VFTO仿真中GIS隔离开关电弧模型的研究进展

全封闭SF6气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)中隔离开关操作产生的特快速暂态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO)会严重影响电力系统的稳定性及相关设备的安全运行。通过研究GIS隔离开关的击穿过程和电弧的发展变化过程,进而采用合理的电弧模型进行仿真计算,对于得到较为准确的VFTO波形有重要意义。笔者对当前VFTO仿真中GIS隔离开关的传统电弧模型、改进模型及电弧特性的试验研究等进行了详细的介绍,分析了不同电弧模型的优缺点和实用价值,探究了VFTO仿真中GIS隔离开关电弧模型的研究趋势,旨在为同行提供一个可探讨的理论平台和有益的参考。     

500 kV超高压GIS开关气室特快速暂态过电压与暂态壳体地电位升高试验研究

某500 kV GIS变电站断路器由热备用转冷备用操作时,拉开隔离开关时2号母线发生故障跳闸,根据现场故障录波图、气体检测以及对故障设备的拆解检查,借助成分分析方法以及对特快速暂态过电压（Very Fast Transient Overvoltage,VFTO）角度进行定性、定量计算,推断故障原因为设备开关触头存在设计缺陷,在操作隔离开关时存在电弧无法可靠熄灭的风险。故障暂态过程中,VFTO最大幅值达到2.183(p.u.),电弧无法熄灭,易发生对外漂移,通过行波耦合传递至壳体与地之间的壳体电压（Transient Enclosure Voltage,TEV）升高至0.47(p.u.),并且在VFTO作用下隔离开关附近存在金属异物造成电场畸变,振荡频率和电场不均匀度增加,最终导致击穿故障的发生。提出了改善隔离触头等建议,以进一步提高GIS的运行可靠性。     

分段电阻电弧模型下快速暂态过电压仿真及其对断路器中并联电容器的影响

超高压与特高压输电系统中,GIS及其相连设备容易受到操作隔离开关所引起的快速暂态过电压(VFTO)造成的绝缘威胁,而在VFTO的计算过程中,GIS设备模型的选取直接影响计算结果的准确程度,其中隔离开关的电弧模型尤为重要.首先从GIS本体结构出发,根据分布参数理论与电弧的动态物理过程,以及目前常用的两种电弧模型,提出了分段式电阻电弧模型,并结合某550kV GIS实际线路,利用Fortran语言和Matlab软件详细计算了三种电弧模型下GIS内部的VFTO,结果表明分段电阻电弧模型能够准确地模拟隔离开关电弧的物理过程,对于VFTO的数值计算与特性分析是实用的.其次,针对上述550kV GIS中由于隔离开关操作故障引起断路器并联电容器爆炸的事故,研究了断路器内部VFTO的分布情况,结果表明VFTO在双断口断路器两个并联电容上的分布存在差异,长时间的VFTO作用下,并联电容受到了热击穿的威胁.     

GIS隔离开关触头温升多场耦合数值计算与分析

GIS隔离开关触头过热性故障严重危害设备的可靠运行,为实现对GIS隔离开关触头温升和过热性故障的监测,建立了包含触头的GIS隔离开关的三维涡流-流体-温度多场耦合数值计算模型,用一段电阻率可变的导体来模拟触头部位的接触电阻,通过电磁场分析计算GIS隔离开关各个部位的电流密度和功率损耗,将功率损耗作为热源载荷代入流体-温度场耦合计算模型计算导体和外壳的温度场分布。基于该模型研究了GIS隔离开关触头温升反演规律及影响因素,结果表明A、B相触头与外壳温升存在1∶0.215的对应关系,C相触头与外壳温升存在1∶0.165的对应关系,研究成果可为开展GIS隔离开关的温升监测提供理论依据与技术支持。     

双母线倒闸操作中剪刀式隔离刀闸的异常分析及改进

某变电站110 kV双管型母线布置方式下,在剪刀式隔离刀闸操作过程中动静触头没有完全接触紧密导致发生电弧。分析认为在倒母线的操作过程中,由于隔离开关支块和转轴之间生锈导致滑动摩擦增大改变操作行程,隔离开关不能实现电动操作失去电动力的冲击致使动静触头不能完全接触而放弧。提出了隔离开关机械传动部分和电动控制回路改造的相关建议和方案,经现场实施后,动静触头接触严密,没有发生过触头放弧现象。     

特高压GIS隔离开关开合母线方式3试验中暂态电压波形解析北大核心CSCD

为分析特高压GIS隔离开关方式3试验中暂态电压与断口间动态绝缘特性的关联,文中构建了超宽频暂态电压监测系统和电弧形态观测系统,全过程监测了特高压GIS隔离开关开合过程中电源和负载侧的暂态电压,以及动静触头间击穿时的电弧形态。试验发现,隔离开关方式3试验合闸和分闸过程中电弧重燃和熄灭交替出现的持续时间分别为140 ms和240 ms。电压峰值附近发生的电弧熄灭,将引发过电压,但幅值低于1.4 p.u.。分合闸过程中产生的暂态电压持续时间约12μs,波头时间约25 ns,其频率主要分布在1 MHz以下,最高瞬时频率接近50 MHz。方式3试验中,断口间击穿不会产生特快速暂态过电压,与方式1存在较大区别。文中研究揭示了隔离开关分合闸过程中暂态电压的激发机理和时频特征,以及对断口间动态绝缘的影响,为GIS隔离开关的性能考核和优化设计提供了有力支撑。     

隔离开关电弧流体数学模型研究与应用

在流注放电理论的基础上,该文从微观粒子的动力学特性出发,研究隔离开关触头间隙放电机理,建立cm级间隙电弧击穿及高频过电压下介质恢复过程的流体数学模型.搭建隔离开关电弧特性实验平台,对比分析仿真与实验波形的特征参数及频率分布,结果表明,击穿过程中,电弧电阻的变化规律由空间电子数密度与电场强度决定,0～1.7ns内电弧电阻下降率较大,随后逐渐变缓,10.89ns放电通道完全导通,电弧电阻减小至0.02Ω,随后气体介质开始恢复,并受电源电压特性决定.仿真电压波形参数与实测数据误差范围为2％～10％.因此,流体数学模型能够科学地解释隔离开关触头间隙微观粒子的动态发展过程,将线路电压特性、放电结构特征与电弧微观发展过程相结合,为指导隔离开关设计提供理论依据.     

GIS高压隔离开关机械特性在线监测装置的研究与设计

国际大电网会议统计数据表明,GIS(气体绝缘封闭组合电器)高压隔离开关机械故障大多来自于操作机构,而操作机构驱动电机线圈电流是反映其机械特性的重要参数。为实现对高压隔离开关操作机构机械特性的在线监测,利用电流互感器和旋转式位移传感器获得GIS隔离开关动作过程驱动电机电流值、电流-时间曲线及行程-时间曲线,再根据电流值、电流-时间曲线及+5%包络线和隔离开关触头行程-时间曲线的变化规律间接判断隔离开关工作状态是否正常,即监测操作机构是否存在卡涩、驱动电机线圈是否断线、隔离和接地位是否到位等信息。经实际应用证明,该监测装置能够满足对隔离开关操作机构工作状态在线监测的要求。     

550kV GIS隔离开关调速电机操动机构的研制

为改进550 k V气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)内的隔离开关,计算分析了隔离开关与电机操动机构的运动及动力配合特性,得到触头运动过程与摆角电机转角的对应关系。隔离开关触头运动速度主要取决于电机操动机构的转动速度,根据隔离开关触头运动过程可控化的要求,利用有限元数值方法,建立了摆角电机电、磁、机械耦合场数学模型,计算分析其动态特性,研制了速度可控的摆角电机及其调速控制系统样机。通过对多传感器输出信号的实时采集,利用自适应比例积分微分控制策略对动触头的运动速度进行实时调节。进行了550 k V GIS隔离开关电机操动机构的常规分合闸操作,分合闸速度分别达到1.1 m/s和1.2 m/s,满足隔离开关的性能要求。在此基础上,开展了隔离开关合闸调速实验,通过调节电机绕组电流,实现了触头速度0.9~1.2 m/s的变化。操动机构具有良好的可控性,为通过调节触头运动速度以减小击穿次数并抑制快速暂态过电压(VFTO)的幅值奠定了基础。     

智能高压隔离开关新型电动机机构

基于现有高压隔离开关操动机构存在的局限性并满足智能电网发展的需要,本文提出了智能高压隔离开关新型电动机机构。采用永磁电动机直接驱动隔离开关动触头实现分合闸操作,通过高性能伺服控制系统,实现高压隔离开关动触头运动过程的可控性,从而使机构的出力特性与负载反力特性达到     

基于振动信号的GIS隔离开关接触状态带电检测技术研究

隔离开关是GIS重要部件,隔离开关在安装过程及运行过程中会频繁操作,会导致其存在动静触头接触松动、开合不到位等机械故障。研究了利用运行过程中GIS外壳振动信号进行隔离开关接触状态的带电检测技术。理论分析了隔离开关由于接触状态改变所导致的振动信号特征,并通过实验研究了隔离开关松动时GIS设备的外壳振动信号特性,结果表明一旦隔离开关接触状态劣化,出现松动的机械故障,会导致振动信号幅值变大、信号出现除100 Hz外的其他分量。利用所研制的带电检测系统对现场220 k V GIS进行了振动测试,并结合X射线证明了所研究方法的有效性。     

GIS隔离开关温度分布特性的试验研究

气体绝缘组合电器(GIS)为全封闭紧密结构,其内部的隔离开关易于产生机械接触缺陷,在运行电流作用下,一旦隔离开关出现接触不良,将引起温度异常升高,通过温度检测可对GIS隔离开关机械连接状态进行判断。为了获取隔离开关内部动触头温度与设备外壳温度之间的关系,本文基于550 kV GIS开展温升试验,在GIS隔离开关周围布置温度传感器测量温度分布,同时在GIS外壳上进行外部温度的测量,试验研究了不同电流、不同接触电阻下的GIS内部及外部温升规律,结果表明GIS外壳与隔离开关触头的温升存在线性关系,正常情况下顶部外壳温升每上升1 K,对应触头温升提高1.924 K,而故障情况下,对应的触头温升提高2.85 K,并且顶部外壳温度变化范围大,对设备内部温度变化敏感,具有较好的温度辨识性,能更灵敏准确地反映内部触头的温升情况。试验结果分析阐明了GIS内部热源、热量传导路径及温度分布特点,为通过GIS外部温度检测进行内部温度的反演提供了试验基础。     

252kV GIS隔离开关特快速暂态过电压试验中触头间隙重复击穿过程研究

为深入研究气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear,GIS)中隔离开关分合空载短母线产生的触头间隙重复击穿现象,实现隔离开关操作全过程特快速暂态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO)的准确仿真,建立了252 kV GIS试验平台,对GIS隔离开关分合产生的间隙重复击穿过程及影响因素进行了试验研究。通过同步测量触头间隙电压及长度,获得了隔离开关分合操作中触头间隙击穿电压与间隙长度的统计关系。统计结果表明,操作过程中间隙击穿电压与间隙长度的关系与工频电压下各长度的击穿电压基本吻合,且具有极性效应。每次间隙放电产生的空间电荷促进了后续击穿的发生,且首次放电越剧烈,这种趋势越明显。负载侧残余电压衰减时间常数约为160 min,仿真时可不计重复击穿间歇残余电压的衰减。相同的触头间隙恢复电压下,接地腔体对间隙电场分布影响不大。基于上述研究结果建立了隔离开关操作全过程VFTO仿真模型,仿真结果与实测结果基本吻合。     

高低温条件下GW16型隔离开关机械特性研究

以GW16型隔离开关为研究对象,搭建高低温试验平台,研究环境温度变化对GW16型隔离开关机械特性的影响程度,通过对动静触头相对位置、动静触头接触压力、回路电阻、平衡弹簧力值、操作机构扭矩和操作机构输出角度的试验研究,掌握了环境温度对GW16型隔离开关机械特性的影响规律,并根据GW16型隔离开关结构特点,提出了高低温条件下的隔离开关稳定性提升方法,为进一步优化和提高GW16型隔离开关的性能提供技术支持。     

用隔离开关操作高压母线系统时的过电压及避雷器的动作问题

高压变电站中隔离开关操作时出现过电压不是新的现象,至今对此很少加以注意。因为线路绝缘水平相当高,并认为这些过电压对电气设备没有危害。然而,近来用隔离开关操作时发生过各种设备故障,而阀型避雷器多次动作。所以,用隔离开关操作时必须测量过电压。用隔离开关操作空载母线或带电母线系统,是高压变电站操作倒闸的一种非常普遍的形式。在这些操作中,隔离开关的触头上出现间歇电弧,在一次操作中多次熄灭,重复出     

220kV GIS隔离开关触头烧坏故障分析与对策

探讨220kV振林变电站GIS隔离开关动触头对外壳内壁放电导致绝缘击穿的原因。对20546隔离开关故障相气室进行解体检查,并采用X光透射技术对站内其它同批次的220k V隔离开关动触头分闸位置进行检测。根据检测结果分析,20546隔离开关气室故障原因为隔离开关动触头分闸不到位,造成电场畸变,从而导致动触头绝缘击穿。对20546隔离开关驱动轴进行调整后,故障相动触头分闸不到位问题得到解决。针对该变电站隔离开关动触头分闸不到位问题提出了控制措施。     

SF6短间隙中高频电弧的阻抗特性

气体绝缘开关设备(GIS)中隔离开关操作时,触头间隙会出现高频放电,产生威胁电力设备安全的特快速暂态过电压(VFTO),高频电弧的阻抗特性对VFTO的上升沿和幅值等具有重要影响。为此,提出了利用SF6间隙研究GIS隔离开关高频电弧阻抗特性,分SF6短间隙和长间隙2个阶段开展工作的技术方案,并介绍了SF6短间隙阶段的研究工作。建立SF6短间隙和紧凑型RLC放电回路产生高频电弧。采用高压探头、Rogowski线圈、B-dot传感器分别测量电弧电压、电流及电流变化率,利用高速分幅相机观测电弧形态。提出了电弧电感和电阻的分析方法,研究了气压、弧长及电流对电弧电感和电阻的影响,建立了基于能量平衡关系的电弧电阻模型。研究结果表明:高频放电起始后,电弧电感从约13μH/m迅速减小并趋于稳定值约9μH/m;电弧电阻在约60ns内快速跌落至约1Ω,随后缓慢下降并趋于稳定值约0.1Ω;气压增大时电弧电感和电阻增大,电流增大时电弧电感和电阻减小;提出的模型能够计算全过程电弧电阻,计算结果与试验分析结果基本符合。     

220 kV GIS设备故障消缺探讨

为查找运行中的发电变压器组甩负荷跳闸停机及GIS设备外壳被烧穿故障原因.通过查看监控系统信息、故障录波图及保护动作报文,并结合现场被烧穿GIS设备的解体检查.发现本次事故是由于GIS隔离开关动触头齿条设计不合理,隔离开关动触头转动体轴承破碎,钢珠掉落引起静触头均压环对其放电引起.针对事故原因,制定改进措施,对隔离开关动触头齿条进行设计优化改造,并提出加强对该批隔离开关运行监控的建议,将同类事故防范于未然.     

一起110kV GIS隔离开关故障的原因分析

介绍了一起GIS隔离开关故障的发生过程;根据解体检查和试验结果,分析故障原因;针对操作机构故障,致使其隔离开关未能合闸到位,造成电弧放电的问题提出建议.     

角型隔离开关触头接触程度对其导通特性的影响

为了研究角型隔离开关触头在不同插接情况下的导通特性,对操动机构的调整标准进行指导,文中利用线性回归、汤逊理论等建立了隔离断口电场击穿模型,并结合Ansys有限元方法计算了隔离断口在不同插入深度下的电场强度,分析了隔离开关在此情况下的导通特性。最后,根据隔离开关操动机构原理,提出了机构的调整建议。研究结果表明:在设计插入深度为32 mm的情况下,动触头插入深度b0≥23 mm时,触头可正常导通;当8 mm≤b0≤22 mm时为电弧导通,对触头电寿命危害极大;当b08 mm时为断路状态。因此,合闸时机构的调整误差应欠位在4.5 mm以内。