SF_(6)混合气体和环保替代气体设备标准化研究

为助力“双碳”目标,适应SF6气体限制使用需求,提升电网设备环境友好性,需要开展SF_(6)混合气体和环保替代气体设备标准化研究。立足环保气体设备研发与应用现状,梳理了SF_(6)/N_(2)混合气体设备技术标准,从设备材料、运维检修、试验检测、仪器仪表等方面构建标准化框架;并针对环保替代SF_(6)的C_(4)F_(7)N气体设备,构建了包含气体性能检测技术和方法、设备运行维护、试验检测、回收再利用等标准化框架,在此基础上提出了SF_(6)混合气体和环保替代气体设备准体系,6个子分支与原电力行业GIS设备标准体系一致,体现了环保气体设备标准化建设方向。

基于GA-BP神经网络的SF_(6)/N_(2)混合气体GIS设备故障诊断

为实现SF_(6)/N_(2)混合气体GIS设备的潜伏性故障诊断,搭建实验平台探究SO_(2)浓度与放电量之间的关系,以SO_(2)浓度增量为输入参数之一,建立BP、GA-BP神经网络模型来预测四种缺陷类型下的放电量,分析预测结果后选取最优诊断算法。结果表明:每种缺陷类型下的放电量与SO_(2)浓度之间呈现正相关性,GA-BP神经网络模型的预测准确率和拟合度分别为0.86和0.9386,平均相对误差为1.23%,在评估结果中占明显优势,可为SF_(6)/N_(2)混合气体GIS设备的潜伏性故障建立诊断算法提供基础性数据。

SF_(6)混合气体放电的极性反转特性研究

SF_(6)混合气体可在极寒条件下替代SF_(6)气体用于气体绝缘电气设备,当设备中存在缺陷时会显著降低击穿电压,因此有必要研究缺陷产生的极不均匀电场中SF_(6)混合气体的放电特性。开展了针板电极下SF_(6)/CF_(4)、SF_(6)/N_(2)混合气体的放电试验,并和SF_(6)气体对比,分析其击穿电压随气压增大呈现的驼峰曲线变化规律。发现SF_(6)混合气体的驼峰曲线相比SF_(6)气体会发生右移,且SF_(6)/N_(2)混合气体的右移现象更加明显。进一步对比研究了不同气压下SF_(6)混合气体的击穿与局放特性,发现SF_(6)/CF_(4)、SF_(6)/N_(2)混合气体的击穿电压均随气压升高出现极性反转,即从负极性击穿转化为正极性击穿,极性反转对应的气压即为驼峰曲线峰谷处的气压;同时,局放特性也会随气压升高出现变化,即从正负极性局放共存转化为只存在正极性局放。通过分析SF_(6)混合气体的局放起始电压随气压的变化趋势,发现当高于峰谷气压时,局放起始电压与击穿电压相差较小,这一现象说明SF_(6)混合气体设备在较高气压时也更易出现无晕击穿,与SF_(6)气体设备的运维经验一致。研究结果对于SF_(6)混合气体设备的运维检修和设计具有参考意义。

考虑微水微氧下的SF_(6)/N_(2)混合气体电晕分解特性实验研究

SF_(6)目前是使用最广泛的绝缘气体,但SF_(6)的GWP极高且不易降解,使用SF_(6)/N_(2)混合气体可以有效减少SF_(6)的使用从而降低温室效应的影响。因此,文中开展了考虑微水微氧下的SF_(6)/N_(2)混合气体电晕放电分解实验,利用色谱仪对产物进行检测并分析产物特体积分数变化趋势,得出不同外界条件对分解产物的影响规律。实验结果表明:SF_(6)/N_(2)混合气体在电晕放电下的分解产物中SO_(2)F_(2)与SOF_(2)随时间具有明显的线性增加趋势,CO与CH_(4)的体积分数与放电时间无明显变化趋势,CO_(2)、N_(2)O、NF_(3)、SO_(2)与H_(2)S随着放电时间小幅增加,但相较于SOF_(2)与SO_(2)F_(2)变化规律不明显。电压升高后,电晕放电能量会得到提升,进而促进SF_(6)/N_(2)混合气体的分解作用;气压的增加会抑制SF_(6)/N_(2)的分解;微水或微氧含量增加均会使得SO_(2)F_(2)与SOF_(2)的体积分数增加,对于SO_(2)、CO_(2)、NF_(3)、H_(2)S和N_(2)O的影响不明显。文中实验结果为SF_(6)/N_(2)混合气体绝缘设备内部故障的快速识别与响应奠定了基础。

高压GIS用SF6/CF4混合气体状态参数计算及实现

高压断路器采用混合气体是解决其低温运行的有效方法,SF6+CF4的混合气体可有效降低其液化温度。文中以SF6+CF4为例,分别计算了SF6和CF4的状态参数。计算SF6气体状态参数采用了Beattie-Bridgman经验公式,同时结合SF6饱和蒸气压曲线公式,绘制了SF6等密度曲线和饱和蒸气压曲线;计算CF4气体状态参数采用了SRK方程,并采用Riedel公式计算CF4饱和蒸气压,绘制了CF4的等密度曲线和饱和蒸气压曲线。在此基础上,给出了混合气体状态参数计算的实现方法,并举例验证了算法精度。

纯SF_(6)断路器的SF_(6)/CF_(4)混合气体不停电改造方案

SF_(6)气体因其绝缘、灭弧性能优异,被广泛应用于电力设备。为满足灭弧性能要求,SF_(6)气体常以高压状态存在于电力设备内,但压力过高时,环境温度的降低极易造成其液化。近年来,冬季低温寒潮时,国网乌鲁木齐供电公司所辖设备多次出现断路器SF_(6)液化、闭锁等情况,存在断路器拒动、越级跳闸的风险。针对新疆地区极端温度造成的SF_(6)气体低温液化问题,研究利用SF_(6)/CF_(4)混合气体代替纯SF_(6)作为绝缘介质,解决纯SF_(6)气体高压状态遇低温易液化的问题,并提出了针对纯SF_(6)断路器进行混合气体不停电改造的技术方案。

145 kV SF_(6)/N_(2)混合气体GIS的研制

为响应国家绿色低碳环保的号召,开展SF_(6)/N_(2)混合气体GIS的研制。介绍了SF_(6)/N_(2)混合气体的混合比、充气压力的选择及设计压力的计算方法。最后,145 kV SF_(6)/N_(2)混合气体GIS(断路器除外)通过了全部试验。

SF_(6)/N_(2)混合气体综合检测技术研究

为应对全球温室效应,减少电力设备中温室气体SF_(6)的使用量,提出了SF_(6)混合气体的研究方案。目前SF_(6)混合气体是短期内有效减少SF_(6)气体在电力设备中使用量的方法之一。初步研究表明,SF_(6)/N_(2)混合气体具有较强的电气绝缘性能,使得SF_(6)/N_(2)混合气体具有极好的应用前景,因此做好对SF_(6)/N_(2)混合气体的电气设备,特别是GIS的监督和管理变得非常重要。基于此,研发了一款集SF_(6)/N_(2)混合气体混气比、湿度及分解产物检测为一体的检测仪器,并介绍了SF_(6)/N_(2)混合气体检测技术的原理及试验情况。

SF_(6)替代气体C_(4)F_(7)N/CO_(2)喷口灭弧性能分析

近几年,C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体因为较低的温室效应和优异的绝缘性能受到广泛关注,但是C_(4)F_(7)N的电弧分断性能实验昂贵、费时,所以文中以SF_(6)和C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体为研究对象,建立了在固定开距直流电源条件下的电弧模型。通过电弧累计能量和电导的计算结果分析SF_(6)和C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的灭弧性能,通过对径向温度、物性参数的分析和能量运输的计算分析SF_(6)和C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的换热机理研究。结果表明,C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的电弧特性比较接近SF_(6)气体,可以通过适当提高气压和C_(4)F_(7)N气体占比来提高C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的灭弧性能,C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的能量交换方式也和SF_(6)气体比较接近,说明C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体有较好的灭弧性能,为其在SF_(6)替代气体断路器的应用提供参考。

旋弧式SF_(6)/N_(2)混合气体触发间隙开关电弧仿真与实验研究

江苏—白鹤滩±800 kV特高压混合直流输电工程中,采用触发间隙开关作为400 kV母线消能装置开关。开关主电极采用了带有螺旋槽结构的平板型横磁旋弧电极。文中使用了三维MHD电弧模型对触发间隙开关主电极的旋弧特性进行了研究,仿真获得了不同电极结构对电极控弧性能的影响。仿真结果显示电弧在横向磁场的作用下,整体沿电极边界进行高速旋转,降低了电弧对主电极的烧蚀程度。电弧转速随着电极旋弧瓣数的增加而增加,随着极板直径的增加而减小。通过与通流实验中拍摄的主电极旋弧过程进行对比,综合仿真和实验的结果,确定了工程应用的电极结构具体参数。

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。

环保绝缘介质C_(6)F_(12)O混合气体FTIR检测技术研究

环保绝缘介质C_(6)F_(12)O混合气体具有应用于中低压设备的潜力,因此C_(6)F_(12)O混合气体检测技术的研究具有非常重要的现实意义。文中基于红外吸收光谱提出了C_(6)F_(12)O混合气体定性定量检测技术。基于密度泛函理论,对C_(6)F_(12)O分子进行结构优化,仿真计算其振动频谱,与实验检测红外光谱进行对比。对体积分数标定模型的波段和特征量的选取进行了详细的研究,提出C_(6)F_(12)O混合气体相关绝缘设备的混合比和微量体积分数检测方案。结果表明,红外光谱的仿真结果与实验结果具有较好的一致性;不同体积分数的吸收峰有很好的线性关系,利用峰值作为特征值比峰面积建立的体积分数标定模型准确性和稳定性强。混合比检测时,以3 500~3 567 cm^(-1)波段的峰值作特征量建立模型的拟合度为0.999 57,检测误差在2%以内;微量检测时,以1 750~1 820 cm^(-1)波段的峰值作特征量建立模型的拟合度高达0.999 97,检测误差小于3.8%,建立的体积分数标定模型的稳定性、准确性较好。文中研究结果提供实验和仿真的C_(6)F_(12)O红外光谱信息,为C_(6)F_(12)O型气体绝缘设备提供FTIR检测技术,为C_(6)F_(12)O混合气体绝缘设备的混合比和微量体积分数检测提供了重要的理论支撑。

SF_(6)/N_(2)混合气体隔离开关气流场特性仿真研究

研究SF_(6)/N_(2)混合气体隔离开关的气流场特性对于减少隔离开关的试验次数,完成优化设计及降低研发成本具有重大意义。实验创建了SF_(6)/N_(2)混合气体隔离开关2D轴对称模型,利用ANSYS软件进行网格划分,基于Fluent软件针对开断过程中内部气体的压强、密度及温度场特性进行仿真分析,以开断速度为0.5 m/s的仿真结果总结变化规律,并改变触头开断速度为1.0 m/s和0.3 m/s来监测一点处气流场特性,对比上述三次仿真结果。结果表明:气流场的压强、气体密度与温度呈周期性振荡衰减趋势,直到几乎稳定在初始状态,并且它们的变化成正比。此外对比发现,不同的工作条件对隔离开关气流场的开断特性有一定的影响,可以通过调整工作条件进而实现隔离开关的优化设计和性能提升。

C_(6)F_(12)O混合气体与三元乙丙橡胶的相容性研究

C_(6)F_(12)O作为一种新型环保绝缘气体,与缓冲气体混合后具有作为绝缘介质运用于中低压电气设备的潜力。然而,环保气体绝缘设备内的密封材料是否与C_(6)F_(12)O长期兼容还有待深入研究。为此,本文研究了C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体与气体绝缘设备中常用的三元乙丙橡胶(EPDM)的相容性和O_(2)对C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体与EPDM相容性的影响。本文搭建了气固相容性实验平台,并结合实际运行温度进行不同温度下C_(6)F_(12)O混合气体与EPDM的相容性实验,测试了实验后EPDM的表面形貌、表面元素、力学性能和气体成分的变化,以确定C_(6)F_(12)O混合气体与EP-DM的长期相容性。同时,构建了C_(6)F_(12)O混合气体与EPDM分子链的仿真模型,基于分子动力学(MD)理论计算了C_(6)F_(12)O、CO_(2)与EPDM之间的扩散系数、相互作用参数和混合能。结果表明:在110℃热加速实验后EPDM表面产生鳞状结构,并在EPDM表面检测到C—F键、有机氟化物和金属氟化物,EPDM的力学性能降低,实验后主要气体产物为C_(3)F_(6)和C_(3)F_(7)H。加入O_(2)后,EPDM在90℃时表面出现凸起,并且有大量O、F元素积累在表面,EPDM力学性能下降,气体产物增多。理论计算也表明升高温度和加入O_(2)会加速C_(6)F_(12)O混合气体在EPDM中的扩散,导致气体分子与EPDM相容性变差。本文的研究成果将为C_(6)F_(12)O气体绝缘设备的设计和制造过程提供参考。

基于SF_(6)气体温度迟滞模型的密度监测失效判定策略

气体绝缘开关(gas insulated switchgear,GIS)设备SF_(6)气体密度监测失效可能会导致泄漏状态误判断,威胁电网安全运行。为此,针对数字式SF_(6)气体密度监测装置特点,构建并优化了基于热力学的SF_(6)气体温度迟滞模型。通过温度迟滞实验,获取了模型中未知参数。模拟实验表明,SF_(6)气体温度迟滞模型温度补偿偏差为±0.6℃,基于补偿后温度的计算压力与压力传感器检测压力偏差为±0.002 MPa。设计基于计算压力与检测压力相互验证的密度监测失效判定策略,结合某220 kV变电站中试点设备数据进行验证,经SF_(6)气体温度迟滞模型温度补偿并归算至20℃下的压力与实际值均不超过0.002 MPa,验证了该模型的准确度以及SF_(6)气体密度监测失效判定策略现场应用的可行性。

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。

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。

SF_(6)/N_(2)混合气体断路器弧后击穿特性研究

以SF_(6)和SF_(6)/N_(2)混合气体为研究对象,建立交流电源、单一喷口、固定电极条件下的电弧模型。通过结合Mayr电弧模型的方法研究替代气体断路器弧后热击穿特性;采用两项近似法求解玻尔兹曼方程,计算混合气体临界击穿场强并与替代气体断路器模型实际场强比较,研究弧后电击穿特性。研究结果表明,在SF_(6)/N_(2)混合气体中SF_(6)含量较高时弧后击穿特性表现与纯SF_(6)气体断路器弧后击穿特性表现比较接近,说明其基本具备SF_(6)气体的弧后击穿特性,可以实现对于SF_(6)气体的替代,为SF_(6)替代气体断路器的研发提供理论依据,对于替代气体断路器重击穿问题的研究也具有参考价值。

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)。

SF_(6)/N_(2)混合气体替代纯SF_(6)气体的145kV三工位隔离接地开关研究

SF_(6)气体是一种极严重的温室气体,在电力设备中被大量使用,如何有效减少SF6气体的使用成为当前的研究热点。本文以SF_(6)/N_(2)混合气体作为研究对象,采用现有145kV三工位隔离接地开关进行SF_(6)气体替代研究。经过试验验证表明,若开关设备的隔板、壳体满足压力要求,使用SF_(6)/N_(2)混合气体能够替代纯SF_(6)气体,可以满足应用要求。