直流GIL中线形金属微粒电动力学行为研究

直流GIL中线形金属微粒受力运动极易引发气体间隙击穿或者绝缘子沿面闪络,降低GIL的绝缘性能,严重影响直流输电系统的安全可靠运行.为研究直流GIL中线形金属导电微粒电动力学行为机理,搭建自由微粒实验装置和观测平台,并建立直流下微粒电动力学模型.通过实验与仿真相结合的方法,获得线形金属微粒荷电特性、启举与运动特性以及微粒运动导致的气隙击穿特性,并从微观角度解释了微粒启举与运动现象形成的原因.研究结果表明,线形启举电压只与半径有关,与长度和电压极性无关,随着半径增大,启举电压升高,直流电压极性不影响金属微粒启举电压幅值;线形微粒的运动及导致的气隙击穿与微粒半径、长度和电压极性有关,线形金属微粒半径小、长度增加时容易导致气隙击穿;线形金属微粒形状的不规则使得电场畸变作用加强,极性效应更明显.电晕极性效应导致正负极性下线形微粒的启举与运动及运动致气隙击穿特性呈现出明显的规律,当达到启举电压时,正极性下,线形金属微粒一端抬起后,在下极板小幅跳跃、旋转或者直立,难以贯穿气隙;负极性下,线形金属微粒贯穿气隙运动,极易出现飞萤现象,为直流GIL中线形金属微粒污染防治提供了理论指导.     

特高压GIL绝缘击穿时暂态电压时频特征分析EI北大核心CSCD

为研究特高压气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal-enclosed transmission line,GIL)在交接耐压试验和运行时绝缘击穿激发的暂态电压特征,利用在1100 kV苏通GIL综合管廊工程安装的超宽频暂态电压监测系统,准确测量了GIL在耐压试验和运行时绝缘击穿所产生的暂态电压。分析了GIL在不同工况下典型绝缘击穿所产生暂态电压时域波形的持续时间、变化陡度以及幅值衰减特征。通过傅里叶变化分析了暂态波形的频域特征,发现特征频率与故障位置紧密相关。最后通过连续小波变换分析了暂态电压的时频特征,发现陡变电压的瞬时频率均超过了3 MHz,可通过暂态电压的时频分布图准确判断GIL是否发生次生放电。通过对暂态电压时域和频域特征分析,有助于弄清GIL绝缘故障时暂态电压行波激发及传播特征,准确评估暂态电压对GIL的绝缘危害,提高特高压GIL运行的可靠性。     

直流电应力下线形微粒飞萤运动物理机制与临界起始判据

直流气体绝缘开关与输电管道（GIS/GIL）中线形微粒存在特殊的飞萤运动行为，即未碰撞地电极而反向运动或在高压电极表面悬浮运动，是影响直流GIS/GIL绝缘性能的关键因素之一。为厘清微粒飞萤运动物理机制，搭建了微粒飞萤运动观测与荷电量测试平台，获得了不同电压下线形微粒的运动与荷电特性。研究表明，线形微粒附近空间电荷导致微粒荷电量的极性变化，是产生飞萤运动的关键诱因，电极表面线形微粒的电晕起始电压是导致微粒荷电量极性改变的临界电压。进一步，基于直流棒板间隙的光电离模型计算了电极表面线形微粒的起晕电压，由测量结果拟合得到纳入起晕电压影响的微粒荷电量表达式，并结合电荷端部集中特性建立了线形微粒的荷电运动模型，由此提出飞萤运动的临界起始判据，实现了线形微粒飞萤运动的动态模拟。计算获得100kV直流GIL样机中不同尺寸微粒的飞萤起始电场强度，对于0.5MPa的SF6气体环境，直径0.2mm、长度5mm线形微粒的负极性飞萤起始电场强度为2.78MV/m，正极性飞萤起始电场强度为4.93MV/m。该研究在抑制微粒飞萤运动方面为直流GIL的主绝缘设计提供了参考依据。     

主变压器与GIS的GIL连接方案分析

为优化户外气体绝缘开关设备（gas insulated switchgear, GIS)变电站的布置,采用了气体绝缘母线（gas insulated line, GIL)连接主变和GIS设备。通过技术、经济比较,此方案能节省变电站占地和投资,并能提高连接的可靠性,促进两型一化智能变电站的建设。同时,从出厂、交接、预防性试验及检修等角度分析了应用GIL连接带来的问题,提出相应的建议方案。     

微纳粉尘运动行为与微弱放电探测技术研究进展

气体绝缘开关/气体绝缘输电线路（GIS/GIL）装备在生产、安装和运行过程中不可避免地会产生微米-纳米尺度的粉尘,这种微尺度粉尘不易被检测到,其荷电运动的物理机制尚不清晰,带来的安全隐患隐蔽性强。该文对国内外相关研究进展进行了梳理,主要包括粉尘的荷电运动行为与表征、粉尘浓度检测、粉尘可视化探测技术、粉尘诱发微弱放电机制等。在此基础上,进一步梳理微纳粉尘研究有待解决的两个关键问题以及需要突破的技术难点。针对微纳粉尘的随机荷电机制与时空动力学行为特性研究,在测量基础上须突破微纳粉尘的快速识别方法和空间浓度的有效检测技术,其中,微纳粉尘运动行为的可视化探测技术是发展方向。针对荷电微纳粉尘诱导微弱放电的物理机制,需利用放电光谱学特征,发展基于飞秒激光和太赫兹波技术的高灵敏度检测方法。上述问题的有效解决,可为处理GIS/GIL内微纳粉尘引发的绝缘缺陷与放电现象提供基础支撑。     

基于多物理场仿真的750kV断路器击穿故障分析

气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated switchgear, GIS)断路器因其成本较低、便于安装、抗震性能好等优点,在超特高压电网中广泛应用。针对一起750 kV GIS断路器内部击穿放电的事故,从现场检查,设备解体检查,电、热、力学仿真分析等方面,对断路器内部放电的根本原因进行分析,并且,提出应对措施。     

GIS中不同长度金属尖端缺陷超声波局部放电发展特性研究

气体绝缘组合电器设备(gas insulated switchgear,GIS)因具有占地面积小、可靠性高等优点在电力系统获得了广泛应用。GIS设备在制造或安装过程中可能在高压导体产生金属尖端缺陷,进而在运行过程中产生局部放电,持续的局部放电会导致绝缘击穿,影响设备运行。针对GIS高压导体金属尖端缺陷局部放电特性,文中在实体GIS高压导体上设置了不同长度的金属尖端缺陷,利用超声波法对其从局放起始到绝缘击穿整个过程中的局放信号进行了测量,结果表明,随着电压的升高局放过程可分为局放起始阶段、局放相位转换阶段、局放发展阶段及临界击穿阶段,不同长度的缺陷其发展阶段类似,但其局放起始电压及放电强度不同。     

直流GIL不均匀场中金属微粒运动的数值模拟及放电特性分析

明确直流气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated transmission line,GIL)不均匀场中金属微粒运动及其引发的间隙放电具有重要意义。建立了微粒运动的三维电-力学瞬态耦合有限元数值计算模型:基于静电场原理,获得了微粒的电荷量及电场力;结合力学方程与拉普拉斯光顺方法给出了运动的动网格模型;为抑制微粒与壁面接触时网格拓扑改变引起的计算失败,提出了虚拟接触壁面条件。对楔形平板电极中典型的微粒运动进行数值模拟,通过实验验证了计算模型的准确性。获得了微粒表面的场强畸变,并根据流注起始判据对其引发的典型间隙放电形式进行分析,结果表明:微粒向电极运动时,表面场强畸变最严重部位总是分布在靠近电极一侧的顶端;微粒紧邻高(低)压电极而与低(高)压电极的放电由微放电引起;起跳阶段与高压电极的放电可能会立即引发整个间隙击穿。     

丝段式电热爆过程中的气隙击穿特性

金属丝段落入高压电场中发生电热爆,只能靠两端与电极之间的气体放电导入大电流完成。为系统认识气体放电过程中充电电压、电极间距与击穿气隙之间关系,改变初始充电电压和丝段初始长度,进行系列电热爆试验,同时,测量不同气隙时的放电电流。结果表明,金属丝段进入高压电场中后,存在单气隙放电和双气隙放电两种模式的气体放电。发生单气隙放电时气隙的击穿电压要比双气隙放电时气隙的击穿电压小。电极间距增大后,气隙的击穿电压增大。能够发生双气隙放电时对应丝段的最小长度,为适合电热爆发生的丝段最佳长度。     

特高压C4F7N/CO2混合气体GIL温度分布

气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal-enclosed transmission line,GIL)中绝缘气体热学特性会影响GIL整体绝缘性能.目前,国内外对C4F7N/CO2混合新型环保气体应用于GIL的研究刚刚起步,其热学特性尚不明确.为此对特高压C4F7N/CO2混合气体GIL建立了温...     

GIS/GIL中金属微粒污染问题研究进展

以SF_6或SF_6/N_2混合气体为绝缘介质的GIS/GIL具有大容量、高可靠性和环境友好等特点,特别是在特高压输电及离岸大规模风电输送领域具有巨大应用前景,而GIS/GIL中存在的金属微粒污染问题是提高设备绝缘强度研究中的关键技术难题。首先介绍了GIS/GIL中金属微粒的带电及受力机理研究;然后分析归纳了交流、直流、冲击等不同电压类型与微粒的运动特性和设备绝缘劣化之间的关系和规律;并进一步,对比分析了GIS/GIL中由金属微粒污染引起的典型绝缘故障,即运动微粒引起的气隙击穿和附着绝缘子表面的微粒引起的沿面闪络;此外总结概述了目前主要的微粒抑制措施及其作用机理;最后指出现有GIS/GIL中微粒污染问题研究存在的不足和可能的解决途径。     

等离子体复合薄膜沉积抑制金属微粒启举

气体绝缘金属封闭线路(GIL)和气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)中的金属微粒污染是影响设备绝缘性能的主要因素之一,而电极表面覆膜能够在一定程度上提高直流应力下金属微粒的启举电压。本文探索一种使用等离子体射流对金属电极表面处理以抑制金属微粒启举的方法。利用高频交流电源激励产生大气压等离子体射流在Cu表面沉积SiO_2-TiO_2复合薄膜,获得由厚度约2μm的TiO_2薄膜和3.5μm的SiO_2薄膜组成的致密复合薄膜,并且在测试频率为1kHz时TiO_2和SiO_2薄膜的相对介电常数分别为24和4左右。此外搭建金属微粒运动观测平台对比电极表面沉积薄膜前后对金属微粒启举的影响,并通过建模仿真计算沉积复合薄膜前后高压电极与金属微粒间的电场畸变程度。结果表明:电极表面沉积薄膜后金属微粒的启举电压提高约18%,在相同条件下表面沉积薄膜后金属微粒启举具有明显的延迟效应,并且沉积薄膜后金属微粒和电极间的最大电场强度由1.98×108V/m下降至1.82×108V/m。因此,通过等离子体增强化学气相沉积法在电极表面沉积薄膜能够提高金属微粒启举电压、降低其运动活性,为工程应用提供了新的解决方式。     

直流气体绝缘输电线路的绝缘设计

气体绝缘输电线路(gas insulated transmission line,GIL)与架空线路相似但占地空间小、损耗低,在高压直流输电和特高压直流输电领域具有较大的应用空间。通过分析表面电荷和金属导电微粒对绝缘子沿面放电的影响,指出了绝缘子表面电荷积聚和自由金属导电微粒附着是降低直流GIL绝缘性能的重要原因。采用了使电场分布合理的方法,即半圆锥形盆式绝缘子的优化和表面电阻率阶梯分布的覆膜。设计了包括电极覆膜、微粒陷阱、驱赶电极和屏蔽环的直流GIL的绝缘结构。     

雷电冲击电压下GIS瞬时绝缘数值分析方法

为描述雷电冲击电压下气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated metal-enclosed switchgear,GIS)绝缘被破坏过程的内在机理,提出一种瞬时绝缘数值分析新方法,采用电磁暂态分析与优化模拟电荷法相结合的方法,以某550 k V GIS为研究对象,对雷电冲击电压下550 k V GIS的瞬时绝缘特性进行仿真计算与分析。结果表明:新方法计算所得GIS场强峰值比传统绝缘分析方法高约8%左右;在0～15μs时间段内,GIS内电压虽未达到峰值,但由于电压变化剧烈,导致电场畸变严重,此时GIS绝缘被击穿的概率增大;在进行绝缘结构优化设计时,应抑制场强幅值变化率,以降低绝缘被击穿概率。     

直流电场下C_4F_7N/CO_2与SF_6/N_2混合气体中铝质球形自由微粒放电敏感度对比分析

直流气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)充SF_6混合气体或SF_6替代气体时,其绝缘性能将受到自由金属微粒的影响。本文重点针对C_4F_7N/CO_2以及SF_6/N_2混合气体,开展绝缘强度的影响分析。选用的实验气体组份为:C_4F_7N/CO_2(4%/96%)、SF_6/N_2(其中SF_6比例分别为20%、30%、50%和70%)以及纯SF_6气体,在球-碗电极直流电场下,开展微粒影响下的气隙击穿实验。提出微粒放电敏感度(DSP)的概念及定义,用以评估不同组分气体绝缘强度对金属微粒导致的局部电场强度剧变的敏感程度。实验结果表明,在0.1~0.5MPa气压范围内,不存在微粒时,4%C_4F_7N/96%CO_2绝缘强度与30%SF_6/70%N2混合气体相当;存在微粒影响时,4%C_4F_7N/96%CO_2混合气体的DSP值低于30%SF_6/70%N2混合气体的,而高于20%SF_6/80%N2混合气体的,且放电电流呈现双峰值特征。C_4F_7N/CO_2混合气体具有绝缘强度高、对微粒放电敏感度低的特性,这与C_4F_7N具有强电负性和高吸附系数有关。本文还结合微粒运动触发放电的物理模型,阐明了气隙击穿电流出现双峰特征的原因。     

直流GIL绝缘设计及局部放电检测研究进展

气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated line,GIL)在我国输电系统中占有越来越重的比例,推广使用直流GIL对于完善现有直流输电方式具有很强的经济效益。与交流GIL相比,直流GIL研究的技术难点和差异主要在于绝缘方面。研究直流GIL绝缘问题能够指导其运行维护并对其进行寿命预测。文中从直流GIL整体绝缘设计和GIL内部局部放电检测两个方面,梳理和介绍了国内外对交直流GIL各方面的研究情况,为针对直流GIL绝缘问题的后续研究提供了参考和借鉴。     

0.4～0.8MPa气压下二元混合气体SF_6/N_2和SF_6/CO_2露点温度计算

金属封闭开关设备(gas insulated switchgear,GIS)和气体绝缘输电线路(gas insulated transmission line,GIL)等高压电力设备多采用提升气压的办法来提高SF6混合气体的绝缘强度,而随着气压的升高,混合气体的露点温度随之上升,在一定条件下,甚至超过了GIS和GIL设备的适用范围。该研究采用Peng-Robinson(PR)状态方程结合van der Waals混合规则(PR-vd W方法)分别对二元混合气体SF6/N2和SF6/CO2的汽液相平衡数据进行了计算,得到在0.4～0.8 MPa气压下,不同配比的SF6混合气体的露点温度。结果显示:对于目前使用的GIS和GIL设备,当气压分别为0.6、0.7和0.8 MPa,建议SF6/N2混合气体运行在SF6气体占混合气体摩尔分数分别0.84、0.74和0.66的情况下,SF6/CO2混合气体运行在SF6气体占混合气体摩尔分数分别0.77、0.60和0.47的情况下。且在GIS和GIL设备中,SF6/N2混合气体的环境适用范围较SF6/CO2混合气体的更广。     

氟碳介质热致气液两相流的工频击穿特性及其在GIL中的应用展望

目前已有一些环保型氟碳介质可替代SF_6气体应用于变压器、GIS甚至GIL中,其在工作中以液态或气液两相态的形式存在。但是,液态绝缘介质在受热状态下的气液两相流的绝缘特性和放电机理尚未明晰。文中采用自发热电极进行了氟碳介质热致气液两相流随热流密度、工作压力等热力学参数的工频击穿电压测量实验,结果表明:其击穿电压随热流密度呈"Z"字型的曲线规律变化;击穿电压突变点与表面过热度的极值点高度相符,以此提出了表征击穿电压突变的特征值和特征向量。最后,通过仿真分析和计算初步证明,环保型氟碳介质在绝缘和冷却两个方面完全具有替代SF_6气体应用于环保介质绝缘管道电缆的可行性。     

GIS/GIL绝缘子超声检测研究进展与展望

气体绝缘开关/气体绝缘输电线路(gas insulated switchgear/gas insulated transmission lines, GIS/GIL)绝缘子应力集中、密度不均匀和内部集中缺陷可能是目前威胁GIS/GIL设备安全运行的主要原因,急需研究其检测方法。为此分析了GIS/GIL绝缘子应力集中、密度不均匀和内部集中缺陷的原因和检测技术现状,系统总结了GIS/GIL绝缘子常用环氧复合材料超声检测技术的研究进展,包括纵波声速、检测深度、灵敏度、第一临界角和临界折射纵波渗透深度等超声传播特性,超声临界折射纵波的声弹性效应和声弹性系数、GIS/GIL绝缘子次表面应力临界折射纵波声程差检测法和热应力云图、三支柱绝缘子柱腿平行应力纵波反射法和垂直应力纵波穿透法等超声应力检测技术,GIS/GIL绝缘子内部缺陷纵波反射法成像、表面缺陷临界折射纵波法和界面缺陷纵波斜入射法等内部集中缺陷超声检测技术,以及盆式绝缘子纵波反射法密度云图等密度均匀性超声检测技术。该研究指出研发少峰高频高能超声探头、绝缘子全域超声快速成像、多结构多部位超声检测、去应力处理残余应力测量、密度与残余应力耦合理论...     

温度对GIS内部固体绝缘缺陷间歇性放电特性影响研究

针对现场GIS局部放电绝缘缺陷漏报、误报情况频发的问题,本文根据GIS实际运行温度范围对GIS内部常见固体绝缘缺陷开展不同温度下间歇性放电特性试验研究,搭建GIS电-热耦合间歇性放电模拟试验平台,采用脉冲电流法、特高频法、超声波法和气体特征组分检测法获取不同温度下固体绝缘缺陷间歇性放电特征数据并进行分析,研究发现：UHF检测法和脉冲电流检测法在不同温度下均能有效检测到试验缺陷间歇性放电UHF信号,超声波和气体特征组分检测法无法有效采集到有效放电数据;固体绝缘表面金属污秽缺陷和内部气隙缺陷间歇性放电电压与温度呈现负相关关联特性,污秽缺陷间歇性放电电压呈现较为明显的线性下降趋势,气隙缺陷间歇性放电电压呈现先大幅度下降后较平缓线性下降趋势;污秽缺陷间歇性放电的平均放电量和UHF信号幅值与温度的升高呈现正相关关联特性;污秽缺陷放电间歇性在不同温度下随放电时间的增加会增强,而气隙缺陷放电时间间隔在26℃、40℃、50℃能由s级发展为ms级,存在演变成击穿放电的风险。本文研究成果进一步丰富了GIS间歇性放电理论体系,并有助于提升现场GIS间歇性放电的有效诊断率。