环境友好型绝缘气体沿面放电特性及固体析出物研究现状

C_(4)F_(7)N、HFO1336mmz(Z)等全球变暖系数(global warming potential,GWP)低、绝缘强度高的环保气体有望一定范围替代高压电力设备中广泛应用的SF_(6),推动绿色低碳高压装备发展,助力“碳达峰、碳中和”目标。气固界面放电特性、异常情况下固体析出物的生成及抑制方法等会直接影响环保型设备绝缘系统的服役安全,有必要在规模化应用前完成系统深入研究,针对上述内容的现有研究进展进行综述。梳理环保绝缘气体及其相关高压设备的国内外发展和应用情况;分析环保气体中气固界面电荷积聚特性及沿面闪络特性的研究进展;讨论了环保气体深度分解形成固体析出物的成分、生成过程,以及析出物对界面绝缘的影响规律和抑制措施。该文可为环保气体的研究、环保型气体绝缘设备的研制等提供参考。

基于电容层析成像的电缆绝缘缺陷检测仿真研究

电力电缆绝缘性能优越,在轨道交通系统和电力系统中应用广泛,但是在外部绝缘劣化因素的长期作用下易发生绝缘故障,影响系统的供电稳定性。为了准确判断电缆绝缘状态,确保系统安全稳定运行,开展了基于电容层析成像技术的电力电缆绝缘缺陷检测的仿真研究。建立了电力电缆和八电极电容传感器的模型,以信号输出强度为导向优化了电容传感器的几何结构,采用中值滤波算法优化了灵敏度场分布。利用Landweber图像重建算法结合优化后的电容传感器和灵敏度场,对气隙缺陷、水树缺陷、楔形划痕缺陷和复合缺陷4种典型的电缆绝缘缺陷进行了图像重建,实现了电力电缆绝缘缺陷的检测。

面向工程化的高压直流GIL绝缘子表面电荷主动消散与检测方法探讨

绝缘子表面电荷积聚是高压直流GIS/GIL需要重点关注的绝缘问题,近年来关于绝缘子表面电荷积聚机理、消散、检测等方面的研究工作取得了很大进步。论文对面向工程化的直流GIL绝缘子表面电荷主动消散和检测方法进行探讨;提出表面电荷本征积聚和外诱积聚的概念,为直流GIL在设计、运行、维护阶段减少电荷积累铺平了道路;对基于X射线辐照的绝缘子表面电荷GIS/GIL罐体外的主动消散方法进行讨论,提出基于嵌入式静电传感器的绝缘子表面电荷积聚严重程度的评估方法,为直流GIL工程化提供理论和技术支撑。

HFO-1336mzz(E)应用于气体绝缘输电线路的温升特性研究

为得到新型环保气体HFO-1336mzz(E)应用于气体绝缘输电线路(GIL)中的温升特性,本文基于有限元方法建立磁场-传热场-流体场多物理耦合模型,仿真分析额定工况下GIL内部温度场分布,并研究缓冲气体类型、填充气压、混合比和运行电流对GIL温升的影响。结果表明:额定工况下GIL内部的温度场呈现上高下低的温度梯度分布规律,其中A相导体的温升比B相导体的温升高0.70℃,接地外壳的温升最小。在相同条件下,HFO-1336mzz(E)/CO_(2)混合气体中导体的温升仅比HFO-1336mzz(E)/N_(2)混合气体中的温升低0.38℃,考虑到HFO-1336mzz(E)气体分解后固体析出物的影响,选择CO_(2)作为缓冲气体比N_(2)更为合适。提高填充气压和混合比均能降低导体的温升,填充0.70 MPa的10%HFO-1336mzz(E)/90%CO_(2)混合气体导体的温升仅比填充0.50 MPa纯SF_(6)的温升高5.02℃。GIL导体和接地外壳的温升均随着运行电流的增大而增大,并且填充气压对GIL载流能力的影响大于混合比的影响,当运行电流超过3.0k A时,GIL的温升会超过温升限定值。

SF_6放电分解组分分析及其应用的研究现状与发展

SF6绝缘类电力设备具有体积小、安全性高、维修周期长等众多优点,随着其在电力系统中得到越来越广泛的应用,SF6气体放电分解组分分析及其应用成为近年来的一个重要研究课题。从SF6气体分解过程及机制、分解产物检测方法、不同条件下的分解特性及影响因素以及电力设备绝缘缺陷诊断应用等几个方面对其进行了归纳。SF6在放电条件下会发生分解,生成多种类型的气体产物,其分解组分的种类和含量受到电流、电极材料、微水微氧含量、气压、吸附剂等多种因素的影响。同时SF6的分解过程与放电类型及放电能量密切相关,因此可以将SF6放电分解组分分析技术应用于电力设备的状态监测之中。最后,提出了今后研究中有待进一步解决的问题和可能的发展方向。

变压器典型缺陷局放特性及其带电检测技术研究

油浸式变压器绝缘故障常常起源于局部放电造成的油纸绝缘劣化及老化,因此开展局部放电带电检测技术研究对于保证变压器的安全可靠运行意义重大。笔者在实验室中对所制作的针—板、悬浮电位两种模拟缺陷引起的局部放电超高频信号进行了研究,得到了两种缺陷在外施电压升高过程中的放电谱图,并分析了其产生原因及变化规律。结果表明:在纯净干燥变压器油中,针对针—板缺陷,首先在外施电压负半周峰值附近观察到放电信号,随着电压的升高,信号最终对称分布于正负半周峰值两侧;针对悬浮电位缺陷,最先于外施电压正负半周峰值处观察到放电信号,且随着电压升高,信号最终分布在第一和第三象限中。此外,笔者在实体变压器中设计安装了两种典型绝缘缺陷,并利用带电检测技术实现了对其局部放电信号的测量及分析,为该技术在变压器绝缘缺陷诊断中的实际应用奠定了基础。

低气压下串联直流电弧故障电磁辐射幅值及频率特性

为了检测低气压下串联直流电弧故障,搭建了低气压下直流电弧故障试验平台,研究了不同试验条件下的直流故障电弧电磁辐射特性。利用四阶Hilbert分形天线检测直流电弧故障的电磁辐射信号,在11个气压下(96,86,76,66,56,46,36,26,16,6和0.6k Pa)对4种电极材料(黄铜、紫铜、不锈钢和铝)进行了串联直流电弧故障试验,并在低气压下对不同直径(1~7mm)和形状(尖形和平形)的黄铜电极进行了试验研究。考虑了电极移动速度对电磁辐射特性的影响。对各种试验条件下采集到的电磁辐射脉冲幅值进行了统计分析,并对电磁辐射脉冲进行了快速傅里叶变换,提取出特征频率。试验结果表明:直流电弧电磁辐射脉冲幅值随着气压、电极直径、形状和电极移动速度的改变而变化,并且具有方向性;而电磁辐射脉冲的特征频率范围(36~41MHz)与气压、电极直径、形状和电极速度无关,将其作为检测串联直流电弧故障的特征量具有一定的适用性。

基于气体组分分析的GIS金属性过热故障程度图像化判别方法

接触不良等问题造成的过热缺陷是引起GIS故障的主要原因之一,威胁设备安全运行。研究了利用气体分解法实现金属性过热故障严重程度评估。实验研究了不同程度过热故障下的SF_(6)气体分解特性,分析了加热时间及气压对SF_(6)分解产物的影响。结果显示:过热条件下的主要分解产物含量从高至低依次为:SO_(2)、SOF_(2)、SO_(2) F_(2)、CO_(2)、CO、H_(2)S、COS;产物含量随温度、气压升高呈增长趋势。此外,本文构建了以SO_(2)、(SOF_(2)+CO)和(SO "_(2)F_(2)+H_(2)S+CO_(2))为含量比值的三角诊断方法,可实现对金属性过热故障严重程度的图像化判别,进而提高对设备故障的识别效率。

吸附剂对SF_6典型分解产物含量及变化规律的影响

选用了电力设备中常用的吸附剂KDHF-03分子筛,模拟研究了吸附剂对电力设备中SF6气体在局部放电下分解特性的影响,特别关注了SO2、SO2F2、S2OF10等几种典型分解产物添加吸附剂前后的产生规律。结果表明,添加吸附剂后,3种产物的含量均明显降低,SO2F2与S2OF10两种产物的吸附率（体积分数）分别达到79.92%和78.73%,SO2含量则始终低于气体分析系统的检测限度。此外,引入吸附剂之后,SO2F2与S2OF10的产生速率随着加压时间逐渐降低,其含量随时间延长逐渐饱和。最后,提出将φ（S2OF10）/φ（SO2F2）作为SF6类设备绝缘缺陷诊断判据,该比值在有、无吸附剂两种情况下表现出了很好的稳定性,添加吸附剂前后其值均稳定在1.5~2.0之间。

基于电磁辐射特性的直流电弧检测方法

直流电源系统中的直流电弧由于难以熄灭,是导致系统故障的主要原因之一,对其检测方法展开研究具有重要意义。为此提出了一种基于电弧电磁辐射特性的直流电弧检测方法,通过搭建直流电弧产生装置模拟直流系统中松弛连接的情况,设计4阶Hilbert天线测量直流电弧电磁辐射信号。电弧的电磁辐射信号与电流突变信号变化一致,且突变脉冲的时间间隔满足Gamma分布。对不同的电流突变进行频谱分析发现,在该试验条件下,电磁辐射信号在频谱上存在明显的特征频率(12.9 MHz),并且不同回路电流下幅值最大的电磁辐射频率在12~14MHz范围内。与开关操作时的信号进行对比发现,直流电弧的最大幅值电磁辐射频率大于开关操作的最大频率,直流电弧脉冲的平均时间间隔(37μs)比开关操作时的时间间隔(7.4μs)长,开关操作时能够检测到多个持续时间较长的脉冲簇。电磁辐射信号的特征频率、脉冲时间间隔以及脉冲簇持续时间可作为直流电弧的检测参量判断电弧故障。

直流及复合电压作用下油纸绝缘局部放电研究综述

总结了直流和复合电压下油纸绝缘的局部放电检测技术,包括传统的基于脉冲峰值-时间序列的局部放电检测技术,以及能够检测直流下局部放电的基于脉冲电流波形的宽带/超宽带检测技术。深入分析了直流下油纸绝缘的局部放电机理和影响因素,介绍了目前直流局部放电检测与分析技术的研究现状。还分析了±500 k V直流输电系统中整流变压器阀侧绕组绝缘承受的电压波形,讨论了复合电压作用下局部放电呈现出的特性。

固体绝缘沿面缺陷下的SF6分解特性及机理

为了奠定气体产物检测法在固体绝缘沿面缺陷诊断中的应用基础,在实验室内的SF6放电分解实验平台上探究了SF6气体在固体绝缘沿面缺陷下的分解特性,同时利用量子化学计算方法对关键产物的生成路径进行了研究。结果显示,固体绝缘沿面缺陷下的特征产物主要包括SOF2、SO2两种含硫含氧产物以及CO、CO2、CF4、CS2等多种含碳产物。其中CO2、CO、CS2的体积分数在放电最后阶段分别从0.46×10-6、4.22×10-6、18.69×10-6快速增长至2.05×10-6、14.76×10-6、27.77×10-6,可以认为其生成速率是判断缺陷严重程度的重要表征量。固体绝缘表面发生沿面放电时会发生复杂的反应,CF4主要通过碳氢化合物CHx逐步与F、HF反应生成;CO来源于碳氢化合物的氧化脱氢反应;CO2的生成则包括碳氟化合物氧化、CO氧化分解、碳氢化合物氧化脱氢等3个路径;CS2可能经CHx与S2或H2S反应生成。现场故障案例验证了该研究结论在实际生产应用中的实用价值。

GIS内常用吸附剂的性能对比研究

为控制水分和分解产物的含量,以GIS为代表的SF6绝缘类电力设备中通常会放置一定量的吸附剂。选用硅胶、4A分子筛、5A分子筛、F-03分子筛、KDHF-03分子筛等五种常用的吸附剂,对其性能进行比较,并分别研究其对SF6电晕放电条件下几种典型分解产物(SO2、SO2F2、S2OF10)吸附效果的影响。结果表明:添加吸附剂后,SF6典型分解产物的含量存在不同程度的下降,几种吸附剂的吸附性能存在较大的差异,除硅胶外,四种分子筛都对SO2表现出了较好的吸附效果;硅胶和4A分子筛对SO2F2的吸附效果不理想,其吸附率都不超过20%;5A、F-03、KDHF-03三种分子筛则对SO2F2具有良好的吸附性能,其中KDHF-03分子筛的性能最好。添加KDHF-03分子筛后,仅能检测到SO2F2一种分解产物,且其含量曲线在6 h后达到吸附平衡。

涉及绝缘材料的悬浮电位缺陷下的SF6分解特性

为了探究SF6气体在悬浮电位缺陷下的分解特性，构建了SF6分解实验平台及悬浮电位缺陷模型，分别在不同外施电压以及气压下进行了放电分解实验。结果表明，该缺陷类型下的主要典型分解产物包括S02F2、SOF2、C02、S024种，其产气速率由高到低依次为：CO2、SOF2、SO2F2和SO2，且其体积分数妒的变化规律受到放电量及其充装气压的影响。φ（SOF2＋S02）／φ（S02F2）和φ（SOF2＋S02＋S02F2）／φ（C02）随加压时间表现出较好的稳定性。因此，可以利用几种典型产物的体积分数变化规律及浓度比值作为判断局部放电强度及缺陷类型的特征量。

500kV SF_6电流互感器电容屏缺陷下的气体分解特性

为了研究SF_6电流互感器(CT)内存在电容屏缺陷时的气体放电分解特性,分别在实验室内的模拟平台和500kV实体CT内开展了试验研究。在实验室模拟罐体内建立了场强方向平行于电容屏表面的缺陷模型1#和垂直于其表面的缺陷模型2#,在保持相同放电量的条件下对两种模型进行了SF_6气体放电分解试验,结果显示:两种电容屏缺陷下的典型气体分解产物包括CF4、SO_2F2、CS2、SO_2和S2OF105种;在相同时间下,3种含硫氧化物的体积分数从大到小依次为φ(SO_2)、φ(S2OF10)、φ(SO_2F2),产物浓度随加压时间均呈现近线性增长趋势;CF4和CS2是涉及绝缘材料放电特有的分解产物,前者浓度远高于后者;对绝缘材料进行XPS元素能谱分析,得出C元素来源于绝缘材料;此外,放电量相近时模型2#下的分解产物浓度低于模型1#。最后,在500kV SF_6式实体CT内设置了电容屏沿面及屏间短路复合缺陷,结果表明,实体缺陷下的分解产物种类和变化趋势与同类型的实验室模拟缺陷结果一致。在实验室内模拟缺陷进行气体分解特性的研究对实际应用具有指导意义。

低微水的体积分数对SF_6局部放电及分解特性的影响

为了研究交流电压、低体积分数（〈1 350×10^-6）条件下水分对SF6气体局部放电及分解特性的影响,搭建了SF6绝缘电力设备实验及检测平台,详细描述了金属突出物缺陷下局部放电量及SOF2、SO2F2、SO2、CO2等4种气体分解产物随微水的体积分数的变化规律。结果表明,平均局部放电量和总体放电量都随微水的体积分数呈现先下降后上升的趋势;微水的体积分数的增加对几种产物均有促进作用,且对3种含硫产物的促进作用强于对CO2的促进作用。气体产物体积分数比值φ（SOF2＋SO2）/φ（SO2F2）随微水的体积分数的变化表现出较好的稳定性,最终稳定在3-4之间;φ（SOF2＋SO2＋SO2F2）/φ（CO2）则随着φ（H2O）的增加呈现总体增长的趋势,其低微水的体积分数下的值在2.5-3之间。因此,SF6气体分解检测法应用过程中需要充分考虑微水的体积分数的影响。

基于X射线短时照射的高压直流GIS/GIL绝缘子表面电荷主动消散方法

直流气体绝缘开关装置及气体绝缘输电管道(GIS/GIL)绝缘子长期运行过程中会积聚大量表面电荷,易引起绝缘子异常闪络。近年来国内外学者开展了大量卓有成效的工作,深刻揭示了绝缘子表面电荷的积聚和消散机理,但GIS/GIL不打开罐体条件下,绝缘子表面电荷的快速消散问题一直没有解决。该文首次提出基于X射线短时照射的绝缘子表面电荷主动消散新方法,试验研究发现X射线照射30s即能使空气中绝缘子表面电荷几乎完全消散。对基于X射线照射的绝缘子表面电荷消散机理进行了探讨,认为X射线可能通过促进气体侧电荷沿传导及绝缘子表面电荷脱陷而实现其快速消散。由于X射线能够穿透GIS/GIL金属罐体,相关实验结果为GIS/GIL不打开罐体条件下实现绝缘子表面电荷快速消散提供了可能途径,对进一步推进直流GIS/GIL工程化具有重要意义。

基于复合神经网络的GIS局放故障类型识别

气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)局部放电故障类型识别是故障预警和制定检修计划的重要基础,对维护电力设备的安全稳定运行意义重大。在此背景下,首先分析常见的几种GIS故障类型;然后,在超高频传感器采集到的图谱信号处理和分类上,由于卷积神经网络(CNN)和深度置信网络(DBN)融合而成的复合神经网络模型可以快速实现有效特征信号的提取和故障类型准确分类,因此该文融合CNN和DBN,建立复合神经网络的主体结构,并利用该网络进行GIS局部放电故障类型识别;最后进行实验验证。结果表明该复合神经网络模型识别故障的准确性最高可达99%。

基于改进边缘连接Canny算法的绝缘子憎水性图像分割研究

传统自适应Canny算法在憎水性图像边缘检测上的效果不甚理想,往往检测出来的图像边缘断点较多,不能形成一个完整的闭合边缘。因此,文中针对绝缘子憎水性图像中水珠上边缘难以捕捉的特点,分别从滤波、阈值选择以及边缘连接方向几个层面进行优化,提出了一种改进边缘连接的Canny算法。首先,联合对比度受限的自适应直方图均衡化与引导滤波对图像进行预处理,通过双边滤波平滑图像,在Canny算法中引入二维OTSU以及边缘连接实现图像分割,最后应用最大水珠面积比法判定复合绝缘子图像的憎水性等级。实验结果表明:文中方法能够准确有效的分割水珠图像,为后续憎水性的判定提供了依据。

基于引导滤波算法的绝缘子憎水性图像去噪研究

复合绝缘子憎水性检测是保障绝缘子安全可靠运行的重要手段,其中从憎水性图像中有效去除噪声并保持边缘信息是进行绝缘子憎水性识别的重要前提。使用思路简单,运算复杂度低且滤波过程能有效克服梯度反转问题的引导滤波算法进行憎水性图像处理。在此背景下,首先分析了引导滤波的原理;然后结合憎水性图像本身的特点,将引导滤波引入憎水性图像去噪处理中;最后通过滤波实验和定量实验结果分析验证引导滤波算法在憎水性图像边缘提取预处理中的良好效果。