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。

基于电流监测和动态电阻分析的电容器组SF_(6)断路器电寿命评估系统

电容器组SF_(6)断路器电寿命状态监测工作对保障电网安全可靠运行意义重大。文中融合触头磨损计算方法和动态电阻分析法对SF_(6)断路器电寿命进行评估,提出SF_(6)断路器电寿命评估判据,首先基于断路器电流监测数据计算断路器触头磨损,对断路器电寿命状态进行判断预测,再利用动态电阻分析法印证判断出SF_(6)断路器的真实状态,兼顾触头磨损计算法的实时性和动态电阻法的准确性。基于所提判据,研发了一套融合触头磨损和动态电阻的SF_(6)断路器电寿命评估系统。该系统可基于断路器投切数据和动态电阻准确地评估SF_(6)断路器的电寿命,同时在人机交互界面上直观地呈现结果,为工作人员进行断路器状态检修提供辅助决策。

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。

SF_(6)断路器触头劣化过程合闸预击穿特性研究

电容器组投切断路器触头烧蚀劣化后会改变合闸预击穿时间,这不仅会影响选相合闸效果,同时也说明预击穿电弧持续时间可作为衡量触头烧蚀状态的指标之一。建立了126 kV SF_(6)断路器灭弧室内合闸预击穿过程电—流体耦合仿真模型,研究了触头劣化过程中合闸预击穿特性,并提出了预击穿时间带电检测方法。结果表明:合闸过程中场强最大点总是出现在静弧触头表面;灭弧室内SF_(6)气体密度几乎保持不变;110 kV电压等级相电压下,触头预击穿电弧持续时间随烧蚀程度变化的试验值与仿真值吻合良好。从电场畸变角度解释了随着触头的表面烧蚀劣化程度增大对应预击穿时间的变化规律,结果可为断路器选相合闸策略和触头状态评估提供理论指导。

SF_(6)断路器模拟烧蚀过程中气体分解产物特性研究

SF_(6)断路器灭弧室中的SF_(6)、微水微氧及固体绝缘材料在电弧作用下会分解重组,生成新的组分气体。为研究SF_(6)断路器完整电寿命周期内,开断电流后各气体分解产物体积分数的变化规律,搭建了断路器全寿命模拟烧蚀试验平台,进行了69次烧蚀试验,测量了烧蚀过程中的电压电流参数和各气体分解产物体积分数。结果表明:SOF_(2)、CF_(4)、SO_(2)为主要产物,SO_(2)F_(2)、SOF_(4)体积分数较低,H_(2)S不能稳定检出;SOF_(2)、CF_(4)、SO_(2)、SO_(2)F_(2)体积分数均随烧蚀次数增加而增加。主要产物中,SOF_(2)和SO_(2)的生成量与电弧能量呈线性关系;CF_(4)生成量与电弧能量之间没有明显规律,其原因可能在于电弧对于固体绝缘材料的烧蚀具有随机性。吸附剂对SOF_(2)与SOF_(4)吸附作用显著,对其余产物未表现出明显的吸附效果。最后提出了通过SO_(2)体积分数评估断路器剩余电寿命的方法。

关合速度对SF_(6)断路器弧触头侵蚀的影响

SF_(6)断路器关合操作时产生的关合涌流对弧触头会造成严重的侵蚀。为了研究弧触头在不同关合速度下的侵蚀情况,文中设计了模拟的SF_(6)断路器灭弧室,对CuW弧触头进行了不同关合速度下的关合侵蚀实验并对不同关合速度下的弧触头受力分析进行了仿真。研究发现每焦耳的质量侵蚀率并不是随着电弧能量单调增加的,4号触头的电弧能量最小,但是质量损失率却高达40 mg·kJ^(-1)。在相同电流下随着关合速度的增加,虽然燃弧时间和电弧能量会变小,但是弧触头的受力会随着关合速度的增加而增加,摩擦磨损侵蚀会变大,从而每千焦的质量损失率会增大。文中的研究结果对触头关合侵蚀电寿命的分析具有一定的指导意义。

基于同位素示踪法的微量O_(2)对电弧放电下SF_(6)分解产物影响的研究

SF_(6)气体绝缘开关设备电弧放电下O_(2)对SF_(6)分解产物具有显著影响,但其影响规律及相关作用机制目前尚不清楚。针对这一问题,文中利用^(18)O_(2)作为示踪剂开展了电弧放电实验,利用GC⁃MS分析了放电过程中和放电后含^(18)O同位素物质的变化规律,明确了电弧放电下SF_(6)分解产物的形成途径及^(18)O_(2)对SF_(6)分解产物的影响,阐明了其深层化学反应机理。结果表明,电弧放电下O_(2)杂质会在不同程度上促进SOF_(2)、SO_(2)、SO_(2)F_(2)、CO_(2)的生成,其中O_(2)主要以分解后的O原子参与SOF_(2)、SO_(2)、CO_(2)的生成反应,以O_(2)分子和分解后的O原子共同参与SO_(2)F_(2)的生成反应。SOF_(2)和SO_(2)F_(2)的生成主要由放电过程中发生的复合反应主导,SO_(2)的生成主要由放电后发生的分子间反应主导,CO_(2)的生成则来自两者的共同作用。

基于氧同位素示踪技术的H_(2)O对SF_(6)电弧放电分解产物的影响研究

SF_(6)分解产物与SF_(6)开关设备故障放电类型和严重程度存在内在联系,可通过分解产物分析实现对开关设备的故障诊断。H_(2)O对SF_(6)电弧放电分解产物具有显著影响,但其影响规律及相关作用机制目前尚不清楚,严重制约了分解产物分析法的工程应用。为解决这一问题,文中搭建了SF_(6)开关设备电弧放电分解产物实验研究平台,利用H_(2)^(18)O作为示踪剂开展了电弧放电实验,利用气相色谱质谱联用仪分析了放电过程中和放电后含^(18)O同位素物质的变化规律,明确了电弧放电下SF_(6)分解产物的形成途径及H_(2)O对SF_(6)分解产物的影响,阐明了其深层化学反应机理。研究发现,H_(2)O会直接参与SOF_(2)、SO_(2)、SO_(2)F_(2)和CO_(2)的生成反应,化学反应机理的不同导致各物质的形成与演化规律具有显著差异。其中,SOF_(2)和SO_(2)F_(2)的生成主要由放电过程中发生的分解反应和复合反应主导,SO_(2)的生成主要由放电后发生的分子间反应主导,CO_(2)的生成则来自两者的共同作用。

高压SF_(6)断路器零区电弧等离子体调控数值实验研究

为分析高压SF_(6)断路器零区电弧等离子体调控数值,以Eindhoven微观电弧模型为研究对象,探讨不同条件下电弧特性参数的变化。分别针对不同温度、压力及粒子碰撞之间的不同对电弧等离子调控数值进行分析,结果显示随着气压的升高热导率的峰值相应地被推迟到温度较高的区域才出现,并且峰值变小。非平衡态时热导率的变化趋势与平衡态相同,且随着θ的增大,热导率降低。

基于QPSO-SVR算法的SF_(6)断路器触头烧蚀状态评估

高压SF6断路器弧触头的接触电阻和质量损失预测在断路器状态评估中起着重要作用。该文提出了一种基于量子粒子群优化和支持向量回归(quantum particle swarms optimization and support vector regression,QPSO-SVR)的方法,能够有效预测断路器弧触头在不同电弧电流条件下的接触电阻增量和质量损失,并结合实验数据获得了SVR算法的最佳训练参数。将该文方法与其他预测方法进行比较,QPSO-SVR方法对不同电弧电流条件下的实验数据表现出良好的预测能力。其中,对于接触电阻增量的预测相对误差为3.023%,而对于质量损失的预测相对误差为4.61%,均表现出较好的鲁棒性。最后将QPSO-SVR预测得到的质量损失和接触电阻增量以及监测到的累积电弧能量进行模糊逻辑推理,构建了基于QPSO-SVR算法的触头烧蚀状态评估系统,将触头烧蚀状态分为O级烧蚀、Ⅰ级烧蚀、Ⅱ级烧蚀、Ⅲ级烧蚀4等级,可为高压SF6断路器检修提供参考。

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。

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AFSA优化ELM的SF_(6)断路器触头烧蚀状态评估

为评估SF_(6)断路器触头的烧蚀状态,对断路器进行模拟烧蚀试验,并采用3种不同测试电流分别测量动态电阻行程。结果表明:增大测试电流可以减少动态电阻曲线的波动;除电流烧蚀作用外,操动机构松动会造成触头分合闸不到位,导致动态电阻曲线中主触头行程不断减小。将触头烧蚀状态按照烧蚀次数划分为4个等级;从动态电阻行程曲线中提取5个状态参数作为输入参数,基于极限学习机建立触头烧蚀状态的评估模型,并使用人工鱼群算法对模型进行优化;建立未优化的极限学习机模型进行对比。结果表明:利用优化后的模型能够准确分类测试集样本的烧蚀等级,准确率为100%;人工鱼群算法可以提高模型的评估准确率,使模型具有更好的稳定性。

电弧仿真的高压自能SF_(6)断路器灭弧室优化设计

随着高压自能SF_(6)断路器额定电压和电流的增加,其分断性能的需求也随之提高。高压断路器的分断性能与放电过程中高温气流的产生、发展和消散有关。气流造成灭弧室的温度普遍过高,导致电弧冷却环境在当前零点时的温度过高,在某些情况下,会导致短路电流断路发生故障。对于高压自能SF_(6)断路器,通过模拟整个断弧过程,得到了高电流阶段的膨胀室气体压力和温度,同时也可以得到电流零级阶段的电弧形状和灭弧环境参数。根据电弧模拟的结果,对膨胀室的结构设计进行了优化,并再次进行了模拟验证。仿真结果表明,膨胀室的结构优化设计后,当前零时的灭弧环境整体温度有所下降。根据电弧模拟结果对膨胀室结构进行优化设计,可以快速准确地确定灭弧室的形状和尺寸,显著提高断路器的分断性能。

一种仿真SF_(6)断路器灭弧室气流场的新方法

本文提出基于格子Boltzmann方法的一种仿真SF_(6)断路器开断过程的新方法。以252 kV压气式SF_(6)断路器为研究对象,建立灭弧室气流场格子Boltzmann方程,推导出气流场的格子Boltzmann模型。通过耦合触头机械运动的开断过程,仿真得到灭弧室内气流场的变化规律,将喷口上游和喉部的压力变化曲线与试验结果对比,二者有较好的一致性。结果表明,格子Boltzmann方法可以用于研究SF_(6)断路器开断过程气流场的演变过程。

252 kV及以上断路器短路试验中SF_(6)气体分解产物特性研究

以SF_(6)气体为灭弧介质的高压交流断路器广泛应用于我国220 kV及以上电力系统中,开断短路电流后,灭弧室内SF_(6)会分解产生SO_(2)、CF_(4)、CS_(2)、SOF_(2)等气体,对断路器的开断性能产生影响。文中对多台高压交流断路器开展短路开断试验,对断路器内部气体进行检测,研究了不同电压等级断路器及不同短路试验方式与SF_(6)气体分解产物之间的关系。

自能式SF_(6)断路器开断过程中阀连续运动特性的仿真分析

自能式SF_(6)断路器单向阀、回气阀和泄压阀的运动与气流场之间存在着复杂的相互作用。基于3个阀的实际运动规律,利用牛顿第二定律,建立阀连续运动的数学模型,同时基于二维轴对称电弧磁流体动力学(MHD)模型并结合真实气体物性参数,对自能式SF_(6)断路器在大电流燃弧阶段的气流场及阀的连续运动进行仿真分析。研究表明:电弧燃烧产生的热气回流是热膨胀室内产生高压和单向阀关闭的主要原因;不同监测点上气体压力变化与燃弧电流、静弧触头位置和阀所处状态密切相关;单向阀的动作受燃弧电流和热膨胀室压力大小影响,动作结束时刻其两侧受力会出现波动;回气阀在燃弧阶段始终处于闭合状态;泄压阀的开启动作与单向阀状态、压气室压力和弹簧力值有很大关系,泄压阀的开启会影响阀周围气流场的分布,致使阀两侧受力与运动出现波动。

压气缸压气不足SF_(6)断路器开断电流后气体分解产物特性研究

本文通过建模仿真模拟了压气不足缺陷下压气缸内气压的变化,并与压气缸正常情况下进行了对比,确定了压气不足缺陷的设置方法;以40.5 kV SF_(6)断路器为试品,设置了断路器压气缸压气不足缺陷,在电流开断后对气体分解产物特性进行实验研究,将实验结果与正常情况下进行对比。研究结果表明:在压气不足进行开断时,气缸内外气压差下降为原有的42%;在压气缸压气不足下,检测到分解产物有CO、CO_(2)、CS_(2)、SO_(2)、SOF 2,分解产物含量随着燃弧能量的增加而增加,分解产物CO_(2)、CS_(2)、SO_(2)、SOF 2在1.5 h左右达到最大值,在6 h时基本达到稳定值,CO含量在达到最大值后变化基本不大,压气不足时检测到的CO、SO_(2)含量比压气缸正常时的含量低,以上可为SF_(6)电气设备的状态评估和故障诊断提供指导。

SF_(6)/N_(2)混合气体在电弧作用下分解产物试验研究

SF_(6)/N_(2)混合气体具有良好的绝缘性能和一定的开合电流能力并且可以降低对局部电场畸变的敏感程度、解决SF_(6)气体的液化问题,可以大大减少SF_(6)气体的使用量和排放量,减小对环境的温室效应影响,对加强节能减排和实现低碳发展具有重要意义。近年来,国家电网公司为响应国家节能减排号召,组织开展了SF_(6)/N_(2)混合气体用于GIS母线、隔离和接地开关的工作,研究确定了SF_(6)/N_(2)混合气体GIS母线、隔离和接地开关采用统一的30%混合比(SF_(6):N_(2)=30%:70%),多个厂家的产品通过了型式试验和新产品技术鉴定,并在变电站开展了工程试用。为了研究基于气体分解物检测的GIS设备运维方法,文中基于一台密封间隙模拟GIS设备故障电弧,开展SF_(6)/N_(2)混合气体在电弧作用下分解产物试验,研究分解产物的特征组分及其变化趋势。并与SF_(6)气体在相同条件下分解产物比较分析,提出SF_(6)/N_(2)混合气体GIS设备运维与SF_(6)设备的差异。对SF_(6)/N_(2)混合气体GIS隔离和接地开关在开合电流型式试验后的分解产物进行了检测分析,以此判断GIS隔离和接地开关在正常开合电流过程产生的分解产物情况。

基于一维电弧模型的SF_(6)混合气体灭弧性能评价

SF_(6)混合气体是广受关注的SF_(6)替代气体方案之一。为定量评估SF_(6)混合气体的灭弧性能,文中采用一维衰减电弧模型和玻尔兹曼方程相结合的方法,将电弧熄灭过程划分为热恢复阶段、弧前介质恢复阶段和弧后介质恢复阶段,分别引入热恢复率、弧前介质恢复率和弧后介质恢复率作为各阶段的评价参数,并计算三者的调和平均数作为综合评价参数,以此来评估SF_(6)-N_(2)、SF_(6)-CO_(2)、SF_(6)-CF_(4)以及SF_(6)-Air混合气体的灭弧性能。基于上述方法,文中初步探讨SF_(6)含量、背景气体种类和压强大小对SF_(6)混合气体灭弧性能的影响。结果表明,随着SF_(6)含量的减少,混合气体的灭弧性能整体上呈现下降趋势;当SF_(6)含量为10%~50%时,4种混合气体中SF_(6)-N_(2)的灭弧性能最优,其次分别为SF_(6)-Air、SF_(6)-CO_(2)和SF_(6)-CF_(4)。