±320 kV直流GIL微粒陷阱关键结构参数分析及优化

气体绝缘输电线路(gas insulated metal-enclosed transmission line,GIL)中设置上提式微粒陷阱是目前最常用的微粒抑制措施,能有效捕捉微粒并限制其运动。为使微粒陷阱捕获效果达到最佳,提出了直流电压下微粒陷阱捕获效能的有限元计算方法,研究分析了不同结构参数对上提式微粒陷阱的电场分布特性和捕获效率的影响;以此为基础,提出了上提式微粒陷阱优化设计的约束条件,结合混沌粒子群算法,联合调用COMSOL及MATLAB对微粒陷阱的结构进行优化。结果表明:一定范围内陷阱的提升高度及厚度越大,栅格的宽度越小,对内部电场的屏蔽效果越好;增大陷阱的厚度,提升高度、长度以及分布角,选取适当范围的挡板与栅格的宽度比有助于提高微粒陷阱的捕获率;优化设计后的上提式微粒陷阱可达74.16%,较优化前提升53.36%,并通过缩比装置的微粒捕获试验验证了仿真计算规律的有效性。该研究结果和优化方法可有效提升陷阱对微粒的抑制作用,为直流GIL及GIS母线微粒陷阱的结构设计提供技术支撑。

1100 kV GIL快速接地开关分闸过程C4F7N/CO2混合气体介质绝缘强度计算分析

GIL快速接地开关气室内介质的绝缘强度受介质种类、分合闸速度及气室压强等因素的影响。针对1 100k VGIL超B类快速接地开关空载分闸过程,计算以环保型混合气体C4F7N/CO2为绝缘介质时,气室内气流动态变化过程和电场分布,并依据气体击穿判据,计算不同混合气体配比、分闸速度和气室压强下介质的临界击穿电压,分析介质发生绝缘击穿的情况,结合液化温度,提出满足绝缘要求的混合气体配比、分闸速度和气室压强。研究结果表明：接地开关在分闸过程中,除动、静触头间隙外,动触头和静端屏蔽罩之间同样是介质击穿的薄弱区域;当气室压强为0.45 MPa、分闸速度为2.9 m/s、开距为11 mm时,20%C4F7N/80%CO2的最小相对绝缘强度分别是15%C4F7N/85%CO2的1.12倍和SF6的1.02倍;开关充0.45 MPa的20%C4F7N/80%CO2气体、分闸速度提高至8.7 m/s时,同一时段内的临界击穿电压上升率提高了2.12倍;绝缘介质为20%C4F7N/80%CO2、速度为8.7 m/s时,提升气室压强至0.55MPa后,临界击穿电压始终大于瞬态恢复电压（TRV）,接地开关空载分闸过程有极小可能发生介质绝缘击穿。综合考虑绝缘和液化温度要求,接地开关气室应充0.55 MPa的20%C4F7N/80%CO2,分闸速度选用8.7 m/s。

126kV真空断路器的运动建模与优化设计

根据对真空断路器运动原理的分析,建立了126kV真空断路器的动力学模型。提出了一种新的方法来设计真空断路器产品的运动特性,该方法利用多体动力学仿真软件ADAMS建立真空断路器产品的虚拟样机模型,对真空断路器的分、合闸过程进行仿真分析,通过对样机模型结构和力学等参数的修改,最终实现产品的优化设计。仿真结果也验证了该方法的有效性。

直流电压下气体绝缘输电线路中微粒运动特性研究及微粒陷阱效能分析

气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal-enclosed transmission line,GIL)中设置微粒陷阱是最常用的微粒抑制措施,由于其真型试验需投入较高成本验证设计能效,目前多采用仿真技术手段进行辅助分析。该文针对直流电压下微粒陷阱结构设计,考虑微粒的受力及电荷变化机制,基于有限元法提出一种可以应用于实际结构中的球形微粒带电运动的仿真方法。建立320kV直流GIL管母线部分模型,在模型中分别设置四种不同类型的微粒陷阱,计算并分析不同陷阱的捕获率及其对微粒运动特性的影响。结果表明,该方法能够有效模拟直流电压下的微粒运动特性,上提式微粒陷阱的捕获能效优异,能够有效阻挡动能较大的入陷微粒,降低其逃逸的概率。该文仿真计算方法和研究结果适用于不同结构气体绝缘输电线路中不同类型微粒陷阱的捕获率分析,对开展工程上气体绝缘输电线路中微粒陷阱的选型及布置具有指导意义。

550 kV单断口自能式断路器短路开断过程数值计算与分析

目前国内外在超高压领域应用的断路器多为压气式SF6断路器或双断口自能式断路器,对于550 kV单断口自能式灭弧室的研究尚属空白。文中基于磁流体动力学理论,建立考虑喷口烧蚀的二维动态电弧数学模型,完成高压SF6自能式断路器不同开断条件下(短路电流有效值为63 kA和40 kA,燃弧时间为12、16.3、20.8 ms)燃弧过程的仿真计算。计算结果表明:12 ms燃弧条件下,63 kA电弧在电流峰值时刻最高温度为28900 K,较40 kA条件高约2000 K;开断全过程,63 kA条件下膨胀室压强最高可达3.78 MPa,40 kA条件下最高为2.77 MPa。开断不同短路电流时,阀片的动作时间相差较小;对应于上述3种燃弧时间,阀片动作先后顺序为16.3、12、20.8 ms,时间依次滞后0.1 ms。40 kA,12 ms条件下喷口烧蚀量为6.34 g;而63 kA条件下,对应于上述3种燃弧时间,烧蚀量分别为11.25、15.65、19.44 g。

热态SF_6介质击穿特性研究

采用质量作用定律法计算压强0.1~2.0 MPa、温度40 000 K到300 K下SF_6等离子体组分体积分数,分析热态SF_6介质(3 500 K到300 K)的成分构成及其变化过程。采用两项近似法求解玻尔兹曼方程,计算不同折合电场下热态SF_6介质中电子能量分布函数,分析不同碰撞过程中各微观粒子的折合电离系数和折合吸附系数,得到热态SF_6介质的折合击穿场强,通过300 K下SF_6气体击穿场强实验值验证了计算方法的准确性。研究表明:弧后热态SF_6介质绝缘强度恢复过程中,温度下降到3 500 K到2 300 K时,热态SF_6介质主要成分为绝缘能力较低的F、S、S2、F2,折合击穿场强值在30 Td(1 Td=1×10-21Vm2)左右;温度下降到2 300 K到1 500 K时,分解物迅速复合为绝缘性能优异的SF_6,折合击穿场强急剧上升至355 Td附近。研究结果可为揭示热态SF_6介质绝缘强度恢复机理,解决高压SF_6断路器弧后重击穿导致开断失败等问题奠定理论基础。

分段求解的弹簧操动机构断路器合闸优化设计

在合闸优化设计的过程中,由于其优化变量的增加,以及部分变量相关,常常使得优化求解变得困难。这里提出了一种针对具有复杂的、相关性强的变量的优化模型的分段优化求解方法,顺利完成了优化模型的求解。并通过动力学仿真分析对优化结果进行了验证,表明优化之后的断路器操作功减小46.1%,刚合速度减小5.09%,提高了断路器的工作性能和可靠性。同时也表明了这种分段优化求解的方法可为具有复杂的、相关性强的变量的优化模型提供了一种求解思路。

超B类感应电流快速释放装置冷态介质恢复特性计算及分析

针对超B类感应电流快速释放装置开断过程冷态介质恢复特性进行数值计算及分析。计算开断过程中气室内电场强度和SF6介质密度,依据流注理论,得到触头间临界击穿电压曲线,通过介质临界击穿电压与瞬态恢复电压(TRV)的对比,验证是否满足该快速释放装置冷态开断能力的要求。计算结果表明:动触头到达分闸点之后,气室内SF6介质密度基本保持不变,维持在27 kg/m3左右,而场强随开距的变化较明显,因此,电恢复过程是影响介质恢复特性的主要因素;超B类感应电流快速释放装置在冷态开断过程中,开距小于25 mm时临界击穿电压值小于TRV值,说明在此开距范围内,重击穿的可能性极大。

1100 kV柱式断路器地震模拟振动台抗震试验研究

地震模拟振动台抗震试验是电气设备抗震设计及验证的重要手段之一。以1100kV全复合套管柱式断路器为研究对象,依据特高压电气设备抗震试验方法对是否带拉筋或减震器等4种状态开展了地震模拟振动台试验。通过输入白噪声及标准时程波地震试验,可得到断路器的自振频率及关键部位的加速度、应变响应。对比分析4种不同状态下断路器的地震响应特点,掌握了拉筋和减震器对断路器动力特性、抗震性能影响的机理。结果表明:地震作用下4种不同状态下的断路器的最大应变都发生在支架顶部和复合套管根部;断路器地震响应复杂且呈现非线性特性。地震作用下设置拉筋、安装减震器均能有效提升断路器的抗震能力。

基于SF_6分解产物的1100 kV滤波器用柱式断路器工况评估方法

1 100 k V滤波器用柱式断路器作为电力制造行业推出的新型高电压设备,是特高压电网中重要的控制和保护设备,其开合过程中产生的电弧会对灭弧室中的触头及喷口造成烧蚀,随着开合次数增加烧蚀程度会不断加重,造成断路器开断能力下降,因此需要找到有效的方法,来评估频繁开合操作对灭弧室运行状态造成的影响。文中通过对某型1 100 k V滤波器用柱式断路器开展C2级试验,对试验后设备内部SF_6分解产物进行检测、化学机理分析及设备解体检查,提出了通过检测CF_4体积分数来评估1 100 k V滤波器用柱式断路器开合容性电流操作对灭弧室工况造成影响的方法,该方法可为其他SF_6断路器的维护检修提供参考。

梯度下降优化模糊系统的接触电阻预测方法

根据接触电阻的特点,将结合模糊逻辑的预测方法引入电气领域,提出基于模糊系统的接触电阻预测新方法.根据接触电阻与各影响因素之间的关系及研究目的进行试验,得到足量试验数据,将所有试验数据分成两部分,训练数据和测试数据.通过训练数据运用梯度下降算法训练模糊系统,调整模糊系统参数,建立相应的接触电阻模型,利用训练数据建立接触电阻的回归分析模型.通过测试数据对两种模型进行测试,基于模糊系统的接触电阻模型的测试结果优于回归分析.预测与比较结果表明:若能得到足量训练数据,用梯度下降算法训练模糊系统建立的接触电阻模型精确可靠.

模糊系统结合蚁群算法的金具温升建模

为了得到准确可靠的阀厅连接金具温升模型,运用模糊系统结合蚁群算法的方法进行建模。在分析基本蚁群算法与梯度下降法优缺点的基础上,将两种方法结合形成改进蚁群算法,即在基本蚁群算法基础上应用梯度下降算法。通过试验得到的训练数据分别用基本蚁群算法、梯度下降算法、改进蚁群算法训练模糊系统,改进蚁群算法的收敛效果优于其他两种方法;通过试验得到的测试数据对4种方法所得的模型进行测试,由改进蚁群算法训练模糊系统所得模型的测试效果是最好的。结果表明,若能通过试验得到足量训练数据,用改进蚁群算法训练模糊系统的方法对阀厅连接金具的温升进行建模是可行的。

高压开关设备关键技术及发展趋势

在全球大力发展清洁能源、建设智慧能源互联网的背景下,作为关键设备之一的高压开关在智能化、环保性、电压等级提升及容量提升等方面发展迅速。首先综合介绍了中国开关设备的总体发展情况,接着介绍了高压开关设备在灭弧技术、仿真技术、智能化技术、环保技术、工艺技术等共性关键技术方面的最新研究进展以及产品发展。针对高压开关设计、制造面临的新挑战,国内外研究开发了双动传动系统与自能式结合的灭弧室结构,突破了开关设备开断、温升等多物理场耦合仿真技术,研制了智能高压开关设备,采用SF6混合气体开发了环保型开关设备并取得工程应用,开发了新型绝缘材料、近终形加工等工艺制造技术。高压开关设备技术发展趋势主要在环保性、大容量开断、高速开断、金属封闭式直流开关、新一代智慧型开关等方面,高压开关设备发展也将使电网更安全、更智能、更绿色。

特高压交流开关型可控避雷器的参数选择和样机研制

鉴于特高压交流输电系统深度降低操作过电压的迫切需求,及目前操作过电压常规限制措施——断路器加装合闸电阻和常规避雷器在经济性和运行可靠性方面存在的不足,提出一种自适应运行条件变化的操作过电压柔性限制方法。该方法的核心内容是将在变电站线路侧安装可控避雷器和在线路中部安装常规避雷器结合起来,深度降低操作过电压,取消断路器合闸电阻。可控避雷器技术是操作过电压柔性限制方法的核心,目前主要聚焦于特高压交流开关型可控避雷器技术研究。阐述了开关型可控避雷器技术的工作原理;给出特高压交流开关型可控避雷器的参数选择,包括额定电压、可控比、避雷器本体参数和控制单元（包括控制开关和控制器）参数等;研制出避雷器本体、控制单元和控制器;在此基础上,经过整体集成,研制出可控比为15%的特高压交流开关型可控避雷器样机。并对样机开展了电气性能试验研究,充分验证了开关型可控避雷器的可行性和可靠性。可控避雷器的研制成功为特高压交流输电系统操作过电压限制提供了一种新技术,可显著提高工程的经济性和可靠性。

基于系统拓扑动态调整的短路电流限制方法研究

随着我国电网的迅速发展,电力系统中短路电流超标问题逐渐突出,严重影响系统及设备安全运行。针对现有短路电流限制措施的不足,该文提出基于系统拓扑动态调整的短路电流限制方法,在短路故障期间短时快速改变系统拓扑,降低短路电流,避免采用常规措施带来的对系统正常运行的影响。该文研究了系统拓扑调整方法、配合时序及动作策略,结合典型系统结构研究了短路电流抑制效果,分析了拓扑调整对系统稳定和继电保护的影响。对该方法的关键设备高速开关的关键技术进行了初步分析。

ZF27-800型GIS的关键技术

ZF27-800型GIS是为满足我国西北750 kV输电工程自主研发的800 kV气体绝缘金属封闭开关设备。笔者介绍了ZF27-800型GIS的研制情况,主要对800kV断路器的开断系统、绝缘系统、传动系统和动力系统的关键技术进行了分析,还对GIS中的母线、进出线套管的设计技术进行了说明。

基于模糊系统的接触电阻建模方法

接触电阻是衡量电接触可靠性的重要参数。为此针对接触电阻的特点,提出了基于模糊系统的接触电阻建模方法。该方法通过试验得到训练数据与测试数据。将基本蚁群算法与递推最小二乘算法结合形成改进算法。采用训练数据调整模糊系统参数,算法分别为递推最小二乘算法、基本蚁群算法、改进算法。与其他两种算法相比,改进算法的收敛误差减小1倍以上。利用训练数据建立接触电阻的回归分析模型,并通过测试数据对各模型进行测试。改进算法训练模糊系统所得接触电阻模型的测试误差比其他模型减小10%。测试结果说明用改进算法训练模糊系统的方法计算接触电阻是可行的。

基于摩擦接触和密封圈接触压力的252 kV小型化GIS用盆式绝缘子应力分析

边界条件设置是影响盆式绝缘子应力计算结果准确性的关键因素。本研究建立了252 kV小型化GIS用盆式绝缘子轴对称模型,并引入橡胶密封圈Mooney-Rivlin函数模型,通过有限元分析软件对不同约束边界条件下盆式绝缘子进行应力仿真计算,并与水压试验实测值进行对比分析。结果表明:采用摩擦接触的边界条件与工程实际相符,适用于盆式绝缘子的应力仿真边界条件设置,研究结果可对其他电压等级盆式绝缘子的小型化、轻量化设计提供参考。

阀厅连接金具温升模糊预测策略

针对阀厅连接金具的温升问题,提出基于模糊系统的温升预测策略,并用此方法对连接金具的温升进行预测。通过阀厅连接金具温升试验得到训练与测试数据。利用训练数据通过梯度下降算法训练模糊系统,建立相应温升模型,然后用测试数据进行测试,检验模型可靠性,相对误差平均值为8.04%,测试结果合理。用回归分析对阀厅连接金具的温升进行预测,并与模糊系统进行比较,模糊系统预测的相对误差平均值比回归分析降低了5.56%。预测与比较结果说明,模糊系统在阀厅连接金具温升预测方面具有优势。

限流开断技术用直流快速旁路开关设计与研究

在直流系统中合理配置超导限流器,可有效降低短路电流水平,改善直流系统的稳定性和安全性。超导限流器正常工作对于确保直流断路器可靠动作至关重要,为此,基于某多端柔性直流工程,开展直流超导限流器用快速旁路开关的设计与研究。分析快速旁路开关的应用工况,获取设备的参数要求;攻克了高电位隔离供能、毫秒级驱动及缓冲、绝缘区分等关键技术难题;设计了满足工程要求的快速旁路开关,实现毫秒级时间内快速合闸;设计并搭建试验回路,验证了所设计快速旁路开关的合闸机械特性和关合能力。