±500 kV直流换流阀用饱和电抗器温度场与电场仿真研究

高压直流换流阀饱和电抗器在工作过程中发热量大、电场分布不均匀,使其成为阀厅的安全隐患。为改善饱和电抗器的温升效应,文中以实际±500 kV直流换流阀用饱和电抗器为研究对象,建立了改进的流体场与温度场耦合模型,该仿真模型综合考虑流体传热、空气对流散热、绕组焦耳热和铁心涡流热损耗等实际因素,仿真计算电抗器各部件的温度场分布及其影响因素。现场验证表明该模型计算结果更接近实际工作状况。还建立静电场仿真模型,仿真计算电场畸变情况。温度场结果表明:饱和电抗器的铁心温度最高、环氧树脂次之、冷却水管路温度最低;铁心最高温度可达342 K。提高冷却水入口流速是降低饱和电抗器温度的有效方法,阀塔冷却系统的入水流速设置为1 m/s时可达最佳的冷却效果。环氧树脂、铁心和冷却水管的最高温度均与冷却水入口温度呈线性递增关系,实际工作中应使冷却水的初始温度越低越好。电场结果表明:环氧树脂与铁心交界面处出现明显的电场畸变现象,最大电场强度可达1.26×105 V/m。应在此处采取均压措施以防止电场集中而导致的局部温度过高。文中所得结论可为直流换流阀用饱和电抗器的设计提供参考。

基于动态扫描涡流热成像技术的碳钢结构损伤检测

针对工业系统中碳钢结构损伤检测的实际需求,该文采用动态扫描涡流热成像(DSECT)技术对人工制备缺陷碳钢试件进行检测,提出了针对DSECT的热图序列重建算法,并利用最小相频特征实现了缺陷深度的定量检测。该文推导建立了DSECT热波传播模型,并在对数坐标下实现了热波信号的拟合,消除了热波信号的噪声;提出了基于热波信号重构的热图序列重建算法,在视场中剔除了线圈,实现了视场中被检试件的均匀加热;对人工制备的缺陷试件进行检测研究,验证了重建算法的有效性;通过快速傅里叶变换提取了最小相频特征,利用缺陷深度与最小相频平方根倒数的线性关系,实现了对缺陷深度的定量估计。研究表明,DSCET解决了传统涡流热成像方法的不足,该文提出的重建算法改善了成像视场,便于对碳钢缺陷进行定量检测。

绞合型碳纤维复合芯导线的弧垂特性研究

绞合型碳纤维复合芯导线作为一种新型架空输电导线,在输电线路增容改造工程中具有良好的应用前景,但由于运行时间较短,缺乏深入研究,尚不能准确评估其特性,目前在弧垂特性方面的研究也不够全面、系统,限制了绞合型碳纤维导线的进一步推广应用。该文在充分考虑绞合型碳纤维导线“拐点温度”特性的基础上,搭建了一套适用于绞合型碳纤维导线的弧垂计算模型,并选取钢芯铝绞线和多种其他类型增容导线与之进行对比。研究结果表明,绞合型碳纤维导线的拐点温度在60~110℃之间;相较其他类型导线,在输电线路运行温度范围内绞合型碳纤维导线的弧垂最小、张力最大、弧垂变化量最小;在各自的长期允许运行温度下,绞合型碳纤维导线和钢芯铝绞线的弧垂差随档距的增加而增大,在2000m档距时,弧垂差可达50m左右,说明在大跨越线路工程中绞合型碳纤维导线能够充分发挥其高温低弧垂特性;在覆冰地区,相比钢芯铝绞线,绞合型碳纤维导线的对地安全性更高,并且覆冰越严重其低弧垂优势更为显著,适合在重覆冰地区应用。

±500 kV直流换流阀元件高分子材料引燃特性研究

在直流输电系统中晶闸管换流阀存在发生火灾的风险。文中联合热失重分析—差式扫描量热仪(TGA/DSC)以及热空气炉的实验方法,研究了换流阀主要元件的有机高分子材料在空气环境下的热失重起始温度、放热临界温度以及燃点。提出了通过TGA/DSC联用实验测定换流阀高分子材料在空气环境下的燃点的方法。通过对实验确定的3项参数之间的关联性分析,确定了影响换流阀元件高分子材料的引燃温度的影响因素。研究结果表明:换流阀的引燃过程受到了高分子材料的热解过程和在高温下的放热过程的共同作用。引燃过程所需温度与热解过程发生的温度和材料在空气环境下能够依靠自身发生放热反应升温的最低温度呈正相关。文中对比研究了换流阀主要元件所包含的不同有机高分子材料在空气环境下的多项燃烧相关参数,可为换流阀元件高分子材料的引燃特性以及换流阀火灾风险评估提供借鉴。

直流输电换流阀高分子材料耐受温度与燃点研究

直流输电换流阀中包含较多高分子材料,且长期工作在空气以及高温条件下,存在一定耐热及耐氧化的要求。本文目的是研究换流阀几种常用材料在空气条件下的最大耐受温度,并结合实际测量和仿真计算结果研究其耐受温度的裕度以及燃点。通过对换流阀中主要的高分子材料进行取样后,进行空气条件下的热失重实验测定其最大耐受温度。材料燃点则通过热空气炉法测得。实验结果表明所有材料的耐受温度均高于材料正常工作时承受的温度,最低的材料耐受温度为191.9 ℃。并且所有材料耐受温度的裕度均在131.5 ℃以上。实验结果表明实验中所测试的换流阀材料的耐温裕度能够应对额定工况以及一定程度的过载运行工况,能够引发材料失效或燃烧的温升可能需要电弧放电等热效应集中的热源。研究中取样的换流阀高分子材料能够耐受空气环境换流阀额定工况下的温升,并且裕度足以应对过载运行的温升。样品的燃点与耐受温度存在正相关,但燃烧风险需要考虑更多因素。同时,本研究中采用的热失重法在表征材料失效方面有一定局限性;因缺乏准确测定实际运行时温度的手段,给温度裕度的结果带来一定误差,这些问题有待在后续研究中加以解决。本文的研究结果为后续对换流阀材料的高温失效机理的进一步研究以及换流阀起火的可能原因分析提供了参考。

介电泳自组装构筑自适应介电梯度材料:原理与应用

绝缘器件内电场分布不均是影响高压绝缘设备绝缘性能的重要问题。文中研究了介电泳自组装构筑自适应介电功能梯度材料,提出了一种“以电治电”的梯度绝缘件的制备方法。通过有限元仿真研究了一维填料自组装的5个阶段以及不同状态下的等效介电常数。结果表明,一维填料颗粒越趋向电场方向,其内部的电位移模量越大,宏观上表现为等效介电常数增大。同时,建立了液态预聚物复合绝缘部件介电常数在非均匀电场中的时空演变模型,并对针板电极的仿真结果进行了分析。研究发现,原位辅助电场能有效缓解局部电场,提升整体电场均匀性。相容系数越高,可获得的最优电场均匀性越高,但也会增加电介质损失率,并且均化效果的边际效应下降。

碳纤维复合芯导线应用于特高压大跨越线路的脱冰工况仿真

当远距离输电工程横穿长江黄河时,需在该区域架设特高压大跨越架空输电线路。由于档距较长、不平衡张力较大等原因,该线路在发生脱冰跳跃时存在更大的安全隐患,而应用轻质、强度高的碳纤维复合芯导线有望降低其运行风险。该文利用清华大学自主研发的三自由度非线性仿真平台,基于导线的脱冰工况,对1000k V特高压大跨越应用同型号的碳纤维复合芯导线与钢芯铝合金导线两种情形进行仿真计算。结果表明:应用碳纤维导线可以降低特高压大跨越线路的弧垂,将不平衡张力降为原来的50%左右,降低绝缘子受力,虽然相间距离有所减小,但通过安装合适的抑制措施可以使其满足7 m的安全要求。因此,在特高压大跨越线路中应用碳纤维复合芯导线可以提升线路发生脱冰跳跃时的力学安全性。

基于激光诱导击穿光谱的绝缘子污秽度分析

污秽闪络是威胁电力系统安全的主要因素之一,为了预防污闪事故的发生,需要定期对绝缘子表面的污秽度进行检测,但传统的停电取样检测周期长,耗费大量人力物力。文中提出一种利用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对绝缘子表面污秽度进行分析的方法。以10个带有不同等值盐密、等值灰密的自然污秽玻璃绝缘子为主要研究对象,将其上表面分为内、中、外环3个区域,研究不同测试策略下定标模型的相关系数,采用Na 589.592 nm、Al 396.192 nm作为特征谱线,发现对于盐密的检测定标模型,采用内、中环联合区域的测试策略,相关系数可达0.9481,检测相对误差在5%以内;对于灰密的检测定标模型,采用中环独立区域的测试策略,相关系数可达0.9383,检测相对误差在15%以内。该分析手段能实现现场快速分析绝缘子表面污秽度,提升输电线路运行安全维护作业能力,具有重要的工程应用价值。