气体绝缘输电管道微粒陷阱设计技术研究进展

金属微粒是威胁气体绝缘输电管道(GIL)设备绝缘性能的主要因素之一,微粒陷阱作为抑制GIL内微粒的重要措施,其设计技术是GIL的关键技术之一。该文对GIL微粒陷阱设计技术研究进展进行梳理,首先简要介绍了GIL微粒陷阱的发展历程,并对已有的GIL微粒陷阱设计方法进行归纳总结;然后概述了GIL内金属微粒的运动特性,重点对比了交、直流电压下金属微粒运动特性的差异性,并进一步分析了交、直流GIL中微粒陷阱的捕捉机制,提出了相应的设计原则;此外介绍了微粒陷阱参数优化与布置策略等关键设计技术,提出了通过建立微粒运动轨迹计算模型分析陷阱捕捉效果的方法,获得陷阱优化参数与最佳布置位置;最后归纳了微粒陷阱设计仍需解决的关键问题。这些研究成果的总结可为GIL内部微粒陷阱设计提供参考和借鉴。

35 kV聚合物混凝土固体绝缘输电管道研究

聚合物混凝土固体绝缘输电管道是一种新型的输电装置,文中介绍了聚合物混凝土的性能和聚合物混凝土固体绝缘输电装置的制作工艺,对试制的35 kV聚合物混凝土固体绝缘输电管道样机,设计了样机的测试试验并进行相关测试,主要包括:绝缘电阻试验测试,电容和介质损耗试验测试,工频耐压试验测试,局部放电试验测试,雷电冲击耐压试验测试,温升试验测试,动热稳定性试验测试。试验结果表明,35 kV聚合物混凝土固体绝缘管道样机的各项性能测试结果均达到设计时的预期要求,使得聚合物混凝土固体绝缘输电管道成为切合实际的输电装置。

环保绝缘气体介电强度预测方法评估

为明确各类气体介电强度预测方法的准确性,基于9种气体(N_(2)、CO_(2)、N_(2)O、CF_(4)、SO_(2)F_(2)、c-C_(4)F_(8)、C_(3)F_(8)、C_5F_(10O)和C_(4)F_(7)N)在50 Hz工频交流电场下测得的相对介电强度对5种预测方法进行了评估。结果表明,各方法预测准确性与其给出的可决系数R~2不一致。这主要与其使用的样本数据测试条件不统一、同一气体的相对介电强度不一致有关。当修正上述问题后,各方法准确性得到提升,并与其R~2相符。分子参数的丰富和放电理论的介入可使预测方法准确性提升。使用样本外气体进行验证的方法,其预测结果在修正前后都具有较高的准确性;使用基团贡献法的预测方法也具有上述特性。通过上述评估结果可知,样本中的气体数据需在统一条件下获得,并根据试验条件和样本分子特征确定预测方法的适用范围。放电理论、分子几何特征和新分子参数的引入有助于提高预测模型的准确性。模型验证和基团贡献法可提高预测方法对样本数据的包容性。

抛光方式对交流电压下盆式绝缘子表面电荷分布和沿面闪络特性的影响

盆式绝缘子作为交流GIL关键部件,在运行工况下多次发生表面抛光区域随机性沿面放电现象,并伴随有金属粉尘,严重威胁GIL可靠运行。为此对环氧树脂盆式绝缘子进行了局部环向和径向抛光处理,测试了不同截断相位交流电压下表面电荷积聚特性和交流、交流预压以及预置金属粉尘下的沿面闪络电压,分析了整体抛光和表面修复对沿面绝缘性能的提升效果。研究结果表明:未抛光绝缘子和环向抛光绝缘子表面积聚的电荷均以负极性为主,且环向抛光后存在电荷集中带,整体电荷密度远高于未抛光绝缘子,径向抛光绝缘子的处理区域积聚的电荷以正极性为主,表面电荷整体分布极不均匀;径向抛光盆式绝缘子的闪络电压下降最为明显,预置粉尘工况下沿面闪络电压下降约为20%。抛光处理前后表面形貌和元素变化以及纯环氧树脂绝缘子的表面电荷分布结果验证了抛光区域暴露的氧化铝颗粒容易产生微放电,是表面异极性电荷积聚以及金属粉尘吸附下沿面闪络电压大幅下降的主要原因;整体抛光和表面修复后表面电荷积聚减少且闪络电压显著提升,相关结果也为GIL盆式绝缘子表面处理提供了参考和依据。

基于迭代算法的功能梯度绝缘子介电常数分布优化

为了改善气体绝缘输电管道绝缘子沿面电场分布,提出一种基于迭代算法的功能梯度绝缘子介电常数分布优化方法,该方法具有策略简单、迭代次数少、效率高等优点。通过对圆台绝缘子和盆式绝缘子的介电常数分布进行优化,得到主要结论如下:圆台绝缘子的沿面电场分布呈现出由高压电极三结合点向地电极递减的趋势。优化后,圆台绝缘子沿面电场强度最大值由2.3 kV/mm降至1.1 kV/mm,下降幅度超过50%。对盆式绝缘子的介电常数分布进行优化时,需要兼顾绝缘子凹面和凸面的沿面电场分布。经过优化的盆式绝缘子的相对介电常数分布在径向坐标上呈现出“中间低,两侧高”的趋势,绝缘子的凹面电场强度最大值下降幅度超过60%。考虑到实际应用中构造连续梯度非常困难,该文提出“等厚梯度”和“等差梯度”两种离散化方案,对最优的连续介电常数分布进行离散化处理。

表层非线性电导盆式绝缘子表面电荷分布与沿面放电特性

盆式绝缘子表面电荷积聚是影响直流气体绝缘输电管道(direct current gas insulated transmission line,DC-GIL)电场分布与沿面闪络的重要因素,因此探究绝缘子表面电荷积聚机理并提出调控方法,进而改善绝缘子沿面电场分布具有重要意义。该文搭建缩尺直流GIL绝缘子试验平台,研究不同SiC质量分数(23.1%、37.5%、47.4%)的非线性电导涂层对直流电压、金属微粒附着和极性反转工况下盆式绝缘子表面电荷分布与沿面闪络特性的影响规律。结果表明:环氧基Al_(2)O_(3)绝缘子的表面电荷极性取决于气固侧电流密度博弈结果,具有显著的场强依赖特性;非线性电导涂层可以自适应调控直流GIL绝缘子的表面电荷与沿面电场分布,显著提高不同工况下的沿面闪络电压。该文的研究结果为高可靠性直流GIL绝缘子的研发提供了一种潜在的解决方案。

高压直流GIL盆式绝缘子非线性电导参数优化

直流气体绝缘输电管道(direct current gas insulated lines,DC-GIL)电场分布受温度梯度、运行电压、金属微粒等诸多因素影响,具有非常大的不确定性,给绝缘设计和运行稳定性带来挑战。非线性电导材料能够自适应地调控直流设备电场分布,有望突破DC-GIL绝缘子设计瓶颈。为了兼顾电场调节作用和损耗特性,建立100 kV直流GIL仿真模型,对比研究运行工况下传统绝缘子、表层电导非线性(surface nonlinear conductivity,SNC)绝缘子和体电导非线性(bulk nonlinear conductivity,BNC)绝缘子的电场分布及损耗功率。通过分析非线性电导(nonlinear conductivity,NC)参数对气固沿面电场调控作用和损耗特性的影响规律,发现SNC绝缘子的电场畸变率先随着欧姆区电导率和非线性系数的增大而快速下降,而后趋于平稳。理想情况下,SNC绝缘子的NC参数应处于电场调节作用的"饱和临界线",且欧姆区电导率最低。而BNC绝缘子的电场调节作用仅依赖于非线性系数,降低欧姆区电导率可降低绝缘子功率损耗。缩比绝缘子实验结果证实了SNC绝缘子非线性参数直接影响DC-GIL沿面闪络电压。

混合式超高压输电方案在阳江核电厂的应用

结合阳江核电厂的特点,对核电厂500kV架空线路和气体绝缘管道输电线两种主变压器进线方案进行了技术经济分析比较,综合考虑核电厂的安全可靠性等因素,在国内首次采用架空线和气体绝缘管道输电线相结合的混合式方案。

水性环氧树脂对聚合物水泥混凝土材料电气性能的影响

以硫铝酸盐水泥(S)为基料,通过掺杂水性环氧树脂(E),采用浇注成型方式制备了SE系列新型聚合物水泥混凝土输电管道用绝缘材料。通过对该材料进行局部放电、扫描电子显微镜、电导率及热学性能测试,研究了微观形貌和电气性能的关联性,并计算了试样的电导活化能。结果表明:掺杂水性环氧树脂对聚合物混凝土材料的电气性能具有显著影响,局部放电起始电压随掺杂含量的增加先增大后减小,其中SE-7.5(水性环氧树脂的含量为0.075%)试样的局部放电起始电压最大。分析SEM的结果发现,SE-7.5试样的表面更为致密,孔隙率低,使得放电通道难以形成,导致其具有较大的局部放电起始电压。随着掺杂含量的增加,试样的电导率减小,电导活化能先增加后减小,SE-7.5试样的电导活化能最大,且具有更稳定的热性能。这是因为具有强粘接性的水性环氧树脂能够使水泥化合物粘接更紧密,适量的掺杂可以减小材料的孔隙率,改善材料的界面特性。当水性环氧树脂的掺杂含量为0.075%时,聚合物混凝土试样具有最佳的综合电气性能。

气体绝缘管道输电线和气体绝缘组合电器在电厂中的应用

电厂中每个元件的可靠性对于其运行的经济性非常重要。在开关系统使用GIS以及在输电系统使用GIL能够最大限度地实现电力传输系统的可靠性。这 2种技术综合应用保证了输电系统的高效率。如果考虑到这类系统的停运费用 ,还会导致低寿命周期成本。

0.1～0.25 MPa气压下SF_6、CF_3I及其二元三元混合气体的击穿特性

气体绝缘输电管道作为一种新型输电方式,具有在未来替代架空线路和电缆被用于直流配电网络的可能性,而寻找其内部气体绝缘物质SF_6的替代气体一直是国内外学者研究的热点。为此研究了0.1~0.25 MPa气压范围内,SF_6、CF3I、N_2及CO_2组成的二元、三元混合气体在负极性直流电场下的击穿特性。实验结果表明:同气压的CF3I/N_2二元混合气体的直流击穿场强低于相同比例的SF_6/N_2二元混合气体;相同气压下,SF_6/CF3I/N_2(体积比1:2:7)三元混合气体击穿场强与CF3I/N_2(体积比3:7)二元混合气体相当,略高于SF_6/CF3I/CO_2(体积比1:2:7)三元混合气体。综合气体的击穿特性、GWP和露点温度3个方面,发现2:8和3:7两种体积比例的CF3I/N_2二元混合气体可完全替代SF_6气体应用于直流配电网气体绝缘输电管道。

固–气界面电荷消散特性及其动力学过程

直流电场下气体绝缘设备中固体绝缘介质表面电荷的积聚会导致固–气界面的局部电场畸变,从而降低系统的绝缘水平。研究固–气界面电荷的消散特性可为高压直流气体绝缘装置的研发提供重要的理论基础。利用针–板电极向绝缘材料表面注入电荷,在不同条件下进行固–气界面电荷消散实验。采用静电探头法测量试样表面的电位分布,并通过反演计算得到电荷密度分布。结果表明:处在气体氛围中的环氧树脂材料,其表面电荷主要是通过与气体中离子中和消散,消散过程与气体中电场的分布有关。处在开放空间中的试样,表面电荷密度越大的地方电场越集中,因而迁移至此的异号带电粒子更多,表面电荷消散也更快,最后在试样表面会逐渐形成"火山口"形的电荷分布。基于固–气界面电荷消散的三种途径,构建了固–气界面电荷消散的动力学模型,分别考察了通过体电导消散、面电导消散,以及与气体中离子中和消散3种不同消散机理主导下的固–气界面电荷消散特性。研究发现,对于体积电导率小于10?15S/m的材料,表面电荷主要通过与气体中离子中和消散;对于体积电导率大于10?14S/m的材料,表面电荷主要通过体电导消散,各处消散速率基本一致;未经特殊处理的绝缘材料,表面电导率较小,对表面电荷消散的作用有限。

GIL内SO_(2)F_(2)扩散特性及其对组分检测的影响

为明确SFe放电分解产生的特征气体SO_(2)F_(2)在GIL内的扩散特性及其对气体组分检测结果的影响,通过GIL缩比模型及扩散试验平台,分别对不同缺陷程度、时间t和缺陷处及距离缺陷1.5 m处的SO_(2)F_(2)体积分数进行了测定。结合Fick定律,对SO_(2)F_(2)在SF_(6),中的扩散过程进行了仿真。结果表明:缺陷处的SO_(2)F_(2)生成速度与放电强度具有一定的线性关系,且放电较弱时呈非线性增长,放电较强时呈线性增长。两位置处的SO_(2)F_(2)体积分数具有一定的时间延迟和衰减,但其体积分数的增长形式区别较小。GIL内的SO_(2)F_(2)扩散过程主要与时间t位置x及扩散系数DSO_(2)F_(2)/SO_(6)而SO_(2)F_(2)的生成速度不会对扩散速度产生影响。扩散过程中,x越大SO_(2)F_(2)用的扩散时延Δt越大,且CSO_(2)F_(2)会随着x增加呈指数衰减,而CS2F2的增长速率在扩散过程中不会产生明显变化。因此对于GIL设备,缺陷处的CSO_(2)F_(2)会较实际检测结果更高,以CSO_(2)F_(2),作为诊断判据时应充分考虑扩散过程的影响。而CSO_(2)F_(2)的增长速率受扩散影响较小,可能更适合作为GIL绝缘状态的诊断依据。

操作冲击电压下C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体252kV GIL间隙及沿面放电特性

C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体作为有望在高电压等级气体绝缘输电管道(GIL)中替代SF_(6)的环保绝缘气体被广泛研究。在高电压等级下,操作冲击电压下的介质绝缘特性成为绝缘配合中无法忽略的重要因素,然而现阶段操作冲击电压下C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中间隙击穿和沿面闪络特性研究很少。该文通过实验研究操作冲击电压下C_(4)F_(7)N摩尔百分比为5%、9%、13%的C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中252kV GIL中间隙和沿面放电特性,并与0.5MPa SF_(6)中的实验结果进行对比。结果表明,放电电压随压强及混合气体C_(4)F_(7)N摩尔百分比升高而上升;放电存在盆式绝缘子凹面侧间隙-沿面闪络和间隙击穿两种形式;0.5MPa 13%C_(4)F_(7)N/87%CO_(2)、0.6MPa 9%C_(4)F_(7)N/91%CO_(2)混合气体下沿面绝缘强度达到0.5MPa下SF_(6)绝缘强度的87%以上,而0.7MPa 9%C_(4)F_(7)N/91%CO_(2)混合气体下沿面绝缘强度已超过0.5MPa下SF_(6)的绝缘强度。

直流电应力下线形微粒飞萤运动物理机制与临界起始判据

直流气体绝缘开关与输电管道(GIS/GIL)中线形微粒存在特殊的飞萤运动行为,即未碰撞地电极而反向运动或在高压电极表面悬浮运动,是影响直流GIS/GIL绝缘性能的关键因素之一。为厘清微粒飞萤运动物理机制,搭建了微粒飞萤运动观测与荷电量测试平台,获得了不同电压下线形微粒的运动与荷电特性。研究表明,线形微粒附近空间电荷导致微粒荷电量的极性变化,是产生飞萤运动的关键诱因,电极表面线形微粒的电晕起始电压是导致微粒荷电量极性改变的临界电压。进一步,基于直流棒板间隙的光电离模型计算了电极表面线形微粒的起晕电压,由测量结果拟合得到纳入起晕电压影响的微粒荷电量表达式,并结合电荷端部集中特性建立了线形微粒的荷电运动模型,由此提出飞萤运动的临界起始判据,实现了线形微粒飞萤运动的动态模拟。计算获得100kV直流GIL样机中不同尺寸微粒的飞萤起始电场强度,对于0.5MPa的SF6气体环境,直径0.2mm、长度5mm线形微粒的负极性飞萤起始电场强度为2.78MV/m,正极性飞萤起始电场强度为4.93MV/m。该研究在抑制微粒飞萤运动方面为直流GIL的主绝缘设计提供了参考依据。

环氧复合材料表面电位衰减与直流电导特性

气体绝缘输电管道（GIL）绝缘子通常由环氧树脂／Al2O3复合材料浇注而成。在直流电压及负载温升作用下，绝缘子表面易积聚电荷造成电场畸变，进而引发沿面闪络。本文为探索非线性ZnO填料对环氧树脂／Al2O3／ZnO复合材料绝缘性能的影响规律，对直流电压下不同ZnO含量的环氧复合材料表面电位衰减进行了测量，分析了不同温度对表面电荷特性的影响，得到了基于电荷消散的非线性电导变化规律。研究结果表明：直流电压下，ZnO颗粒掺杂可以明显促进环氧复合材料表面电荷消散；随着温度升高，载流子迁移率增大，表面电荷的消散速度加快；当ZnO含量超过一定阈值时，电导率在高场下呈现非线性特性，从而抑制环氧树脂复合材料表面电荷积聚。相关结果为非线性电导复合材料在调控直流气体绝缘输电管道绝缘子表面电荷特性方面的应用提供了参考。