油浸纸套管电容芯子极板边缘电场分布的仿真及优化方法

在各电压等级的电容式套管中普遍存在极板边缘电场效应。极板边缘电场突变,形成局部强场区,引发极板边缘放电,对电容式套管安全运行构成威胁。目前常规的电容芯子设计方法中,采用电容串联分压模型计算电容芯子径向电场及轴向电场,但该模型仅适用计算芯子内部平均电场。现有的仿真计算中考虑了套管局部及整体的电场分布,但忽略了极板厚度及边缘形貌,对极板边缘的电场缺乏细致分析,进而使得极板边缘电场控制措施不明。利用Infolytica有限元软件,仿真分析了油浸纸套管电容芯子极板边缘不处理、极板边缘单折边、加半导体纸等3种情况下极板边缘区域的局部场强可视化分布情况。研究结果表明,极板边缘不处理情况下极板边缘场强远大于极板中部均匀场强,极板边缘单折边、敷设半导体纸可分别使得极板边缘场强下降19%、33%。极板边缘单折边及敷设半导体纸的方式均可降低边缘场强。在实际套管电容芯子设计及生产过程中,建议采用10~20 mm宽度的单折边或敷设半导体纸改善边缘电场的方法,以电场分布的均匀化、不增加芯子主体尺寸的方式,降低极板边缘电场效应,提升套管安全运行水平。     

干式直流套管极板边缘电场分布及优化方法

干式直流套管作为换流变、阀厅的重要组成部分,极板边缘的电场最大,局部放电最易从该处起始,进而引发绝缘失效,如何有效优化极板边缘处的电场已经成为提高干式直流套管运行可靠性的关键。为进一步确定干式直流套管极板边缘电场分布规律及优化方法,建立了双层电容屏套管芯体模型,分析了不同电容屏参数下传统经验公式的准确性,并对比了铝箔边缘半折边、敷设半导电绝缘纸、敷设非线性电导材料等方法对极板边缘电场的优化效果。结果表明,传统经验公式对极板边缘的最大电场估计偏小,且偏差基本不随d/Δt变化,约为7.5%。此外,极板边缘半折边方法可以使极板边缘曲率半径增大1倍,最大电场降低27.8%。极板边缘敷设环氧浸纸材料电导率10~100倍的半导电纸可以使极板边缘最大电场降低超过31.4%,且再增大半导电纸电导率,极板边缘最大电场几乎不再下降。极板边缘附着非线性绝缘材料方法是一种有前景的方法,可以使极板边缘最大电场下降达73.2%。     

带分压屏套管雷电波冲击试验波形仿真分析

针对分压屏接线及杂散阻抗及容抗会使套管雷电波型式试验响应波形产生畸变的问题,通过测量套管电容值及分析电压波形的频谱信息,利用短时傅里叶变化对特定时间段的频谱信息进行分析,判断试验过程中套管是否发生层间击穿现象。结果表明:杂散阻抗会使分压屏两端电压波形在雷电波型式试验中产生畸变,利用短时傅里叶分析处理分压屏电压在不同时段内的频谱可以判断套管有无发生击穿现象,且击穿层数与频谱极值和幅值变化量有定量关系,在击穿层数较小时该方法相比电容值测量更加准确。     

基于粒子群算法的变电站工频电场优化

为降低变电站工频电场曝露水平,避免工作人员长期曝露其中可能造成的健康威胁,通过优化电站设备布局来降低一次设备周围近地面空间电场强度。建立220 k V户外配电设备3维几何模型,采用软件仿真计算出220 k V户外配电区电场分布,并将电场强度高于限值的设备区作为待优化区域。提出适用于变电站电场优化问题的粒子群优化算法的适应度函数和限制条件。以降低设备区外部电场分布作为优化目标,对其进行整体优化计算,在此基础上,以降低设备区内部高场强分布作为优化目标对相关设备位置进行微调。最后将计算所得最优电场分布与原电场分布进行对比,整体优化后的适应度函数值减小了83.4%,局部优化后适应度函数值再次减小了29.1%。优化结果表明,利用粒子群算法对设备排布重新优化,可以在不增加建设成本的前提下降低目前变电站工频电场曝露水平。     

干湿分区对直流穿墙套管内外部场强影响研究分析

基于电场仿真软件开展特高压换流站直流穿墙套管在雨雪天气下形成干湿分区后,外部电场畸变对套管内部场强的影响分析。进一步搭建干湿分区畸变形成的空间电荷模型,定量开展其对直流电场的影响分析,得到了不同空间电荷量、不同绝缘介质下,套管外部场强畸变对内部电场强度变化的影响,确定套管内部放电的原因为外部存在干湿分区引起内部SF₆气体场强异常增大,导致穿墙套管内部放电。为特高压换流站直流穿墙套管外绝缘设计与安装优化设计提供了支撑,保障了特高压换流站穿墙套管设备的稳定运行。     

超高压输电线下建筑物临近区域电场计算

提出应用有限元-模拟电荷混合法计算超高压输电线周围建筑物及其邻近区域中的电场分布。该算法结合了2种方法的优点,并考虑了建筑材料的介电常数,能更准确地计算实际建筑物内部及其周围工频电场的分布情况。分别对空间中有、无建筑物时同样位置的电场分布情况进行计算、分析比较,结果表明处于超高压输电线附近的建筑物会改变其内部及周围空间电场的分布;与无建筑物的情况比较,在建筑物内部电场强度有很大程度地减小,并且在建筑物四周与其水平的临近空间区域内电场强度也有不同程度的降低,但在建筑物顶部及顶部外侧附近的区域内电场强度有所增强,尤其在建筑物尖角处电场强度发生了畸变。     

水滴降落对列车车顶电场的影响及应对策略

雾、雨环境中高速列车车顶容易发生击穿烧蚀从而引发事故。针对该问题研究了车顶高压端水滴降落对车顶电场分布的影响,提出了高速列车车顶绝缘优化策略。通过对影响车顶电场的有效水滴分析,建立了车顶分层电场模型,讨论了有效水滴及其周围电场分布状况;利用有限元分析方法建立了仿真模型并讨论了列车速度、水滴速度、车顶设计状况对电场的影响。结果表明:接触网上水滴分布一定时,列车速度升高过程中由有效水滴造成的车顶电场畸变存在最大值,当列车速度为10~15 m/s时,车顶电场畸变程度最大;同时电场畸变程度随接触网上水滴分布密度增大而增大;车顶不平时会升高低压侧电场强度,采用平整车顶会降低低压侧电场强度,但会使高压侧电场强度升高;而采用绝缘材料设计较平整的车顶会降低两侧电场强度,从而减少车顶击穿烧蚀,达到优化目的。     

72.5kV高压真空灭弧室内部电场的优化设计

高压真空灭弧室绝缘设计的关键是其内部电场分布的设计。为优化高压真空灭弧室内部的电场分布,使其内部电场强度分布均匀,建立了真空灭弧室的参数化模型。针对真空灭弧室设计工艺参数是变量的问题,利用ANSYS的有限元分析及其参数化语言对真空灭弧室轴向尺寸进行优化设计,通过一阶迭代方法,得到了真空灭弧室相关尺寸的优化序列及变化曲线。优化后与初始参数值相比,电场强度分布更加均匀。     

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.     

500 kV SF6断路器复合绝缘套管绝缘介质液化电场研究

为研究复合绝缘子套管中的SF₆气体发生液化对套管内部电场分布的影响,采用电流场有限元法对内部电场进行了求解分析。基于某项目中复合套管参数建立了3D实体模型,假设在重要部位出现液滴进行工频瞬态电场计算,得出整体电场强度分布规律和液滴周围电场强度分布规律。研究发现,轴对称方法不再适用于SF₆液化情况的分析。结果表明,液滴会导致附近电场强度增大,且液滴介电常数越大电场强度越高,电场强度随液滴参数变化最大可能变为原场强的3倍,当液态SF₆的介电常数高且SF₆填充压力低,产生过电压时可能会形成击穿。另外,在地电位屏蔽上发生液化并引起放电的可能性最高,需要额外的加热措施或更换填充气体为SF₆-N₂气体。     

中压C-GIS中穿墙套管的电场数值计算及优化设计

本文针对 40 .5kVC -GIS中的重要元件穿墙套管进行了电场数值计算 ,计算出该套管在不同结构尺寸下的场强分布及场强最大值点 ,根据计算结果为工程实际提供了优化设计尺寸和一些改进措施 ,并得到了实验验证。     

复合高压套管的电场计算和分析

高压套管电场模型长径比高 ,用ANSYS分析软件对选用环氧树脂和高温硫化硅橡胶制造的复合套管进行了2D电场分析 ,找出用 1∶3～ 1∶4场域长径比处理高长径比电场中远场问题的方法。计算表明 ,套管与法兰连接处涂刷半导体漆可使最高场强减少 33 5 %。     

温度梯度下双层油纸绝缘系统的空间电荷分布特性

换流变压器为直流高压输电系统中的重要设备,但因其运行工况的特殊性,其内部油纸等绝缘材料往往承受较大的内外温度差异作用。针对换流变压器中双层油纸绝缘系统存在的内外温度不同的温度梯度效应对油纸绝缘中空间电荷分布的影响,利用电声脉冲法测量了不同温度梯度下（Δθ=0、20、40°C）,电压分别为-3.4、-10.2、-20.4kV（即平均电场强度分别为10、30、60MV/m）时双层油纸中空间电荷在20min内随时间变化规律及电场分布。实验结果表明：在低场强下,上下电极均有明显的同极性电荷注入;温度梯度使低温侧出现异极性电荷,并且随着温度梯度的增大、电压的升高,低温侧异极性电荷越来越多,从而使低温侧的场强畸变越来越大;加压后,2层油纸界面处开始积累与上电极相同极性的电荷,并且界面处电荷量随温度梯度及电压的增大而增大,但电荷密度出现饱和现象。经分析可知,油纸界面起到阻挡正负电荷通过的作用,而温度对电极注入特性及试样电导特性的影响为温度梯度影响空间电荷分布的主要原因。     

±400 kV换流变压器阀侧套管绝缘结构设计

±400 kV换流变压器阀侧套管的设计裕度均低于特高压等级换流变压器套管,且±400 kV换流变压器阀侧套管在换流阀厅用量较大,因此有必要针对±400 kV换流变压器阀侧套管绝缘结构设计进行具体分析讨论.分析了±400 kV换流变压器阀侧套管双导电管结构的发热机理,从理论解析角度给出了双导电管结构的设计尺寸,进一步优化设计了套管的芯体绝缘结构,从内、外绝缘配合的角度给出了套管的外绝缘设计方案,并对其整体电场分布情况进行了校核计算:工作电压下其径向电场强度控制在3.11 kV/mm,工频耐压下其轴向电场强度控制在0.51 kV/mm,均满足±400 kV换流变压器阀侧套管设计电场强度控制要求.对研制完成的±400 kV换流变压器阀侧套管进行型式实验,结果表明所研制的套管通过了工频干耐受电压试验并局部放电测量、雷电冲击干耐受电压试验和温升试验等典型型式试验.     

空间电荷及金属颗粒对换流变阀侧套管的电场分布影响

换流变压器阀侧套管承受交、直流复合电压,对套管的性能和质量有严格的要求。直流电压下,不同介质界面处空间电荷积聚会引起局部电场的畸变,金属颗粒的存在也会大幅提高局部场强,二者均会降低套管的绝缘性能。文中根据换流变压器阀侧套管的结构,采用有限元分析软件,建立了阀侧套管的仿真模型,分析了加入空间电荷后不同类型电压下套管的电场分布以及金属颗粒对局部电场的影响。结果表明,直流电压下介质界面处空间电荷更容易积聚,交直流复合电压下空间电荷能够引发套管内部局部电场的畸变。与交流电压相比,直流电压下金属颗粒对局部电场的畸变程度影响更大,在SF₆气体中金属颗粒对电场畸变程度的影响大小与其所在位置的关系不大。     

基于雨水混合物模型的平抗直流套管的雨闪故障分析

雨闪故障一直是电力系统外绝缘研究领域的热点。结合有限元方法,进行500 k V直流系统平波电抗器出线套管的雨闪故障分析。通过引入雨水在空气中所占体积比的方法,将水滴和空气等效成单一的混合物介质。通过流体场-电场的耦合分析实现了下雨条件下套管电场的求解。计算表明,下雨时套管上端更易受到雨水的碰撞、集聚,致使局部电场强度增大,此时套管上端表面电场强度相比于干燥环境下更高,更易形成闪络。通过与雨闪故障现场图片对比,仿真结果与实际事故中发生闪络的位置一致,验证了考虑雨水混合物模型在雨闪故障分析中的准确性。     

±800kV直流穿墙套管耐压试验发生外闪原因分析及改进措施

为找出某特高压直流输电工程中,其高压端阀厅直流侧800 kV穿墙套管在进行直流耐压试验过程中发生外闪的根本原因,并研究应对措施,通过结合现场试验实际情况,借助有限元算法对其进行分析。分析结果表明:由于该型特高压直流穿墙套管原均压环结构不合理,造成其表面场强分布极不均匀,尤其法兰与绝缘外套连接处电场强度过高,非常接近空气击穿场强,在其表面有一定污秽和湿度较大的情况下,借助960 kV特高压直流试验电压非常强的累积效应,就形成了贯穿性外闪放电。据此,提出相应的改进措施,即在该型特高压直流穿墙套管的法兰与绝缘外套连接处加装1个相同的均压环,并适当调整均压环的罩入深度。通过有限元算法对此措施进行验算,结果表明:采用这种改进措施会使得其外部场强分布得到根本性改善,大大提高其运行可靠性。     

1000kV GIS用套管的设计

1000kV GIS用套管是GIS中的关键设备,为实现1000kV GIS用套管的自主设计这一我国特高压技术工程的重大突破,在对日本NGK公司研制的1000kV GIS用套管的结构及参数进行讨论的基础上,从1000kV GIS用套管的结构、额定电流选择与散热、套管防爆技术、套管均压环设计、套管内屏蔽设计等方面详细介绍了1000kV GIS用套管的设计要点。计算结果表明:1000kV GIS用套管采用金属屏蔽结构比较简单,工艺上容易实现,通过计算其电气性能和机械性能能够满足工程要求。同时,1000kV GIS用套管设计上还需要考虑大电流下的一次导电管的散热及瓷空心绝缘子的防爆问题。     

换流变压器阀侧绝缘电场特性研究

采用Matlab软件仿真分析换流变压器阀侧绕组端部电场的励磁电压类别后建立了电容系数和电导率复合介质电场的数学模型,并对其复合绝缘结构建模,用有限元分析法分析计算各种励磁电压作用下的电场分布,得出了换流变压器阀侧绕组端部电场的复杂特性,为换流变压器阀侧绕组端部的安全绝缘设计提供了科学依据。