闪络双电弧动态电路模型。研究结果表明,动态电路模型计算获得的闪络电压及临界闪络电流与试验结果相近,两者之间的误差分别为11.9%与8.9%,试验值与模型计算值吻合较好。而且,模型计算得到的泄漏电流波形和电弧发展速度与实测临近闪络前的泄漏电流和电弧发展速度基本一致。

基于数值求解的油浸式变压器瞬态热点温度计算

文中分析了变压器温度流体场耦合数值仿真求解方法,基于互感器小模型的温度流体场计算确定了瞬态数值求解的时间步长和迭代步数,进而对一台S13-M-100kVA/10kV型油浸式变压器的三维温度流体场进行了瞬态数值仿真。与预埋光纤的变压器温升试验获得的绕组瞬态热点温度相比,变压器绕组瞬态热点温度数值仿真结果与试验结果最大偏差不超过3%,基于经验公式计算的热点温度平均相对偏差为9.8%,验证了文中变压器温度流体场仿真模型的有效性及准确性。

基于场-路耦合有限元法的干式变压器匝间短路暂态特性研究

因抗短路能力不足,干式变压器运行中因负荷侧出口短路引起的绕组匝间短路故障仍有发生。为提高实时监测故障的灵敏度,有必要对干式变压器绕组发生匝间短路故障时的暂态特性进行研究。首先分析了“场-路”耦合的原理;其次,利用有限元软件ANSYS建立了与干式变压器实物结构一致的二维“场-路”耦合仿真模型,并验证了该模型额定运行工况下的准确性。随后,通过耦合模型的外电路设置绕组不同位置发生匝间短路故障,分析干式变压器绕组发生单匝匝间短路故障时电磁参数的分布特征。最后,研究得到工程上易检测且变化显著的损耗因数、有功功率损耗变化率作为敏感特征状态量,所得结论可为实现干式变压器发生匝间短路故障的实时在线监测及实施提高绕组抗短路能力的措施提供针对性的理论依据。

配电变压器低压绕组导线换位处单股匝间短路特征分析

为保证电力变压器多股并绕线圈的导体长度一致、电流密度均衡,通常在其绕制过程中进行结构换位,实际运行表明导线换位处的绝缘容易损伤并导致匝间短路故障。针对实际试验中故障点难以设置、电气量无法直接检测等问题,利用“场-路”耦合原理,以型号为S13-M-200/10、低压绕组由两股扁铜线并绕、换位点在绕组中部的配电变压器为例,基于有限元仿真软件建立与实物结构尺寸相同的仿真分析模型,通过对比性能参数的实际试验值与仿真分析值,在验证模型正确性的基础上,研究电力变压器低压绕组在导线换位处发生单股匝间短路时的电气特征及电动力。研究表明,当变压器低压绕组发生单股匝间短路时,短路环内部流过数十倍额定电流的环路电流,故障相电流略有降低,有功损耗激增;导线换位引起线圈轴向力与辐向力分布不均,绕组容易失稳变形,需要对该导线换位处采取机械和绝缘加强措施。

KYN系列12 kV开关柜真空断路器灭弧室触头温度间接测算

断路器在各电压等级电网中担负关合、承载正常电气回路及各类故障电流的重要作用,其灭弧室触头温度作为重要的性能参数直接影响开断和负载能力,一直是设备运行状态在线检测的热点和难点。为解决KYN系列开关柜真空断路器灭弧室触头温度无法直接监测的问题,以用于KYN28A–12/T3150–40型开关柜的HYD–12/3150–40型固封极柱为实际研究对象,通过建立仿真分析模型,利用ANSYS仿真软件对该模型进行电磁–温度多物理场耦合分析。首先,通过比较1.1倍额定电流下的模型温度仿真结果与现场实际温升试验的相同部位温度来验证仿真模型的准确性;然后,对KYN系列开关柜真空断路器灭弧室触头温度的影响因素进行研究;最后,基于偏最小二乘回归法,提出通过测量环境温度、负荷电流、上触臂温度来实现触头温度的间接测算方法,结果表明触头温度仿真结果与算法计算结果几乎相等。该研究内容可为处于稳定工作状态下的KYN系列开关柜中的真空断路器灭弧室触头温度特性研究及其在线监测提供方法和理论支撑。

绝缘子不均匀积污成因及其对交流闪络特性的影响

在单一风向的作用下,线路运行绝缘子会呈现背风侧污秽积聚较多的现象,降低其绝缘性能。通过建立三维电场-流场耦合模型,仿真模拟污秽颗粒运动过程,揭示了绝缘子背风侧回流和涡流是造成污秽积聚的主要原因。采用人工涂污法模拟绝缘子表面迎/背风侧不均匀积污,并开展交流闪络试验,研究平均盐密(SDD)、迎风侧与背风侧盐密比(J)和背风侧面积占比(R)对平均闪络电压(Uf)的影响。结果表明,Uf随SDD的增大而降低,随J和R的增大而升高,且J在SDD较低和R较小时对Uf影响更大,R在SDD较低和J较小时对Uf影响更大。通过观测绝缘子闪络过程发现,均匀染污时放电电弧随机发展,而在不均匀染污时电弧总出现在背风侧,且升压过程中泄漏电流幅值较大。

干式变压器绕组匝间短路故障的电磁特征及电动力分析

干式变压器低压绕组的匝间绝缘故障不易通过外观表征直接发现,且难以实现实时监测,严重影响供电可靠性。针对干式变压器低压绕组单匝匝间短路故障时的电磁特征研究不足而导致故障检测方法缺失及实际研究中难以设置绕组匝间短路故障的问题,利用有限元仿真软件建立与实际干式变压器一致的“场-路”耦合模型,并验证了该模型在额定运行工况下的准确性。在此基础上探究低压绕组发生匝间短路故障时其短路点电流、短路匝电流、短路匝电流密度及短路匝辐向磁密和轴向磁密等电磁参数的变化规律,研究在绕组不同位置发生匝间短路故障时短路匝所受电动力的分布情况。结果表明,绕组不同位置发生匝间短路时,磁密最大值出现在最外层短路匝;最外层短路匝所受辐向力最大,最内层短路匝所受轴向力最大。研究结果为干式变压器匝间绝缘在线监测和保护技术提供了理论依据,有利于抗短路能力提升措施的研究与实施。

基于等效直径的复合绝缘子覆冰特性与结构参数分析

复合绝缘子伞型结构是影响其覆冰的重要因素,优化其结构参数可以减少覆冰量。对复合绝缘子外部流场数学模型进行简化,利用Fluent软件仿真计算其沿绝缘距离方向上各部位的水滴碰撞率,并在此基础上提出复合绝缘子覆冰等效直径D_(eq)的概念。理论分析和自然覆冰试验均表明:在同等覆冰条件下,D_(eq)越大的复合绝缘子,覆冰量也越大。因此,将D_(eq)作为表征复合绝缘子覆冰特性的特征参数,研究了杆径、伞间距、伞倾角和伞径对D_(eq)的影响,结果表明D_(eq)随杆径和伞间距的增大而增大,随伞倾角和伞径的增大而减小。最后结合分析结果与覆冰试验,给出覆冰地区复合绝缘子结构参数优化设计建议。

电场对冰水相变过程晶释效应的影响

覆冰水电导率会影响冰表面水膜电导率,进而影响覆冰绝缘子的电气特性。但是,对于电导率的空间分布缺乏研究。为此在低温、低气压气候室对3片串XP_4–160瓷绝缘子分别在带电和不带电条件下开展覆冰试验,结合COMSOL Multiphysics软件仿真和水分子极化理论分析了电场对绝缘子覆冰形态的影响。在电场、水分子极化以及局部放电、泄漏电流等因素的综合作用下,绝缘子带电覆冰冰凌长度较短、直径较细且冰凌尖端向绝缘子串轴线弯曲。将完成覆冰后的绝缘子冰层和冰凌分别置于恒温环境中融化,测量其融冰水电导率,结果表明,绝缘子在带电和不带电覆冰条件下,冰层及冰凌融冰水电导率随融冰时间的增加均呈非线性下降;覆冰水电导率越高,晶释效应越明显;受电晕放电、局部电弧及泄漏电流等因素的影响,不带电覆冰时的融冰水电导率高于带电覆冰时的融冰水电导率。

覆冰绝缘子导电离子分布规律

为研究电场及染污方式对覆冰复合绝缘子导电离子分布的影响,该文在低温、低气压人工气候室对两种染污方式下的35 k V复合绝缘子开展了带电和不带电雨凇覆冰试验。结合COMSOL软件仿真分析冰凌尖端水滴及覆冰滴水过程对绝缘子覆冰的影响,揭示电场、染污方式和染污程度对覆冰绝缘子离子分布的影响规律。结果表明:电场对绝缘子覆冰形态、冰层及冰凌中离子分布和闪络电压均有显著的影响;在带电覆冰条件下,采用覆冰水电导率法时的冰层及冰凌融冰水电导率均低于不带电时;在不带电覆冰条件下,采用固体涂层法时的融冰水电导率远高于覆冰水电导率;绝缘子带电覆冰时的闪络电压高于不带电时,而闪络过程中的融冰水电导率低于不带电时。在分析绝缘子覆冰闪络时,应考虑晶释效应对其闪络特性的影响。

绝缘子湿增长动态覆冰模型研究

绝缘子覆冰是一种复杂的自然现象,涉及流体力学、热力学、气象学等多方面的问题。为了实现绝缘子湿增长覆冰的数值计算和模拟,该文采用软件仿真、理论分析和试验研究相结合的方法分析了不同环境条件下的绝缘子表面水滴碰撞捕获、水膜的流动和冻结等物理过程。综合考虑冰棱长度对绝缘子外部流场及水滴运动轨迹的影响及冰棱壁面水膜＂断流＂对冰棱生长的影响,基于质量守恒定律和能量守恒定律,建立了绝缘子表面覆冰厚度和冰棱增长的计算模型。在重庆大学人工气候室内通过控制环境参数,对FXBW-110/100绝缘子进行湿增长覆冰试验,记录不同环境温度、不同风速下复合绝缘子伞裙表面覆冰厚度、冰棱长度随着时间的变化规律。将试验值和模型计算值进行对比,得到绝缘子表面覆冰厚度平均误差〈15%,冰棱长度平均误差〈10%,验证了模型的有效性。

不同覆雪形态对悬式绝缘子直流负极性闪络特性的影响

在覆冰雪环境下,输电线路绝缘子绝缘特性下降是导致电网事故的重要原因之一,目前国内外学者对绝缘子覆冰开展了大量的研究,但对绝缘子覆雪的研究相对缺乏,而绝缘子覆雪对输电线路绝缘安全的影响不可忽视,因此开展对绝缘子覆雪特性的研究十分必要。绝缘子覆雪形态一般分为均匀与不均匀两种,该文在多功能人工气候室内模拟自然覆雪环境,比较悬式污秽玻璃绝缘子与瓷绝缘子两种积雪形态对其直流负极性闪络特性和闪络过程的影响。结果表明:在覆雪程度相同时,不均匀覆雪比均匀覆雪对绝缘子直流闪络影响更大,且随着绝缘子表面的污秽度增加,积雪形态对绝缘子的影响逐渐减小,在重度污秽情况下,覆雪形态对绝缘子闪络的影响趋近于无;绝缘子覆雪闪络过程前期类似污秽闪络,后期类似覆冰闪络,不均匀覆雪绝缘子闪络路径沿着背风面雪层发展。

冰棱生长对绝缘子覆冰过程的影响分析

国内外对不同环境参数下绝缘子覆冰增长特性进行了大量的试验研究,而绝缘子湿增长覆冰过程中会产生冰棱,对冰棱如何影响绝缘子覆冰的研究较为缺乏。因此,该文首先基于流体力学原理,采用仿真软件Fluent对比分析有、无冰棱及冰棱长度对绝缘子外部气流场及水滴运动轨迹的影响,计算得到不同冰棱长度下绝缘子表面的水滴碰撞率α_1。在此基础上,根据热平衡方程,推导出绝缘子表面冻结系数α_3的计算公式,进而得到绝缘子表面覆冰厚度增长模型。对复合绝缘子FXBW-110/100和瓷绝缘子XP-160在人工气候室开展湿增长覆冰试验,研究不同温度及风速下,绝缘子表面覆冰厚度随时间的变化规律,并将模型计算结果与试验值对比。结果表明:两种绝缘子表面覆冰厚度模型的计算值与试验值的误差小于10%,瓷绝缘子覆冰厚度增长速度快于复合绝缘子,并且随着冰棱长度的增加,绝缘子表面覆冰厚度增长速率逐渐降低。

风机叶片运用超疏水涂层防覆冰的性能衰减

覆冰已经严重威胁到风电的发展,国内外学者针对超疏水涂层对风机叶片覆冰的影响进行了大量的研究,但对风机叶片运用超疏水涂层防覆冰的性能衰减研究较为缺乏。在人工气候室内对涂覆3种不同超疏水涂层的风机叶片试品进行防覆冰性能衰减试验。试验中对风机叶片超疏水涂层的冰层粘结强度、接触角、接触角滞后进行测量;并从水滴湿润模型出发,分析了覆冰/脱冰次数对冰层粘结强度、接触角、接触角滞后的影响。研究结果表明:随着覆冰/脱冰循环的进行,风机叶片涂层表面的冰层粘结强度、接触角滞后逐渐增大,接触角逐渐减小,最终其冰层粘结强度与疏水性涂层相当;冰层粘结强度、接触角、接触角滞后的变化率呈现出先增大,后减小的趋势;不同类型的超疏水涂料防覆冰性能衰减存在差异。

基于流体力学原理的绝缘子覆雪三维数值模拟

输电线路覆冰积雪严重影响电网的安全稳定运行.目前的研究重点关注绝缘子覆雪放电发展过程及闪络特性.由于绝缘子结构复杂,对覆雪的增长过程缺乏系统的分析.本文基于计算流体力学原理,在不同的环境参数条件下,对XP-70绝缘子表面不同位置的雪晶颗粒碰撞特性进行了理论分析和仿真计算,在此基础上建立了绝缘子三维覆雪数值计算模型.研究表明,在气流绕流绝缘子过程中,存在降压增速和增压减速两个相反的过程;绝缘子迎风侧局部碰撞系数从前驻点处沿钢帽或伞裙向两侧逐渐减小,迎风侧伞裙边缘和钢帽处的局部碰撞系数远远大于其他位置,最大可达0.74.绝缘子表面的覆雪量随风速(v)、液态水含量(LWC)以及颗粒直径(MVD)等环境参数的增大而增大,覆雪量最大可达2.19 kg.经仿真和试验验证,局部碰撞系数最大的位置,覆雪最严重,而且试验和模型仿真结果的误差小于17%.

带并联间隙地线复合绝缘子直流覆冰闪络特性

架空地线融冰已成为一个亟需解决的问题,目前通常对架空地线进行改造加装带间隙的绝缘子并采用直流融冰,其融冰电压受到地线绝缘子放电电压的制约,进而也影响了地线融冰的长度。对耐张型和悬垂型两种地线绝缘子在严重覆冰条件下并联间隙大小与地线绝缘子直流冰闪电压间的关系进行了试验研究。结果表明:两种地线绝缘子表面清洁、未覆冰情况下,其直流50%放电电压U50%与并联间距d呈幂指数关系,随着并联间距d增大,U50%增大,且增速逐渐减小;覆冰条件下,耐张型并联间隙地线复合绝缘子并联间距的选择与覆冰厚度di相关,可以选为(10+2di)mm;悬垂型地线绝缘子在严重覆冰地区建议选择80~100mm的并联间距。在保证融冰期间地线与杆塔保持良好绝缘的条件下,应选择较小间距来提高其防雷性能。

含制氢储能的混合传动风电系统建模与运行特性分析

带有发电机前端调速装置的混合传动风电系统可以在没有电力电子变频设备的情况下与电网友好连接,有望解决现有主流变速恒频并网风电机组存在的无功损耗大、低电压穿越能力弱、输出电能质量和动态稳定性不高等问题。为了进一步提高风电机组的并网运行性能,提出一种含制氢储能的混合传动风电系统的基本架构,并对所提系统的能量传输机理与数值建模方法进行详细研究。搭建1.5 MW含制氢储能的混合传动风电系统的仿真模型,并利用物理试验对仿真模型进行原理验证。在随机变化风速输入和电网电压故障下,对所提系统的运行特性展开深入研究,结果表明含制氢储能的混合传动风电系统不仅可以有效平抑输出功率的波动,还可以提高系统的故障穿越能力和持续运行稳定性。