超特高压GIL三支柱绝缘子研究述评

大力发展超特高压GIL设备是“双碳”背景下解决中国大量输电需求的一个重要解决途径。但由于超特高压GIL应用历史较短,其关键性组件的可靠性还有待提高,特别是近年来GIL三支柱绝缘子闪络或击穿事故频发,面临着故障机理不明、优化方法不足、检测手段缺失等严峻现状。文中在简单介绍超特高压GIL三支柱绝缘子组成结构及类型的基础上,统计了近年来中国在运GIL工程中出现的相关故障,重点从材料选型、工艺改进、结构优化、试验与检测技术提升等多个角度,系统分析了当前超特高压GIL三支柱绝缘子在设计、制造、安装、运行及维护各阶段所存在的问题,梳理和提出了多样化的改进措施,并对后续研究给出了建议方向,可为超特高压GIL三支柱绝缘子的产品升级和故障率降低提供有益的参考。     

特高压直流输电工程GIL三支柱绝缘子故障分析及改进措施

随着特高压直流输电工程建设日益深入,气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)以占地面积小、环境兼容性好、输送容量大、能承载高电压及大电流等优点被广泛应用于特高压直流输电系统,其运行稳定性研究被提上日程。为了分析GIL运行过程中三支柱绝缘子故障原因,研究三支柱绝缘子运行特性,通过GIL超声波局部放电分析、解体检查、固定三支柱绝缘子受力分析及固定三支柱绝缘子生产工艺分析,明确GIL三支柱绝缘子内部制造缺陷为故障原因。分析认为,通过对GIL固定三支柱装配优化、绝缘支柱生产过程优化及固定三支柱连板优化等措施,改进后三支柱绝缘子应用于生产现场可有效降低GIL设备故障率,提高GIL运行稳定性,对特高压直流输电工程的可靠运行有着重要意义。     

252 kV紧凑型GIL三相三支柱绝缘子绝缘结构设计与优化

当GIL由单相运行转变为三相共箱时,滑动设计的支柱绝缘子绝缘结构将变得更为复杂,设计难度显著提高。为提升252 kV三相共箱式紧凑型GIL运行可靠性,应用有限元方法仿真分析了252 kV紧凑型GIL三相三支柱绝缘子电场分布特性,提取了电场设计指标值。将电场设计指标转化为去量纲化指标f,探讨了252 kV紧凑型GIL三相三支柱绝缘子f值随典型结构参数的变化规律,结合相对标准偏差分析得到了典型结构参数对各设计指标的影响程度。在此基础上,讨论了绝缘子的典型结构参数优化设计顺序与方法,给出了改进方案并分析了改善电极间电容分布以均匀金属件表面电场的方法。结果表明,改进方案的绝缘子表面合成场强、切向场强、嵌件表面场强分别降低了6.9%、11.1%、30.1%。改进方案使三相三支柱绝缘子的3个设计指标均满足了控制值要求,对252 kV紧凑型GIL中三相三支柱绝缘子的优化设计具有重要的指导与参考意义。     

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...     

500kV GIL三支柱绝缘子隐患分析及整治

近年来GIL三支柱绝缘子故障频发,暴露出GIL设备在国产化设计、制造、应用进程中仍存在改进空间,早期投运的因结构设计、制造工艺不合理而存在隐患的GIL设备亟待整改。文中对“两渡”直流输电工程发生的几起GIL三支柱绝缘子典型故障案例及解体情况进行了分析,结合GIL结构设计、生产、装配和质检工艺对该批次GIL设备的故障原因及隐患进行了总结。最后提出了通过优化三支柱绝缘子生产及检验工艺、优化固定及活动三支柱绝缘子在导杆上的装配工艺、优化固定三支柱绝缘子粒子捕捉器装配工艺、增加活动三支柱绝缘子粒子捕捉器接地可靠性测试及筒壁内洁净度复检等隐患整治措施,最终完成了该批次GIL设备的隐患整治。为GIL设备设计制造、安装调试及类似设备隐患整治提供了借鉴。     

温度梯度下直流GIL三支柱绝缘子电荷积聚对电场分布的影响分析

在直流电压和温度梯度作用下,气体绝缘输电管道的三支柱绝缘子表面及内部容易积聚电荷,引起局部电场畸变,易诱发三支柱绝缘子沿面闪络和支腿炸裂.通过建立直流三支柱绝缘子电-热-流多物理场的电荷积聚模型,研究了不同运行电流下直流三支柱绝缘子的电场畸变特征.在最大允许电流下,三支柱绝缘子的表面切向电场强度主要集中在支腿底部,最大切向电场强度可达2.87 kV/mm,而三支柱绝缘子金属嵌件-环氧界面的电场强度可达5.96 kV/mm.直流三支柱绝缘子支腿底部特别是与金属嵌件的交界面,是电场畸变的薄弱环节,在优化设计时需重点考虑温度梯度下支腿底部和金属嵌件的表面电场均匀分布.该研究结果可为高压直流气体绝缘输电管道三支柱绝缘子研发提供参考.     

特高压GIL绝缘击穿时暂态电压时频特征分析EI北大核心CSCD

为研究特高压气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal-enclosed transmission line,GIL)在交接耐压试验和运行时绝缘击穿激发的暂态电压特征,利用在1100 kV苏通GIL综合管廊工程安装的超宽频暂态电压监测系统,准确测量了GIL在耐压试验和运行时绝缘击穿所产生的暂态电压。分析了GIL在不同工况下典型绝缘击穿所产生暂态电压时域波形的持续时间、变化陡度以及幅值衰减特征。通过傅里叶变化分析了暂态波形的频域特征,发现特征频率与故障位置紧密相关。最后通过连续小波变换分析了暂态电压的时频特征,发现陡变电压的瞬时频率均超过了3 MHz,可通过暂态电压的时频分布图准确判断GIL是否发生次生放电。通过对暂态电压时域和频域特征分析,有助于弄清GIL绝缘故障时暂态电压行波激发及传播特征,准确评估暂态电压对GIL的绝缘危害,提高特高压GIL运行的可靠性。     

超高压输变电装备三支柱绝缘子稳健性设计研究

三支柱绝缘子是超高压输变电装备中的关键组件之一,其绝缘性能的优劣直接影响了电力系统的可靠性。传统的绝缘子结构优化主要采用确定性优化方法,在加工精度、产品磨损老化等不确定因素的影响下,往往会造成性能的不稳定。为此,本文建立超高压三支柱绝缘子6σ稳健性结构优化模型,采用拉丁超立方法抽取样本空间,利用克里金法构建电场强度与结构尺寸的响应面,最终通过遗传算法得到最优绝缘子结构。     

SF_6中绝缘子表面电荷积聚及其对直流GIL闪络特性的影响

随着中国特高压直流输电工程建设进程的逐渐加快,直流气体绝缘输电线路(GIL)的需求日益迫切,对GIL在特高压直流下一些关键问题的研究显得至关重要。因此针对直流电压下GIL中盆式绝缘子表面电荷积聚问题展开研究,建立了一套基于静电探头法的表面电荷测量系统,研究了在SF6气体环境中,不同电压幅值和电压极性反转情况下绝缘子表面电荷的积聚规律。同时,在特高压直流GIL试验单元上进行了直流闪络试验,研究了绝缘子表面电荷积聚对直流闪络特性的影响。研究结果表明:在0.5 MPa的SF6中,绝缘子表面主要积聚与所加直流电压极性相反的电荷,这种电荷分布将增大绝缘子表面与中心电极间的局部场强,并将进一步导致绝缘子闪络;GIL中盆式绝缘子的直流耐受电压仅为交流耐受电压的64%左右。该研究为GIL中盆式绝缘子在直流电压下闪络电压下降提供了一种可能的解释。     

基于表层梯度电导调控的直流三支柱绝缘子界面电场优化方法

气-固界面和嵌件-环氧界面的电场强度集中效应被认为是导致直流三支柱绝缘子发生沿面闪络和支腿炸裂的重要原因,传统的结构优化难以同时有效调控两个界面的电场分布,迫切需要更合理的调控手段.通过电-热-流多物理场仿真,研究直流三支柱绝缘子界面电场分布特性,指出电荷积聚是造成界面处场强集中的主要原因.据此提出基于"类U型"梯度电...     

252kV GIS用支柱绝缘子绝缘能力提升研究

为提高252 k V GIS共箱母线用支柱绝缘子绝缘能力,对绝缘子沿面电场和内部电场进行计算分析,研究了支柱绝缘子爬裙对沿面电场的影响,并对绝缘子进行优化设计,投制优化后的结构并进行绝缘试验验证,验证了优化设计的合理性,提升了支柱绝缘子绝缘能力。     

特高压直流平波电抗器的复合支柱绝缘子抗震特性

传统瓷支柱绝缘子正显现出越来越多的不足,特别是抗震性能不足的问题更为突出。±800 kV平波电抗器本体质量45 t,支撑高度12 m,传统瓷支柱绝缘子已经难以满足抗震要求。复合支柱绝缘子作为一类新型支柱绝缘子,具有很大的发展潜力,其能否用于支撑±800 kV平波电抗器的关键在于其抗震特性能否满足要求。复合支柱绝缘子芯棒各向异性材料特性的处理、电抗器支撑结构的建模方法以及抗震计算的研究方法是整个研究的关键。为此采用复合材料的计算方法求得了复合支柱绝缘子芯棒的各项参数,利用ANSYS软件建立了一个以3D梁单元为主的电抗器支撑结构模型,最后通过反应谱法求得了复合支柱绝缘子的抗震响应。计算结果表明复合支柱绝缘子的安全系数〉20,完全能够满足抗震要求,从而论证了复合支柱绝缘子应用于特高压直流线路的可行性。     

环保型1100 kV GIL用三支柱绝缘子多物理场耦合仿真及校核

为了研制适用于环保型1 100 kV气体绝缘输电线路(gas-insulated transmission line, GIL)中的三支柱绝缘子,针对环保型气体C₄F₇N/CO₂与传统SF₆气体在绝缘强度及散热能力等方面的不同,以现有的特高压三支柱绝缘子结构为基础,建立了完善的多物理场耦合仿真模型。通过磁–热–流体耦合仿真,获得了GIL中三支柱绝缘子在额定电流下的温度分布;考虑温度对环氧树脂介电常数的影响,计算获得了三支柱绝缘子的电场分布,并参考SF₆下的基准值对各个关键部位的电场强度进行了校核;通过对三支柱绝缘子进行运输状态下的应力仿真,获得了整体的应力分布。计算结果表明,三支柱绝缘子整体温度分布和应力分布满足要求,且有较大裕度;而考虑温度影响后的三支柱绝缘子表面尤其绝缘子腹部是绝缘的薄弱环节,最大电场强度达12.44 kV/mm,在应用于环保型GIL时需重点关注。     

1000kV交流特高压支柱瓷绝缘子制造技术

根据晋东南—荆门1000kV特高压交流试验示范工程对支柱瓷绝缘子机械、电气、耐地震等性能的要求,首次采用污耐压法对其进行了污秽外绝缘设计、耐地震计算分析和耐地震性能评价,成功地研制了结构高度10m、额定弯曲破坏负荷16kN、扭转破坏负荷10kN·m、爬电距离30250mm的1000kV特高压工程用支柱瓷绝缘子。试验验证和运行经验表明该支柱瓷绝缘子的电气、机械特性等满足晋东南—荆门1000kV特高压交流试验示范工程的要求。     

特高压变电站支柱绝缘子重覆冰闪络仿真计算与试验分析

变电站支柱类绝缘子比线路绝缘子更容易覆冰,对输电线路影响更严重。为了获取特高压(UHV)变电站支柱类绝缘子覆冰后电气特性,建立了基于Obenaus概念的特高压支柱绝缘子重覆冰闪络物理模型,对比了固体涂层法和覆冰水电导率法试验得到的闪络电压结果。试验得出:覆冰水电导率和表面盐密对闪络电压的影响相互独立且均为负幂指数趋势;不同的污秽度与不同覆冰水电导率之间具有线性对应关系。建立了计算模型,将污秽和喷淋水电导率对覆冰闪络电压的综合影响等效为只有冰层没有污层的状态,降低了计算的难度。利用该模型计算了重覆冰条件下特高压支柱绝缘子的闪络电压,结果与试验验结果的误差<10%,验证了模型的准确性。     

特高压直流复合支柱绝缘子均压环的优化设计

均压环是改善复合绝缘子电位分布和电场分布直接而有效的方式,在特高压输电系统中极其重要。为此,对特高压直流复合支柱绝缘子的电位分布和电场分布进行了计算,引入了大均压环表面、护套沿面、高压端金具表面和小均压环表面等处的最大电场强度作为优化参考量,并探讨了各均压环参数和各优化参考量间的联系,分析了大小均压环各参数优化的相互影响,拟定了大小均压环各结构参数的优化顺序,提出了特高压直流复合支柱绝缘子均压环优化方法。并以±1 100 kV直流空心复合支柱绝缘子和±800 kV直流实心复合支柱绝缘子为例,建立了电场计算模型,对其均压环进行了优化设计。改进后的优化方法能够较快、有效地找到满足条件的优化方案。     

1000kV交流特高压支柱瓷绝缘子制造技术

根据晋东南一荆门1000kV特高压交流试验示范工程对支柱瓷绝缘子机械、电气、耐地震等性能的要求,首次采用污耐压法对其进行了污秽外绝缘设计、耐地震计算分析和耐地震性能评价,成功地研制了结构高度10m、额定弯曲破坏负荷16kN、扭转破坏负荷10kN·m、爬电距离30250mm的1000kV特高压工程用支柱瓷绝缘子.试验验证和运行经验表明该支柱瓷绝缘子的电气、机械特性等满足晋东南一荆门1000kV特高压交流试验示范工程的要求.     

涂覆RTV的电瓷支柱绝缘子在±800kV特高压换流站的应用研究

采用电瓷作为外绝缘,特高压换流站±800kV户外直流设备爬电比距一般需要54～66mm/kV,同时考虑绝缘子伞间距的要求,此时绝缘子高度将达到约15000mm以上。研究表明,应用15000mm高的电瓷支柱绝缘子需要采用多支并联的复杂结构,从产品设计和工程设计来看其技术方案均极不合理。因此,外绝缘采用合成材料是±800kV户外直流开关场设备的必然选择。文章针对±800kV户外直流开关场对支柱绝缘子外绝缘和机械性能的要求,研究分析了采用表面涂覆RTV电瓷支柱绝缘子的可行性及设计方案。