等离子体喷射触发型SF_(6)和SF_(6)/N_(2)间隙开关的触发性能劣化规律

在江苏—白鹤滩±800 kV特高压混合直流输电工程中,采用等离子体喷射触发型气体间隙开关可以对可控避雷器进行旁路控制,具有响应速度快,绝缘恢复能力强,通流容量大等优势,应用前景广泛,但触发间隙气体氛围的优化选择尚有所缺失,间隙触发特性和寿命的提升仍有待进一步研究。搭建了等离子体喷射触发实验平台,研究了等离子体喷射触发气体间隙的触发性能劣化规律,分别在SF_(6)和SF_(6)/N_(2)混合气体中探究了间隙触发的临界电路参数,在确定的电路参数下进行触发寿命实验同时探究性能劣化规律。结果表明:相同绝缘强度下,当间隙电压为10 kV时,0.2 MPa SF_(6)氛围下间隙最低可触发电压为3.5 k V,而在0.266 MPa SF_(6)/N_(2)氛围下降低为2.6 kV;在最佳触发电路参数条件和相同绝缘强度下,实验初期,SF_(6)中间隙导通时延为~270μs,等离子体最大喷射高度为4.8 cm,最大喷射速度为1296 m/s,而在SF_(6)/N_(2)中间隙导通时延为~100μs,等离子体最大喷射高度为7.2 cm,最大喷射速度为1525 m/s,而随着放电次数的增加,间隙导通时延增加,等离子体最大喷射高度降低,最大喷射速度减小,直到间隙第一次触发失败达到间隙寿命,SF_(6)中间隙的触发寿命仅有695次,而SF_(6)/N_(2)混合气体中间隙的触发寿命达到了1540次。对可控避雷器用气体间隙触发开关的性能和寿命提升提供了理论指导,同时有助于其在工程领域推广应用。

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。

SF_(6)/N_(2)混合气体弧后分解产物检测与分析

目前电力行业中SF_(6)/N_(2)混合气体代替纯SF_(6)逐步得到推广,开展SF_(6)/N_(2)混合气体放电分解产物检测对电气设备运行状态评估具有重要意义。为探究SF_(6)/N_(2)混合气体电弧放电分解产物规律,开展了电弧放电实验,提出铜管引气技术并结合气相色谱仪解决了痕量组分难以快速有效检测的技术难题,实现了对SF_(6)/N_(2)混合气体电弧放电后分解产物的定性和定量检测,并利用密度泛函理论对主要分解路径的反应热进行计算,分析分解产物的形成原因和体积分数的变化规律。结果表明,SF_(6)/N_(2)混合气体在电弧放电下分解组分主要有CF_(4)、CH_(4)、CO_(2)、C_(2)F_(6)、SO_(2)F_(2)、SOF_(2)、SO_(2)、NF_(3)和N_(2)O,其中组分SOF_(2)、SO_(2)的生成量最高,NF_(3)和N_(2)O次之,CF_(4)和C_(2)F_(6)生成量最低。并且混合气体中N_(2)比重越大,电弧放电后NF_(3)和N_(2)O两种组分生成量越高,其余组分的生成量越低。NF_(3)和N_(2)O两种组分性质稳定且无毒,可以作为SF_(6)/N_(2)混合气体分解产物的特征组分。

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。

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。

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。

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)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。

用于C_(3)H_(6)/N_(2)分离的PDA@PEBA2533膜的制备

为回收聚丙烯制备尾气中的丙烯,采用本实验室独创的浸渍-旋转法在聚醚嵌段共聚酰胺(PEBA2533)膜表面沉积聚多巴胺(PDA)膜层制备出对C3H6具有更强亲和性的PDA@PEBA2533膜。利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)对PDA颗粒和膜进行表征。考察了PDA沉积时间对膜形貌、结构以及分离性能的影响,也考察了温度和压力等操作条件对膜分离性能的影响。探索了PDA@PEBA2533膜对不同C3H6浓度的C_(3)H_(6)/N_(2)混合气的分离效果以及膜的长时间分离稳定性。结果表明,沉积PDA于PEBA2533膜表面有效提高了膜的分离性能。当沉积时间不小于24h时,可得到连续的PDA膜层,随沉积时间的增加,膜层逐渐增厚,气体渗透速率先增大后减小,选择性持续上升,沉积24h所制备的膜分离性能最佳。增大操作温度和压力,膜对C3H6和N2的渗透速率均增大,C_(3)H_(6)/N_(2)选择性则降低。增大混合气中C3H6浓度,膜对C3H6的渗透速率和选择性均呈现先上升后下降的趋势。在所制备的分离性能最好的PDA@PEBA2533膜上,0.2MPa时,对C3H6体积分数为20%的混合气,温度从0℃提高到50℃,C3H6渗透速率从8.25GPU增加到71.42GPU,C_(3)H_(6)/N_(2)选择性从22.92降低至10.14。在130h的气体分离实验中,该膜表现出良好的稳定性。该膜与其他分离C_(3)H_(6)/N_(2)混合气膜相比具有一定的优势。

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。

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。

基于第一性原理的Mo_(3)N_(2)晶体对SF_(6)分解组分吸附特性研究

对SF_(6)分解组分进行检测是对电力设备运行状态进行评估,以确保设备能安全稳定工作的有效措施之一。本文基于第一性原理仿真软件Materials Studio对SF6的两种特征分解组分气体在Mo3N2表面上的吸附过程进行理论计算。从吸附能、吸附距离、转移电荷、带隙、能态密度图等方面对其在传感器领域的可行性做了评估。结果表明,Mo_(3)N_(2)上对H_(2)S,SO_(2)F_(2)的吸附能均大于0.800 eV,且SO_(2)F_(2)气体分子在吸附后发生形变裂解,Mo_(3)N_(2)基底的原子排布些许错位,均为化学吸附。Mo_(3)N_(2)吸附两种气体后带隙降为0,转变为金属性。本文的所有理论计算研究对检测与清除SF_(6)分解组分气体的材料选型提供理论依据。

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。

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。

一种SF_(6)/N_(2)混合气体专用阀的设计与验证

为适应国家电网六氟化硫/氮气(SF_(6)/N_(2))混合气体绿色环保组合电器推广应用,设计了一款混合气体专用阀。阀主要运用了弹性元件自动复位性能实现开关功能;应用软密封、硬密封以及相互结合的密封形式实现阀密封的可靠性、有效性;采用橡胶硫化工艺实现阀的内部密封系统的可靠性;通过机械限位的方式控制阀的最大开度,并以此保护弹性元件的完好性及有效功能;对于阀的材料也提出要求满足电力设备严苛的使用工况的要求。试验结果证明了该文设计的阀符合设计要求,各项性能良好,满足GIS设备发展需要。

新型126kV SF_(6)/N_(2) GIS研制

SF_(6)/N_(2)混合气体和纯SF_(6)相比,具有绿色环保、液化温度低、绝缘性能好及经济等优点。对SF_(6)/N_(2)混合气体绝缘性能的研究表明:SF_(6)体积占比为30%时的SF_(6)/N_(2)混合气体击穿强度要达到纯SF_(6)气体的击穿强度,压力应为纯SF_(6)气体的1.33倍。对126kV GIS用接地开关的绝缘结构进行了优化设计,优化的电场强度最大值较优化前下降了25.8%,大大提高了绝缘可靠性。特变电工自主研制的126kV SF_(6)/N_(2) GIS在机械工业高压电器产品质量检测中心顺利通过了绝缘、温升等整套型式试验验证,目前该126kV GIS可应用于国网公司新建环保GIS电站及现有SF_(6)在运电站改造。

CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体的电离特性试验研究

为评估CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体的绝缘性能,研究了其在电场中的电离特性。通过稳态汤逊实验(SST)测量获得了CF3SO2F摩尔分数分别为10%、20%、30%、40%、100%的CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体的有效电离系数和临界约化场强,研究了混合比例、约化场强和电极距离对其电离特性的影响,并比较了CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体相对于SF6的绝缘强度。结果表明:CF_(3)SO_(2)F摩尔分数为10%时,CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体的电离特性与N_(2)类似;随着CF_(3)SO_(2)F占比增大至20%以上后,CF3SO2F/N2混合气体的电离特性逐步由CF_(3)SO_(2)F主导;CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体相对于SF6的理论绝缘强度随着CF_(3)SO_(2)F摩尔分数的增大而增大,40%CF_(3)SO_(2)F/60%N_(2)混合气体的临界约化场强约为SF_(6)的1.01倍,但其对电场变化的敏感程度不如SF6。研究结果可为CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体的绝缘强度评估提供理论基础。

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ETG-通量校正传输法的短间隙SF_6/N_2混合气体流注放电数值仿真

利用粒子输运方程及耦合泊松方程,研究了短间隙中10%~90%SF_6/N_2混合气体在不同阶段的流注放电特性。针对流注头部粒子空间分布出现陡梯度问题,基于不均匀的三角元网格剖分,采用Euler-Taylor-Galerkin(ETG)格式对粒子连续性方程进行时间离散,利用通量校正传输法(FCT)对离散后的方程进行求解,可以明显提高计算准确度和减小数值扩散。基于以上算法,考虑电子与SF_6/N_2中性混合气体的电离、复合、吸附以及光电离等过程,对短间隙气体流注放电过程进行了仿真。仿真结果表明,初始场强的大小影响流注的发展,随着流注发展,流注头部空间电荷加剧了两极板间的电场畸变,间隙击穿时流注头部电子浓度达到10^(20)/m^3,最大空间场强达到114k V/cm;光电离对加速流注的形成和发展有很大的影响;仿真结果也验证了ETG-FCT法应用于气体放电研究的有效性。