电压上升率对GIS绝缘缺陷击穿特性的影响

随着气体绝缘金属封闭开关设备(gasinsulated switchgear,GIS)设备容量不断增大,现场越来越难以开展对应电压等级的雷电冲击试验,其产生的冲击试验电压的波前时间可能长达十几μs。探究长波前冲击电压波前参数对SF6气体间隙放电特性影响的研究,认识GIS中绝缘缺陷在冲击电压作用下的放电特性,是判定采用长波前冲击电压进行现场试验是否合理的前提与基础。主要探究了在棒–板电极和同轴母线针–板电极两种不同电极结构下,波前电压上升率(d U/dt)对SF6间隙击穿特性的影响规律。结果表明,2种结构电极间隙击穿电压随着电压上升率增加呈现U型变化趋势。研究表明U型曲线拐点电压与空间电荷"电晕稳定化"作用相关,且在U型曲线左右半支的击穿电压变化规律受空间电荷"电晕稳定化"和背景电场的"扫除作用"共同影响。     

大容量GIS现场冲击试验问题探讨

受制于传统冲击试验设备技术瓶颈,现场冲击试验,尤其是标准雷电冲击试验难以开展。为此,结合气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated metal-enclosed switchgear,GIS)现场雷电冲击试验现状,研究了不同冲击电压波形参数对SF_6气体间隙放电特性的影响,发现冲击电压波前时间对GIS绝缘缺陷检测有效性有显著影响,在一定范围内,波前时间越短,绝缘缺陷检测有效性越高。分析了冲击试验回路参数对冲击电压波形的影响规律,发现负载电容和回路电感是影响冲击电压波前时间的主要因素,提出了2种提高冲击试验缺陷检测有效性的方法:现场试验时可采用隔离开关操作将GIS分成若干段,以减小负载电容;减小冲击电压发生器本体电感,以减小回路电感。     

振荡冲击电压下SF_6极不均匀场间隙的放电特性

根据IEC 60060-3所规定的振荡冲击电压波形,研究了在正极性振荡雷电冲击电压和振荡操作冲击电压下SF6气体极不均匀场间隙的放电特性,包括SF6压强(P)和50%起晕电压(UP50)关系、SF6压强(P)和50%击穿电压(UB50)关系等。并且比较了振荡雷电冲击和标准波雷电冲击下SF6气体极不均匀场间隙的放电特性的异同。结果表明,振荡型冲击电压因其振荡特性,使SF6极不均匀场间隙的放电次数增加,这有利用发现GIS中存在的例如导电尖刺等电极缺陷;等波头的振荡冲击波和双指数冲击波作用下SF6极不均匀场间隙的有着相似的放电特性,这对振荡型冲击波替代双指数波在较高等级的GIS现场耐压试验中的运用有重要的指导意义。     

SF_6气体中金属尖端在振荡冲击电压下的局部放电特性

随着气体绝缘开关设备(GIS)现场冲击耐压试验的推广实施,冲击电压下的局部放电检测被作为1种新方法而应用于GIS的现场绝缘诊断,但冲击电压下的局部放电仅被认为是击穿前的预放电现象而缺乏全面深入的研究。为此,建立了冲击电压下的局部放电(PD)宽频带光、电脉冲检测系统,采用标准振荡雷电冲击(OLI)和标准振荡操作冲击(OSI)作为激励源,对针尖曲率半径为25μm、100μm和500μm的金属尖端缺陷在SF6气体中的局部放电行为和统计分布特性进行了研究,并在此基础上针对人工预置金属尖端缺陷的实际GIS试品进行了模拟试验。试验研究发现单次脉冲型放电、紧密的多脉冲放电、稀疏的多脉冲放电、反极性放电及预击穿放电共5种具有典型特征的光、电脉冲(序列);各类放电的出现概率受气压、电压及缺陷尺寸的变化的影响虽具有随机性,但仍然具备可统计性;GIS的模拟局部放电检测表明,2种振荡冲击电压均能够有效检测GIS内部的尖刺类缺陷,其局部放电检测效率高于工频交流电压。     

特高压GIS现场冲击耐压试验暂态过电压及其抑制方法研究

气体绝缘金属封闭式组合电器(gas insulated switchgear,GIS)在电力系统中应用广泛,GIS现场冲击耐压试验中因内部存在缺陷而发生SF6气隙击穿或绝缘子沿面闪络时,会导致某些节点出现高频振荡暂态过电压,对GIS内绝缘性能良好、不存在缺陷的绝缘子构成绝缘威胁。文中针对南京1 000 k V交流特高压变电站1 100 k V GIS现场雷电冲击耐压试验工程,利用ATP-EMTP电磁暂态分析软件对特高压GIS现场冲击耐压试验系统与故障电弧进行建模,分析了特高压GIS现场冲击耐压试验暂态过电压水平,并对过电压抑制方法进行了探究。研究结果表明:计算得到的放电过程电压波形与试验电压波形基本吻合,弧道电阻指数衰减模型能够准确模拟雷电冲击下GIS内的放电过程;放电引发的陡前沿电压波传播至被试GIS边缘节点时发生近似全反射,导致此类节点处出现幅值高于2 400 k V的高幅值过电压;参数取值为Cr=800 p F、Rr=100Ω的弱阻尼暂态过电压抑制器能够有效抑制2台断路器串联与接入3台断路器方式下空载套管顶端的高幅值过电压,且对未发生放电时的雷电冲击试验电压影响极小,具备应用于现场试验的可行性。     

基于特高频法的雷电冲击电压下实体GIS导杆尖刺缺陷局部放电检测和分析

为保证气体绝缘组合电器(GIS)的安全运行,在现场开展冲击耐压试验越来越重要,振荡型冲击电压产生效率高,适合现场耐压试验使用。在开展冲击耐压试验的同时测量局部放电,可以更加全面掌握GIS的绝缘状态。导杆尖刺是GIS中比较典型的内部绝缘缺陷之一。为研究GIS导杆尖刺在雷电冲击电压下的局部放电特性,在实体330 kVGIS导杆上布置一尖刺缺陷,施加标准和振荡型雷电冲击电压波形,通过内、外置特高频传感器有效检测了局部放电信号,对比分析了标准和振荡型雷电冲击下的局部放电特性。结果表明利用多个特高频传感器可以有效检测冲击电压的局部放电信号;振荡型冲击电压下,放电信号既出现在电压波峰处,也出现在电压波谷处,而标准雷电,冲击电压下,放电只出现在电压的波峰附近;相比于标准雷电冲击电压,振荡型雷电冲击电压下的放电数较多而放电起始电压较低。     

冲击电压下SF6气体放电的驼峰现象及形成机理

高电压等级电力系统中,特快速暂态过电压（VFTO）引起的气体绝缘开关设备（GIS）绝缘事故日益严重。为确保GIS的安全运行,探究了冲击电压（包括VFTO和雷电冲击）下六氟化硫（SF6）气体放电的特性和机理,研制了陡波前冲击试验装置;固定电极间距,研究了电极半径对SF6间隙击穿特性的影响以及气压对缺陷支柱绝缘子击穿特性的影响;采用空间电荷模型对有无绝缘子存在时SF6气体＂驼峰＂现象的差异进行了解释。试验研究结果表明：冲击电压下,棒-板间隙击穿电压以及缺陷支柱绝缘子击穿电压均随气压的增加而先增大后减小,出现了明显的＂驼峰＂现象;＂驼峰＂对应的气压值为0.2~0.3 MPa之间;SF6气体间隙在VFTO下的＂驼峰＂现象比雷电冲击下更明显;VFTO下缺陷绝缘子的＂驼峰＂高度比棒-板间隙的＂驼峰＂高度更明显。分幅相机拍摄表明：在＂驼峰＂出现的气压值处,出现了密集的空间电荷层,阻碍了放电发展,放电通道出现明显的弯曲现象。依据流注先导击穿判据得到了50%击穿电压-气压（即U50%-p）图中的流注到达线和先导到达线,由此可得结论即采用先导击穿的微分电容判据可以对＂驼峰＂现象进行合理的解释。     

振荡雷电冲击电压下气体绝缘组合电器中极不均匀场击穿特性研究

气体绝缘组合电器(GIS)是电力系统中的关键设备,冲击耐压试验是其安全可靠运行的重要保证。其中,振荡雷电冲击(OLI)和双指数雷电冲击(ALI)均适用于现场,但目前对两类波形异同的认识还不清晰,因此应首先研究OLI和ALI下绝缘缺陷的放电特性。该文针对GIS中极不均匀电场,构建高压导杆尖端缺陷,对比研究其在OLI和ALI下击穿特性。首先搭建冲击电压发生器,产生四种OLI和两种ALI;然后在363kV GIS中构建高压导杆尖端缺陷,尖端长12mm,端部曲率半径0.4mm,进而通过试验研究其50%击穿电压和伏秒特性。结果表明OLI和ALI下50%击穿电压差异极小,从检测尖端缺陷的角度而言,它们是等效的;随着波前时间的增大,50%击穿电压先降低后升高,3ms时最低,比1.2ms低1.5%,13ms时则升高约10%;OLI下击穿点集中在各波峰附近,伏秒特性呈分散状,ALI下则连续分布在波峰附近,当波前时间大于3ms时,两类波形下伏秒特性趋于重合。研究成果加深了对振荡雷电冲击下SF6中极不均匀场放电现象的认识,也为GIS现场冲击耐压试验波形参数的科学选择提供了支撑。     

冲击电压下SF_6棒-板间隙放电的临界半径现象

GIS中隔离开关例行操作产生的特快速暂态过电压(VFTO)对GIS等电力设备绝缘造成很大威胁,迄今为止,国内外对VFTO造成GIS击穿事故的原因及绝缘破坏机理缺乏统一认识。为此借助研制的陡前沿冲击实验装置,研究了特快速瞬态过电压和雷电冲击电压下SF6棒-板间隙放电特性。研究表明,冲击电压下SF6短间隙放电存在与长空气间隙相似的临界半径现象。相同气压下,随着电极曲率半径减小,间隙50%放电电压降低;当电极曲率半径小于临界半径后,间隙50%放电电压基本不变,且临界半径随SF6气压增加而减小。还从空间电荷角度出发,分析了临界半径形成的原因,认为临界半径形成与步进先导形成时电荷注入量和空间电荷迁移有关,而在较小电极曲率半径下,注入电荷量受电极曲率半径影响较小,因此放电电压基本不变。     

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。     

冲击电压下SF_6气体绝缘典型缺陷局部放电特性研究

随着电网电压等级的不断提高,对于高电压等级设备现场只做工频耐压试验已不能满足电网安全需要,针对此情况,IEC推荐采用振荡型雷电波和振荡型操作波作为现场冲击耐压试验用波形,此外,为了对设备的整体绝缘强度进行合理判断,该标准还建议现场做冲击耐压试验的基础上同时进行局部放电检测。为了对比研究振荡型冲击与双指数冲击对绝缘作用的差异,文中首先建立了产生波形符合IEC 60060-3—2006标准要求的振荡冲击发生器及相应的局部放电检测系统,在此基础上,对比研究了GIS中典型缺陷在双指数冲击电压和振荡冲击电压下的放电特性。结果表明,振荡冲击能多次激发缺陷发生放电,更容易暴露出金属突起物缺陷。研究结果为现场实现冲击下局部放电检测奠定了试验基础。     

冲击电压波形参数对SF_6稍不均匀电场棒–板间隙放电电压的影响

GIS中隔离开关例行操作产生的特快速暂态过电压(VFTO)对GIS等电力设备绝缘造成很大威胁。目前,由于VFTO的非标准化,导致VFTO下GIS绝缘特性研究结果分散性大、可比性差。为此借助研制的陡前沿冲击试验装置,研究了便于标准化的双指数冲击电压下SF6稍不均匀电场棒–板间隙的放电特性。研究表明,稍不均匀电场下,不同波形参数冲击电压下间隙50%放电电压随气压升高基本呈线性增加,并且出现了极性效应反转现象,且极性反转临界气压值与波形参数有关。间隙50%放电电压随冲击电压波前时间增加无显著变化,略呈下凹"U"型;随波尾时间增加略有微弱下降趋势。结合VFTO波形基本特征和现场试验大容量负载的特殊情况,建议选取波前时间0.2~0.8μs、波尾时间1.2~15μs的双指数冲击电压作为VFTO模拟波形,进一步研究现场试验用VFTO标准波形。     

基于无线通信的GIS放电超声多通道定位系统研究

分析了目前气体绝缘金属封闭式开关设备(gas insulated switchgear,GIS)放电定位装置在工频耐压击穿和雷电冲击耐压试验中存在的问题,在超声波检测定位原理的基础上,研制了一套基于无线传输的多通道超声波放电定位系统。该系统通过采用多通道自适放大技术、对数放大信号触发技术以及多通道无线通信技术,有针对性地弥补了现有GIS超声定位系统存在的不足,提高了系统灵活性和可扩展性。利用ZF10-126型GIS平台,放置导体尖刺模型,进行了工频耐压击穿和雷电冲击耐压试验,试验结果表明该系统可实现GIS放电信号的实时检测和缺陷准确定位。该系统可有效解决耐压试验中的缺陷定位问题,保障电网安全。     

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绝缘缺陷局部放电检测的有效性研究

GIS因大容量、高可靠性、环境友好等优点在电力系统获得了广泛应用,局部放电检测作为GIS绝缘状态监测和缺陷诊断的重要手段,但存在误报和漏报现象,需要针对其检测有效性进行研究。文中针对球—板带尖刺电极模型和绝缘子沿面附着金属微粒两种典型绝缘缺陷展开研究,研究不同缺陷类型下局放起始电压和击穿/闪络电压的关系,提出局部放电检测有效性系数α以表征脉冲电流法对绝缘缺陷检测的难易程度。研究结果表明,两类缺陷的局部放电起始电压和击穿/闪络电压均随缺陷尺寸增大而显著降低,球—板带针电极引发的局部放电起始电压与间隙击穿电压差别较大,且局部放电量较高,而绝缘子表面金属微粒引发的局部放电起始电压与闪络电压更为接近,且局部放电量相对间隙缺陷较小,因此,绝缘子沿面金属微粒的局部放电检测有效性系数相对间隙电场集中缺陷更低,通过局部放电检出的难度相对较大,因而危害也更大。此外,随着气压升高,两种典型缺陷局部放电检测有效性系数α均呈现降低趋势,因而可通过适当降低气压开展局部放电试验来提高GIS局部放电检测的有效性。     

冲击电压下SF_6棒-板间隙放电极性效应的反转现象

电压等级较高的系统中,由特快速暂态过电压(VFTO)引起的气体绝缘组合电器设备(GIS)绝缘事故日益严重。为给GIS绝缘结构的优化设计提供参考,研制了陡前沿冲击实验装置,并利用其研究了SF6棒–板间隙在VFTO和雷电冲击(LI)作用下的绝缘特性。结果表明稍不均匀和极不均匀电场下,SF6间隙放电均存在极性效应。稍不均匀电场下,正极性VFTO与雷电冲击50%放电电压均高于负极性。极不均匀电场中,随着气压增加雷电冲击下SF6放电出现了极性反转现象:气压较低时,负极性雷电冲击放电电压高于正极性;当气压高于某临界气压时,正极性雷电冲击放电电压高于负极性。出现极性反转的临界气压值与间隙电场不均匀系数相关,随电场不均匀度增加而减小。极不均匀场中,VFTO作用下,负极性50%放电电压较正极性高,但在较低气压时,会出现负极性VFTO放电电压低于正极性的现象。分析表明,极性效应反转是由不同极性电压下SF6间隙中空间电荷迁移和扩散的差异而形成的。     

特高压气体绝缘组合开关设备现场冲击耐压试验及局部放电测量

气体绝缘组合开关(GIS)采取现场组装的形式,现场试验对GIS的安全运行具有重要意义。为此,论述了国内外首次进行的1 100 kV特高压(UHV)GIS现场振荡型雷电冲击耐压试验和同时进行的特高频(UHF)局部放电测量试验。对特高压GIS现场冲击耐压试验的发生器形式、参数及现场试验流程进行了介绍,对比了内置式和外置式2种特高频局部放电测量方式得到的测量结果的差异。结果表明,外置传感器受到的干扰较大而内置传感器则不受外部干扰。适当减小限流电阻可提高电压的产生效率。此外,模块化冲击电压发生器配合振荡型冲击电压波形可以实现较高的产生效率和现场组装速度。利用内置式特高频传感器可以有效屏蔽发生器球隙放电的干扰,实现现场雷电冲击耐压试验时GIS内部局部放电的检测。     

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。     

振荡冲击电压下SF_6气体中绝缘子气隙局部放电特性研究

随着GIS设备现场冲击耐压试验的推广实施,冲击电压下的局部放电检测被作为一种新方法,应用于GIS的现场绝缘诊断。冲击电压能够有效限制电晕稳定性作用,相比交流低频电压对局部极不均匀场类缺陷的发现能力更强,因此该方法将具有较好的应用前景。本文建立了冲击电压下的局部放电宽频带电脉冲检测系统,采用标准振荡雷电冲击(OLI)和标准振荡操作冲击(OSL)作为激励源,对绝缘子气隙缺陷在SF_6气体中的局部放电特性及影响因素进行了研究,并在此基础上针对预置人工绝缘气隙缺陷的实际GIS试品进行了模拟试验。研究表明:在振荡冲击下,气隙局部放电脉冲主要包括首次放电、后继放电及反向放电三种放电形式,其中首次放电对其他几种放电形式具有决定作用。且气压、背景场强及气隙尺寸比等对绝缘子气隙局部放电行为具有明显影响。GIS的模拟局部放电检测表明,两种振荡冲击电压(OLI和OSI)均能够有效检测GIS内部的气隙类缺陷。     

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。