超特高压GIL三支柱绝缘子研究述评

大力发展超特高压GIL设备是“双碳”背景下解决中国大量输电需求的一个重要解决途径。但由于超特高压GIL应用历史较短,其关键性组件的可靠性还有待提高,特别是近年来GIL三支柱绝缘子闪络或击穿事故频发,面临着故障机理不明、优化方法不足、检测手段缺失等严峻现状。文中在简单介绍超特高压GIL三支柱绝缘子组成结构及类型的基础上,统计了近年来中国在运GIL工程中出现的相关故障,重点从材料选型、工艺改进、结构优化、试验与检测技术提升等多个角度,系统分析了当前超特高压GIL三支柱绝缘子在设计、制造、安装、运行及维护各阶段所存在的问题,梳理和提出了多样化的改进措施,并对后续研究给出了建议方向,可为超特高压GIL三支柱绝缘子的产品升级和故障率降低提供有益的参考。

特高压GIL非均匀热气流特性与三支柱绝缘子绝缘裕度分析

特高压(UHV)气体绝缘输电管道(GIL)导体通流发热,使绝缘气体SF6在温度梯度场下形成对流,导致三支柱绝缘子的沿面绝缘裕度与设计产生差异,威胁特高压GIL的安全运行。为探究气体对流效应对特高压GIL三支柱绝缘子沿面绝缘性能的影响,该文建立了水平敷设的1100kV GIL三支柱绝缘子电场-温度场-流体耦合仿真模型,考虑电场和气体密度的影响,计算了三支柱绝缘子放电起始电压。结果表明:大负荷条件下(8000A)GIL导体温度升高53℃,周围气体密度和介电强度下降15%,电场强度设计基准需同比例降低15%以保证足够的绝缘裕度;负荷导致放电起始电压降低11.6%,由于气体受热上浮,绝缘子上支柱周围的气体密度和介电强度均低于底部区域,更容易发生气体放电。因此,气体对流效应对特高压GIL绝缘性能的影响不能忽略,需要针对运行工况对结构及参数作进一步优化。

特高压直流复合支柱绝缘子均压环的优化设计

均压环是改善复合绝缘子电位分布和电场分布直接而有效的方式,在特高压输电系统中极其重要。为此,对特高压直流复合支柱绝缘子的电位分布和电场分布进行了计算,引入了大均压环表面、护套沿面、高压端金具表面和小均压环表面等处的最大电场强度作为优化参考量,并探讨了各均压环参数和各优化参考量间的联系,分析了大小均压环各参数优化的相互影响,拟定了大小均压环各结构参数的优化顺序,提出了特高压直流复合支柱绝缘子均压环优化方法。并以±1 100 kV直流空心复合支柱绝缘子和±800 kV直流实心复合支柱绝缘子为例,建立了电场计算模型,对其均压环进行了优化设计。改进后的优化方法能够较快、有效地找到满足条件的优化方案。

特高压直流平波电抗器的复合支柱绝缘子抗震特性

传统瓷支柱绝缘子正显现出越来越多的不足,特别是抗震性能不足的问题更为突出。±800 kV平波电抗器本体质量45 t,支撑高度12 m,传统瓷支柱绝缘子已经难以满足抗震要求。复合支柱绝缘子作为一类新型支柱绝缘子,具有很大的发展潜力,其能否用于支撑±800 kV平波电抗器的关键在于其抗震特性能否满足要求。复合支柱绝缘子芯棒各向异性材料特性的处理、电抗器支撑结构的建模方法以及抗震计算的研究方法是整个研究的关键。为此采用复合材料的计算方法求得了复合支柱绝缘子芯棒的各项参数,利用ANSYS软件建立了一个以3D梁单元为主的电抗器支撑结构模型,最后通过反应谱法求得了复合支柱绝缘子的抗震响应。计算结果表明复合支柱绝缘子的安全系数>20,完全能够满足抗震要求,从而论证了复合支柱绝缘子应用于特高压直流线路的可行性。

1000kV特高压交流支柱瓷绝缘子的研制

根据晋东南—荆门1000kV特高压交流试验示范工程对支柱瓷绝缘子机械、电气、耐地震等性能的要求,首次采用污耐压法对支柱瓷绝缘子进行了污秽外绝缘设计、耐地震计算分析和性能评价。成功地研制了结构高度10m、额定弯曲破坏负荷16kN、扭转破坏负荷10kN.m、爬电距离30250mm的1000kV特高压交流工程用支柱瓷绝缘子。该绝缘子由5个单元件组成,具有优良的机械、污耐压和耐地震特性,可运行于c级污秽等级。试验验证和运行经验皆表明所研制的绝缘子的电气、机械特性等满足特高压交流试验示范工程的要求。

±1100 kV特高压换流站支柱绝缘子屏蔽球参数优化设计

屏蔽金具是特高压换流站设备重要组成部分,其表面电场控制对换流站设备的正常运行有着至关重要的意义。为了实现±1 100 kV特高压换流站支柱绝缘子屏蔽金具的表面电场控制,以支柱绝缘子屏蔽球为研究对象,建立了3D有限元模型,采用静电场代替瞬态场计算获得屏蔽金具在操作冲击过电压下的表面电场分布,并讨论了屏蔽球形状、开孔倒角尺寸、开孔深度、倾斜角度等因素对冲击电压下金具表面电场分布的影响。计算结果表明:提出的"鼓形"金具设计方案,在冲击电压下可将表面最大场强控制在21 kV/cm以下,安全裕度较大;屏蔽球采用100 mm以上开孔倒角半径可有效降低底部电场强度。此外,适当降低开孔深度、减小倾斜角度也有益于控制屏蔽球底部场强。该研究成果为±1 100 kV换流站支柱绝缘子屏蔽金具的设计与安装提供了参考。

超(特)高压线路大吨位荷载转移的双轴传动省力丝杠研究

输电领域现有的均为单轴传动模式,远不满足大档距大吨位力的转移要求。针对上述问题进行研究,提出使用双轴传动省力丝杠替代传统单轴丝杠,提高丝杠受力吨位,以满足超(特)高压线路大档距受力大的绝缘子更换要求。

特高压变电站支柱绝缘子重覆冰闪络仿真计算与试验分析

变电站支柱类绝缘子比线路绝缘子更容易覆冰,对输电线路影响更严重。为了获取特高压(UHV)变电站支柱类绝缘子覆冰后电气特性,建立了基于Obenaus概念的特高压支柱绝缘子重覆冰闪络物理模型,对比了固体涂层法和覆冰水电导率法试验得到的闪络电压结果。试验得出:覆冰水电导率和表面盐密对闪络电压的影响相互独立且均为负幂指数趋势;不同的污秽度与不同覆冰水电导率之间具有线性对应关系。建立了计算模型,将污秽和喷淋水电导率对覆冰闪络电压的综合影响等效为只有冰层没有污层的状态,降低了计算的难度。利用该模型计算了重覆冰条件下特高压支柱绝缘子的闪络电压,结果与试验验结果的误差<10%,验证了模型的准确性。

交流特高压支柱瓷绝缘子的自然积污特性研究

为研究特高压支柱瓷绝缘子的自然积污规律,重点对荆门特高压变电站运行的支柱瓷绝缘子进行了连续3 a的积污检测。测量了盐密(equivalent salt deposit density,ESDD)、灰密(non soluble deposit density,NSDD)及污秽成分,对比分析了伞裙上表面与下表面、迎风面与背风面、平均直径、连续积污等对支柱绝缘子自然积污特性的影响规律。结果表明,1 a的积污期条件下(2010年4月至2011年4月):1)单个1000k V支柱瓷绝缘子整柱污秽分布较不均匀,高压端与其他部位的ESDD平均比值为3.4,NSDD平均比值为2.3。2)绝缘子伞裙上表面污秽度普遍高于下表面。上下表面ESDD不均匀积污比平均为1.8,上下表面NSDD不均匀积污比平均为1.6。3)绝缘子伞裙背风面污秽度普遍高于迎风面。ESDD迎风面与背风面不均匀积污比平均为0.64,NSDD迎风面与背风面不均匀积污比平均为0.55。4)饱和ESDD与连续积污时间不成正比关系,而NSDD基本与连续积污时间成正比关系。5)ESDD和NSDD随平均直径的增大呈下降趋势。6)绝缘子表面污秽物中CaS O4含量平均为68%。研究结果可为我国特高压工程外绝缘设计、产品制造和运行检修提供参考。

1000 kV交流特高压支柱瓷绝缘子制造技术

根据晋东南-荆门1 000 kV特高压交流试验示范工程对支柱瓷绝缘子机械、电气、耐地震等性能的要求,首次采用污耐压法对其进行了污秽外绝缘设计、耐地震计算分析和耐地震性能评价、成功地研制了结构高度10m、额定弯曲破坏负荷16kN、扭转破坏负荷10 kN.m、爬电距离30 250 mm的1 000 kV特高压工程用支柱瓷绝缘子。该支柱绝缘子由五个单元件组成,具有优良的机械强度特性、污耐压特性和耐地震能力,可运行于c级污秽等级。试验验证和运行经验皆表明研制的支柱瓷绝缘子的电气、机械特性等满足晋东南-荆门1 000 kV特高压交流试验示范工程的要求。

特高压复合支柱绝缘子用内绝缘芯棒概况

介绍了复合支柱绝缘子内绝缘芯棒在特高压电站中的情况。复合支柱绝缘子主要由三部分组成:内绝缘芯棒、硅胶外套及伞裙、两端的连接金具。着重介绍了复合支柱绝缘子中起关键承力作用的内绝缘芯棒。从内绝缘芯棒的分类、各自的优缺点、成型机理、制造工艺方法等方面进行了评述,为今后特高压复合支柱绝缘子用内绝缘芯棒选材提供参考。

冲击电压下特高压支柱绝缘子表面电场研究

特高压输变电工程对支柱绝缘子提出了更高的技术要求,运行中支柱绝缘子会因雷击发生污闪,而支柱绝缘子的电场、电位分布和闪络现象存在一定关系。为研究特高压支柱绝缘子表面电场分布特性,建立了1 100kV支柱绝缘子的有限元计算模型。理论分析与仿真结果表明,雷电冲击电压作用下支柱绝缘子表面电场分布随时间变化的曲线在波形上与激励源雷电波的波形相似,第一对和最后一对大小伞的电场强度较大,中间大小伞的电场强度较小,最大场强点位于金属电极下端的绝缘护套表面。

特高压支柱绝缘子连接螺栓组布设分析

对于多元件组合的棒形支柱绝缘子,在进行元件逐一强度试验时,能达到设计要求;而组合为整体后再进行强度试验时,在中间元件结合部位则会出现弯曲溃坏。通过对连接螺栓组建立受力模型并进行力学分析,以额定机械扭转负荷为8 kN.m,额定机械弯曲负荷为135kN.m的绝缘子做实例分析,确定了其附件安装孔中心圆直径为400mm,安装孔数为8个;连接螺栓直径为24mm,连接螺栓性能等级为8.8级,保证了绝缘子的设计要求。结果表明,逐一进行连接螺栓组的计算是必要的,同时还须充分考虑产品零件准备、试制、试验和装配等环节的匹配。

超(特)高压支柱绝缘子胶装比的选取

在国家电网超(特)高压线路飞速发展的时代背景下,支柱绝缘子作为电容器、电抗器的重要支撑元件,因其固有的特点融入电网的发展中,超(特)高压线路的特殊性迫使绝缘子设计更加精细,胶装比设计作为影响强度的重要因素也面临着前所未有的挑战。在超(特)高压支柱绝缘子强度设计时,要充分考虑胶装比的影响。恰当的胶装比设计,直接影响超(特)高压支柱绝缘子的质量和制造水平。通过试验发现,超(特)高压支柱绝缘子不同主体直径的胶装比控制在恰当的值才能最大限度发挥瓷件强度。为此,对超(特)高压支柱绝缘子不同主体的胶装比取值进行探讨。

超(特)高压输电及绝缘子和避雷器的发展状况

随着电力事业的发展,在西部大开发中“西电东送”的需要,将我国原有330～500kV超高电压电网,升格至750kV特高电压已势在必行,本文就升压后对绝缘子、避雷器的要求及目前国际间和一些著名厂商产品性能作了介绍,对现状和发展作了阐述。

1000kV交流特高压支柱瓷绝缘子制造技术

根据晋东南—荆门1000kV特高压交流试验示范工程对支柱瓷绝缘子机械、电气、耐地震等性能的要求,首次采用污耐压法对其进行了污秽外绝缘设计、耐地震计算分析和耐地震性能评价,成功地研制了结构高度10m、额定弯曲破坏负荷16kN、扭转破坏负荷10kN·m、爬电距离30250mm的1000kV特高压工程用支柱瓷绝缘子。试验验证和运行经验表明该支柱瓷绝缘子的电气、机械特性等满足晋东南—荆门1000kV特高压交流试验示范工程的要求。

特高压GIL哑铃型三支柱绝缘子优化设计方法

为提高气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal enclosed transmission line,GIL)在运行中的可靠性,对特高压GIL哑铃型三支柱结构参数进行了智能优化。建立三维有限元仿真计算模型,全面分析了哑铃型三支柱绝缘子结构,提取了优化决策变量。针对多段圆弧拼接的复杂支腿轮廓,应用非均匀有理B样条曲线对轮廓进行重构,通过样条曲线的拟合点(型值点)控制轮廓形状,降低了参数数量,解决了多段圆弧连接的复杂轮廓参数化建模难度高的问题。在此基础上,采用多种群遗传算法(multiplepopulation geneticalgorithm,MPGA)对哑铃型三支柱绝缘子进行了优化。优化得到胖头哑铃型三支柱绝缘子的哑铃结构起始位置被抬高,哑铃头部变大,金属嵌件表面最大场强值为9.1 kV/mm,较原始结构下降了约14.2%。该方法解决了支腿复杂轮廓参数化难度大的瓶颈,并有效改善了三支柱绝缘子整体电场分布。复杂轮廓的重构和优化方法能够有效改进哑铃型三支柱绝缘子的结构,提高绝缘子性能,提升特高压GIL的安全性和可靠性。

特高压直流输电工程GIL三支柱绝缘子故障分析及改进措施

随着特高压直流输电工程建设日益深入,气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)以占地面积小、环境兼容性好、输送容量大、能承载高电压及大电流等优点被广泛应用于特高压直流输电系统,其运行稳定性研究被提上日程。为了分析GIL运行过程中三支柱绝缘子故障原因,研究三支柱绝缘子运行特性,通过GIL超声波局部放电分析、解体检查、固定三支柱绝缘子受力分析及固定三支柱绝缘子生产工艺分析,明确GIL三支柱绝缘子内部制造缺陷为故障原因。分析认为,通过对GIL固定三支柱装配优化、绝缘支柱生产过程优化及固定三支柱连板优化等措施,改进后三支柱绝缘子应用于生产现场可有效降低GIL设备故障率,提高GIL运行稳定性,对特高压直流输电工程的可靠运行有着重要意义。

超(特)高压输电及绝缘子避雷器的发展状况

绝缘子和避雷器是输变电设备不可或缺的保护设备。绝缘子(Insulator)主要用于高压输电线路和各种电器设备中,起绝缘、机械联结和支撑作用。避雷器(surge arrester)是一种能吸收过电压能量。