特高压GIS设备现场标准雷电冲击耐压试验技术的应用

气体绝缘金属封闭组合电器(GIS)在电力系统中应用广泛,其运行安全可靠对电力系统至关重要。现场雷电冲击耐压试验受制于设备体积和回路电感,难以在GIS变电站,尤其是特高压GIS变电站应用。本文分析了目前GIS设备冲击耐压试验现状,并从波形参数、电压极性和加压间隔时间等方面阐述了GIS设备冲击电压绝缘缺陷检出影响因素。基于研发的特高压GIS变电站现场冲击耐压试验用的可移动式气体绝缘标准雷电冲击试验成套设备,成功在1000 kV南京站和苏州站开展了现场标准雷电冲击耐压试验。     

GIS对接冲击试验方法及冲击电压波形分析

大容量GIS冲击电压试验电压波形受回路电感影响较大,影响输出波形波前时间,降低冲击试验绝缘缺陷检测的有效性。笔者从冲击试验时电压引入方式入手,基于研制的2 000 kV紧凑型冲击电压发生装置,提出了GIS对接冲击试验方法,开展了145 kV和252 kV GIS对接冲击试验。该方法利用变阻抗转接段和液压升降装置,可将冲击电压发生器电压输出端直接与GIS预留对接口相连,回路紧凑,减小了因高压导线引入的电感,提高了冲击试验波形质量。最后通过仿真软件,分析了当负载电容量较大时,回路电感对冲击电压波形参数的影响规律,缩小回路电感是解决大容量设备标准LI试验的关键。     

特高压GIS现场雷电冲击试验电压台阶现象分析

随着电压等级的提高,气体绝缘金属封闭开关设备(gas-insulated metal-enclosed switchgear,GIS)的应用越来越广泛。为确保绝缘性能,GIS设备在入网前都要进行现场耐压及绝缘试验。雷电冲击耐压试验是GIS等高压电器设备现场试验必须进行的试验项目之一,但现场发现,雷电冲击耐压试验过程中存在波形畸变问题,在雷电波的上升沿会出现所谓的"台阶"现象。通过ATP-EMTP电磁暂态分析软件搭建试验系统模型,对电压波在特高压GIS负载内的传播过程进行了计算,并对出现台阶现象的原因进行了分析。结果表明,台阶现象是由负载的分布特性与各个电气环节间波阻抗的相互作用引起,高压引线与分支母线间节点处、分支母线末端集中性负载所产生的电压负反射是引起电压波形出现台阶的主要因素。根据以上研究,提出了存在台阶的试验电压波形波前时间的确定方法。     

工频–雷电冲击叠加电压检测GIS金属尖刺缺陷有效性研究

气体绝缘封闭式组合开关设备(gas insulated switchgear,GIS)在电力系统具有广泛应用,GIS运行过程中金属尖刺缺陷严重威胁其绝缘可靠性。然而,高电压等级下金属尖刺缺陷难以被传统现场试验检出。该文提出工频-雷电冲击叠加电压检测法。首先构建工频-雷电冲击叠加电压实验研究平台,针对工频-雷电冲击叠加电压下金属尖刺缺陷放电特性进行研究,继而研究工频-雷电冲击叠加电压检测金属尖刺缺陷方法有效性。结果表明:当交流电压(UAC)大于起晕电压时,同极性叠加导致击穿电压(Us)增大,反极性叠加导致Us减小。叠加相位对Us的影响稍滞后于工频波形。随不均匀度增加,曲线平台期缩短直至消失。在交流电压135°叠加负极性雷电冲击电压,GIS金属尖刺缺陷放电电压最低,外施电压较雷电冲击试验下降24.9%,可以有效检出缺陷。     

直流叠加冲击电压时GIS母线闪络特性北大核心CSCD

GIS母线残余电压和合闸的操作冲击电压共同作用可能会造成GIS母线发生闪络,开展GIS母线有直流电压情况下叠加冲击电压试验,是研究提高GIS母线绝缘水平的必要方法。文中通过搭建直流叠加冲击电压试验回路,研制1100 kV串联550 kV GIS母线试验平台,开展直流叠加雷电或操作冲击电压试验,结果表明:单独±2400 kV雷电冲击电压或单独±1800 kV操作冲击电压作用时,母线均未发生闪络;负极性直流叠加负极性冲击电压作用时,550 kV GIS母线段多次发生闪络,负—负极性叠加比单独冲击电压作用时闪络电压更低,负—负极性叠加的闪络电压比其他极性组合叠加的闪络电压更低,其中-450 kV直流叠加-2400 kV雷电冲击电压时,与单独-2400 kV雷电冲击电压作用时比较,叠加的雷电冲击闪络电压幅值大约下降28.5%。     

雷电上行先导模拟试验用新型冲击电压发生装置研究EI北大核心CSCD

在实验室开展地面物体雷电上行先导特性研究,亟需研制用于电场时变特征等效模拟的新型冲击电压发生装置。该文聚焦于装置研究的关键技术问题,从装置技术要求出发,提出以电容可控充电单元电路为核心的多级串联式装置电路拓扑,分析了单元电路特性及拓扑应用中的主要技术问题。并以1.3 MV电压发生装置为典型实例,提出了装置的具体参数配置方案,通过装置性能分析验证了装置设计的合理性。进而提出实现多级串联的装置具体结构,并通过研制样机开展性能试验验证了该结构的可行性,解决了多级串联式装置电路拓扑的物理实现问题,为最终实现雷电上行先导模拟试验用新型冲击电压发生装置提供理论指导和实践依据。     

多次雷电冲击电压作用下变压器油浸绝缘纸板累积效应特性EI北大核心CSCD

油纸绝缘是电力变压器最常用的一种绝缘介质,其在运行过程中不可避免的会受到多次雷电冲击电压的作用,在冲击电压的累积作用下变压器内绝缘有可能会产生不可逆的损伤。鉴于此,通过自动连续冲击电压发生器对油纸绝缘模型的累积施压,来模拟侵入变压器的雷电过电压对油浸绝缘纸板的累积效应。研究了雷电冲击电压幅值U与油浸绝缘纸板击穿时雷电冲击电压累积次数N之间的关系,即U-N特性。并采用Weibull模型分析了油浸绝缘纸板试品U-N特性的变化规律。还通过原子力显微镜(AFM)对比研究了不同次数雷电冲击电压作用后油浸绝缘纸板表面形貌的变化。研究结果表明:随着雷电冲击电压幅值的升高,油浸绝缘纸板累积直至击穿所需要的次数大幅度下降,雷电冲击电压对油浸绝缘纸板具有明显的累积效应;多次雷电冲击电压的累积作用会导致油浸绝缘纸板表面颜色与形貌的变化,200、400、600、800次标准雷电冲击电压作用后,油浸绝缘纸板表面粗糙度比累积试验前分别增加了0.61、2.80、5.97和11.76倍。     

GIS中电压互感器中性点接地击穿间隙频繁击穿的原因分析及处理方法

针对GIS中电压互感器中性点接地击穿同隙频繁击穿的现象,分析了击穿原因,指出击穿系由隔离开关操作引起的快速暂态过电压通过耦合电容的传遵而造成,并提出了经过实践检验的解决方法。     

雷电冲击电压下GIS盆式绝缘子暂态电场分析

GIS盆式绝缘子在雷电压下的暂态电场分布对其安全运行至关重要。工程上一般忽略雷电压下盆式绝缘子盆体材料转向极化的建立时间,采用工频电压下的静电场来近似替代雷电压下的暂态电场。为此利用建立的盆式绝缘子暂态电场数学模型,联合基于LM算法的介电谱分析方法,实现了盆式绝缘子的暂态电场计算,得出了盆式绝缘子屏蔽罩表面、盆体表面以及盆体与中心导杆界面等关键位置的暂态电场分布规律,对比了传统方法的计算结果,发现传统方法下凹面屏蔽罩以及盆体表面处场强最高值均高于暂态电场结果,差值分别为-2.2%、-1.21%和-4.37%;盆体与中心导杆界面处场强最高值在2种方法下相差相对较大,差值为4.46%。该方法能够在计算时间成本可接受的前提下,更精确地掌握GIS盆式绝缘子各关键位置的电场分布,为GIS盆式绝缘子的绝缘设计提供计算分析依据。     

特快速瞬态过电压和雷电冲击作用下特高压GIS绝缘特性

随着电压等级的提高,气体绝缘开关设备(GIS)的额定雷电冲击(LI)耐受电压和特快速瞬态过电压(VF-TO)水平的差异越来越小,由VFTO引起的绝缘事故也日益严重。为研究特高压GIS在VFTO下的绝缘耐受水平,设计了VFTO模拟产生装置,研究了不同气压下SF6棒-板和球-板间隙在VFTO和雷电冲击下的绝缘特性。实验结果表明:稍不均匀电场间隙在VFTO下的击穿电压高于雷电波;对于高气压下棒-板间隙,负极性VFTO下的击穿电压和伏-秒特性曲线位于雷电波之下;雷电冲击下棒-板间隙极性效应在一定的气压下会出现反转现象。分析表明:在不同冲击波前和振荡波尾的VFTO和雷电波作用下SF6气体间隙击穿特性的差异与放电过程中空间电荷行为的差异有关。     

交流特高压晋东南变电站1100 kV GIS设备的现场安装管理

晋东南变电站采用1 100 kV 气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated switchgear,GIS),这在世界上投入商业运行的输变电工程中属首次。该设备被拆分成108个单元,运输到现场再进行无尘对接,因此确保设备现场顺利安装十分重要。文章介绍了GIS设备现场安装管理涉及的主要事项,如安装分工、现场环境要求、安装技术准备、施工组织、仪器机具要求、试验等;提出了保洁施工方法,对安装区域采取封闭管理、对接工作面安装防尘房,元件对接采用三维精确定位。通过这些有效的控制管理措施使得安装工作顺利进行,保证了安装质量,为交流特高压工程的成功投运提供了保障。     

基于轻量级卷积神经网络的GIS绝缘和机械故障诊断方法北大核心CSCD

绝缘和机械故障是气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated metal-enclosed switchgear,GIS)中占比最大的故障类型,准确的故障诊断和状态评价对保证电力系统安全稳定运行具有重要意义。深度学习方法已成为故障诊断领域的主流,但传统卷积神经网络需要强大的计算资源,在计算能力一般的智能终端设备中难以应用。为此,文中提出了基于轻量级卷积神经网络的GIS绝缘和机械故障诊断方法。首先,采用空间可分离卷积代替传统卷积构造EffNet轻量级卷积神经网络,大幅度降低了模型的计算量;其次,采用迁移学习策略进行模型训练,在提升网络识别准确率的同时加快了模型的收敛速度,解决了现场数据不足的问题;最后,通过t分布随机邻近嵌入对卷积神经网络特征进行可视化,进一步验证了模型的性能。研究结果表明,具有5个EffNet卷积块的轻量级卷积神经网络模型在绝缘和机械故障诊断中的准确率分别达到94.7%和98.7%,并显著降低了参数量、存储空间和计算开销等,适用于GIS智能组件和检测仪器,是电力物联网下嵌入式系统和移动终端的最佳选择。     

基于多源数据融合的GIS机械故障检测技术北大核心CSCD

气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated switchgear,GIS)由于具有占地面积小、可靠性高等优势,在电力系统中被广泛使用。随着设备运行时间的增加,越来越多的故障出现在GIS内部。根据运行数据统计,机械故障所占的比例约占39.3%。部分机械故障还会进一步引起放电,导致电网运行事故。然而,目前并没有一种方法能够快速、有效地对故障进行准确与定位。因此,文中提出了一种基于多源数据融合的GIS机械故障检测技术。首先,利用声成像系统对GIS的运行噪声进行声源定位。其次,利用X射线成像系统,对该部位进行透视拍摄。最终,利用图像处理技术对GIS内部的焊接斑点进行自动识别,实现了对GIS内部故障的判别与定位。文中通过声源定位技术、X射线透视、图像识别技术等多元数据融合,提出了一套适用于GIS的机械缺陷诊断与定位方案,实现了GIS内部机械故障的准确定位,并有效提高了检测的速度与准确性。     

特高压苏通综合管廊工程GIL系统工作条件EI北大核心CSCD

苏通GIL综合管廊工程是以特高压气体绝缘金属封闭输电线路(gasinsulatedmetal-enclosedtransmissionline,GIL)为核心的输电工程,是世界上电压等级最高、输送容量最大的超长距离GIL工程。该工程投运后,贯穿皖、苏、浙、沪负荷中心的华东特高压交流双环网实现合环运行,显著提升华东电网的受电能力、皖电东送能力、供电可靠性和安全稳定水平。从电力系统分析的角度全面研究了工程中特高压GIL的系统工作条件,通过公式推导及仿真建模研究了GIL电气参数特性,明确了GIL的输送容量、运行电压、短路电流、过电压水平及抑制措施、绝缘配合等关键技术要求,分析了GIL接入架空线路中部时混合线路的感应电压及感应电流、潜供电流特性,为工程设计,制定GIL设备技术规范、设备研制、试验和运行提供技术依据。     

特高压交流试验示范工程GIS隔离开关带电操作试验

为验证我国特高压交流试验示范工程金属封闭开关设备(gas insulated switchgear,GIS)中隔离开关带电操作的安全性,在长治、南阳和荆门变电站对所有特高压GIS隔离开关进行了带电操作试验。在前期特高压GIS和复合型气体绝缘金属封闭开关设备(hypid gas insulated switchgear,HGIS)中特快速瞬态过电压(very fast transi-ent overvoltage,VFTO)实测研究基础上,开展现场典型运行方式下隔离开关带电操作,监测产生的VFTO和暂态壳体电位(transient enclosure voltage,TEV)。试验初步得出了特高压变电站实际VFTO和TEV水平及分布,结果表明:特高压GIS隔离开关的带电操作是安全的,但应注意产生的TEV对二次设备的影响,阻尼电阻能够有效抑制VFTO和TEV。带电操作试验的开展为今后特高压GIS隔离开关的带电操作提供了依据。     

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。     

箔式空心电抗器雷电冲击过电压计算与分析EI北大核心CSCD

箔式电抗器与传统线绕电抗器在结构上有显著差异。为了计算箔式电抗器在标准雷电冲击波作用下的暂态波过程,对某箔式电抗器绕组进行了单元划分,对各单元等效自感参数、互感参数及电容参数进行了计算,并得到其等效电路。利用电路仿真软件PSpice,对该箔式电抗器等效电路雷电冲击过电压进行了求解。结果表明,在电抗器末端悬空情况下,其各段线圈首端过电压幅值由入波端向悬空端单调递增,最大对地过电压幅值为1.20(以入端雷电波幅值作为基准值),最大层间电压为1.10×10-3,最大段间电压为8.64×10-2;在电抗器末端接地情况下,其各段首端过电压幅值由入波端向接地端单调递减,最大对地过电压幅值为1.00,最大层间电压为2.61×10-3,最大段间电压为0.11。     

电压波形对GIS自由金属颗粒放电特性的影响

为了探索较高灵敏度检测GIS设备内部自由金属颗粒的方法,研究了电压波形对自由金属颗粒的影响。在实验室中搭建了自由金属颗粒局部放电试验平台,测量了标准雷电波、标准操作波和工频电压下自由金属颗粒局部放电现象,分析比较了不同电压波形下缺陷的局部放电的特征,获得了冲击电压下不同试验阶段的散点图、柱状图等统计谱图。研究结果表明,在3种电压波形下标准雷电波的局部放电起始电压最低,对自由金属颗粒的检测较灵敏。随着标准雷电电压的升高,在雷电波尾处的放电脉冲个数明显增多,但波头处的脉冲仍仅有一个。随着标准操作电压的升高,在波头和波尾处的放电幅值变大,放电个数增多,且波头处的放电个数增加更明显。不同试验阶段的q-t散点图、q-Δt/Δu散点图及N-Δt/Δu柱状图的形貌特征较有规律,可作为表征GIS自由金属颗粒放电严重程度的特征谱图。     

550kV GIS不同冲击波试验电压作用下的电压等价性分析

由于目前GIS现场冲击耐压试验中出现了一些问题,人们对大型GIS设备冲击耐压试验采用振荡雷电冲击波与标准雷电冲击波时GIS内部各节点的作用电压和电压分布情况以及两种试验波形下的耐压考核等价性等问题提出了质疑。从过电压的角度,利用数值仿真软件ATP-EMTP,模拟现场试验对某550 kV GIS设备分别施加振荡雷电冲击波与标准雷电冲击波两种电压波下GIS中波的传播情况和各节点可能出现的最大电压值进行了仿真计算分析,并对两种电压波作用下的节点电压进行了比对分析,同时对现场试验中出现的盆式绝缘子闪络短路故障做了模拟计算分析,得出的仿真分析结论与现场试验结果十分吻合,为进一步完善现场试验方法,修订试验标准提供参考依据。