±800kV直流分压器典型绝缘故障的仿真分析与应对措施

直流分压器是换流站内的重要电压测量设备,其绝缘故障将直接影响直流输电系统的运行。针对两起±800 kV直流分压器的典型绝缘故障,结合设备解体情况,分析了直流分压器的绝缘结构,运用ANSYS有限元仿真软件,对不同运行工况下分压器的电位和电场分布进行了计算分析,明确了故障原因为:在恶劣的外绝缘运行环境下,分压器环氧筒外套绝缘电阻发生非线性下降,其与阻容分压单元轴向电阻的不匹配导致了分压器轴向电位差,进而引起环氧筒局部放电、沿面放电,以及阻容分压单元径向局部放电和SF_6气体间隙击穿。提出了改善分压器外绝缘电位分布、提高分压器内部局放及击穿阈值、开展针对性运行维护的应对措施。研究成果对于指导直流分压器的选型与运行维护,提高分压器运行的可靠性均具有重要意义。     

加装增爬伞对±800kV特高压直流分压器内外场强的影响

加装增爬伞是目前公认的降低外绝缘雨闪事故的有效措施,结合某特高压换流站现有800 kV特高压直流分压器模型,仿真分析了其分别在干净、湿污状态下不同位置加装增爬伞后的电位和电场分布情况,仿真结果表明在湿污状态下直流分压器加装增爬伞后靠近高压端位置处场强有所提高,而且加装位置对内部电场分布有微弱的影响,增爬伞安装在其内部阻容分压节点处比安装在节点的上下端位置时内部场强提高了5%左右。     

复奉特高压直流分压器二次电压异常原因分析

根据向—上工程复、奉两站特高压直流分压器二次侧电压异常跳变多发生在阴雨、雾霾天气的特征,文中从直流分压器的工作原理、内部电阻发热、外部电场畸变等方面对故障原因进行了分析。分析结果表明由直流分压器内、外电压差过大产生的径向放电而引起的分压器高压臂阻容元件短路是导致分压器二次侧电压跳变的原因。表面上污秽和潮湿环境下,直流分压器绝缘子外表面电场强度发生了强烈的畸变是产生径向放电的直接原因;实际上现有直流分压器在结构设计上存在缺陷使得直流分压器内部发热严重,在温度场垂直方向上呈现上高下低的梯度分布才是分压器出现故障的根本原因。电场作用下,正是由于这种温度梯度的分布与绝缘子表面积污相互耦合才使得分压器在内、外电压在径向方向上电压存在极大的差异,进而引发径向放电。为避免类似故障的产生,应高度重视现有直流分压器这种结构设计上的缺陷。在今后直流分压器的设计中,需对直流分压器结构进行优化或加强散热措施,最大限度地减小直流分压器内部垂直方向上的温度梯度。     

DCTV阻容分压器热平衡条件下温度及传热特性分析与计算

传统直流电压互感器用阻容分压器作传感器,阻容分压器具有明显的自热效应,而且容易受到空气温度的影响,了解阻容分压器的温度分布及散热情况具有重要的意义。为此,结合经典的传热理论,建立了阻容分压器的传热模型,分析了热平衡时阻容分压器的传热过程,介绍了一种在热平衡条件下计算阻容分压器温度分布和散热情况的迭代算法,对典型尺寸的阻容分压器进行了计算,研究了阻容分压器的温度分布和散热情况以及空气温度、分压器功率对变压器油温度的影响。计算结果表明:①绝缘套管的散热量占总散热量的96%以上,金属盖板的散热量不到金属底板散热量的1/3;②在20°C、500W条件下达到热平衡时,变压器油的温度为43.04°C,绝缘套管内、外壁的温度差为3.61°C;③40°C条件下,1000W时的变压器油温度比500W时的高17°C;④500W条件下,40°C时的变压器油温度比20°C时的高20°C。     

特高压直流分压器内部温度场结构优化设计

直流分压器是直流输电系统中不可缺少的主设备。目前直流阻容式分压器因结构和工作原理的原因,导致内部出现较大的温度梯度,影响了分压器的误差性能,同时增加了空心绝缘子发生污秽闪络的概率。针对±1 100 kV直流分压器的散热问题,文中进行了内部温度场的结构优化设计,同时在顶部增加散热结构,降低其温度梯度。最后利用Ansys Fluent软件对该结构设计进行温度场和热流场的仿真分析,结果表明:在27℃的环境温度下,与传统结构的直流分压器相比,在额定一次电流为2 m A,热流量为2.2 k W的情况下,其内部温度有明显的降低,最大温差可达到20 K。同时增加的散热翅片显著提高了分压器内部气体的循环流动,提高了散热的效率,优化后的结构满足散热的需求。     

1000kV瓷外套MOA电阻片与瓷套电位关系的研究

为了提高电力系统运行的可靠性,笔者依据一个特定的实体模型,采用有限元ANSYS分析软件对1 000 kV系统用瓷外套MOA建立2-D模型,进行场强和电位分布计算,比较了采用并联均压电容前后MOA内部电阻片与瓷套内侧的电位和场强分布的变化。结果表明,MOA电阻片与瓷套内侧容易发生放电或闪络现象的位置分别为第1、4节单元距单元上法兰1/6～1/5处;并联均压电容之后各单元电阻片上的场强和承担的电压趋于均匀化,但某些单元的径向场强和电位差变大,在避雷器设计制造时应引起关注。     

±800kV换流变压器阀侧电容式直流套管电场分析

为研究特高压直流套管的绝缘性能,建立了±800 kV复合电容式套管有限元模型,用ANSOFT分析软件对内采用绝缘环氧树脂绝缘纸和外绝缘采用高温硫化硅橡胶外套制造的复合电容式套管进行二维电场分析,获得特高压直流套管内部精确场强分布和电位分布。该结果表明:套管内部环氧树脂中的屏障强迫了电位分布,使法兰附近的电场分布均匀,却造成法兰顶端等位线发生剧烈变化,径向电位梯度大;法兰部分与高温硫化硅橡胶伞裙的接连处电场强度最大,最大值达3.44 MV/m,在特高压直流运行时最易产生闪络,是必须注意的问题。     

1100kV直流电阻标准分压器电场仿真分析和方案设计

目前,我国直流电压比例标准的最高电压等级为800 kV,若直接套用该标准进行1100 kV直流电压互感器现场校准实验,其周围电场的分布仍不均匀,将导致准确度降低,故文中针对这些问题研究设计了1100 kV直流电阻标准分压器。本文基于Ansys仿真软件搭建了1100 kV直流电阻标准分压器的有限元模型,计算并分析了分压器周围和沿测量电阻层方向上的电场分布,得出了均压环的尺寸和位置对分压器周围最大场强的影响特性,通过合理设置均压环的圆心到地面的距离、内环半径、圆心到对称轴的距离,可大幅改善分压器周围最大场强。本算例中,分压器周围最大场强的大小从6869.37 V/mm降低到1566 V/mm,提高了绝缘水平;施加屏蔽电阻层后,沿测量电阻层上的电场强度减小到142.17 V/mm,且分布均匀,提高了测量准确度。本设计对分压器设计、制造、运行等部门有较好的借鉴作用。     

一种新型的电容分压器电场优化结构

标准电容器具有优良的电压系数和温度系数、介质损耗极小、电容量稳定等优良特性,被广泛的应用于高电压测量中作为参考标准或测量分压器的高压臂。平行平板电容器作为高压标准电容器的一种新型结构具有结构简单、可带有板蔽电极等特点;但其电位分布不均匀是其一个较大的缺点,容易造成绝缘筒沿面闪络,发生绝缘击穿事故。文中以1 200 kV平板电极标准电容分压器为例建立了高压标准电容分压器的计算模型,计算得到了高压标准电容分压器绝缘筒外部电位随高度的变化曲线,通过在电容分压器内部增加多层金属板,使得电容分压器绝缘筒外部电位分布曲线趋于线性,得到了进一步的优化。     

直流分压器暂态温升及冷却特性研究

直流分压器在量值溯源、实验室等场合工作时间较短，其暂态温升会导致测量误差。文中分析了绝缘介质为流体的实验室用直流分压器的传热过程，利用电学、热学、流体力学的多场耦合构建了其暂态温升和冷却过程的数学模型，并以500 kV实验室用油绝缘直流分压器为例对其暂态温升及冷却特性进行计算分析。结果表明：变压器油的非等温流动将导致分压器上端温度高于下端，过小的绝缘套管内径使变压器油的非等温流动集中在相邻分压电阻间隔内，导致分压器最大温升、分压电阻上最大温差以及热时间常数均增大。在计算条件下，套管内径较小的直流分压器在额定工况下工作2 h后，分压器表面最高温度高达76.5℃，自然冷却11 h后温度才能降低至60℃。本研究对直流分压器结构设计及实验室应用具有指导意义。     

电热耦合模型应用于高压干式直流套管径向温度和电场分布计算

高压干式直流套管运行中内部径向电场、温度场分布是表征套管性能的重要参数,关系着套管芯子的长期安全稳定运行。套管中心导杆欧姆发热和绝缘介质焦耳发热是芯子内部存在温度梯度分布的主要原因,且绝缘介质电导率与温度密切相关,而直流条件下电场分布又取决于电导率,因此高压直流套管电场与温度场的计算是一个相互耦合的过程。鉴于此,首先建立套管芯体圆柱模型,并进行半解析理论公式推导,实现了电场和温度场的解耦计算。在此基础上,提出了有限元电热耦合模型和计算流程,并将电热耦合理论模型与有限元模型在实际套管结构下的电场、温度场计算结果进行对比,两者吻合较好,证明了有限元电热耦合模型的有效性。进一步将有限元模型推广到与实际套管芯子结构相同的圆锥模型,计算了某干式直流套管芯子内部电场、温度场分布,并对芯子外轮廓结构进行了优化设计。优化目标为在额定运行条件下,套管最热点温度接近90℃,且套管径向场强最大值约为3.5 kV/mm,分布较均匀。最后对该干式直流套管样机进行了温升和电性能试验,证明了优化设计方案的可行性。提出的电热耦合理论、有限元模型,以及电热解耦计算方法和芯子优化设计流程可以为高压干式直流套管的研制提供参考。     

湿污绝缘子的温度场研究

运用ANSYS有限元分析绝缘子在湿污均匀、湿污加干燥带、湿污加干燥带电弧3种状态下的温度分布情况并进行试验研究,通过分析得到绝缘子在不同状态下随运行电压作用的温度变化情况。结果表明:绝缘子在同样湿润强度下,污层表面电阻率越小,热平衡后的最高温度越高,在干燥带表面电阻率不变的情况下,湿污层表面电阻率越小越容易产生干燥带电弧;在不同湿润强度下,表面电阻率相同时,绝缘子可能处于相同的运行状态,也可能处于不同运行状态,污层表面电阻率相同时,湿润强度越小越容易产生干燥带电弧;随着绝缘子干燥带产生的位置离对称轴越远,绝缘子整体温度越高但总体温度差别不大。     

高压直流输电直流分压器内部故障分析及反措

高压直流输电工程中的直流分压器是极母线、中性母线电压的核心测量设备,直流电压的正确测量是保证直流控制保护系统正确控制保护行为的关键。实际运行经验表明,直流分压器内部绝缘闪络导致其内部分压、均压的阻容值发生变化,此时分压器电压传递函数发生突变,二次侧感受到的电压发生畸变,从而可能导致直流控制保护误动作。结合现场实测波形,通过PSCAD/EMTDC仿真分析定性确定了直流分压器内部不同故障点所引起的电压变化规律,在总结故障成因的基础上提出了相关反措建议。     

挤包绝缘高压直流电缆制造与应用中的径向梯度效应

挤包绝缘高压直流电缆在直流输电工程中应用广泛,但制造与应用中的梯度效应显著影响其直流电气性能。以500 kV交联聚乙烯直流电缆为研究对象,首先,通过仿真计算理想均匀绝缘电缆中的场强分布;然后,计算交联和脱气过程中绝缘层的温度分布,并对电缆绝缘切片取样,测量不同径向位置绝缘的相态结构和直流电气性能;最后,根据实测电导率对电缆绝缘中场强分布进行仿真。结果显示：电缆绝缘在交联和脱气过程中存在温度梯度,绝缘的相态结构和直流电气性能在径向上分布不均匀,绝缘电导率在径向上的梯度分布导致电缆绝缘中场强均呈现出内低外高的分布规律,且最外侧绝缘的场强大于均匀绝缘中的最高场强。     

湿污绝缘子发热及污秽放电机理

为明晰湿污绝缘子表面温度分布与干燥带及干燥带电弧间的作用关系,实验研究了湿污盘式绝缘子表面温度分布受各相关因素影响的规律。由湿污绝缘子发热及传热的研究得到了湿污绝缘子表面温度分布及表面电阻率、分布电压、风等对于温度分布的影响规律,Ⅳ级污秽瓷质绝缘子表面不同部位的温度差值达7.2℃;由分析污层水分蒸发速率与温度的关系、污秽物吸湿特性,得到了污层干燥带产生条件及表面电阻率、分布电压、风速、海拔高度等对干燥带形成的影响规律;由分析分布电压与干燥带电压、剩余湿污层电压的数学关系,得到了干燥带电弧产生条件;对干燥带电弧临界电压变化规律的研究可知干燥带宽度从1 mm增加到8 mm时,干燥带电弧临界电压增加了20 k V。以上研究的结果表明,局部温度越高、海拔高度越高,其饱和蒸气压与环境水气压的差值则越大,越容易形成干燥带;在环境湿度较大且无风的情况下更容易产生干燥带电弧。上述研究可以为绝缘子设计与污闪防治等工作提供依据。     

雷云电场作用下±1100kV特高压直流输电线路电晕空间电荷分布特征的仿真研究

为了研究电晕空间电荷对特高压直流输电线路雷电绕击特性的影响机制,基于带通量限制器的二阶有限体积方法,建立了雷云电场下特高压直流输电线路电晕空间电荷分布的数值仿真模型,通过与实验对比,验证了模型的合理性。计算获得典型±1 100 kV特高压直流输电线路电晕起始过程、电晕电流波形和空间电荷分布特征,得出正空间电荷边界在垂直地面方向的平均运动速度为4.05 m/s。考虑到电晕空间电荷引起的电位畸变对雷电上行先导存在屏蔽作用,通过分析不同时刻电位畸变量分布,得出雷云电场下电位畸变集中分布于地线上方,相较于仅存在直流工作电压情况,电位畸变量最大值增加了约20倍。由此推断,受电晕空间电荷影响平原地区±1 100kV线路地线产生的上行先导更易沿水平方向发展。该工作为后续研究电晕空间电荷对特高压直流线路雷电绕击特性的影响奠定了基础。     

特高压交流瓷绝缘子串电压分布的计算分析

特高压输电线路长串绝缘子的电压分布很不均匀,所以需要对其电压分布进行研究。为此,采用模拟电荷法和边界元法相结合分别计算出各片瓷绝缘子与杆塔、导线等之间的杂散电容,并应用此计算结果构建链式电路的方法,综合各种影响因素简洁有效地计算分析了交流1 000kV输电线路瓷绝缘子串在干燥及均匀污湿状态下的电压分布情况。计算结果表明:绝缘子的自电容对电压分布的影响不是很大,均压环是控制特高压绝缘子串电压分布的最主要方法;绝缘电阻在300MΩ以上时,绝缘子的表面状态对绝缘子串的电压分布影响很小,泄漏电导在一定范围的增大可以使绝缘子串电压分布更均匀,若采用半导体釉绝缘子,每片的电阻在10～20 MΩ左右即可;低值绝缘子加剧了电压分布的不均匀性,对其邻近绝缘子影响较大,当其处于导线侧附近时,临近绝缘子的最大单片电压降将增加到30kV以上。     

±1100kV干式平波电抗器电场分布和操作冲击放电特性

±1100 kV干式平波电抗器是特高压直流输电工程中关键主设备之一,为确定平波电抗器的外绝缘特性,开展了±1100 kV干式平波电抗器电场和操作冲击放电特性研究。首先,对±1100 kV平波电抗器的电场分布进行了仿真计算,在直流电压下,平波电抗器电位分布较为均匀,关键位置电场强度值均低于一般要求的1500 V/mm的经验值;然后,开展了干燥及模拟人工降雨下±1100 kV平波电抗器操作冲击放电试验,得到了其在安装不同管径均压环时的50%操作冲击放电电压U50%:随着均压环管径的增大U50%略微升高3.06%;随着雨量的增大,U50%呈降低趋势,大暴雨条件下的U50%较干燥情况下U50%相比降低4.7%;不同试验条件下±1100 kV平波电抗器的U50%均大于工程所需的2400 kV。由仿真与试验结果可得,±1100 kV平波电抗器设计能够满足工程的需要,同时研究结果为±1100 kV平波电抗器外绝缘参数的确定提供了参考。     

特高压直流复合绝缘子均压环设计

在总结电场分析方法及国内外对复合绝缘子电场计算与均压环设计的研究基础上,根据复合绝缘子的特点,采用场域分解方法将三维无界场域分解成有界子和无界子区域,用有限元法和模拟电荷法相结合的求解方法,进行±800kV特高压直流输电线路复合绝缘子串沿面电位、电场分布计算及均压环优化设计。应用ANSYS8.0及ANSOFT软件建立±800kV双极直流线路带杆塔的全三维和简化二维模型,计算发现在特高压情况下未安装均压环时复合绝缘子沿面电位及电场的分布极不均匀。对比±800kV和低电压等级的复合绝缘子电位分布的不同发现,电位、电场分布不均匀程度的变化随电压等级的升高、串长的增多有加剧趋势。以均压环结构尺寸为变量,以限制复合绝缘子沿面及均压环表面电场强度的最大值为目标优化设计均压环的结构,以三维模型的计算结果小于起晕场强为满意结果。最后得到均压环结构参数的设计方案,经三维计算模型检验证明复合绝缘子护套、金具、均压环表面最大电场强度均在可接受范围内,可满足预定要求。     

运用EMTP预测变电所接地网雷电暂态效应

根据雷电流频率下的接地体通用数学模型搭建了EMTP接地体单元模型,并就某500kV变电所实际接地网建立仿真模型,仿真预测该地网的雷电暂态效应;然后优化设计500kV变电所接地网,给出了相应参考数据。仿真试验表明,优化设计垂直接地体和不等间距布置局部接地网,可有效降低接地网中单位长度的雷电流感应电位差,均匀接地网电位分布,便于工程应用。