应用三维电磁–热–流耦合场分析法计算换流变压器干式套管的温度场分布

换流变压器阀侧干式套管主绝缘材料为环氧树脂/皱纹纸复合材料,散热能力较差,随着输送功率的提高,套管载流量的升高,发热问题已成为制约换流变干式套管安全稳定运行的瓶颈。该文以400k V换流变干式套管为研究对象,采用三维电磁–热–流耦合场分析方法,考虑了热辐射、热传导和对流传热的影响,计算分析了其三维温度场分布,得出了套管内部的温度分布规律。同时,为了验证所用仿真方法的准确性,对400k V换流变干式套管进行了温升试验,对比了测量点的仿真计算结果与温升试验结果,试验结果表明仿真结果与测量结果的差值低于8%,证明了该方法的合理性,可为换流变干式套管的设计提供计算依据。     

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。     

基于不同心体设计方法的±800 kV对接式直流穿墙套管电场分布规律研究

环氧树脂浸渍干式对接结构穿墙套管内绝缘由两个换流变干式套管电容芯体尾部对接而成,复合绝缘外套与电容芯体之间充SF6气体。电容套管的内绝缘即电容芯子为电气设计计算的关键部件,目前对电容式套管的主绝缘设计大多采用等电容和等裕度设计方法,两种芯子设计方法下对对接式直流穿墙套管的电场分布有不同的影响,因此讨论基于解析式的电容式套管内绝缘等电容和等裕度设计方法,仿真计算对接式直流穿墙套管不同芯子设计方法下的电场分布,得出对接式直流穿墙套管在不同芯子设计方法下的电场分布规律,发现等裕度设计方法局部放电起始电压比等电容法提高了,这对保障对接式直流穿墙套管的安全稳定运行具有重要意义。     

复杂电场作用下换流变压器套管绝缘特性分析

换流变压器套管是高压直流输电系统的关键设备之一,在运行中需要承受各种类型的电压作用。为综合考量换流变压器阀侧出线套管的绝缘特性,笔者建立某干式直流套管数值分析模型,利用有限元计算方法计算套管在不同类型试验电压作用下的电场分布,分析套管绝缘性能。结果表明:换流变压器套管在交流电压下电场呈容性分布,且在环氧树脂主绝缘内较为集中;在直流电压作用下电场呈阻性分布,且在SF6气体内较为集中;直流电场下介质中积累的电荷造成极性反转时套管内电场突变,环氧树脂和硅橡胶中的电场在反转后瞬间均出现峰值;伞群中部硅橡胶中的峰值场强达到了直流稳态值的22.32倍,会对套管绝缘造成极大威胁。     

干式SF_6气体绝缘换流变压器阀侧套管电流致热型放电故障分析及现场修复

为分析和诊断两例±500k V干式SF_6气体绝缘换流变压器阀侧套管内部放电故障,对放电前后套管绝缘特征量和解体后内部特征进行了测试和检查;通过模拟故障套管运行环温和加载特征谐波电流损耗,对套管载流导电管和绝缘子外套温度分布规律进行有限元仿真计算;故障套管直流电阻值、SF_6分解物含量、温度计算结果、解体后内部过热和放电痕迹表明:伊敏、宝鸡换流站两例套管放电故障均由载流导电管铜铝过渡接触电阻异常发热,尼龙导向锥过热分解物污染套管SF_6/环氧树脂界面绝缘所致。依据IEC标准规定的套管热点温度要求和故障套管温度场计算结果,提出了绝缘子外套最热点温度与环境温度差为25℃的内部发热缺陷诊断准则,通过第3例同型号异常发热缺陷套管对诊断准则进行了验证。对75支同型号套管利用研制的缺陷套管现场修复装置在不移动换流变和不整体拔出缺陷套管的前提下完成了现场修复。研究结果可为SF_6气体绝缘高压套管内部发热缺陷诊断和处理提供方法和依据。     

高压SF_6气体绝缘套管全工况长期老化性能探讨

通过建立高压套管全工况运行仿真平台,分析了高压交流套管中心导杆集肤效应,对高压套管本体全工况条件下电场分布规律进行了仿真计算。然后开展了高压缩比套管设计及试制,搭建了高压缩比套管老化试验平台,对套管用胶纸复合材料的介电性能、理化性能、力学性能进行了分析。结果表明:高压SF_6气体绝缘套管的内部热源主要包括中心导杆集肤效应发热和芯子本体介质发热两部分;套管双层复合电介质的电场强度及其分布分别与其相对介电常数和介质损耗因数有关;高压缩比套管性能试验可在一定程度上反映实际运行套管的老化特征规律。     

一起110kV变压器高压侧套管介质损耗异常分析

变压器套管具有支撑引流导线、延长绝缘间距的作用,是变压器重要载流元件,其密封性能、绝缘强度、热稳定性直接影响变压器的稳定运行。因密封不良导致套管绝缘油色谱数据异常、介质损耗超标是套管常见故障。文中分析了一起介质损耗超标、油色谱异常缺陷,结果表明,该缺陷是因取油操作不当进而造成套管严重缺油导致内部受潮。     

集总RC热网络方法应用于油气套管暂态温度计算

为分析高压电容式油气套管内部暂态温度与其短时载流能力的关系,提出了适用于高压油气套管结构的集总RC热网络模型.该模型计及传导、对流和辐射3种传热方式,考虑了材料性能随温度的变化关系,并基于MATLAB/Simulink实现了热网络拓扑结构.以550 kV油/SF6套管为例,暂态温度热网络计算结果与实际温升试验结果吻合较好,证明了集总RC热网络的有效性和实用性,通过阶梯载荷曲线拟合昼夜周期变化负载,并结合热网络确定了油气套管最热点温度的周期暂态变化规律.研究表明油气套管最热点位于中心导杆与绝缘芯子界面处,且各载荷步下套管暂态温度值与稳态温度值存在较大差异.将集总RC热网络方法应用于油气套管暂态温度计算,补充了仅考虑稳态额定运行条件的传统套管设计方法,对分析油气套管运行中的短时载流能力有一定理论指导作用.     

变压器套管故障类型及检测方法研究

变压器套管是变压器载流元件之一,且是箱外主要绝缘装置,套管故障会阻碍变压器正常运行。高压套管长期运行在高电压、大电流环境中,承受电、热以及机械力的作用,还受到外界温度、湿度变化的影响较大。本文首先研究了套管的整体结构,总结了套管运行过程可能发生的故障。其次分析了影响套管绝缘性能的具体参数,最后讨论了传统离线检测法和在线监测法的原理和实现过程。为实现变压器套管故障监测,保证变压器正常工作与电力系统稳定运行提供了一定的理论基础。     

换流变压器阀侧套管出线装置绝缘分析

换流变压器绝缘最关键的部位是由套管及纸板围屏系统组成的阀侧出线装置。为此,在分析直流电场特点的基础上,回顾了换流变压器出线装置绝缘技术的发展历程,指出以前广泛采用的油端带瓷套的套管出线装置在结构上存在缺点,因而在工厂试验和运行中频发故障。现今的绝缘结构可大致分为两类:一类是环氧树脂浸纸(干式)套管配合绝缘覆盖均压电极和多层异型围屏系统;另一类是无瓷套油浸纸套管配合无绝缘覆盖均压电极和多层直筒围屏。为进一步发展高压、特高压换流变压器出线装置绝缘技术,未来发展的方向是优化绝缘结构和降低绝缘不确定性。建议融合两种结构优点,开发新的出线装置绝缘结构。为减小绝缘不确定性,还应对出线装置各绝缘件材料的特性参数及其工艺控制方法,以及对电场计算和试验要求等问题进行深入研究。     

高压直流输电系统换流阀热损耗与冷却介质关系探讨

高压直流输电系统中,换流阀正常运行时会产生功率损耗,因此需要利用阀厅空调及冷却水对换流阀的热损耗进行热量交换.通过详细计算换流阀发热功率和冷却介质的交换功率,得出用冷却介质交换热量的计算值反向推导换流阀热损耗是最简单可行的方法.定量分析了不同运行工况下进、出水温度变化情况,提出一种定量计算换流阀热损耗和判断阀冷系统关键运行参数的方法,对直流换流站运行维护工作有重要的指导作用.     

实际运行电压下特高压换流变压器阀侧套管电场分布研究

阀侧套管是特高压换流变压器的重要组成部分。分析了换流变压器阀侧套管的典型结构及其在阀厅内的布置方式,以及高端阀厅Y接换流变压器(HY换流变)阀侧套管的实际运行电压波形,运用ANSYS有限元仿真计算软件,建立了换流变压器阀侧套管的电场仿真模型,计算了实际运行电压、等效直流电压、等效交流电压下套管的电场分布特性,对比分析了3种工况下换流变压器阀侧套管电场分布的差异性与相似性,提出了实际运行电压下换流变压器阀侧套管电场分布规律与绝缘结构设计思路。研究结果可为换流变压器阀侧套管的设计及运维提供技术参考。     

±1100kV直流输电工程换流变压器阀侧套管的设计

换流变压器阀侧套管作为换流变压器的关键组成部分,长期以来依靠进口,对其进行设计具有重要意义。为此,基于GB/T 22674—2008《直流系统用套管》及国家电网公司2011年5月份颁布的《±1 100千伏特高压直流输电工程设备研制技术规范-换流变压器册》技术规范,对准东-重庆±1 100kV特高压直流输电工程换流变压器阀侧套管结构型式、外绝缘、性能及关键技术进行了研究。结果表明:换流变压器阀侧套管结构比较复杂,采用充SF6式型式比较好;绝缘水平比换流变压器绕组绝缘水平要提高不等系数,其中雷电冲击耐受和操作冲击耐受提高1.05倍,直流耐受、极性反转和工频耐受试验水平提高1.15倍。根据研究结果给出了准东换流站换流变压器阀侧套管的技术参数,对±1 100kV特高压直流输电工程换流变压器阀侧套管的研制具有重要指导作用。     

Bushings Design of Converter Transformer＇s Valve Side of UHVDC Transmission Project

换流变压器阀侧套管作为换流变压器的关键组成部分,长期以来依靠进口,对其进行设计具有重要意义。为此,基于GB/T 22674—2008《直流系统用套管》及国家电网公司2011年5月份颁布的《±1 100千伏特高压直流输电工程设备研制技术规范-换流变压器册》技术规范,对准东-重庆±1 100kV特高压直流输电工程换流变压器阀侧套管结构型式、外绝缘、性能及关键技术进行了研究。结果表明：换流变压器阀侧套管结构比较复杂,采用充SF6式型式比较好;绝缘水平比换流变压器绕组绝缘水平要提高不等系数,其中雷电冲击耐受和操作冲击耐受提高1.05倍,直流耐受、极性反转和工频耐受试验水平提高1.15倍。根据研究结果给出了准东换流站换流变压器阀侧套管的技术参数,对±1 100kV特高压直流输电工程换流变压器阀侧套管的研制具有重要指导作用。     

基于三维构型与电热传感的特高压换流变压器出线装置区域数字孪生模型研究

特高压换流变压器出线装置区域绝缘结构复杂且体积巨大,承受大电流、高电压长时间作用,对其开展现场运维试验将耗费较大代价。目前数字孪生技术日益完善,逐渐从汽车、航空等制造业引入电力行业。基于此,文中将数字孪生技术引入特高压换流变压器高端电力设备,考虑到换流变压器本体结构复杂且其出线装置及换流变套管区域为其重要典型附件,因此重点研究该区域数字孪生3D模型构建,依据其孪生模型进行现场运维模拟试验和大电流、高电压载荷下的功能性响应分析。出线装置区域数字孪生模型依据电热耦合物理场仿真模型构建,应用电热传感器实时监测其承受在线电压、电流波形,并实现了现场运行参数与数字孪生模型加载数据之间的交互联动。另一方面,实现了数字孪生模型中材质区域智能提取辨识,并可依据物理场环境变换材料参数性能,以适应不同运行环境的结构设计与性能考核。进一步,为分析换流变套管内部暂态温度与其短时载流能力和长时老化性能间关系,提出了高压套管长时内绝缘性能评估流程方法。文中聚焦于换流变压器出线区域的数字孪生模型3D构建,其研究方法可推广延拓至换流变本体绕组结构、油纸绝缘区域与有载开关等关键部件。文中研究结果可为换流变压器本体绝缘结...     

换流变阀侧干式套管表带触指失效过程分析

在超、特高压电力系统中,换流变压器阀侧干式套管作为换流变压器连接换流阀的关键设备,其安全运行直接关系到电力系统的可靠性。近年来,国内外发生多起由于电接触失效而导致的套管过热和放电故障,因此有必要对套管载流连接结构的失效机理开展研究分析。该文以±500kV换流变阀侧套管的过热故障为例,计算分析套管在实际运行电流下表带触指的摩擦行程,采用扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)和能量色散光谱仪(energy dispersive spectrometer,EDS)对表带触指失效前后的表面和断面进行形貌分析和成分分析,提出表带触指在套管内的劣化机理。研究发现:铜导杆接触区域没有镀银是缩短触指寿命的主要原因,长期的机械磨损和SF6气体分解产物对触指的腐蚀是导致触指劣化的重要因素,相关结论可为套管电连接设计、选型和过热型故障分析提供理论依据。     

换流变压器阀侧套管选型技术

换流变压器阀侧套管承接着换流变压器阀侧出线内外绝缘,是支撑换流变压器长期稳定运行的核心元件.针对在运直流输电工程中阀侧套管发生的质量缺陷和现有行业标准的不足,通过调研目前国内直流输电工程3种典型绝缘结构换流变阀侧套管的技术要点,系统归纳了换流变阀侧套管的绝缘结构设计、耐热载流能力设计及绝缘材料选择、与阀侧引线对接配套、密封结构及机械强度设计、与阀厅封堵组合、户外端金具连接匹配等6项设备选型技术要点,提出了阀侧套管排产过程的品质控制针对性措施建议.相关研究成果指导了在建直流输电工程国产化换流变压器阀侧套管的选型应用.     

不同受潮类型油纸绝缘套管的高压时/频域介电响应特性分析

水分是影响油纸绝缘套管绝缘性能的主要因素之一,对油纸绝缘套管的受潮状态开展诊断分析有重要工程价值。为研究油纸绝缘套管的不同类型受潮状态,本文针对正常套管、芯子受潮套管和绝缘油受潮套管开展了高压时/频域介电响应测试,分析了激励电压对套管的时/频域介电响应测试结果影响,针对不同激励电压对套管的不同受潮状态进行对比研究。研究结果表明,水分作为强极性物质,会引起套管的绝缘电阻下降以及介质损耗的提升,由于绝缘纸与绝缘油的亲水性差异,芯子受潮对套管绝缘性能的影响较绝缘油受潮情况更为显著。随着激励电压提高,套管的极化/去极化电流更大且不易受到噪声干扰,而介质损耗与电容因油纸界面处极化损耗的增大而表现出一定的电压依赖性。研究成果为分析不同受潮类型油纸绝缘套管在高电压下的绝缘特性提供了参考。     

基于虚拟仪器的变压器套管介质损耗因数在线检测的研究

介质损耗因数(tanδ)是高压套管等电容型电气设备绝缘状况的重要特性参数,但由于变压器运行环境中存在很多的干扰信号影响了套管的介质损耗因数测量,采用小波去噪的方法,研究了基于虚拟仪器的变压器套管介质损耗因数在线检测。测量结果表明,虚拟测试仪引入小波函数法,具有较高的准确度。     

特高压换流变压器网侧高压套管胶浸纸技术应用研究

国内广泛应用的换流变压器网侧油浸纸(OIP)型套管多次发生漏油产气故障,一旦套管出现故障,对换流变及系统运行危害巨大,而胶浸纸(RIP)型套管不存在漏油、产气的问题,相对而言安全性能更优。基于此,考虑研究特高压换流变压器网侧胶浸纸高压套管技术。首先根据特高压换流站网侧运行技术条件,经电场分析计算、主绝缘分析计算确定了换流变压器550 kV RIP网侧套管技术参数。另外,研发过程中充分考虑现有套管的故障情况,采用多种底部连接方式,试制时克服电容绕制、环氧树脂浸渍等多重困难,采用新工艺。依据此技术参数研发的RIP套管油中绝缘长度增长约200 mm,增强了油中耐闪络放电能力,提升了套管轴向绝缘裕度;套管油中绝缘厚度增加了约15%,提升了局部放电起始电压和电容心子径向绝缘裕度。该型套管一次通过全部型式试验项目,并完成升高座处电场强度第三方校核,具备安全挂网运行条件。该产品已于2019年6月24号在天山换流站投入实际运行,各项运行指标正常。