时变温差工况下直流GIL/GIS盆式绝缘子动态电场畸变抑制

为了优化时变温差工况下直流GIL/GIS盆式绝缘子的沿面电场分布,基于表层电导梯度材料(σ-SFGM)设计了以室温(RT)电场均化为目标的RT-SFGM绝缘子与兼顾不同温度梯度(GT)条件的GT-SFGM绝缘子。迭代优化后,RT-SFGM绝缘子的涂层厚度从导体到外壳梯度减小,而GT-SFGM绝缘子的凸面涂层厚度则呈现U型梯度分布。室温条件下,均匀绝缘子的凹面高压三结合点处电场畸变严重,相同位置处的RT-SFGM绝缘子与GT-SFGM绝缘子电场强度分别下降了53.3%和49.5%。随着高压导体温度的上升,绝缘子最大电场位置逐渐向接地外壳附近转移。在40℃温差条件下,GT-SFGM绝缘子的电场畸变抑制效果明显优于RT-SFGM绝缘子,最大电场强度下降59.2%。在负荷加载与负荷波动工况下,GT-SFGM绝缘子的电场变化率分别仅为7%与13.1%,可实现时变温差工况下绝缘子直流电场分布的稳定控制。

直流GIS/GIL中线形金属微粒群飞萤运动现象与危险程度评估

直流GIS/GIL中金属微粒群的存在严重威胁设备的绝缘性能,其中线形微粒会发生“飞萤运动”。为厘清线形微粒群飞萤运动机制,该文搭建飞萤运动观测平台,获得线形微粒群的运动特性。进一步,建立微粒群荷电运动模型,实现线形微粒群飞萤运动的动态模拟。研究表明,微粒群飞萤起始电压与微粒数量呈负相关,且随微粒直径的增加而增大,随微粒长度的增大而减小,叠放状态下微粒群的启举电压减小,但飞萤起始电压不受微粒初始状态的影响;相较于单微粒,微粒间库仑力、空间电荷与场强的变化使得线形微粒群存在一系列不规则悬浮与随机跨越运动。微粒群飞萤显著降低了设备耐电强度,基于微粒的气隙击穿效应对线形微粒群运动行为进行危险程度评估。具体结果表明,对于飞萤的线形微粒群,地电极单微粒飞萤的危险程度最低,高压电极单微粒飞萤与静止微粒飞萤时危险程度较高,微粒绕飞时危险程度最高。该研究在抑制微粒群飞萤运动方面为设备的主绝缘设计提供一定参考依据。

电气设备GIS和GIL用不同材质波纹管性能研究

波纹管是电力设备GIS、GIL的重要结构,服役环境复杂,要求材料组织性能稳定,易加工成型,服役过程中温升小,满足不同地区的腐蚀要求。文中选取了304、304L、321、316L、Incoloy 825五种材料为研究对象,测试它们作为波纹管候选材料的性能。利用X射线衍射(XRD)观察了不同变形程度后的组织,发现在304、304L和321不锈钢中发生了塑性诱导相变相变诱导塑性(transformation induced plasticity,TRIP)效应,这3种材料中均出现了α′马氏体,316L不锈钢和825合金中没有发生相变。因此在硬度测试中304、304L、321合金的硬度增幅大于316L和825。采用静态磁性测量等方法研究了材料的磁性变化,发现经形变后Br和Hc均出现不同程度增强,说明不锈钢材料均产生不同程度的磁性。利用电化学测试方法研究了不同材料抗腐蚀性,试验表明5种试验材料在C4以上重污染大气环境均有较好的抗腐蚀性。其中,316L不锈钢表现出最好的耐蚀性能。因此,在变形量较大,腐蚀环境恶劣的情况下推荐使用316L不锈钢。变形量小,腐蚀轻微的时候推荐使用304不锈钢。

交流GIS/GIL绝缘子介电功能梯度化设计与金属微粒驱离方法研究

气体绝缘金属封闭开关(GIS)设备内部的金属微粒污染物会引起严重的电场畸变,进而诱发绝缘子沿面放电。针对此问题,本文提出一种介电功能梯度绝缘子的金属微粒驱离方法,仿真研究盆式绝缘子周围电场分布以及金属微粒运动特性。结果表明:GIS外壳表面释放的金属微粒受到轴向电场力作用,有朝着绝缘子运动的趋势。叠层式功能梯度(ε_(L)-FGM)绝缘子的介电常数沿径向递减,可在均匀沿面电场分布的同时,使金属微粒所受的电场力方向随轴向电场反转,让金属微粒远离绝缘子运动。然而,ε_(L)-FGM绝缘子GIS使外壳表面电场增强,使金属微粒运动高度较均匀绝缘子上增大约2.7倍。与ε_(L)-FGM绝缘子相比,基于拓扑优化算法设计的具有空间介电常数梯度的ε_(T)-FGM绝缘子减小了金属微粒跳跃高度,具有更佳的电场调控与微粒抑制效果。

特高压GIS/GIL中螺旋焊管连接方式及性能影响

随着特高压电网的发展,GIS/GIL设备中螺旋焊管的连接方式成为关键技术之一。文章针对不同连接方式对设备性能的影响,通过有限元分析和试验验证研究了法兰连接和焊接连接两种典型方式的应力分布特点。研究结果表明,法兰连接方式在螺旋焊管的端部应力集中较为严重,而焊接连接方式应力分布更加均匀;法兰连接在气体绝缘环境中更易发生局部放电,而焊接连接则具有更好的电场分布特性。文章针对螺旋焊管的制造工艺,提出了优化措施以提高焊缝质量和尺寸精度,研究结果可为特高压GIS/GIL设备中螺旋焊管的连接设计提供重要参考,对于提高设备可靠性具有重要意义。

GIS与GIL电气设备伸缩节在线监测技术研究

本文旨在研究GIS与GIL电气设备伸缩节在线监测技术,以实现对伸缩节状态的实时监测和故障预警。通过采用先进的传感器技术、数据采集与处理方法,以及结合GIS和GIL设备特点的监测算法,本文提供了一种高效、准确的在线监测解决方案。通过该技术的应用,可以实时获取伸缩节的状态信息,及时发现潜在问题,并采取相应的维护和修复措施,从而提高设备的可靠性和运行效率。

直流电压下GIS盆式绝缘子表面电荷及电场分布特性仿真研究

GIS中盆式绝缘子表面在外施直流电压时会积聚大量电荷使得沿面闪络电压大幅降低,从而引发一系列电气设备故障。基于上述问题,文中分析了盆式绝缘子表面电荷的来源与传导途径,采用有限元仿真计算方法构建了二维轴对称仿真模型以及设定相关参数,研究了电压极性、不同电压幅值以及电压极性反转对盆式绝缘子表面电荷分布的影响。结果表明,在直流电压下,凹面主要积聚与外施直流电压极性相反的电荷,凸面主要积聚与直流电压极性相同的电荷,且凹面积聚的电荷密度更大;在极性反转后-100 kV直流电压下,盆式绝缘子表面原先积聚的电荷密度呈现先增大后逐渐减小的趋势,随后转换极性并达到饱和,电场在靠近高压端以及盆式绝缘子沿面0~20 mm处的畸变程度较为明显。电场在盆式绝缘子表面电荷极性发生变化前出现峰值,相比较电荷达到饱和状态,此时盆式绝缘子凹面最大场强增加46%,凸面最大场强增加5.4%。该研究可为直流电压下盆式绝缘子表面电荷分布特性提供指导。

GIS/GIL绝缘子超声检测研究进展与展望

气体绝缘开关/气体绝缘输电线路(gas insulated switchgear/gas insulated transmission lines,GIS/GIL)绝缘子应力集中、密度不均匀和内部集中缺陷可能是目前威胁GIS/GIL设备安全运行的主要原因,急需研究其检测方法。为此分析了GIS/GIL绝缘子应力集中、密度不均匀和内部集中缺陷的原因和检测技术现状,系统总结了GIS/GIL绝缘子常用环氧复合材料超声检测技术的研究进展,包括纵波声速、检测深度、灵敏度、第一临界角和临界折射纵波渗透深度等超声传播特性,超声临界折射纵波的声弹性效应和声弹性系数、GIS/GIL绝缘子次表面应力临界折射纵波声程差检测法和热应力云图、三支柱绝缘子柱腿平行应力纵波反射法和垂直应力纵波穿透法等超声应力检测技术,GIS/GIL绝缘子内部缺陷纵波反射法成像、表面缺陷临界折射纵波法和界面缺陷纵波斜入射法等内部集中缺陷超声检测技术,以及盆式绝缘子纵波反射法密度云图等密度均匀性超声检测技术。该研究指出研发少峰高频高能超声探头、绝缘子全域超声快速成像、多结构多部位超声检测、去应力处理残余应力测量、密度与残余应力耦合理论等是未来超声检测广泛应用于GIS/GIL绝缘子亟待解决的关键技术和基础理论。

GIS/GIL滑动触头电连接部件过热故障机制仿真分析

近年来,气体绝缘输电设备中滑动触头电连接部件过热故障时有发生,严重影响了设备运行的可靠性,威胁了电网的稳定运行。为了研究滑动触头过热故障发生机理,选取气体绝缘输电设备电连接用弹簧触指为研究对象,建立了电、磁、热、流、力3维多物理场耦合模型。基于静态结构分析滑动触头插接过程中和发生热膨胀后弹簧触指的接触力并依此计算接触电阻,结合接触电阻电场分析计算得出导体发热功率,并代入热-流耦合中分析滑动触头的热场分布。研究结果表明:单一环弹簧的接触力为5.06 N,与规格参数误差为1.2%;当发生偏心等故障时触指温度可达108.25℃,并间接影响相邻触指的温度和内外SF6气体的流动;文中5%的触指发生劣化过热会造成26%的触指出现升温现象,与非故障区域的最大温差为20℃;温升导致的热膨胀会使触点处接触压力呈非线性变化,长期运行或偏心受力等原因引发的接触性能劣化将直接导致触头部分出现过热故障。论文研究可为弹簧触指劣化机理研究和滑动触头电连接部件过热故障分析提供理论依据。

多场耦合作用下GIS/GIL气固界面绝缘性能研究评述

气体绝缘组合电器(GIS)和气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)广泛应用于长距离、大容量输电线路中。但随着电压等级和输电容量的提升,气固界面性能面临着电荷积聚与固体绝缘子老化等挑战。为了降低绝缘故障的发生,亟需开展GIS/GIL气固界面绝缘机理、测量诊断、寿命评估等相关研究。文中首先总结了气固界面电荷积聚、消散机理以及影响沿面闪络的因素,结果表明温湿度、自由基等因素通过改变绝缘子电导率对沿面闪络造成影响。并针对在役运行绝缘子,着重分析了长期运行中多物理场耦合作用下GIS/GIL中气固界面绝缘失效与老化过程。论述了传统的电学、力学等诊断方法以及新兴的光学检测法、超声检测法以及分子模拟等技术,并分析了多种寿命评估模型的原理与适用范围。最后,提出气固界面绝缘性能评估需重点关注多物理场耦合下的绝缘性能退化过程,通过多种诊断方法提取性能退化的宏观性能与微观结构参数,利用机器学习等手段建立评估物理模型和寿命预测方法等建议。

基于超声波的GIS盆式绝缘子螺栓松动程度监测方法

GIS中的重要组成部分盆式绝缘子主要通过法兰螺栓进行固定,但螺栓松动会导致盆式绝缘子受力不均甚至气体泄漏等问题,严重影响GIS运行的可靠性和安全性。文中提出了一种GIS盆式绝缘子法兰螺栓松动程度的超声波监测方法,利用压电传感器进行超声信号的激励与接收,并将压电传感器安装在待测螺栓所连接的法兰两侧,根据超声响应信号的能量衰减率来判断螺栓松动程度。通过实验研究了不同工况下超声响应信号能量及其衰减率的变化规律。结果表明,随着螺栓松动程度的增加,响应信号幅值逐渐下降,信号能量衰减率逐渐增大,单个螺栓松动且松动等级为3时信号能量衰减率可达40.8%;同时发现距离松动螺栓最近的压电传感器接收信号能量衰减率最大。该方法可实现GIS盆式绝缘子法兰螺栓松动程度监测,具有一定的工程应用价值。

特高压交流GIS/GIL拔孔型陷阱优化设计与协同布置方法

交流气体绝缘组合电器(GIS)和气体绝缘输电管道(GIL)内的运动金属微粒是诱发设备绝缘故障的重要因素,且特高压下的运动金属微粒引发设备绝缘故障的概率更大,而微粒陷阱可抑制金属微粒的运动,但实际工程中的微粒陷阱仍缺乏主动捕获微粒的能力。该文首先基于GIS/GIL内金属微粒动力学模型,分析了拔孔型陷阱的微粒主动捕获机制,进而根据金属微粒荷电运动与碰撞动力学特性,建立了拔孔型陷阱捕获概率计算模型,考虑陷阱的捕获能力对拔孔型陷阱的结构参数进行优化设计。具体结果表明,针对苏通工程中的特高压交流GIL,当陷阱直径为60cm、深度为30cm时,拔孔型陷阱抑制微粒效果达到最佳。进一步考虑微粒碰撞反射角的随机性,将拔孔型陷阱附近捕获率大于90%的区域定义为有效捕获范围,优化的拔孔型陷阱的有效捕获范围为32cm。最后,通过分析栅格型陷阱与拔孔型陷阱轴向电场分布,表明栅格型陷阱能够增强拔孔型陷阱的有效捕获范围,并以提高绝缘子附近的微粒抑制效果为目标,提出了绝缘子附近栅格型与拔孔型陷阱的协同布置方法。

550kV GIS盆式绝缘子小型化设计(三)——缩比结构验证

为制造经小型化设计的550 kV盆式绝缘子并验证其电气性能,采用3D打印结合环氧树脂浇注工艺制备了1:10缩比绝缘子。首先,将氧化铝填料与光敏树脂复合作为低相对介电常数(3.98~4.20)3D打印浆料,根据光固化与流变特性确定填料含量及打印参数后,利用立体光固化3D打印机制备低介电常数的绝缘子主体。随后,将二氧化钛填料与环氧树脂复合作为高相对介电常数(11.32~14.58)真空浇注浆料,浇注至3D打印绝缘子预留的高介电常数区域内,加热固化完成缩比绝缘子的制造。0.2 MPa下SF6氛围中的工频耐压实验结果表明,优化后的绝缘结构具有更优的绝缘强度。相同绝缘距离下,几何形状优化绝缘子闪络电压较常规绝缘子提高13.6%,几何形状/介电分布联合优化的绝缘子提高13.8%;绝缘距离减少15%后,联合优化绝缘子耐电强度与常规绝缘子相当;当法兰侧“楔形”气隙内存在金属丝时,相同绝缘距离下,仅进行形状优化的绝缘子耐电强度提升幅度降低至6.7%,而联合优化绝缘子由于在法兰侧形成低电场区域,闪络电压仍可提高13.1%。结果表明,几何形状/介电分布联合优化绝缘子具有显著的绝缘优势。

GIS/GIL中金属微粒污染问题研究进展

以SF_6或SF_6/N_2混合气体为绝缘介质的GIS/GIL具有大容量、高可靠性和环境友好等特点,特别是在特高压输电及离岸大规模风电输送领域具有巨大应用前景,而GIS/GIL中存在的金属微粒污染问题是提高设备绝缘强度研究中的关键技术难题。首先介绍了GIS/GIL中金属微粒的带电及受力机理研究;然后分析归纳了交流、直流、冲击等不同电压类型与微粒的运动特性和设备绝缘劣化之间的关系和规律;并进一步,对比分析了GIS/GIL中由金属微粒污染引起的典型绝缘故障,即运动微粒引起的气隙击穿和附着绝缘子表面的微粒引起的沿面闪络;此外总结概述了目前主要的微粒抑制措施及其作用机理;最后指出现有GIS/GIL中微粒污染问题研究存在的不足和可能的解决途径。

GIS和GIL外壳环流及损耗的简化分析和估算

针对运行中的气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)和气体绝缘输电线路(GIL)外壳中会产生相当大的感应电流及一定功率损耗的现象,应用电磁式电流互感器基本原理和误差方程式分析了GIS和GIL外壳环流的物理现象,并用互感器计算公式粗略估计了该环流值及外壳内的损耗,并分析了环流及功率损耗对GIS和GIL以及接地线的影响。此方法物理概念清晰,便于解释各种相关现象,并可估算感应电流和损耗。

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。

直流GIS/GIL盆式绝缘子表面电荷主导积聚方式的转变机理

构建气体侧传导(包含气体载流子产生、扩散、漂移、复合等输运过程)、绝缘材料体传导和表面传导共存条件下盆式绝缘子表面电荷积聚仿真模型,研究了三种参数变化条件下表面积聚特性。仿真表明,当气体中离子对生成率和绝缘子体电导率改变时,绝缘子表面电荷极性会发生改变。在此过程中,表面电荷积聚主导途径会在气体侧传导和绝缘子体传导之间转变。根据净电荷值的规律分别定义离子对生成率和体电导率改变时积聚途径改变的临界值,由于电场分布的差异导致上表面及下表面的临界离子对生成率不同,临界体电导率为5.76×10-18S/m。当绝缘子表面电导率增大时,表面传导对电荷积聚的影响逐渐增大,可以推测出表面电导率足够大时,电荷积聚主导机理会转变为表面传导。该研究有助于理解表面电荷的积聚机理,并能够为抑制电荷积聚提供新的思路。

界面电荷注入与积聚行为对直流GIS/GIL绝缘子沿面电场的影响分析

气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)和气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metalenclosed transmission line,GIL)运行电流大,设备内部存在明显的温度梯度分布,造成高压电极附近电荷的注入与迁移加剧,导致绝缘子内空间及表面电荷的积聚,畸变电场,容易诱发沿面闪络故障。为此文中建立了电—热耦合应力下直流盆式绝缘子内的电荷注入与积聚模型,研究了考虑电荷注入和迁移特性的绝缘子空间电荷及表面电荷积聚情况,并分析了不同负载电流下绝缘子沿面电场分布规律。研究结果表明:温度梯度下,导体—绝缘界面电荷注入会造成绝缘子内部同极性空间电荷的积聚,并且空间电荷积聚密度会随着负载电流的增大而增大;空间电荷的积聚会减弱高压电极附近电场强度,增强绝缘子凸侧表面法向电场强度,加剧表面电荷的积聚;空间及表面电荷的积聚会使绝缘子表面电势上升,导致接地电极附近电势差增大,电场强度显著增大,地电极三结合点处的场强由空载条件下的1.71 kV/mm增长为额定电流作用下的3.47 kV/mm,增加了103%。该研究结果有助于理解温度梯度下直流绝缘子表面电场畸变机理,并对直流绝缘子的优化设计和安全运行有一定的参考价值。

拉西瓦操750kaV GIL-GIS作过电压及其影响因素分析

通过建立拉西瓦水电站750kV气体绝缘输电线(GIL)和气体绝缘变电站(GIS)系统的仿真计算模型,计算了该GIL-GIS系统在几种典型运行方式下由隔离开关操作引起的陡波前过电压(VFTO),结果表明,由于该GIS的特殊结构,其VFTO的水平较一般GIS要低。另外还分析了残留电荷、隔离开关并联电阻、主变压器等值入口电容等因素对VFTO的影响,讨论了有效抑制VFTO的措施。

500kV GIL和GIS交接耐压试验标准与方法的探析

交接耐压试验是考核GIL和GIS绝缘性能的一项重要试验,在设备现场安装后投入运行前进行安装质量检验,是安装和使用单位进行交接验收的重要依据之一。本文结合某大型水电站GIL和GIS的实际情况,对GIL和GIS交接耐压试验标准和方法进行探讨、分析,为试验人员编制GIL和GIS的交接耐压试验方案提供参考指导依据。