GIS盆式绝缘子气隙缺陷下电场变化规律仿真研究

为了研究气体绝缘组合电器(GIS)盆式绝缘子存在气隙缺陷时的电场变化规律,以800 kV GIS盆式绝缘子为研究对象,建立了三维仿真模型,基于有限元原理仿真计算了GIS盆式绝缘子内部分别含有气泡及缝隙等典型气隙缺陷时的电场分布,并分析了气泡位置及大小、缝隙分布方向及宽度对盆式绝缘子电场的影响规律。仿真结果表明:电场畸变主要出现在缺陷处,气泡表面最大场强比无气泡时增大50%左右,较高场强区气泡表面的场强能够引起气体电离;气泡半径对场强变化的影响不到6%;横向裂缝场强最大增大约1.78倍,远大于径向裂缝场强的变化;径向裂缝越宽,裂缝最大场强越大;横向裂缝越宽,场强畸变越小。     

缺陷对特高压交流盆式绝缘子电场分布的影响

为了研究缺陷对特高压盆式绝缘子电场分布的影响,采用有限元软件ANSYS建立了特高压盆式绝缘子的基本计算模型,研究了气体间隙、凸起和凹陷等缺陷对盆式绝缘子电场分布的影响。结果表明,气体间隙长度越大,宽度越小,引起的场强越高;凸起和凹陷呈现出的场强峰值及电场分布规律均与其尺寸无关,电场增强系数与其位置无关;附着金属颗粒会显著增强其边缘的电场强度,电场增强系数随颗粒径向位置的增大而减小,随颗粒狭长程度的增大而增大;悬浮导电颗粒影响下,导电颗粒尺寸越大,距盆体表面越近,则盆体表面最大场强越高;内部气泡的电场增强系数与其尺寸及其在盆体内的位置无关。在研究的几种缺陷里,附着金属颗粒增强电场的影响最大,悬浮金属颗粒影响的区域范围最广。     

盆式绝缘子存在自由金属颗粒时的电场分析及其对沿面闪络的影响

为研究气体绝缘全封闭式组合电器(GIS)中盆式绝缘子表面存在自由金属颗粒时的沿面电场分布及其对沿面闪络的影响,建立了800k V盆式绝缘子三维结构模型,采用有限元法对盆式绝缘子存在大小、位置及形状不同的自由金属颗粒时分别在工频电压、雷电冲击电压及快速暂态过电压(VFTO)作用下的电场进行了分析。给出了不同情况下盆式绝缘子的沿面电场分布、沿面法向和切向电场强度分布曲线及电场强度最大值。通过与不存在缺陷时的闪络场强作对比分析,为GIS的绝缘设计提供参考。     

基于电场计算及模态分析的220 kV GIS盆式绝缘子裂纹缺陷检测方法研究

特高频局部放电法和振动法是GIS盆式绝缘子缺陷检测的重要工具,为了研究特高频局部放电法和振动法的适用性,需要对缺陷盆式绝缘子电场分布和振动模态研究。该文建立了含有正常或缺陷盆式绝缘子的直线型GIS间隔的三维模型,采用有限元法计算了盆式绝缘子的表面电场分布和振动模态,并研究裂纹缺陷对表面电场强度和振动模态的影响。研究结果表明,当盆式绝缘子有裂纹时,裂纹附近出现明显的电场畸变,靠近母线的裂纹端部电场畸变更为严重,靠近外壳的裂纹有可能无法用特高频局部放电法进行检测。当盆式绝缘子存在裂纹时,前10阶模态频率均呈下降趋势。     

GIS盆式绝缘子典型缺陷的电场仿真

气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated switchgear,GIS)是电力系统中的重要设备,盆式绝缘子作为GIS设备核心绝缘组件,对于GIS设备的安全稳定运行至关重要。盆式绝缘子故障是导致GIS无法正常运行的主要原因,文中设计了气隙缺陷、嵌件毛刺缺陷、单金属颗粒缺陷以及金属颗粒群缺陷四种典型放电缺陷类型,利用有限元静电场数值计算方法建立了252 kV盆式绝缘子的仿真模型。研究了不同典型缺陷模型的电场分布情况,分析了不同缺陷对电场的畸变情况。根据仿真结果设计了四种典型模型的缺陷尺寸参数,为GIS内部缺陷的模拟和试验提供了参考。     

盆式绝缘子金属丝缺陷下电场分布仿真研究

为研究金属丝缺陷对GIS内部盆式绝缘子电场分布的影响,采用有限元分析方法,以实际1100kV GIS内部盆式绝缘子为研究对象,利用ANSYS仿真软件仿真计算存在金属丝缺陷的盆式绝缘子电场分布,并研究金属丝的分布方向、径向距离、长度和宽度对盆式绝缘子电场分布的影响.结果表明:盆式绝缘子内部的金属丝缺陷会使电场严重畸变,电场强度最大值为无缺陷时的10.76倍,且金属丝径向分布时对盆式绝缘子电场的影响更大.盆式绝缘子的电场畸变程度与金属丝分布方向、径向距离及长度有关.     

存在气泡缺陷的盆式绝缘子电场仿真分析

盆式绝缘子内部存在气泡缺陷是引起局部放电和沿面闪络的重要因素,为研究气泡对盆式绝缘子电场分布的影响,采用ANSYS有限元分析软件建立存在气泡缺陷的盆式绝缘子三维仿真模型,分别研究快速暂态过电压和工频电压作用下,气泡大小、位置对盆式绝缘子电场分布及沿面闪络的影响。结果表明:气泡缺陷会引起盆式绝缘子电场畸变,最大电场强度比无气泡缺陷时增大了30%左右,且气泡越靠近金属端,盆式绝缘子电场强度越大。电场畸变主要出现在气泡缺陷附近,畸变程度与气泡尺寸、径向距离及距表面的距离有关。     

复合绝缘子界面缺陷对电场分布特性影响的仿真研究

复合绝缘子的芯棒与护套粘接界面常常出现缺陷,畸变周围电场,影响绝缘子的电气和机械性能。为了研究不同缺陷形态下的绝缘子电场特性,文中以110 kV复合绝缘子为考察对象,应用有限元分析软件COMSOL搭建了绝缘子三维模型,对电场分布进行了仿真计算,研究了界面出现气隙、水汽等缺陷对局部电场及绝缘子整体轴向电场分布特性的影响。结果表明:气隙处电场强度相比正常情况下显著增大,场强最大值与气隙跨度、厚度正相关,与气隙长度负相关,并基于气隙等效弧柱体模型给出了理论分析,修正了等效圆柱模型的不足;水分渗入能降低气隙场强,但同时严重畸变绝缘子轴向电场;护套受潮增重会使场强线性增加,超过一定程度会引发电晕放电,导致沿面闪络等事故。     

表面金属异物引起盆式绝缘子局部放电的研究

为探究盆式绝缘子表面积聚的金属异物对其绝缘性能的影响,在正常盆式绝缘子表面沿电场方向附上细长的金属丝模拟缺陷,通过改变金属丝的长度、半径和位置,模拟不同程度或不同位置的金属颗粒积聚现象,同时进行试验和电场仿真分析。研究结果表明:绝缘子表面金属颗粒会使局部电场发生严重畸变,显著降低绝缘子表面击穿电压,最终造成绝缘子沿面放电和绝缘破坏;仿真和试验得到的结果很接近,在试验条件不充分的情况下可以通过仿真计算预测盆式绝缘子的绝缘状态;金属异物积聚越多或位置越靠近高压端导体,对绝缘子的危害越大。     

界面电荷注入与积聚行为对直流GIS/GIL绝缘子沿面电场的影响分析

气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)和气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metalenclosed transmission line,GIL)运行电流大,设备内部存在明显的温度梯度分布,造成高压电极附近电荷的注入与迁移加剧,导致绝缘子内空间及表面电荷的积聚,畸变电场,容易诱发沿面闪络故障。为此文中建立了电—热耦合应力下直流盆式绝缘子内的电荷注入与积聚模型,研究了考虑电荷注入和迁移特性的绝缘子空间电荷及表面电荷积聚情况,并分析了不同负载电流下绝缘子沿面电场分布规律。研究结果表明:温度梯度下,导体—绝缘界面电荷注入会造成绝缘子内部同极性空间电荷的积聚,并且空间电荷积聚密度会随着负载电流的增大而增大;空间电荷的积聚会减弱高压电极附近电场强度,增强绝缘子凸侧表面法向电场强度,加剧表面电荷的积聚;空间及表面电荷的积聚会使绝缘子表面电势上升,导致接地电极附近电势差增大,电场强度显著增大,地电极三结合点处的场强由空载条件下的1.71 kV/mm增长为额定电流作用下的3.47 kV/mm,增加了103%。该研究结果有助于理解温度梯度下直流绝缘子表面电场畸变机理,并对直流绝缘子的优化设计和安全运行有一定的参考价值。     

GIS盆式绝缘子表面缺陷及其诊断方法研究综述

盆式绝缘子作为气体绝缘组合电器（GIS）最薄弱的绝缘环节,其表面缺陷是提高GIS设备绝缘强度研究中的关键问题。本文首先介绍了气泡缺陷、异物缺陷、表面脏污以及裂纹缺陷等盆式绝缘子常见表面缺陷的产生和发展机理;其次分析总结了盆式绝缘子表面缺陷诱发闪络的发生机制,明确了盆式绝缘子表面电场分布及表面电荷积聚是影响绝缘子沿面闪络...     

配电电缆附件复合绝缘界面缺陷类型和位置对电场分布的影响研究

配电网电缆附件是配电网系统的关键部件,其复合绝缘XLPE/SIR界面是最为薄弱的绝缘位置。该文模拟了电缆附件安装和运行过程中出现的典型缺陷,设计了电缆附件复合绝缘XLPE/SIR界面存在气泡、气隙、水珠、水膜、金属杂质、半导电杂质和绝缘杂质七种界面缺陷结构,通过建立配电网电缆附件界面缺陷电场仿真模型,研究典型缺陷下电缆附件内部电场畸变规律。仿真结果表明：在工频下,气泡缺陷与气隙缺陷在界面上引起的最大电场强度畸变值分别为13kV/mm和4.58kV/mm,随着气泡缺陷尺寸的增加,电场畸变呈小幅增大趋势;水珠缺陷和水膜缺陷引起的最大畸变电场分别为2.94kV/mm和3.74kV/mm,随着缺陷尺寸的增大,电场畸变明显加剧,当尺寸增大两倍时,水珠和水膜引起的最大畸变电场分别提高了18.7%和16%;随着缺陷远离应力锥根部,金属缺陷与半导电缺陷引起的电场畸变先增大后减小,最大畸变电场出现在距离应力锥约2mm处,畸变值约为3.65kV/mm。相比而言,绝缘缺陷引起的最大电场畸变出现在应力锥根部,约为8.74kV/mm,随着缺陷远离应力锥根部电场畸变呈现明显的下降趋势。该文研究结果对于配电网电缆附...     

缺陷对交流1100kV GIL三支柱绝缘子电场分布影响的仿真

缺陷及导电微粒会严重畸变气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)用三支柱绝缘子的电场分布,甚至引发击穿、放电故障.该文分析特高压(UHV)GIL内可能存在的缺陷及来源,应用有限元仿真软件COMSOL研究了界面缺陷、内部气泡和导电颗粒对三支柱绝缘子电场分布的影响.结果表明,嵌件界面剥离和中心导体气隙对绝缘子电场分布有着相似的影...     

126kV GIS盘式绝缘子金属法兰开孔的电场仿真分析

GIS中盘式绝缘子的电气性能是设计者关注的重点,盘式绝缘子在制造的过程中,由于浇注工艺的原因会在金属法兰处留有一椭圆切面的浇注孔,内部填充环氧树脂,在环氧树脂和金属法兰交界处会产生一定的电场畸变。主要研究金属法兰开孔尺寸大小和结构对盆式绝缘子表面和浇注孔表面电场强度的影响。研究表明:大尺寸浇注孔表面的场强最大值为0.85 k V/mm,要高于小尺寸浇注孔表面电场强度最大值0.38 kV/mm。说明开孔越小,浇注孔表面电场强度最大值越小,在满足测量要求情况下,开孔越小越好。     

550 kV GIL盆式绝缘子及其组件结构优化设计

为均匀气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal enclosed tranmission line,GIL)内盆式绝缘子附近气体区域及绝缘子沿面的场强分布,提高GIL整体的工作性能及运行可靠性,采用非均匀有理B样条曲线拟合方法,重构盆式绝缘子结构形状,利用有限元分析方法,进行电场及应力场的仿真计...     

550kV GIS盆式绝缘子小型化设计(二)——介电分布优化

为缩小气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）的体积、简化生产制造工艺、降低原材料与SF₆气体消耗,在《550kV GIS盆式绝缘子小型化设计（一）——几何形状优化》（简称论文1）的基础上,引入介电功能梯度材料的理念,开展盆式绝缘子材料介电分布优化设计。针对接地法兰附近盆体表面电场畸变严重的问题,以均化接地法兰处电场为目标,基于拓扑优化方法构建了盆式绝缘子材料介电常数空间分布优化模型,并讨论了密度函数因子、梯度惩罚权重、介电常数上限等算法参数对于介电梯度形式及电场优化效果的影响。仿真结果表明,优化后绝缘子外法兰附近凸面一侧出现高介电常数区域,呈近似菱形的几何轮廓。此时,即使绝缘距离较原始结构减小15%,接地法兰处的电场集中现象仍可得到大幅改善。因此,该文提出的介电梯度材料,有望代替外壳倒角处的“R弧”形金属屏蔽以及绝缘子内嵌金属屏蔽环等方法进行电场分布调控,在GIS小型化改造、减少材料用量、优化工艺流程方面具有广阔前景。此外,提出了3D打印+浇注固化的小型化介电梯度盆式绝缘子制造方案,为后续研究与应用提供支撑。     

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。     

时变温差工况下直流GIL/GIS盆式绝缘子动态电场畸变抑制

为了优化时变温差工况下直流GIL/GIS盆式绝缘子的沿面电场分布,基于表层电导梯度材料(σ-SFGM)设计了以室温（RT）电场均化为目标的RT-SFGM绝缘子与兼顾不同温度梯度（GT）条件的GT-SFGM绝缘子。迭代优化后,RT-SFGM绝缘子的涂层厚度从导体到外壳梯度减小,而GT-SFGM绝缘子的凸面涂层厚度则呈现U型梯度分布。室温条件下,均匀绝缘子的凹面高压三结合点处电场畸变严重,相同位置处的RT-SFGM绝缘子与GT-SFGM绝缘子电场强度分别下降了53.3%和49.5%。随着高压导体温度的上升,绝缘子最大电场位置逐渐向接地外壳附近转移。在40℃温差条件下,GT-SFGM绝缘子的电场畸变抑制效果明显优于RT-SFGM绝缘子,最大电场强度下降59.2%。在负荷加载与负荷波动工况下,GT-SFGM绝缘子的电场变化率分别仅为7%与13.1%,可实现时变温差工况下绝缘子直流电场分布的稳定控制。     

复合绝缘子沿面电场影响因素分析

研究不同状态下的绝缘子表面电场特征对提高绝缘子可靠性具有重要意义。笔者以220 kV交流复合绝缘子为例,借助于COMSOL有限元软件,对电场分布进行了计算分析,研究了均压环、表面污秽及内部缺陷对绝缘子沿面电场分布的影响。计算结果表明:加装均压环可以大大降低沿面最大电场强度,有效改善表面电场不均匀程度;污秽条件下,伞群和护套交接处电场畸变严重,但畸变程度不足以引发局部放电;粘结面存在空气隙时,气隙附近电场明显畸变,护套内外存在一个较大的电场梯度,当达到一定程度时会造成护套击穿。     

UHF传感器GIS局部放电检测特性的实验研究

文中搭建了252 k V GIS局部放电实验平台,采用内置式、外置式UHF传感器以及自主研制的利用盆式绝缘子内部均压屏蔽环的抽取式环形UHF传感器,实验研究不同传感器的频率响应特性和在高压导体金属尖端、悬浮电位、盆式绝缘子边遗留金属垫片和自由金属颗粒等4种典型绝缘缺陷下的检测特性,并探讨了不同电压下局放的发展规律。结果表明,内置式、外置式和抽取式环形UHF传感器的检测频段分别在1.5 GHz以下、500 MHz至1.5 GHz、1 GHz以下,且抽取式环形UHF传感器在400 MHz左右其灵敏度最高。不同绝缘缺陷的局放检测结果表明,按PRPD谱图和放电严重程度,高压导体金属尖端可分为负电晕主导、正负电晕并存、正电晕主导以及"兔耳状"阶段,认为尖端附近空间电荷在阶段转变过程中起主要作用;悬浮放电逐渐由"尖端放电阶段"转变至放电幅值、密度及相位对称的典型悬浮式放电;盆式绝缘子边遗留金属垫片将由初始类悬浮放电转变至临界闪络状态;自由金属颗粒则可分为"跳动"、"舞动"和"滑移"阶段,放电主要集中在过零点附近。高压导体金属尖端、悬浮电位和自由金属颗粒缺陷的检测灵敏度为内置式传感器最高,外置式传感器最低,而对于盆式绝缘子边遗留金属垫片缺陷则是抽取式环形UHF传感器的灵敏度最高。