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。     

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。     

密闭空间中温度对SF_6/N_2混合气体工频击穿电压的影响规律

气体绝缘组合电器会遇到不同的环境温度,为优化SF_6/N_2混合气体设备的设计,研究SF_6/N_2混合气体在工频电压下的击穿电压随温度的变化规律,并分析温度对气体绝缘性能的影响机理。首先分析SF6气体中的电子崩发展过程,发现温度降低导致SF6的附着反应减弱,从而降低其绝缘性能。为验证理论分析,通过试验得到-50℃、-35℃、-18℃、20℃四个温度下,稍不均匀和极不均匀电场中SF_6/N_2混合气体的工频击穿电压。发现在稍不均匀电场中,从20℃降低到-50℃时,SF_6/N_2混合气体的击穿电压降低约10%,在极不均匀电场中降低约12%。与SF_6的试验结果对比发现,稍不均匀电场中SF6的击穿电压随温度下降更显著,但极不均匀电场中SF_6/N_2混合气体的击穿电压随温度下降更明显。考虑导体温升,进一步对比了100℃高温下的情况,发现在-50℃至100℃温度范围内,SF_6/N_2混合气体的工频击穿电压随温度升高呈非线性增大趋势,试验现象验证了理论分析。为补偿极寒条件下SF_6/N_2混合气体的绝缘性能,应适当提高混合气体充气密度或提高SF_6比例。     

管道母线(GIL)中SF_6/N_2混合气体绝缘性能的研究

文中首先对GIL中SF_6/N_2混合气体的绝缘性能进行了计算,重点关注了SF_6体积分数配比以及气体压力对绝缘能力的影响,并且研究了高落差下是否出现气体分层从而对混合气体的绝缘能力产生影响。其次,利用试验装置,对SF_6/N_2混合气体在不同配比和压力下的雷电击穿电压进行了测量,并且对比分析了试验结果与计算结果的差异。计算结果表明SF_6/N_2混合气体绝缘强度随SF_6气体体积分数增加而提高,但SF_6体积分数达到10%后,混合气体的击穿电压呈现出饱和的趋势;在高落差下,SF_6和N_2的混合比随高度的变化很微小;GIL样机的雷电冲击试验结果验证了击穿电压计算结果的正确性。     

c-C_4F_8在球板电极下的绝缘性能和绝缘子沿面闪络特性研究

文中从c-C_4F_8的绝缘性能和绝缘子沿面闪络特性角度出发,进行了球板电极下对c-C_4F_8的工频击穿实验和雷电冲击实验,以及常压下绝缘子的沿面闪络击穿实验。同时进行了SF_6、N_2和CO_2的对比实验。实验结果表明,对于气隙击穿的工频耐压实验和雷电冲击实验,c-C_4F_8的击穿电压值都随着间隙距离的升高而增加,并呈线性趋势;在稍不均匀电场中,c-C_4F_8的绝缘性能约为SF_6的1.4倍;c-C_4F_8中绝缘子的闪络电压明显大于SF_6。从绝缘性能的角度来看,c-C_4F_8在某些条件下可以作为SF_6的一种替代气体,用在电力设备中。     

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.     

电极表面粗糙程度对环保型绝缘气体C6F12O/CO2工频击穿电压的影响

由于电力工业排放SF_6的温室效应已不容忽视,环保型绝缘气体C_6F_(12)O在中低压开关柜中具有替代SF_6的潜力。为了探索设备内金属导体表面粗糙程度对C_6F_(12)O/CO_2气体工频击穿电压的影响规律,通过实验对比研究不同气压、不同体积分数的C_6F_(12)O/CO_2与SF_6和CO_2在不同电极表面粗糙程度时的工频击穿特性,以探究C_6F_(12)O/CO_2混合气体绝缘特性对金属表面粗糙程度和气压的协同敏感度。结果表明:C_6F_(12)O/CO_2混合气体的绝缘强度与金属电极表面粗糙程度关系较大,但相比于SF_6,其对金属电极表面粗糙程度的敏感度更小;金属电极表面粗糙程度对C_6F_(12)O/CO_2混合气体工频击穿电压的影响随着气压的增大而不断增强。     

正弦振动激励下GIS内自由金属微粒运动特性

自由金属微粒是影响气体绝缘组合电器(GIS)绝缘可靠性的主要威胁之一,常具有潜伏性和随机性,而GIS振动可激励微粒起跳并诱发绝缘击穿,但相关研究鲜有报道.该文建立了特高压GIS中工频电压叠加正弦振动条件下自由金属微粒的荷电、受力和运动仿真计算模型,研究了不同外施电压和振动参数对微粒运动特性的影响规律,并获得不同条件下微粒的超声飞行时间谱图.研究结果表明:初始时刻,在壳体加速度作用下,微粒起跳场强随振幅的增加逐渐降低,微粒半径对起跳场强影响随振幅的增加逐渐减小.微粒运动过程中,相邻两次碰撞间最大飞行高度与碰撞瞬间恢复速度及电压相位有关,且与微粒飞行时间呈正相关.与仅施加工频电压相比,外施振动激励条件下,微粒飞行时间图谱在电压幅值较低时即呈现明显的三角脉冲,且微粒飞行时间图谱呈山峰状,与带状飞行图谱相比具有明显差异,具有较高的识别性.     

同轴圆柱SF6气体间隙直流绝缘特性及其影响因素

同轴圆柱是直流SF6气体绝缘设备的基本结构,研制了不同间隙长度和不同气体压力下直流SF6气体绝缘特性基础研究平台,通过试验研究建立了长间隙同轴圆柱SF6间隙直流击穿电压计算模型,对影响间隙直流绝缘特性的表面粗糙度、金属导电微粒、电极表面积大小进行了试验研究和分析。由与直流气体绝缘设备的电场不均匀系数和表面粗糙相似的电极得出的击穿电压计算模型,可为SF6气体间隙绝缘优化提供依据。     

存在固定导电微粒时SF_6中绝缘界面在陡波下的闪络特性

研究了SF_6气体中绝缘子表面具有固定金属导电微粒时,在不同短波头冲击电压作用下的闪络特性,同时研究了电晕起始电压和SF_6气压对闪络电压的影响。研究表明,极不均匀场中SF_6绝缘固体介质表面在陡波作用下的闪络特性不同于气体间隙,其原因可能是位移电流的作用。     

两种典型电极下SF_6/CF_4混合气体击穿特性的实验研究

针对板—板、针—板两种典型电极形状在5 mm间隙下SF_6/CF_4混合气体的击穿特性开展实验研究,分别测量SF_6分压比为0%~100%、压强在0.1~0.6 MPa下的气体击穿电压,研究压强、SF_6分压比及电场不均匀度等因素对SF_6/CF_4混合气体绝缘性能的影响。结果表明:0.6 MPa的20%SF_680%CF_4气体在板—板电极下的击穿电压为138.89 k V,是相同压强纯SF_6气体击穿电压的64.8%,在针—板(针为负极性)电极下的击穿电压为58.4 k V,是相同压强纯SF_6气体击穿电压的74.8%。在压强一定时,SF_6/CF_4混合气体的击穿电压与SF_6的分压比呈非线性增加,但随电场不均匀程度的增大,SF_6分压比的变化对击穿电压的影响逐渐减弱,随SF_6分压比的增大,混合气体的协同效应明显降低;在SF_6分压比一定时,随压强的增大,混合气体的协同效应增强。     

冲击电压波形对GIS由固定导电粒引发的击穿电压的影响

作者研究比较了正极性冲击电压波形对SF_6、空气、SF_6/空气的GIS电极装置由固定导电微粒引发的击穿电压的影响,结果表明:SF_6间隙的击穿电压受冲击电压波前时间长短的影响较大,而与波长的关系不大,当采用SF_6/空气混合气体时,则这种影响随SF_6含量增大而愈明显,并与电场不均匀程度有关。     

低压强下六氟化硫的电击穿特性

本文提出了研究低压强SF_6电击穿特性的必要性,通过实验研究了国产SF_6气体在表压0.2～2kg/cm~2范围内不同间隙、不同电极形状等条件下的击穿电压与压强的关系。实验所得数据、公式和结论均可供低压强下运行的SF_6绝缘电气设备绝缘结构计算时使用。     

应用于直流GIL中环境友好型气体的绝缘性能研究

直流气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal-enclosed transmission line,GIL)可提高特高压直流输电线路走廊选择的灵活性,研究其中SF_6气体的替代气体具有十分重要的意义。该文在负极性直流电压和负极性雷电冲击电压下,通过实验研究了0.4~0.7MPa气压范围内的SF_6、SF_6/N_2和CF_3I/N_2气体的击穿特性以及圆柱形绝缘子在相应气体环境中的闪络特性。结果表明:随着气压升高,SF_6、SF_6/N_2和CF_3I/N_2气体的击穿场强基本上呈现线性升高趋势,但同气压下SF_6的击穿场强最高,SF_6/N_2次之,CF_3I/N_2最低;CF_3I/N_2混合气体中绝缘子闪络电压远低于在SF_6和SF_6/N_2环境中。研究表明,0.7MPa气压、混合比为2:8的SF_6/N_2气体绝缘性能与0.5MPa时SF_6气体绝缘性能相当,且全球变暖潜能值(global warming potential,GWP)可降低约80%,可应用于直流GIL;而CF_3I/N_2混合气体由于其绝缘性能远低于SF_6和SF_6/N_2气体,不适用于高压直流气体绝缘金属封闭设备。     

低温下SF_6/N_2混合气体的雷电冲击绝缘特性

SF_6/N_2混合气体作为绝缘介质在不要求灭弧性能的设备内可部分替代SF6,因此以SF_6/N_2混合气体为例,研究了低温对SF_6/N_2混合气体绝缘性能的影响,通过击穿试验得到了其在-35℃、-18℃和7℃三个温度点下的雷电冲击绝缘强度。试验采用铝质球–板和棒–板电极分别模拟稍不均匀电场和极不均匀电场,得到了SF_6/N_2与纯SF6气体击穿电压的极性效应以及电场敏感系数,结果发现:在正极性电压下,0.7 MPa含体积分数20%SF6的SF_6/N_2混合气体的电场敏感系数低于0.4 MPa纯SF6的,负极性电压下两者对不均匀电场的敏感程度相当。实际气体的温度–压力特性偏离理想气体状态方程,且温度越低偏差越大;得到了0.7 MPa含20%SF6的SF_6/N_2混合气体的压缩因子,发现当温度从0℃下降到-35℃时,压缩因子随温度降低而线性增大。     

SF_(6)直流穿墙套管金属微粒产生过程模拟及沿面闪络特性研究EI北大核心CSCD

穿墙套管是特高压直流输电工程中不可替代的关键装备。在SF_(6)气体绝缘直流穿墙套管内,部件间的相互摩擦会产生大量金属微粒,这是引发其内绝缘失效的主要原因之一。因此,研究金属微粒的产生过程和形貌特征,进而研究其对闪络的影响具有重要意义。该文计算某特高压工程中昼夜温差与风致振动工况下触指的振动幅值和频率,开展触指磨损实验,基于磨损产物进行金属微粒吸附实验以及闪络电压测量实验。结果表明:脉动风作用下的触指磨损程度较大,是金属微粒的主要来源;在粘着磨损以及磨粒磨损的耦合作用下,产生的微粒基本处于微米级,材料包括铝、银、锌和铜,大微粒多为片状,小微粒多为椭球状;在库仑力的作用下,微粒主要在绝缘支柱法向电场较大的表面吸附;附着微米级金属微粒可以使得环氧闪络电压下降20%。该研究结果可为金属微粒对绝缘特性影响的研究提供选型参考。     

温度变化对SF_6/N_2混合气体放电特性的影响

不同温度下SF_6/N_2混合气体的周围离子平均自由行程和热运动速度不同,使SF_6/N_2混合气体放电过程呈现不同特性。为此,在极不均匀电场、雷电冲击电压下研究了温度对SF_6/N_2混合气体放电特性的影响。在正负极性的雷电冲击电压下分别测量冲击击穿电压和预放电电流波形,并分析了不同温度下SF_6/N_2混合气体的预放电现象、步长时间、电晕起始场强及击穿场强。此时试验温度范围设为-20~20℃。结果表明:步长时间、电晕起始场强、击穿场强呈现较大的随机性。负极性雷电冲击电压下步长时间均长于正极性雷电冲击电压下步长时间。负极性冲击电压下10%SF_6-90%N_2混合气体的电晕起始场强和击穿场强随着温度升高而增高。本研究结果对柜式气体绝缘开关设备和气体绝缘金属封闭输电线路设计具有一定的研究意义。     

基于超声波飞行图的GIS自由金属微粒缺陷诊断研究

自由金属微粒是气体绝缘开关设备(GIS)中最常见的缺陷之一,极易引起绝缘子闪络等绝缘故障。建立了自由金属微粒的典型缺陷模型并进行大量局部放电试验,对信号的工频相位相关性进行判断,确定了不同缺陷类型、不同试验电压下放电超声波飞行图的特征差异,为GIS中自由金属微粒缺陷的识别和诊断提供了一种有效的方法。     

正极性振荡型冲击电压下带尖刺SF_6间隙击穿过程的数学模型构建

对GIS进行振荡冲击耐压试验有助于发现GIS的内部缺陷故障。对于GIS中较为常见的高压导杆尖刺缺陷,其在正极性振荡冲击电压下的击穿电压较低,但相应的击穿过程尚不是很明确。因此,该文基于SF_6气体击穿的物理过程建立一种正极性振荡冲击电压下SF_6绝缘间隙击穿过程的数学模型,对SF_6绝缘间隙的放电过程进行数值计算。数学模型通过有效电子的产生、流注起始、先导发展3个部分定量描述间隙的放电过程,并考虑空间电荷的影响,阐述先导逐级发展的特性。通过在实体GIS上开展击穿试验,验证模型的准确性。该文所建立的模型可用于对正极性振荡冲击电压下SF_6气体绝缘间隙的击穿过程进行数学描述,并对击穿特性进行定量计算。     

简论用变频谐振装置进行GIS现场试验的等价性

鉴于近来关于SF_6在变频交流电压下绝缘特性的研究,本文论述了用变频谐振装置进行GIS现场耐压试验的等价性并建议加强变频电压作用下SF_9中微粒运动和击穿特性的研究。