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。

气体绝缘设备局部放电下SF_(6)分解产物扩散特性研究

气体绝缘设备(GIS)局部放电产生的分解产物在气室内的扩散过程会影响其浓度分布,从而影响故障诊断的准确性。为了研究局部放电下SF_(6)分解产物扩散特性,建立了SF_(6)分解产物检测系统,得到了CO_(2)、CF_(4)和C_(2)F_(6)等分解产物随放电时间和缺陷位置的扩散规律。同时构建了气室三维传质模型,对比研究了分解产物在缺陷位置影响下的扩散特性。结果表明,放电缺陷位置会影响分解产物含量的空间分布。当有机绝缘材料参与放电时,CF_(4)含量随放电时间增长而增加,CF_(4)可以作为设备内部沿面放电的判断依据。C_(2)F_(6)含量随放电时间增长而增加,随扩散距离延长而减少,且产生量很大,C_(2)F_(6)可以作为设备内部局部放电的判断依据。

一种新型SF_(6)气体绝缘高压隔离开关的研制

随着我国的电力系统规模的不断扩大,电力设备的安全性、可靠性和易维护性已成为电力系统建设与发展的重要指标。高压隔离开关是电力系统中重要的电气设备之一,且数量众多,安装调试及维护工作量大,故障率高。本文针对传统型空气绝缘隔离开关存在的主要问题,研制出了一种新型的252kV SF_(6)气体绝缘隔离开关,该设备采用SF_(6)气体为绝缘介质,采用全封闭结构形式。意图解决户外空气绝缘高压隔离开关长期以来多种易发故障问题。本文重点介绍了其结构特点、工作原理以及结构仿真计算、试验情况,以及通过与空气绝缘隔离开关的对比,阐述了新型高压隔离开关的技术优势和经济效益优势,并对其应用前景和未来隔离开关方向进行了预测。

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。

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。

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。

气相色谱法应用于SF_(6)混合绝缘气体分解产物的检测研究分析

SF_(6)混合绝缘气体与纯SF_(6)之间具有高度相似的理化性能,但是在分解产物的检测方法方面具有比较明显的差异性。如果使用纯SF_(6)的分解产物检测设备检测SF_(6)混合绝缘气体,最终会出现较大的检测误差。基于此,本文以气相色谱法为主要手段,探究SF_(6)混合绝缘气体的分解产物检测技术。

SF_(6)/CF_(4)混合绝缘气体局放后分解产物检测与分析

文章介绍了SF_(6)/CF_(4)混合气体和SF_(6)气体的局部放电试验,检测试验后的分解产物,通过分析分解产物组分和浓度的变化规律,初步得出了分解产物与局放故障之间的关系,为进一步开展混合气体分解产物特征组分变化与设备故障类型关系研究奠定了基础。

新型环保绝缘介质CF_(3)SO_(2)F混合气体电弧等离子体输运参数计算与影响因素分析

绝缘气体输运参数计算对于其绝缘灭弧性能和其他宏观物性研究具有重要意义。首先基于最小吉布斯自由能方法,获得了CF_(3)SO_(2)F混合气体在300~30000 K温度下的粒子组分。在粒子组分的基础上,采用Chapman-Enskog方法求解Boltzmann方程,计算了0.01~1 MPa压强范围内CF_(3)SO_(2)F混合气体的输运系数(电导率、热导率和黏滞系数),重点考察了气压、混合比例和缓冲气体类别对CF_(3)SO_(2)F混合气体输运参数的影响。结果表明:增大气压会抑制气体解离和电离反应,延缓升温过程对输运系数的影响;增大CF_(3)SO_(2)F混合比例则会直接影响体系主要粒子的相对含量,进而使解离和电离反应的温度发生变化,导致低温区的电导率和中高温区的黏滞系数增大,中高温区的热导率减小;与前两者相比,气体混合类别对输运参数影响较小。此外,相比SF_(6),CF_(3)SO_(2)F混合气体具有更大的热导率和更小的黏滞系数,能够更有效地将焦耳热传递到电弧外从而避免弧后击穿。该研究不仅为CF_(3)SO_(2)F混合气体用于高压电气设备提供一定的指导,也为进一步评估其绝缘和灭弧能力及绝缘气体配置优化提供了必要的数据支撑。

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。

采用热释电原理检测SF_(6)气体中CO体积分数的方法与应用

高压电气设备SF_(6)绝缘气室中的发热故障会导致从绝缘材料中析出CO气体,因此,SF_(6)绝缘气室中CO气体体积分数变化可作为判断绝缘气室发热故障程度的依据之一。文中研究采用热释电原理检测SF_(6)气体中CO体积分数的方法,并采用该方法设计开发一种CO热释电光谱传感器:采用折叠光程,理论检出限为1.99μL/L。采用该光谱传感器可实现高压电气设备SF_(6)绝缘气室发热故障的无损在线监测,也可将该光谱传感器取代CO电化学传感器安装在便携式仪器中以克服采用电化学传感器检测CO、H_(2)两种兼容气体并存时的交叉干扰,确保对CO、H_(2)的准确测量。

电力环保型混合绝缘气体配气方法优化

目前电力系统环保型SF_(6)/CF_(4)混合绝缘气体在GIS设备上的配气成本较高,现场选择过充SF_(6)气体以保证其绝缘和灭弧性能,不符合使用该混合气体以实现环保和防液化的目的。为此,提出了基于单一质量流量控制器的环保型SF_(6)/CF_(4)混合绝缘气体分时段交替配气优化方法。通过分时段交替配气即时混匀技术,分析并优化了源于共用气路管道残余气体导致的配气误差,研究了SF_(6)气体输出时间修正技术及最末时段时间再分配方法,进一步降低了充入气体混合比误差。模拟实验表明,该方法的即时混合比与24 h后混合比相对于目标值偏差均小于±0.5个百分点,符合DL/T 2243—2021标准要求。

微水对SF_(6)气体工频击穿特性影响的实验研究

运行在工频电压条件下的气体绝缘全封闭组合电器(GIS)受到微量水分侵入时会严重降低气室内SF_(6)气体的绝缘性能,影响高压电器设备安全运行。为此,自主设计了GIS绝缘结构实验装置,并搭建了气体放电实验平台,通过控制电极微水体积分数、气压以及电极间隙距离,对SF_(6)气体在稍不均匀电场下的工频击穿特性进行实验研究。研究发现:在稍不均匀电场中,SF_(6)气体工频绝缘性能随微水体积分数的增大呈下降趋势;气压范围在0.4~0.6 MPa时,微水体积分数超过800μL/L后,随着其增大SF_(6)气体工频击穿电压下降较为明显;在相同气压下,电极间隙距离越大,微水体积分数增大对SF_(6)气体工频绝缘性能的影响越大。根据实验结果,建议在工频电压下,设备运行温度为15℃时,0.4 MPa和0.5、0.6 MPa下气体绝缘设备中水分体积分数限值分别为450μL/L和250μL/L。

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。