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。

基于恒定应力加速寿命试验的SF_(6)气体密度表可靠性研究

SF_(6)气体密度表作为电网体系中一次设备的重要监测设备,其可靠性关乎变电设备的安全运行。为了确保SF_(6)气体密度表的可靠运行,有必要对其可靠性和寿命进行评估,而恒定应力加速寿命试验方法是结构复杂机械产品可靠性评估的有效方法之一。文章分析了SF_(6)气体密度表的加速应力和正常应力水平,确定了多应力加速寿命试验方案,利用Weibull寿命-应力模型综合估计了SF_(6)气体密度表的中位寿命、特征寿命、可靠寿命、平均寿命及相应的失效率,得到了其正常应力下可靠度曲线,为SF_(6)气体密度表生产制造和使用维护提供了理论依据和数据参考。

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。

特高压混合直流工程快速旁路保护用兆伏级SF_6间隙等离子体喷射触发特性及工程设计

在江苏白鹤滩±800 kV特高压混合直流工程中,受端交流侧三相接地故障穿越失败时,会在±400 kV柔直母线上产生高幅值过电压,严重威胁柔直阀组安全,而基于等离子体喷射的超快速旁路开关1 ms内将柔直母线快速接地保护柔直阀组是一种全新的解决方案。DC 400 kV触发间隙需满足高耐压(>1.2 MV)、低工作系数(<5%)、短延时(<1 ms)、大通流等严苛要求,而如何实现高气压、长间隙的可靠触发导通,并提出工程化设计方案是关键难题。为此搭建了增强型等离子体喷射触发间隙导通研究平台,重点研究触发电压、气压、间隙长度以及工作系数等关键影响因素对SF_(6)触发间隙导通特性的影响规律。结果表明,提升触发电压可显著提升触发导通概率、降低触发延时,但存在一定的饱和现象;在固定的工作电压下,随气压或间隙长度的增加,工作系数显著减小,导致触发延时骤增且导通概率急剧减小;在相同工作系数下,高气压短间隙的触发导通性能更强。据此提出满足特高压混合直流工程400 kV柔直母线快速接地用DC 400 kV间隙开关,间隙采用复合外套单间隙结构,轮转型触发腔设计实现多次触发。研制了触发间隙试验样机(间隙距离为10 cm、压强为0.5 MPa的SF_(6)),其雷电耐压>1250kV,临界可触发电压<50 kV,导通时延<0.5 ms。该研究结果为特高压混合直流输电系统中柔直阀组快速保护用兆伏级SF_6触发间隙工程应用提供了理论支持和工程初步设计方案。

新型SF_(6) 环保替代绝缘介质CF_(3)SCF_(3)热动与输运特性

电力绝缘设备中广泛应用的SF_(6)气体因其极强的温室效应持续危害气候安全,新型环保气体CF_(3)SCF_(3)有望成为替代SF_(6)的绝缘气体。针对这一前景,对比评估CF_(3)SCF_(3)的基础物理特征参数,并基于吉布斯自由能最小化原理以及Chapman-Enskog理论,研究其作为电力开关设备中灭弧介质的热动与输运性质。结果表明:与大多数环保气体相比,CF_(3)SCF_(3)表现出较好的能量耗散能力与灭弧特性,具备开关装备应用潜力;气压的变化会影响CF_(3)SCF_(3)等离子体中的化学反应进程以及粒子间的相互作用强度,同时改变系统中各类粒子数密度,进而影响其热物理性质;向N 2气体中添加摩尔比25%的CF_(3)SCF_(3)可以将纯N 2在5000 K以下的热耗散参数(质量密度与比热容的乘积)提升约2.5倍以上,且CF_(3)SCF_(3)-N 2混合物的物理特征与CF_(3)SCF_(3)相似,具备作为高气压下灭弧介质的可能。研究结果为开断过程中CF_(3)SCF_(3)环保气体的电弧建模仿真提供了必要基础数据,有助于进一步研究其灭弧特性。

具有自检功能的智能SF_(6)气体密度监测用软测量模型误差分析

对已有的SF_(6)气体密度检测建立软测量模型,根据误差传递原理,完成理论分析和解析推导,得到相应的误差估计解析不等式。结合SF_(6)气体在全密封电器中的压力和温度常用的工作范围,进一步确定了软测量模型误差估计不等式中的误差传播系数值,得到了可以用于软测量模型误差估计的解析公式。基于该公式分析了密度继电器产品准确度设定和准确度应用的合理性,证明了该软测量模型及其误差估计公式的有效性。SF_(6)气体密度软测量模型与误差估计方法及其误差估计不等式,可以在免维护智能SF_(6)电气设备传感、监测、校准和诊断类仪器仪表、装置及系统的技术发展过程中发挥重要的指导作用。

直流输电系统用SF_6密度继电器风险分析

具有保护和控制作用的SF_6密度继电器被广泛应用于交直流输电系统,由于交直流输电系统在切断故障原理上存在差异,SF_6密度继电器的非正常动作风险在直流输电系统中明显高于交流输电系统,必须对其气体回路上的带电补气、气体测量等作业进行风险评估。分析了SF_6密度继电器在与外部气路连通瞬间的非正常动作所引起的风险,并加以试验验证;对直流输电系统SF_6绝缘设备的SF_6低压闭锁保护判据提出了改进建议,供业内人士参考。

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)放电分解产物荧光抑制光纤增强拉曼光谱动态高灵敏检测研究

分析SF_(6)放电分解产物组分和含量的动态变化是SF_(6)封闭式组合电器(Gas-Insulated Switchgear,GIS)状态诊断的关键。本文提出荧光抑制光纤增强拉曼光谱(Fiber-Enhanced Raman Spectroscopy,FERS)动态高灵敏检测方法。首先搭建了SF_(6)放电分解产物荧光抑制FERS检测系统,通过结合CCD数字滤波和小孔空间滤波的协同荧光滤波方法,系统信噪比提升228.4%;基于Allan方差分析确定了系统最佳积分时间为220 s。然后在2 bar压强、220 s积分时间下,基于标准混合气体样品分析确定了用于同时定性与定量分析SF_(6)放电分解产物SOF_(2),SO_(2)F_(2),COS,CF_(4),SO_(2),CO_(2),CO的特征拉曼谱峰,并计算得检测下限分别为1.95 ppm,1.78 ppm,0.83 ppm,2.41 ppm,0.93 ppm,2.51 ppm,6.69 ppm。最后通过连续168 h的GIS等比缩小模型局部放电实验证明了上述系统可实现SF_(6)放电分解产物的动态高灵敏检测,且与气相色谱法结果偏差小于±5%。实验结果表明,本文提出的检测方法可为GIS的安全运行提供技术支撑。

纳秒脉冲下SF_(6)中的气固界面流注特性

在电磁脉冲模拟装置中,绝缘子的沿面闪络问题制约着装置的安全运行。为此通过将放电过程中正负离子和电子的连续性方程和泊松方程耦合,建立了脉冲电压下气-固界面流注放电的仿真模型,对不同电压极性、不同气压下的沿面放电流注的机理和特性进行了研究,并通过与实验结果进行对比,分析了电压极性及气压对沿面流注放电发展与介质表面电荷的影响。结果表明,正负流注在发展过程中存在差异,正流注头部电离剧烈,以步进方式向前发展,而负流注更容易产生阴极导向的正流注。负极性流注介质表面电荷积累要大于正极性表面,介质表面电荷累积造成的局部电场是负极性流注产生阴极导向正流注的主要原因。同时,随着外界气压的上升,流注发展半径减小,表面电荷累积量增加。

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。

Li/SF_(6)反应动力学参数及燃烧现象研究

为探究不同温度及压力条件下锂/六氟化硫(Li/SF_(6))燃烧现象及反应动力学参数,利用激波诱导高压热载荷激励Li/SF_(6)燃烧实验台测量了温度范围为830~1400 K,压力范围为0.8~11 atm时的点火滞燃期;利用可视化实验段探究了Li/SF_(6)燃烧过程和基本发光现象等规律;利用点火滞燃期与温度和压力呈现出的典型Arrhenius依赖关系,通过多元线性回归法得出反应动力学参数。研究结果表明,Li/SF_(6)燃烧的点火滞燃期随温度和压力的升高而减少,发光现象随压力的升高由红色孤立火核逐渐转化为白色明亮火焰,并结合实验测定的点火滞燃期求出了指前因子A、指数因子n和活化能Ea,为明晰燃烧特性、构建数值仿真提供了重要依据。

基于DFT+U理论的SF_(6)分子与TiO_(2)(001)表面吸附研究

SF_(6)气体具有极强的温室效应,针对SF_(6)废气降解和转化的研究对环境保护具有重要意义。为此基于DFT+U理论,研究了SF_(6)分子在TiO_(2)(001)缺陷表面的吸附分解过程。结果表明,SF_(6)分子与TiO_(2)表面之间存在着很强的相互作用,吸附能达到-5.280 eV,推测这是一个化学吸附过程。根据Mulliken电荷分析,电子从Ti O2表面转移到SF_(6)气体分子,在此过程中,SF_(6)表现为电子受体,TiO_(2)表现为电子供体。根据态密度结果分析,SF_(6)分子的S原子和F原子与TiO_(2)表面的Ti原子和O原子之间存在明显的电子轨道重叠。除此之外,差分电荷密度结果也证实了这一电荷转移过程。吸附前后,SF_(6)的分子结构发生了显著变化,S—F键的拉长使得SF_(6)分子更易发生分解。研究表明,Ti O2具有催化降解SF_(6)绝缘气体的潜力,该研究为高效无害化处理SF_(6)气体的实验研究提供了理论支撑。

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。

高压套管表带触指SF_(6)气氛中高温腐蚀特性研究

表带触指作为高压套管中电连接结构的关键部件,其接触劣化受到电、热、化学的联合作用。目前影响表带触指劣化腐蚀的关键因素尚不清楚,亟待开展相关研究。文中基于表带触指劣化试验系统开展了表带触指高温腐蚀特性研究:基于热力学原理分析了不同金属材料对SF_(6)气体分解产物的反应倾向;同时,开展了高温下表带触指在SF_(6)气体中的腐蚀试验,获得了不同过热分解条件下表带触指的腐蚀特性。研究发现,表带触指发生腐蚀反应的类型主要取决于温度最高点的位置和SF_(6)气体过热分解程度,SF_(6)过热分解初期氟化物的特征峰更强。当触指温度高于周边温度且SF_(6)分解程度较低时,表带触指主要受到氟化腐蚀,当SF_(6)分解程度较高时,表带触指主要受到硫化腐蚀。相关研究可为高压套管触指结构的过热故障分析及可靠性运行提供实践依据。

温度对SF_(6)/CF_(4)混合气体尖板放电特性的影响

气体绝缘电气设备使用SF_(6)/CF_(4)混合气体可以避免SF_(6)气体液化,适合在极寒地区应用。为获得设备内部存在尖端放电缺陷时SF_(6)/CF_(4)混合气体的绝缘性能受温度的影响,采用尖板电极模拟缺陷尖端放电,开展SF_(6)/CF_(4)混合气体在0.1~0.7 MPa气压范围和-50~20℃温度范围的工频放电实验。结果表明,不同温度下SF_(6)/CF_(4)混合气体的击穿电压随气压升高均出现先升高—再降低—再升高的驼峰趋势;但随着温度降低,驼峰峰值处的击穿电压随温度降低出现降低趋势,而在非驼峰峰值处的击穿电压随温度降低而基本不变。通过分析温度对电晕空间电荷的影响,解释了SF_(6)/CF_(4)混合气体的击穿电压在不同气压下受温度的影响机制。

SF_(6)气氛下聚四氟乙烯的热解研究

SF_(6)设备内局部过热故障会产生全氟碳烃类特征分解产物。为了探明氟碳烃分解产物与PTFE热分解劣化过程的内在联系,本研究采用同步差示扫描量热/热重/色谱联用技术,构建可追踪到氟碳烃分解产物的六氟化硫热分解反应模型。系统地将热解升温速率/分解温度/分解产物体积分数条件与实验确定的特征分解产物/绝缘材料侵蚀联系起来,阐明了500~600℃温度区间SF_(6)-PTFE热分解形成六氟乙烷、八氟丙烷的化学反应历程。该结果可直接应用于局部过热故障造成的断路器喷口侵蚀进行定性定量检测,相关氟化分解反应为喷口故障精准分析提供实验和理论依据。

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。