基于电磁瞬态过程的GIS隔离开关分合位置确认方法研究

GIS隔离开关在电力系统中扮演着重要角色,但分合闸不到位故障会威胁系统安全。传统的状态检测方法所反映的腔体内部信息有限,文中提出了一种基于电磁瞬态过程的新方法。利用在GIS隔离开关带电分合过程中产生的电磁瞬态信息,通过分析电磁瞬态信号的起止时间与开关动静触头位置关系,反演GIS隔离开关腔体内动静触头状态。同时,还提出了一种低采样频率下提取高频电磁瞬态信号特征的方法,并开发了相应的采集装置。不仅有效降低了数据采集量,同时可以成功确认GIS隔离开关的分合位置。最后通过实验证明了文中提出方法的有效性。

基于弗雷歇距离的GIS隔离开关卡涩缺陷识别及量化方法

电力工业上GIS(gas insulatedswitchgear)隔离开关的多种机械故障多是由传动机构及导电部结构应力变化导致,而这种应力变化的早期体现形式主要是卡涩缺陷。对GIS隔离开关卡涩缺陷的识别及量化对避免设备发生严重故障具有重要意义。然而,GIS隔离开关面临因工业现场开关机械状态的离散化导致的难以对卡涩缺陷进行识别和量化的问题,限制了运维人员对GIS隔离开关机械状态的感知能力与故障预警能力。文中以GIS隔离开关正常机械状态下的驱动电机功率曲线作为标准曲线,采用多窗口斜率的特征点识别方法,结合开关运行物理过程分析将电机功率曲线进行分段处理。在开关动作各分段内,采用弗雷歇距离分析对GIS隔离开关的卡涩缺陷进行识别,并相应地以标准曲线与动作曲线的弗雷歇距离作为量化依据。最后,通过ZF12B⁃126型GIS隔离开关实验,验证了文中所提出技术路线的有效性,实验证明在卡涩缺陷发展初期,文中采取的方法可以灵敏的对卡涩缺陷进行识别。

输电线路短路电流对埋地管道电位抬升及抑制方法研究

针对城市中输电线路与埋地油气金属管道临近问题,通过建立架空导/地线-杆塔-接地网-埋地管道一体化电磁场计算模型,综合考虑导线和避雷线对金属管道的感性耦合影响以及杆塔入地电流对管道的阻性耦合影响。基于此模型研究土壤电阻率、临近距离、管道参数、交叉跨越角度以及不同供流方式对金属管道电位、防腐层耐受电压的影响规律,并开展管道电位抬升的抑制方法研究,可以为输电线路发生接地短路故障时临近燃油(气)管道安全防护提供指导。

极端环境条件下输变电设备空气间隙绝缘特性研究现状及展望

高压输变电设备空气间隙长期耐受工作电压、短时耐受过电压,受极端地理气象条件的单一或组合影响,可能发生绝缘失效故障,导致系统跳闸/闭锁,进而引发电网停运,在构建新型电力系统背景下对电网造成的冲击和影响将更加严重。文章分析了高压输变电设备运行面临的极端自然环境条件,综述了低气压(高海拔)、山火、沙尘条件下高压输变电设备空气间隙绝缘特性的研究进展,分析了存在的问题,在我国能源清洁低碳转型背景下,面向输变电工程外绝缘设计、绝缘失效风险评估及广域电网停电主动防御等方面的需求,提出了极端环境条件下高压输变电设备空气间隙绝缘特性方面尚需开展的研究工作。

水平伸缩式隔离开关机械状态诊断方法研究与应用

近年来,水平伸缩式隔离开关在电网中得到了广泛的应用,但其传动部件大多直接裸露在外,导致机械缺陷频发。目前其机械状态大多依靠人工手动操作经验判断,难以实现快速准确诊断。文中通过建立水平伸缩式隔离开关虚拟样机模型并搭建相应的试验平台,分析了其运动过程中力矩的变化趋势。对比正常状态与存在不同机械缺陷时的力矩—转角曲线,存在卡涩缺陷时合、分闸力矩均明显增大;存在平衡弹簧疲劳缺陷时分闸力矩增大但合闸力矩减小;存在动作不到位缺陷时合闸力矩末值增大或啮合阶段无典型波峰;存在三相不同期缺陷时合闸啮合阶段存在多个波峰。据此,提出了基于力矩-转角曲线的水平伸缩式隔离开关机械状态诊断方法,并以某变电站同型号隔离开关安装调试为例,验证在工程应用中可以通过该方法实现其机械状态快速准确诊断。

湿污绝缘材料表面冷凝相变与局部电弧耦合机理和放电模型研究综述及展望

随着服务于国家双碳战略目标的海上风电迅速发展,高湿度、高盐雾、重污秽、易凝露等特殊运行环境诱发的沿面放电问题给电气设备的运行可靠性带来了极大挑战。该文首先阐明了研究湿污绝缘材料沿面放电问题的必要性,对湿污绝缘材料沿面闪络发展的4个宏观物理过程进行了详细介绍;然后分析了湿污绝缘材料表面冷凝相变与局部电弧耦合过程的研究现状,分别归纳了滴状冷凝、沿面闪络电–热–光–等离子体效应、冷凝相变与沿面放电耦合作用机理以及湿污绝缘材料沿面闪络放电模型4个方面的建模思想和研究方法;最后,针对现有研究的不足,对湿污绝缘材料沿面放电问题的研究重点、技术难点和发展趋势进行了展望。该文内容有助于揭示湿污绝缘材料表面冷凝相变与沿面放电多效应协同过程的耦合作用机制,可为适用于工程实际的湿污绝缘材料沿面闪络放电模型构建提供基础理论支撑。

基于流线分析的10kV油浸式变压器绕组热点温度反演模型建立及验证研究

准确获取运行变压器绕组热点温度一直是电力行业的难点问题之一。源自变压器绕组热源区域的热流是导致变压器外场域温度升高的直接推动力,该文基于变压器温度流体场耦合数值计算,分析变压器内部热流扩散规律,通过提取流经绕组热点区域与外壳散热区域的典型热流流线,选取变压器外部可测并与绕组热点温度具有强关联关系的特征测温点,并采用网格搜索法优化的支持向量回归机构建特征测温点温度与绕组热点温度间的多维非线性关系,进而建立变压器绕组热点温度反演检测模型。为拓宽反演模型的普适性,采用正交设计法构建反演模型所需的训练样本和测试样本,采用变压器多工况温升试验验证变压器温度流体场仿真结果的准确性,并验证绕组热点温度反演模型的准确性,绕组热点温度反演平均绝对误差为1.82%,最大温差小于3℃。

特高压直流输电线路短路工况下间隔棒向心力动态仿真研究

该文以某±800 kV输电线路为例,考虑子导线间距变化对电磁力的影响及碰撞过程,建立了6分裂导线间隔棒向心力动态有限元计算模型,并提出了4阶Runge-Kutta算法对模型进行求解,分析了短路工况下子导线各节点位移及间隔棒向心力变化情况。依据不同短路工况下的计算结果,分析了短路电流大小对子导线运动过程及间隔棒向心力动态变化的影响,并将计算结果与传统马努佐公式计算结果进行了对比。

±800kV特高压直流换流站阀厅金具表面电场计算

为分析特高压换流站阀厅金具表面电场分布情况,采用静电场有限元数值方法进行了求解。首先以某±800kV特高压高端阀厅为研究基础,建立3D实体模型。然后根据阀厅设备的电气参数,通过PSCAD仿真得到阀厅设备在额定功率和轻载运行时的电位波形。最后采用静电场瞬时加载法,选取典型的数值进行加载求解,得到各种运行工况下阀厅内部金具设备场强分布云图和最大值分布规律,并对场强最大的金具进行优化设计。计算结果表明,在当前设计方案及配置条件下,阀厅内部高压侧设备连接及屏蔽金具表面场强较低,完全满足特高压直流阀厅内部电场控制要求;低压侧部分设备的屏蔽金具表面场强较高,接近甚至超过起晕场强,需要重点关注,并建议将D侧支柱绝缘子均压环管径增大至100mm。研究结果为特高压阀厅金具的设计规划提供了可靠支撑,具有重要的借鉴价值。

变压器油浸纸电气参数分区反演优化算法

在运变压器内油浸纸的老化和受潮状态具有空间上的分布特性,但目前的评估方法仅限于评估绝缘的整体状况,无法检测变压器内油浸纸局部区域的绝缘状况。文中为考虑局部绝缘问题,借鉴反演思想,以油浸纸材料电气参数(电阻率和低频相对介电常数)为直接特征量,提出基于有限元电场仿真技术的变压器油浸纸电气参数分区反演计算方法,获取局部区域电气参数。针对反演算法,提出NDM-Broyden法以改进原算法NRM的计算效率。最后通过XY模型对反演结果进行验证,试验结果表明,采用该方法可有效反演出XY模型不同区域油浸纸板的电阻率和低频相对介电常数,进而为判断变压器局部油浸纸的老化和受潮状态提供参考和新思路。

基于物理信息神经网络的短间隙流注放电模拟

流注放电物理过程可由相互耦合的泊松方程和对流扩散方程描述,是涉及电磁学和流体动力学的多物理场问题。针对瞬态流注放电计算量大的问题,本研究提出了一种基于物理信息融合神经网络的流注放电高效求解模型,该模型相对传统的数值求解算法可大幅提高模型的求解效率。首先,基于二维泊松方程的解析解形式,获取了大量二维随机分布空间电荷的电场分布。利用电荷分布与电场分布的对应关系,作为泊松算子物理神经网络的训练集,得到预训练的泊松方程神经网络求解算子。随后,基于二维有限元求解器获取了不同边界条件下考虑等离子体化学反应的粒子对流—扩散的求解结果,将其作为用于预训练对流扩散物理信息神经网络的训练集。最后,将预训练的泊松算子和流体算子进行连接,得到流注放电求解模型。本研究中用于生成预训练模型的神经网络结构为DeepONet,该网络能够良好的学习偏微分方程。它包含两层子网络,其中分枝网络用于输入物理场,主网络用于输入几何的空间位置。模拟结果表明,该神经网络在两类方程的学习中精度较高,相对误差小于5%。通过将两个预训练的神经网络算子迭代求解,可以复现流注放电的电子动态演变过程,且相对误差小于10%。

热老化过程中油浸纸板电阻率影响因素研究

在运变压器内油浸纸在高温作用下逐渐发生老化,其电阻率会随老化程度的加深而变化。为了更加全面地了解老化过程中除水分外影响油浸纸电阻率的各种因素,首先对未浸油纸板在真空下进行加速热老化,制作出不同聚合度的样品,并严格控制样品含水量,在真空环境下对其进行电阻率测试,以此探究未浸油纸板聚合度对其电阻率的影响;之后将不同聚合度的纸板分别浸入不同电阻率的变压器矿物油中,探究变压器油电阻率对油浸纸板电阻率的影响;最后对浸油后的纸板在氮气条件下进行加速热老化,观察老化后油浸纸板电阻率的变化。结果表明:单纯的纸板老化会使得其电阻率上升,油浸之后部分抵消了纸板单独老化时电阻率上升的趋势,但不同电阻率的油样对油浸纸板电阻率没有明显的影响规律,而在含水量相近的条件下,油浸纸板电阻率随着老化产物的增多而下降明显。老化过程中油浸纸板电阻率的下降,是由于纸板和油老化后产生的水分、酸、糠醛等极性物质导致的,且油浸纸板聚合度与其电阻率之间存在量化关系。

中压开关柜内部短路燃弧热–力效应研究综述

中压开关柜是电力系统中重要的控制与保护设备,近年来,开关柜内部短路燃弧故障时有发生,其产生的高压力和高温效应对设备、建筑物以及工作人员的安全造成了巨大威胁。对中压开关柜内部短路燃弧热–力效应研究进行了综述,详细介绍了开关柜内部短路燃弧特性以及不同数值计算方法的差异,分析了国内外封闭容器以及开关柜内部短路燃弧试验与仿真方面的研究现状。分析表明：关于中压开关柜内部短路燃弧压力升及温升方面缺乏系统有效研究,建议开展实际中压开关柜在不同条件下的短路燃弧试验,结合内部电弧燃烧特性,建立热-力效应数值仿真模型,提出中压开关柜柜体强度校核方法与流程,并对泄压通道进行优化。

串联真空灭弧室工频预击穿电流的自均压作用

为给多断口真空断路器的开发提供理论和试验依据,进行了小开距下单断口和三断口真空灭弧室的工频电压击穿试验。工频电压击穿试验结果表明,三断口真空灭弧室的各断口电压分布在总电压的上升过程中得到了一定的改善,设计了双断口真空灭弧室的工频电压分布试验验证了该结论。真空灭弧室在工频电压作用下会同时流过容性电流和预击穿电流,故引入了预击穿电流对上述试验现象进行分析,提出了串联真空灭弧室的工频预击穿电流具有自均压作用。仿真得到的场致发射电流和试验得到的预击穿电流波形基本一致,表明真空短间隙的击穿主要是由场致发射引起的。而真正决定断路器开断成败的是暂态恢复电压,指出了多断口真空断路器不能仅依靠这种自均压作用,还需配置合理的均压措施。

基于场路直接耦合模型的交流电网直流偏磁电流分布研究

直流输电系统单极大地方式运行会导致交流系统部分变压器处于直流偏磁状态。基于场路直接耦合方法,建立了±800 k V溪浙和±800 k V灵绍特高压输电工程的直流偏磁计算模型,确定了建模范围和地网参数,并对土壤模型进行了修正,将直流偏磁电流计算值与现场测试结果进行了对比,测试站点的总的相对平均误差≤5%,验证了计算模型的准确性。进一步计算分析了单极大地运行方式下,直流接地极周围110 k V及以上电压等级变电站中变压器的直流偏磁电流分布规律,结果表明:站点的直流电流随着站点与直流接地极之间距离的增加而减小;多台变压器并列运行时,流过每台变压器的直流电流将大幅度下降;首末站点间跨度增大时,流经两站点的电流将增大。研究可为大型交流电网直流电流分布计算和直流偏磁治理提供参考。

1100kV架空线周围的工频电场

利用自行编制的计算机辅助分析软件，计算分析了1100kV特高压架空线周围工频电场的分布规律和影响因素，并从电场对环境影响方面考虑，提出了建设1100kV特高压输电线路的若干建议。

电气设备电磁多物理场数值仿真研究与应用

电气设备在电流电压的作用下,在其内部及其附近会产生多种物理场,如电磁场、温度场、流体场、应力场等,并对构成电气设备的电介质、磁介质及导体三类主要材料产生作用,如使绝缘材料因电、热、应力的作用逐渐劣化,使导磁材料饱和产生谐波,在电机类设备中使导体产生相对运动完成机电能量转换。这些物理场(电磁、温度、流体、应力、运动、绝缘)相互耦合、相互作用,构成复杂的多物理耦合场。文中首先简要回顾我国电气工程领域为计算电磁学的发展所做出的贡献;指出电磁多物理场分析贯穿于电气设备的材料研制、设计制造、运行维护的全寿命过程,是决定电气设备经济性、可靠性的"硬核";然后分别介绍电气设备电磁多物理场耦合及运动涡流场耦合数值计算中的若干关键技术;特别指出绝缘材料的放电电压计算/预测是电磁多物理场计算的重要组成部分,亟待加强;进一步结合电气设备智能运维的发展需求,介绍电气设备热点温升、材料参数等基于电磁多物理场分析的智能反演检测研究方面取得的最新成果;最后提出电气设备电磁多物理场自主分析软件平台的开发思路。

三维瞬态涡流场的全 H 棱边有限元边界元耦合算法研究

提出了求解三维瞬态涡流场的一种新方法———全Ｈ棱边有限元边界元耦合法。即在涡流区以磁场强度Ｈ为求解变量用棱边有限元法离散，在非涡流区以Ｈ为求解变量用棱边边界元法离散，在这两个区域的交界面上进行耦合，充分发挥了有限元法和边界元法的各自优点。棱边元的应用使两种方法在交界面上的耦合显得很简单，最后用这种方法计算了ＴＥＡＭＷＯＲＫＳＨＯＰ问题７，计算结果符合实测情况。

高压断路器机械振动信号混沌吸引子形态特性

提出并探讨了基于混沌吸引子形态特性的高压断路器振动信号特征提取方法。采用功率谱和Lyapunov指数分别对高压断路器振动信号进行定性和定量混沌分析,证实了高压断路器振动信号既包含高压断路器动力学特性,也存在混沌现象;在此基础上,对振动信号进行相空间重构,分析混沌吸引子形态特性与故障类型之间的关系;最后,以不同严重程度的分闸缓冲器故障为例,深入探讨了不同严重程度故障下混沌吸引子的演变规律。研究结果表明,高压断路器振动信号混沌吸引子形态在同一故障状态下较稳定,对故障类型及故障严重程度较敏感,这表明混沌吸引子形态特性是研究高压断路器振动信号特征提取的有效实用途径。

基于流注起始判据的球—板—球短空气间隙击穿电压计算

典型电极结构的击穿电压是外绝缘设计的重要依据,许多学者对此进行了大量的研究,而实际上高压输变电工程中常常需要分析悬浮导体的影响。为此,文中在考虑悬浮导体的基础上,采用Raether-Meek判据、临界电荷判据和光电离判据等3种流注起始判据对球—板—球短空气间隙的击穿电压进行了计算,并开展了工频耐压试验作为对比。结果表明,对稍不均匀电场球—板—球短空气间隙,计算结果与试验值吻合良好,所有计算结果的相对误差和平均绝对百分比误差分别在7.5%和4%以内;其中,基于光电离判据的计算结果精度最高,平均绝对百分比误差仅为2.5%。研究证明了流注起始判据在一定范围内的有效性和推广价值,并有助于阐述稍不均匀电场组合空气间隙的放电机理。