特高压混合直流工程快速旁路保护用兆伏级SF_6间隙等离子体喷射触发特性及工程设计

在江苏白鹤滩±800 kV特高压混合直流工程中,受端交流侧三相接地故障穿越失败时,会在±400 kV柔直母线上产生高幅值过电压,严重威胁柔直阀组安全,而基于等离子体喷射的超快速旁路开关1 ms内将柔直母线快速接地保护柔直阀组是一种全新的解决方案。DC 400 kV触发间隙需满足高耐压(>1.2 MV)、低工作系数(<5%)、短延时(<1 ms)、大通流等严苛要求,而如何实现高气压、长间隙的可靠触发导通,并提出工程化设计方案是关键难题。为此搭建了增强型等离子体喷射触发间隙导通研究平台,重点研究触发电压、气压、间隙长度以及工作系数等关键影响因素对SF_(6)触发间隙导通特性的影响规律。结果表明,提升触发电压可显著提升触发导通概率、降低触发延时,但存在一定的饱和现象;在固定的工作电压下,随气压或间隙长度的增加,工作系数显著减小,导致触发延时骤增且导通概率急剧减小;在相同工作系数下,高气压短间隙的触发导通性能更强。据此提出满足特高压混合直流工程400 kV柔直母线快速接地用DC 400 kV间隙开关,间隙采用复合外套单间隙结构,轮转型触发腔设计实现多次触发。研制了触发间隙试验样机(间隙距离为10 cm、压强为0.5 MPa的SF_(6)),其雷电耐压>1250kV,临界可触发电压<50 kV,导通时延<0.5 ms。该研究结果为特高压混合直流输电系统中柔直阀组快速保护用兆伏级SF_6触发间隙工程应用提供了理论支持和工程初步设计方案。

SF_(6)/N_(2)介质条件下GIS隔离开关操作动态击穿特性研究及其操作过电压的计算

从工程应用角度来看,SF_(6)/N_(2)混合气体仍是替代纯SF_(6)气体最有效的方案。为给SF_(6)/N_(2)混合气体作为介质的电气设备绝缘配合提供参考,该文针对SF_(6)/N_(2)混合气体不同混合比和不同气压条件下的隔离开关操作过电压开展了研究。SF_(6)/N_(2)混合气体的击穿特性是过电压计算的基础。研究表明:SF_(6)/N_(2)混合气体临界击穿电压与其气体密度分布呈线性关系。为此,该文建立多物理场耦合模型,采用场计算的方法分析SF_(6)/N_(2)混合气体在隔离开关操作过程中的动态击穿特性。同时为模拟隔离开关的动态操作过程,采用了动网格划分技术。随后对不同条件下混合气体的击穿电压进行了数据拟合工作,并采用拟合优度和显著性检验对拟合函数进行评价,最终采用二次多项式函数进行了拟合。在上述研究基础上,利用混合气体动态击穿特性和重燃判据建立了SF_(6)/N_(2)混合气体放电模型,并根据混合气体动态击穿特性解决了混合气体单次放电模型中上升时间常数的计算问题。最后以典型的550kVGIS间隔回路为例对SF_(6)/N_(2)混合气体介质气体绝缘变电站(gas insulated substation,GIS)隔离开关操作过电压进行了计算。计算结果表明:绝缘强度相同的SF_(6)/N_(2)混合气体与纯SF_(6)在隔离开关操作过程中重复击穿产生的特快速暂态过电压VFTO(very fast transient overvoltage,VFTO)波形及幅值相似且击穿次数相同;0.6MPa气室压强条件下,SF_(6)/N_(2)混合气体中SF_(6)体积占比从20%增加至40%时,隔离开关击穿次数及开关过程中VFTO_(SF6)/N_(2)全过程持续时间均可减少50%左右;30%SF_(6)体积占比条件下,气室压强从0.6MPa增加到0.8MPa时,隔离开关击穿次数减少一半、开关过程中VFTO_(SF6)/N_(2)全过程持续时间缩短30%左右。

基于改进直方图均衡的SF6泄漏区域增强算法

SF6气体红外成像易受环境噪声影响,呈低对比度与低信噪比特性。导致现有算法无法自适应增强SF6泄漏区域和抑制高斯噪声。针对上述问题,提出一种基于改进HE的SF6泄漏区域增强算法。该算法首先采用单尺度Retinex处理原始SF6图像获得反射图像,然后利用引导滤波将反射图像分解为细节层和基本层,最后采用改进的直方图均衡化来自适应处理基本层,并将增强后的图像进行融合来获得最终的图像。实验结果表明:本文算法不仅能够自适应增强泄漏区域的对比度,而且具有良好边缘保持特性和抑制高斯噪声的性能。其增强效果优于现有的SF6红外图像增强算法。有效改善了SF6红外图像低对比度和低信噪比特性。

Ag表面对SF_(6)初级分解产物氧化反应的影响作用研究

运行经验显示SF_(6)在气体绝缘开关设备(GIS)中的热稳定性低于预期,GIS内部的金属表面可能对SF_(6)初级分解与次级反应具有显著的影响作用,但作用机理尚不明晰。该文基于密度泛函理论获得了O_(2)在Ag表面的解离-吸附构型,并建立了低氟硫化物与Ag表面O原子的反应模型,初步揭示了GIS过热故障状态下SF_(6)初级分解产物在Ag表面的氧化反应机理;基于过渡态理论和反应动力学理论,计算获取了界面反应的能垒和反应速率常数,并与气相反应对比,分别确定了三种低氟硫化物的氧化反应路径及其主要场所,并分析了Ag表面对反应的促进/抑制作用机制。结果显示,Ag表面可显著促进SOF_(4)与SOF_(3)的产生,但不利于SF2的表面氧化反应。

基于GIS组合设备的SF6气体压力精准监测研究

SF6气体压力数据中的野值会导致数据质量不高,使SF6气体压力在线监测精度与效率下降,设计一种针对变电站GIS组合电器设备的SF6气体压力在线监测方法。通过SF6气体压力数据采集架构获取气体压力数据,采用回归模型检测并剔除压力数据中的野值。以剔除野值后的数据为基础,采用Beattie-Bridgman方程计算电气设备实时SF6气体压力值,利用灰色理论对压力值展开拟合处理获得精准的SF6气体压力在线监测值。实验结果表明,设计的方法针对SF6气体压力数据采集质量高,监测精度较高。

GIS设备SF6气体检测技术优化与自动补气新装置设计

在科技进一步发展的时代背景下,电力设备更新换代,以往所采用的油断路器与真空断路器逐步被创新式SF6断路器所替代。以确保供电安全、减少SF6气体泄漏故障问题作为根本目标,通过探究GIS设备SF6气体检测与自动补气控制等方法措施,进一步分析SF6设备概况及充气作业中存在的具体问题,介绍该装置的结构设计方案和功能要求,进而获取该装置在现场工作中提高充气精度、改善了工艺水平等良好结果,这对GIS设备SF6气体管理的实践工作有一定的指导意义。

基于5G通信技术的变电站SF_(6)气瓶智能管理系统设计

为确保变电站六氟化硫(SF_(6))气瓶智能管理的时效性和可靠性,设计基于5G通信技术的变电站SF_(6)气瓶智能管理系统。通过SF_(6)气体采集器等装置,感知并采集变电站SF_(6)气瓶的状态数据。将该数据通过由5G通信技术构建的5G传输模块,传送至管理模块,并采用5G切片技术划分网络,以实现按需通信。管理模块接收经由5G传输模块传送的数据后,基于非分光红外差分检测方法,在线智能检测SF_(6)气瓶的泄漏浓度,并校核SF_(6)气体在线监测结果,以实现SF_(6)气瓶的智能管理。测试结果表明:网络传输平均速率在8~10 Gbit/s之间,极大程度接近传输速率峰值,通信的实时性良好;能够实时监测SF_(6)气瓶运行状态,在线监测精度较高,平均偏移程度低于0.035。该系统可全面呈现气体的泄漏情况,以及发生泄漏的时间和泄漏气体的浓度情况。

500 kV SF6断路器复合绝缘套管绝缘介质液化电场研究

为研究复合绝缘子套管中的SF6气体发生液化对套管内部电场分布的影响,采用电流场有限元法对内部电场进行了求解分析。基于某项目中复合套管参数建立了3D实体模型,假设在重要部位出现液滴进行工频瞬态电场计算,得出整体电场强度分布规律和液滴周围电场强度分布规律。研究发现,轴对称方法不再适用于SF6液化情况的分析。结果表明,液滴会导致附近电场强度增大,且液滴介电常数越大电场强度越高,电场强度随液滴参数变化最大可能变为原场强的3倍,当液态SF6的介电常数高且SF6填充压力低,产生过电压时可能会形成击穿。另外,在地电位屏蔽上发生液化并引起放电的可能性最高,需要额外的加热措施或更换填充气体为SF6-N2气体。

420kV及以上高压断路器电寿命试验中SF6气体分解产物及其影响研究

断路器承担着切除电力系统短路故障的重要任务,当故障出现时,需要断路器在数十毫秒内开断短路电流,因此断路器的性能对电力系统的安全运行有着重要的影响。SF6气体是高电压等级交流断路器中最常用的灭弧介质,开断短路电流的过程中,SF6会在电弧作用下产生多种分解产物,降低断路器的开断能力。文中通过对5台420kV及以上高压交流断路器开展电寿命试验,对SF6分解产物进行跟踪测量及分析,研究了SO2等分解产物对断路器开断性能的影响。

微水条件下SF6/CF_(4)混合气体中的低温沿面放电特性

为了探究微水条件下SF_(6)/CF_(4)混合气体中的环氧树脂低温沿面闪络特性,开展0.2 MPa与0.4 MPa两个气压下50%SF_(6)/50%CF_(4)混合气体在不同温度和微水含量条件下的环氧树脂沿面放电试验。文中利用板—板电极模拟切向电场为主的准均匀电场,通过计算和实验探究了微水含量的选取和控制方法,研究了温度和微水含量对50%SF_(6)/50%CF_(4)混合气体中准均匀电场沿面闪络的影响,研究发现:沿面闪络电压随温度降低呈先减小后稳定的变化规律,仅当试验气压为0.2 MPa且含水量为3000 ppm(1 ppm=1×10^(-6))时,沿面闪络电压随温度降低呈先增大后减小的规律;微水含量在300~3000 ppm范围内时,微水含量对气压为0.2 MPa和0.4 MPa的50%SF_(6)/50%CF_(4)混合气体中沿面闪络击穿场强的影响不大。试验可为低温下的GIS等设备的状态评估提供参考。

GIS设备内SF6气体泄漏检测技术创新研究

现有技术中的变电站GIS设备内SF6气体泄漏浓度较大,检测精度较低。试验设计了TMS+XD芯片提高巡视机器人性能,采用离子迁移法设计SF6检测技术,利用扫描窗口提供的SF6浓度分析离子波谱,可精准地判断气体泄漏规律;采用差分能量检测(DED)算法和概率学公式掌握SF6气体泄漏浓度,进而制定出最佳填充范围,增加变电站GIS设备的安全性。试验结果表明:研究检测系统输出的SF6泄漏浓度为15.8 mol/mL,检测精度为92.5%,SF6气体泄漏浓度少,检测精度高。

SF_(6)/N_(2)混合气体在126kV气体绝缘金属封闭开关设备中的应用

在役的大部分气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)使用绝缘性能较好的SF6气体作为绝缘介质。为实现“双碳”目标,开展绝缘气体的替代研究以控制SF6气体的使用与排放有助于提升电力设备的环境友好性。为实现SF_(6)/N_(2)混合气体在126kV GIS中的应用,首先确定126kV SF_(6)/N_(2)混合气体型GIS的基本参数,并通过建立各单元的有限元模型进行仿真计算,验证了设计的可行性。型式试验的顺利通过表明,在维持现有GIS结构的前提下,适当混合比及充气压力的SF_(6)/N_(2)混合气体能保证GIS的正常运行。

SF6开关在变电检修中的问题与应对措施

阐述SF6开关的原理和优势,探讨变电检修过程中SF6开关面临的问题,以及应对的措施,包括应对气体泄漏问题的处理方法、加强对SF6开关压力的控制、应对SF6开关开关故障的措施。

一起35 kV SF_(6)断路器气压低频繁告警的故障分析

SF_(6)气体绝缘高压断路器,其气压会因为泄漏和温度等原因而发生变化,对变电站安全运行造成影响。文章针对案例进行具体分析,在气压低频繁告警的故障发生时,应对断路器进行检漏检查,快速定位故障点,并加强在日常运维和检修过程中的防范。

应用卡尔费休库仑法测定运行SF_(6)气体中的微量水分

SF_(6)气体微量水分测试是电气设备重要的状态检测试验,现行测试方法的结果存在差异时,需要引入一种辅助判断方法。文中首先介绍了卡尔费休库仑法的技术原理,着重利用不同方法间的比对分析了卡尔费休库仑法测试运行中SF_(6)气体微量水分的适用性,重点分析了测试过程中的影响因素及应对措施。结果表明:①卡尔费休库伦法的测试误差和重复性满足SF_(6)气体微量水分测试要求;②进样流速快慢均不利于测试准确性,可将进样流速控制在400~600 mL/min范围内;③保证测试准确性应至少进样3 L,当SF_(6)气体中水分含量过低则还应适当增加进样量;④故障SF_(6)气体中HF和H_(2)S组分性质活泼易影响测试结果,不建议在故障气室上应用卡尔费休库仑法。最后,通过不确定度评定和差异辅助判断,对方法的实际应用进行了验证。

金属突出物电极结构下SF6气体临界击穿场强计算研究

SF6气体在电力绝缘设备中的应用已经非常广泛,研究SF6气体放电击穿特性对于计算金属突出物电极结构下SF6气体临界击穿场强具有重要意义。文中针对SF6气体在金属突出物电极结构下的放电击穿过程开展了详细的理论研究与计算分析。首先,基于已有的SF6气体击穿过程进行理论总结并加以完善;然后,引入阶段先导发展模型,针对稍不均匀电场条件下SF6气体放电击穿过程进行建模。将放电击穿分为3个主要过程,首电子产生阶段、流注初始阶段及先导发展至击穿阶段;最后,结合气体物性参数建立金属突出物电极结构下SF6气体折合临界击穿场强计算综合模型,计算得到SF6气体在金属突出物电极结构下临界击穿场强。研究表明:相同压强情况下,交流电压下的临界击穿场强要比雷电冲击电压下的折合临界击穿场强低。雷电冲击电压下临界击穿场强极性随电极结构和压强条件的变化而改变。并且,由于在曲率较大处的电极处局部放电产生空间电荷的影响,随着压强的增大和突出物尖端的加长,正极性雷电冲击电压下的临界击穿场强趋向施加交流电压下的临界击穿场强。

252kV GIS用SF6/N_(2)混合气体局放特性研究

为了研究工频电压下SF_(6)/N_(2)混合气体的局放特性及其在GIS中的工程应用前景,文中设计了尖端、气隙两种GIS局放缺陷模型并进行了电场仿真分析,搭建了252 kV GIS局放试验样机,在绝缘等效基础上分别进行了不同气体混合比(2∶8、3∶7、4∶6)、不同气压(0.4、0.5、0.6 MPa)条件下SF_(6)/N_(2)混合气体的局放试验。仿真及试验结果表明:SF_(6)/N_(2)混合气体的局放起始电压、熄灭电压、视在放电量均小于纯SF_(6),说明SF_(6)加入N_(2)可以降低其对电场畸变的敏感程度。通过对比SF_(6)/N_(2)混合气体和纯SF_(6)之间的局放图谱,发现SF_(6)/N_(2)混合气体与同等工频绝缘强度的纯SF_(6)局放水平相当,在不改变现有GIS结构和设计原则的前提下可以替代纯SF_(6)。

基于紫外光声光谱的SF_(6)特征分解组分SO_(2)的高灵敏度检测技术

搭建了一套气室容积仅为0.79 mL的非共振式光声光谱检测装置,在0至100 ppm浓度范围内,激发的光声信号幅度与SO_(2)/SF_(6)混合气体浓度之间有良好的线性关系,响应度为5.59μV/ppm。系统的归一化噪声等效吸收系数为7.2×10^(-8)cm^(-1)W·Hz^(-1/2)。Allan-Werle方差分析结果表明,当平均时间为100 s时,系统对SO_(2)的检测极限达到0.1 ppm。本文提出的高灵敏度SO_(2)气体原位检测技术为判断SF_(6)气体绝缘设备的故障程度提供了有效的解决方案。

便携积木式SF_(6)在线净化技术研究

SF_(6)气体设备内杂质气体超标的传统解决方案是在停电条件下,将SF_(6)气体回收至净化装置内完成气体净化处理,操作十分复杂,且停电检修会造成较大的经济损失。研究了一种可自由拆卸组装以利于现场搬运的便携积木式SF_(6)在线净化器。设计“肺”片净化能力实验,验证活性氧化铝和kdhF-03型分子筛对水分、SO_(2)+SOF_(2)和HF的吸附效果,并根据实验结果将不同介质“肺”片按照先后顺序进行级联以增强其“肺活量”,提高净化能力。最后,对研制的整机进行功能验证,经过48 h不间断净化后,水、SO_(2)+SOF_(2)和HF的体积分数分别为68μL/L、1.2μL/L和1.4μL/L,满足《GB/T 8905-2012六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则》9.2节现场分析流程中的规定,提供了一种便携易行且无需回收换气的全新运维方式。

SF_(6)气体智能净化回收再利用装置设计应用

针对SF_(6)气体在电力设备中存在成本高、污染大、监管难的问题,通过深入研究分析SF_(6)气体回收处理系统的基本原理及技术流程,提出建立完善高效电气设备SF_(6)气体回收净化再利用装置的方案,并对该方案的可行性进行试验测试。试验表明:处理后的SF_(6)气体满足相关指标要求,实现了SF_(6)气体的循环再利用。