The Method for Measuring the Loop Resistance and the Temperature Rise Calculation of GIS Conductor Pole

This paper studies the method for measuring the loop resistance of GIS conductor pole based on the super capacitor producing impulse current up to several thousand amperes. This method overcomes the limitations of conventional diagnostic method. Typical GIS conductor poles are chosen. Based on FEA and lab tests, the effect of different forms of current and contact condition, relationship between the temperature of contact and the loop resistance is researched. In full- scale testing under realistic operating conditions on the new 220 kV GIS using prototype instrumentation a very good sensitivity in an early stage was obtained.

基于改进YOLOv4的GIS红外特征识别与温度提取方法

对气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear, GIS)典型部件的目标识别和温度提取是实现对设备发热状态红外智能检测的关键。文中提出一种基于混合域注意力机制(convolutional block attention module, CBAM)的改进YOLOv4算法,可实现对GIS母线、隔离开关等部件的快速目标检测和热点温度提取。首先,在某变电站现场采集原始红外图像,对图像进行锐化处理和部位标记,构建包含GIS典型部件的红外数据集。然后,利用深度可分离卷积网络降低模型参数量,并融入CBAM优化模型的识别能力,在此基础上构建基于改进YOLOv4的GIS红外部件目标快速检测算法。最后,采用灰阶差值方法对检测到的GIS典型目标部件进行热区温度值提取。结果表明,所提算法在GIS红外特征数据集上可以达到每秒31.5帧的识别速度和82.3%的识别准确率,明显优于其他目标算法,且GIS各部件的温升计算值与实测值误差在±1℃内。该算法可部署在无人机和巡检小车等边缘智能终端,实现对现场GIS设备温升状态的精细化识别和快速诊断,提升GIS设备健康状态管理数字化和智能化水平。

基于多场耦合模型的GIS断路器温度场仿真分析

气体绝缘开关(GIS)是电网中的重要电气设备,其运行状态关系到电网的稳定运行.针对的GIS断路器温升问题,在综合考虑其内部热源形成、热流传输及关键影响因素的基础上,建立了电磁-温度-流场多场耦合有限元计算模型,得到其温度分布规律.并基于不同电接触状态下整体温度场及温升仿真数据,对断路器异常发热引发因素和危害程度进行了对比分析.结果表明,相同接触电阻下,排布方式对于壳体温升极值及分布位置具有明显影响,立式布置下最大温升点沿轴向偏移程度大于卧式,但最大温升值要低于卧式;此外,触头同轴度对温升影响非常显著,相同接触电阻下,一旦出现同轴度偏移,温升将显著增加.研究结果可为GIS断路器过热故障带电检测提供参考.

基于知识蒸馏的GIS关键组件红外特征识别与温变特性提取

针对气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switchgear,GIS)红外热成像巡检缺乏对关键组件的红外特征实时识别功能、温变特性的提取缺乏针对性和易受干扰等不足,提出了一种基于知识蒸馏的轻量化改进GIS红外目标检测和温变特征提取算法。通过Mosaic和Mixup策略对变电站实际采集到的图片进行数据增强预处理,构建了3200条包含水平母线、垂直母线、互感器、断路器和隔离开关的GIS红外图谱数据集;采用YOLOX-s作为教师检测器,YOLOX-tiny作为学生检测器,使用教师网络模型指导学生网络模型进行知识蒸馏训练,进一步从整体上提升知识迁移的性能,实现对GIS不同组件的轻量化目标识别,在数据集上的测试结果表明明显优于其他目标检测算法,所提出的算法模型参数仅为19M,在上位机终端的识别速度可达29.5fps,同时保持了的82.3%的识别准确率;并采用灰阶差值算法进一步实现了对识别出的GIS组件的温度特征提取和分析。结果表明,本文所提出的算法可便于实现对智能红外终端的轻量化部署和集成,为提高GIS红外热成像巡检智能化水平和内部过热缺陷的诊断可靠性提供了一种有效方法。

涂层传热性能对母线散热能力影响分析

为提升电力开关柜散热性能、提高供配电稳定性,本文依据传热学基础理论对电力开关柜传热过程进行分析,采用溶液共混法成功制备了适用于电力开关柜母线散热的涂层材料,并基于电磁-热-流多物理场耦合原理构建了电力开关柜涂层-热分析模型,结合母线负载电流计算理论,从涂层热导率、发射率等方面对涂覆散热涂层前后的电力开关柜传热特性进行分析。结果表明:涂层热导率相比于涂层发射率对母线温升影响较小,母线表面涂覆涂层之后,B相母线表面发射率由0.2增大到0.846时,三相母线最大负载电流与未涂覆相比提升18.75%。

基于光纤光栅的GIS导体温度巡检方法与装置

针对GIS设备导体温度监测和回路过热性故障预防,在分析光纤光栅测温原理和成像解调技术的基础上,提出了一种基于光纤光栅温度传感网络的GIS导体温度巡检方案。通过现场温升试验建立了GIS导体温度测量模型并根据相关标准制定了GIS导体温度过热性故障判据。研制了可应用于不同GIS母线温度测量的便携式巡检装置,设计了温度巡检装置的硬件系统和软件系统。现场实验表明该设备工作稳定,测温精度高,对于保障GIS设备的安全稳定运行具有现实意义。

GIS隔离开关触头温升多场耦合数值计算与分析

GIS隔离开关触头过热性故障严重危害设备的可靠运行,为实现对GIS隔离开关触头温升和过热性故障的监测,建立了包含触头的GIS隔离开关的三维涡流-流体-温度多场耦合数值计算模型,用一段电阻率可变的导体来模拟触头部位的接触电阻,通过电磁场分析计算GIS隔离开关各个部位的电流密度和功率损耗,将功率损耗作为热源载荷代入流体-温度场耦合计算模型计算导体和外壳的温度场分布。基于该模型研究了GIS隔离开关触头温升反演规律及影响因素,结果表明A、B相触头与外壳温升存在1∶0.215的对应关系,C相触头与外壳温升存在1∶0.165的对应关系,研究成果可为开展GIS隔离开关的温升监测提供理论依据与技术支持。

1000kV GIS中电流互感器驱潮技术研究及防潮处理

电流互感器(简称TA)是供电能计量、电量监测、电力系统控制与保护的重要装置。驱潮技术的研究是为了保证处于潮湿气候中的TA正常运行条件下绝缘性能不至于降低,特性不发生破坏。由于特高压试验示范工程晋东南—南阳—荆门3个站的TA均采用GIS套装结构,TA安装后不易拆卸,变电站厂区采用紧凑型设计,传统的驱潮方式已经不再适用。为研究适合特高压GIS中TA的驱潮技术,在借鉴低电压等级TA的基础上,又考虑到特高压GIS站的独特结构以及1 000 kV TA本身的特性,笔者对于特高压TA的驱潮方式中尝试采用了几种不同的形式。为了寻求最合理的方式,对1 000 kV荆门变电站的TA现场驱潮过程进行了分析,发现不同方式对于试验设备要求及最后的效果产生一定的差异,在驱潮完成后还要进行防潮处理。分析结果表明:在1 000 kV GIS TA的驱潮方式中,采用绕组温升驱潮同时配合线圈表面喷涂特殊涂料进行防潮在1 000 kV GIS TA中可行。

基于等效热路模型的GIS隔离开关温升计算

隔离开关是电力系统中关键的一次设备。表征设备负载能力的温升,特别是GIS封闭式隔离开关温升的计算在工程上具有重要参考价值。针对GIS隔离开关的热计算,基于传热学基本原理,建立了220 k V三相共箱式SF_6隔离开关等效热路模型,给出了GIS外壳及导体表面的对流换热及辐射换热的计算公式,提出了针对其在运行工况下,考虑环境温度、接触电阻、负荷电流等因素的稳态热场计算方法,计算结果与FEM计算结果的对比分析表明,所提出的模型能有效、快速计算GIS隔离开关正常运行条件下的热点温升,为电力设备的动态增容提供重要参考。

GIS盆式绝缘子温度多物理场仿真方法

基于GIS历史运行电流信息和环境信息,为实现服役期间盆式绝缘子温度信息提取,提出了一种GIS盆式绝缘子温度多物理场仿真计算方法。综合考虑了GIS母线内部辐射、传导、对流等复杂的传热过程以及涡流损耗、环境温度等因素,研究建立了包含盆式绝缘子在内的126kV GIS母线段温度场仿真模型。基于该模型计算了额定工况下126kV GIS盆式绝缘子温度分布情况。研究结果表明:当环境温度为29℃时,126kV GIS中心导杆在2000 A(有效值)电流作用下,导杆饱和温度为70℃,盆式绝缘子内部平均温度为54.4℃。盆式绝缘子内部温度分布不均,由中心嵌件向外壳处下降,绝缘子内外温度差达21℃。此外,为研究所提出方法的仿真精度,搭建了126kV GIS温升实验平台,实验测量结果与仿真结果偏差<4℃,验证了仿真方法的有效性与准确性。

GIS母线用热补偿型波纹管伸缩量设计分析

由于GIS母线用热补偿型波纹管设计存在的问题,导致变电站运维过程中不能补偿由于温度变化引起的筒体变形,造成固定支撑产生裂纹或开裂。针对以上问题,分析GIS母线用波纹管变形的主要因素和设计原则,通过电磁场与温度场的耦合仿真计算,确定GIS筒体在额定电流下的温升,为波纹管伸缩量设计提供关键参数,并通过试验进行验证。试验结果表明:仿真计算结果与温升试验结果一致,能够为波纹管设计提供可靠的理论依据。

高温差工况下长母线GIS设备振动特性研究

青海地区GIS设备长期工作在昼夜温差较大的环境下,会发生较明显的热胀冷缩现象。长母线的热胀冷缩现象会引发长母线GIS设备部分位置机械状态的变化。文中通过振动在线检测的方法,对青海地区4个GIS变电站进行振动测试,探究高温差工况下长母线GIS设备的振动特性,对比不同温度下长母线正常工作处、明显故障处不同振动信号波形及频谱特征,总结温度对长母线GIS设备振动特性的影响规律。通过分析大量振动波形,认为高温差对长母线GIS内部接触不良故障的影响最为明显。

基于等效热路的GIS母线动态热模型研究

建立了126 kV三相共箱武GIS母线等效热路模型,由于母线等效热阻与热容等集总参数未知,直接求解微分方程较为困难。采用有限元模型计算母线导体、SF6气体以及外壳的温升时间常数,通过数值拟合方法得出母线负荷电流与稳态温升的对应关系,尝试利用单个指数函数模拟母线各组件的温升过程。与不同负荷条件下有限元温升过程计算结果的对比表明,所提出的模型能够有效计算GIS母线正常运行条件下的温升过程。

考虑气流场影响的GIS温升计算与实验研究

准确计算GIS温升对于产品优化设计、缩短研发周期和降低研发成本等具有重要意义。为此,针对一台126kV三相共箱式GIS,考虑接触电阻、邻近与趋肤效应以及涡流效应的作用,首先建立了电磁–热耦合仿真模型,仿真分析了2 200 A电流条件下GIS的损耗分布及温升特性;接着为了进一步研究气流场对温升的影响,建立了GIS的电磁–热–流耦合模型,对比分析了仅计及GIS内部SF6气体流体域、同时考虑GIS内部SF6和外部空气流体域两种方法的温升计算结果;最后开展了2 200 A电流下的温升实验。结果表明:隔离开关导体的损耗密度要高于断路器导体,且接触电阻的损耗密度最大;考虑内、外流体域的计算方法精度最高,最大相对误差小于10%。研究为GIS温升特性的工程设计提供了有效的方法,也可为其他电力设备的温升计算提供技术参考。

载流导体邻近与趋肤效应及电流频率对三相共箱式GIS温升的影响

为了准确计算GIS的温升,探究了载流导体邻近与趋肤效应及电流频率对三相共箱式GIS温升的影响。将弹簧触指和梅花触指均简化为圆环体来模拟电接触。采用三维多物理场耦合的方法,计算并对比了考虑与不考虑载流导体邻近与趋肤效应时的GIS的欧姆损耗和温度分布,比较了不同频率对GIS温升的影响。搭建温升试验平台验证了仿真结果的正确性。结果表明,三相共箱式GIS载流导体的邻近与趋肤效应所产生的的附加损耗较大,其影响不可忽略;相比于不考虑邻近与趋肤效应的计算结果,考虑载流导体邻近与趋肤效应下的温升结果与实验结果吻合较好;在60Hz条件下GIS的温升相对于50Hz普遍有所升高但差别不大。

基于混合绝缘气体的三相GIS母线温升多物理场耦合机制研究

针对气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)母线温升影响设备可靠性问题,对充有30%SF6~70%N2混合环保气体的三相GIS母线进行了电磁—流体—热多物理场耦合仿真分析,采用流体多组分传输的有限元分析方法,研究了GIS母线上电磁场与温度场的分布规律。仿真结果表明:GIS内上方区域由于强对流作用,温差不大,下方区域由于气体对流速度慢,温度呈左右对称、上高下低的阶梯状分布;B相电磁场强度最大,由于受到相邻相的影响温度最高;以B相母线导体、壳体为例分析,外壳与导体的温升跟随负荷电流增大而增加;随着气体压强的增加温升渐渐降低;GIS外壳与导体的温升与环境温度间成线性关系;提高混合气体压强,能有效减少GIS导体的温升。对某变电站的GIS系统进行测试结果表明,仿真模型能有效模拟GIS母线发热情况。

GIS局部过热故障红外成像技术诊断静态试验研究

为了研究红外成像技术在GIS内局部过热故障诊断的有效性和可行性,文中通过静态试验方法,搭建了GIS内局部过热故障仿真平台,研究了故障点不同温度下外壳不同位置的稳定温升,并得到了GIS内部过热点温度及与其对应外壳温升间的函数关系。利用红外成像仪可清晰观察到外壳的局部高温,验证了试验的有效性和可行性。研究表明:当GIS内部发生过热故障时,在与其对应的外壳顶部将产生局部高温。以此高温点为中心,沿GIS轴线方向温度向两侧递减,呈开口向下的抛物线形。距最高温度点0.6 m处,温度变化大约为11~15℃。超过0.6 m,温度下降趋势减缓,超过3 m后,基本为环境温度。如果外壳局部温升超过18.08℃,与其对应的内部过热点温度可能在105℃左右。

基于等效热路和有限元分析的GIS温升研究

针对长期运行在大电流下的开关设备,其温升的考虑及试验是产品开发过程中的关键环节之一。由于GIS产品零部件多、空间结构复杂,理论计算无法体现温度分布,而有限元分析中,结合气流场的多物理场耦合计算,注重定性的理论分析,其涉及参数多,流体域分析占用资源大、计算不收敛等导致仿真结果不确定性大。文中以GIS中主要的发热设备母线及隔离开关为研究对象,结合传热学原理,研究等效热路及有限元分析,简化计算模型及方法,在等效热路分析中采用单一元件结合形状差异进行分割处理来提高计算精度,并提取等效热路法中的发热、散热等关键技术参数,最终结合有限元分析中的电磁—温度场耦合计算以替代传统包含流场的耦合计算,规避工程设计中,流体域参与计算带来的诸多缺点,并通过对比分析计算、仿真和试验测试数据,验证了简化方法的准确性与实用性,大幅提高计算效率的同时,满足工程设计便捷性的需求,为高压GIS设备可靠运行提供了理论基础。

基于边缘计算的GIS母线热特性状:态辨识研究

气体绝缘开关设备的热特性状态辨识方法不足的问题使得运维人员难以对GIS的状态得到实时全面的了解,因此本文提出了利用GIS壳体温度计算热特性参数并实现状态辨识的方法。首先基于GIS的温升效应,定义温度变化率和温度变化加速度为热特性状态辨识的特征参数,其次将状态分为正常运行、临界警告和故障三种状态并分别设定状态分类的范围,然后基于边缘计算快速处理和优先决策的优点设计了GIS热特性状态辨识体系。最后,通过建立GIS母线三维有限元模型,改变电流流通的大小和时间得到三种状态下热特性参数的取值规律。仿真结果表明三种状态下的热特性参数差异明显,故障状态下的温度变化率和温度变化加速度可达到其他状态的5-10倍,因此方法可以快速有效的实现热特性状态辨识,为运行维护和状态感知提供了依据。

1100kV GIS用伸缩节的设计及应用

气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)安装后由于环境温度的变化、通电时产生的温升、阳光的照射、风、早晚温差等原因,使壳体本身的温度发生变化而进行热伸缩,在工程方案设计中需合理设计具有温度补偿型伸缩节进行补偿。介绍了伸缩节的主要形式及使用方法,对其性能特点、补偿计算及工程实际应用进行研究。研究结果表明,设计具有高性能的伸缩节结构是GIS安全可靠性的基础。