GIS盆式绝缘子作为缝隙天线的暂态电磁辐射特性研究

如果气体绝缘开关设备(GIS)内部存在快速暂态过电压(VFTO),电压电流波就会沿管线在GIS内部传播,并在绝缘子和套管等导体不连续处发生电磁辐射,使暂态电磁能量泄漏到外部空间,影响二次设备和系统的正常运行。通过将盆式绝缘子等效为GIS管壁上径向开槽的缝隙天线,理论和仿真研究了绝缘子的暂态电磁辐射特性。理论推导了缝隙天线的辐射过程,获得了空间电磁场的解析表达式。在全波电磁仿真软件中建立了GIS管线和绝缘子的仿真模型,计算了冲击激励下外部空间的时域电磁场波形。分别对空间电磁场的径向和轴向辐射特性进行了量化研究,结合理论推导分别采用反比例函数和辛格函数对仿真结果进行拟合。仿真结果和拟合函数计算具有很好的一致性。     

GIS中金属氧化物避雷器对特快速暂态过电压的影响

气体绝缘变电站(gas insulated substation,GIS)内部隔离开关切合空载短母线时产生的特快速暂态过电压(very fast transient over-voltage,VFTO)对电气设备构成严重的威胁。金属氧化物避雷器(metal oxide arrester,MOA)作为GIS中重要的保护设备之一,目前在VFTO计算中普遍采用对地电容模型或者非线性电阻模型,这忽略了VFTO暂态特性对MOA晶界层极化过程的影响。为此,结合MOA阀片的微观结构,通过分析交变电场下电介质的极化特性及其电流响应,提出了MOA暂态电路模型。以国内某550kV变电站为背景,采用EMTP软件对GIS中的VFTO进行了计算,分析了不同MOA模型下VFTO的差异,研究了MOA对VFTO波形、幅值和波前陡度的影响。结果表明,MOA暂态模型能很好地反映MOA在VFTO作用下的极化现象;MOA对VFTO有一定的抑制作用,它能使VFTO波形衰减,在一定程度上降低VFTO的幅值,并减缓VFTO的波前陡度。     

GIS中的电磁暂态现象

GIS以其较高的运行可靠性,易维护,占地面积小等优点在电力系统中得到了广泛的应用。但是,在隔离开关、接地开关和断路器的动作过程中,会出现快速暂态过程。主要表现为:GIS母线套管上的快速暂态过电压和GIS壳体上的暂态地电位升高以及GIS周围空间产生暂态电磁场。主要分析和探讨由快速暂态过程引发的暂态电磁场的产生和传播机理以及它对GIS的电缆出线和与GIS相连的变压器的影响。     

天线与馈线的原理与匹配

要点：天线是向空间发射电波或从空间接收电波的装置。电波具有波的性质,它能在长度等于入12的导体中产生共振。天线辐射电波的特性具有某种方向性,半波长天线的方向性呈纺锤形,入14接地天线没有方向性。辐射电波在某个特定方向上较强的天线称为方向性天线,八木一宇田天线和抛物面天线都是方向性天线。     

GIS套管对平面电磁波耦合特性的仿真分析

变电站放电产生的电磁波进入GIS设备内部,严重干扰了局部放电特高频(ultra-high-frequency,UHF)检测。研究干扰电磁波进入设备的传播特性对于抗干扰技术的提升意义重大,但是目前尚无此方面的研究工作报道。套管是外部电磁波干扰进入设备的主要通道之一,利用时域有限差分方法仿真分析了电磁波经过套管进入GIS设备的传播特性。首先,建立了252 kV套管与GIS腔体仿真模型,在模型侧面设置了平面电磁波源,在GIS内部设置了电场强度点探针;其次,计算了电磁波传播过程中仿真空间内各点的场强及其动态变化,展示了电磁波进入套管与GIS的动态画面;最后,分析了进入GIS内部的电磁波信号的强度、频谱分布特征及其与外部平面电磁波源极化方向的关系。仿真结果表明:套管中心的导杆在电磁波耦合过程中起到了主要作用,当平面波电场方向平行于导杆时GIS内部电磁波干扰信号最强,谐振电磁波的波长大于等于导杆长度的2倍。研究结果对于查找与排除UHF干扰源具有重要的指导意义。     

GIS局部放电绝缘子金属环孔特高频检测天线的研究

常规的GIS局部放电外置式特高频检测方法是将特高频传感器安装在GIS的盆式绝缘子表面,但目前大量GIS的绝缘子外侧安装了金属环,这使得常规的检测方法无法应用。此时特高频电磁波只有可能从金属环上的浇注孔传播出来,然而浇注孔尺寸很小,传播出来的信号的特性未知,从而无法设计检测天线。通过实验测试分析了电磁波通过浇注孔的传播特性,由此设计研制了振子天线,并在GIS平台上测试了其对于各种局放检测的灵敏度。研究表明:浇注孔传播出来的电磁波的极化方式为线极化,频带在0.8~2 GHz;振子天线传感器为线极化类型,其工作频带为1~2 GHz,检测浇注孔处局放信号的灵敏度达到了30 p C以下。     

低气压下串联直流电弧故障电磁辐射幅值及频率特性

为了检测低气压下串联直流电弧故障,搭建了低气压下直流电弧故障试验平台,研究了不同试验条件下的直流故障电弧电磁辐射特性。利用四阶Hilbert分形天线检测直流电弧故障的电磁辐射信号,在11个气压下(96,86,76,66,56,46,36,26,16,6和0.6k Pa)对4种电极材料(黄铜、紫铜、不锈钢和铝)进行了串联直流电弧故障试验,并在低气压下对不同直径(1~7mm)和形状(尖形和平形)的黄铜电极进行了试验研究。考虑了电极移动速度对电磁辐射特性的影响。对各种试验条件下采集到的电磁辐射脉冲幅值进行了统计分析,并对电磁辐射脉冲进行了快速傅里叶变换,提取出特征频率。试验结果表明:直流电弧电磁辐射脉冲幅值随着气压、电极直径、形状和电极移动速度的改变而变化,并且具有方向性;而电磁辐射脉冲的特征频率范围(36~41MHz)与气压、电极直径、形状和电极速度无关,将其作为检测串联直流电弧故障的特征量具有一定的适用性。     

宝能220kV GIS变电站雷电侵入波过电压的研究

采用电磁暂态程序ATP-EMTP计算了宝钢220 kV GIS变电站进线落雷时GIS内断路器、隔离开关、母线以及出线套管和变压器上的雷电过电压,比较了不同落雷地点和运行方式下的雷电过电压,分析了金属氧化物避雷器(MOA)的防雷效果。研究表明,雷电过电压小于GIS内设备及变压器的雷电冲击绝缘水平,接线简单的运行方式雷电过电压最严重,现有MOA可以对设备进行有效保护。     

GIS隔离开关操作过程中管壳空间暂态电磁辐射计算

随着电力系统的不断发展,越来越多的电子设备引入到变电站中,而气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear,GIS)中的隔离开关操作往往作会造成空间暂态电磁辐射,分析隔离开关操作过程中GIS管壳周围空间电磁场分布对安装在管壳周围的电子设备的电磁兼容设计有着非常重要的参考意义。建立了GIS管壳的电路和电磁辐射模型,计算得到了GIS隔离开关操作过程中管壳接地电流引起的空间暂态电磁场。结果表明:管壳周围电磁场时域波形跟随管壳电流变化;管壳附近的空间电磁场随着与管壳之间距离增加而剧烈衰减,在离管壳较远的位置,电场呈线性衰减,磁场呈指数衰减;随着接地点个数增加,暂态对地过电压的幅值显著降低,且离套管位置较远处电磁场幅值有所减小。对GIS管壳附近的空间电磁场进行了测量,计算结果与现场实测数据基本相符。     

特高压GIS隔离开关操作时其壳体电压暂态特性仿真分析

特高压(UHV)系统电压等级高、容量大,电磁暂态问题相当严重。为研究特高压气体绝缘变电站(GIS)在隔离开关操作时壳体电压的暂态特性,从而对今后特高压变电站的建设及绝缘配合问题提供参考建议,结合我国某1 100kV特高压气体绝缘变电站的具体情况,分析了特高压下GIS暂态壳体电压(TEV)的计算原理,利用多导体传输线模型计算了壳体各处的TEV,并对其进行了频谱处理。最后,分析了隔离开关的操作方式、操作相别、接地方式等对暂态壳体电压的影响。仿真结果表明:隔离开关操作方式不同时,暂态壳体电压最大值出现的位置不同;在GIS出线段,由于布置的对称性使得暂态壳体电压幅值也具有对称性。     

极寒环境下电缆GIS终端界面故障分析

气体绝缘(gas insulated switchgear,GIS)电缆终端广泛地应用于高压电缆系统中，近年冬季出现了多起因低温引发的故障，绝缘界面是导致极寒环境下电缆GIS终端发生故障的主要原因之一。该文基于电缆GIS终端内部两种界面的故障，针对环氧套管/橡胶界面，制作GIS环氧套管试样并开展了–40℃的机械性能试验，利用有限元分析计算了环氧套管的应力场；针对橡胶/交联聚乙烯界面故障，制作界面模拟试样并开展了不同温度和粗糙度条件下的击穿试验。结果表明：环氧套管在温度骤降时，其金属嵌件螺母处的内应力会增大，甚至超过其抗弯强度，硅橡胶的收缩会使环氧套管/橡胶界面出现气隙，可能引发套管的击穿；低温下的温度循环是导致极寒环境下GIS电缆终端橡胶/交联聚乙烯界面破坏的主要原因之一。分析结果可为极寒地区的GIS电缆终端结构设计和运维提供参考依据。     

GIS局部放电在线监测超高频Moore分形天线研究

设计了一种应用于气体绝缘全封闭组合电器(gas insulated substation,GIS)局部放电在线监测的超高频Moore分形天线。首先从理论上分析了该天线的多频特性,使用ANSYS HFSS对Moore分形天线和Hilbert分形天线进行了仿真对比,仿真结果显示Moore分形天线方向性良好,并根据仿真结果制作了天线实物。采用矢量网络分析仪对天线进行实测,测试结果显示Moore分形天线在电压驻波VSWR5时具有更多频段。最后,在实验室搭建了GIS局放测试平台,使用两种分形天线进行对比测量,结果表明,Moore分形天线特性良好,可用于GIS局部放电在线监测。     

国内文摘与专利

<正>电热联合作用下交流油浸纸套管绝缘特性/王成智,胡伟,罗晓庆,等/高电压技术,2019(8)为研究交流油纸绝缘套管实际工程运行中的绝缘特性,建立了套管电热联合试验平台,针对交流油纸绝缘套管,开展了不同油温和不同负荷条件下的绝缘参量特性试验。掌握了不同油温和不同负荷条件下交流油纸绝缘套管介质损耗因数、电容量、绝缘电阻及频域介电谱的变化规律,并根据电介质极化理论系统分析了参量变化规律机理。结果表明:     

不同受潮类型油纸绝缘套管的高压时/频域介电响应特性分析

水分是影响油纸绝缘套管绝缘性能的主要因素之一,对油纸绝缘套管的受潮状态开展诊断分析有重要工程价值。为研究油纸绝缘套管的不同类型受潮状态,本文针对正常套管、芯子受潮套管和绝缘油受潮套管开展了高压时/频域介电响应测试,分析了激励电压对套管的时/频域介电响应测试结果影响,针对不同激励电压对套管的不同受潮状态进行对比研究。研究结果表明,水分作为强极性物质,会引起套管的绝缘电阻下降以及介质损耗的提升,由于绝缘纸与绝缘油的亲水性差异,芯子受潮对套管绝缘性能的影响较绝缘油受潮情况更为显著。随着激励电压提高,套管的极化/去极化电流更大且不易受到噪声干扰,而介质损耗与电容因油纸界面处极化损耗的增大而表现出一定的电压依赖性。研究成果为分析不同受潮类型油纸绝缘套管在高电压下的绝缘特性提供了参考。     

大型汽轮发电机出线套管传热特性研究

随着发电机容量的增大，对其各部件的温升提出了更高的要求，作为发电机部件之一的出线套管必须采用冷却介质冷却，且其冷效果的好坏直接关系到套管的可靠性，进而影响汽轮发电机的安全运行，为此，在深入分析出线套管传热特性的基础上，对不同运行工况下出线套管的内冷却介质温升以及导电杆温度分布进行了计算与分析。结果表明：在正常运行工况下，只要套管内通有一定量的冷却水，完全可以确保可靠运行，对于相同的冷却水流量，三相短路工况冷却水温升最大，暂态短路工况冷却水温升最小；为防止冷却水在导电杆内发生过冷沸腾而影响冷却的最小流量；在正常运行工况下，套管的温度不会影响其可靠运行，上述结果为出线套管的合理设计与可靠运行提供了依据。     

局部放电定位用聚束天线的研制

为克服现有特高频局部放电检测装置测试效率低,仅有少数具有专家经验的高水平测试人员能够有效使用的问题,提出了基于强方向性天线实现局部放电特高频(UHF)快速巡检和定位的理念。天线的高增益与强方向性是该理念的核心。本文研究通过背腔改进天线的方向性,通过CST仿真优化背腔的结构参数,获得尽可能强的单方向聚束特性。之后对比分析两种天线的增益、方向图与驻波比等性能参数,并通过实验进行实测。仿真与实测结果表明,阿基米德聚束天线在较低频率的接收性能要优于柱螺旋聚束天线,其接收局部放电信号的半功率波束宽度仅为36°,且接收能力随距离的变化更加敏感,更适合作为变电站局部放电定位天线。     

特高压GIS变电站中快速暂态过电压仿真及其特性分析

在计算快速暂态过电压(VFTO)时,建立准确的全封闭气体绝缘变电站(GIS)暂态电路模型是影响VF-TO的关键。为此,将GIS内部暂态模型和GIS外壳传输特性模型相结合,建立了VFTO整体仿真模型。在GIS内部元件建模时,根据电弧的动态物理过程,建立隔离开关分段式动态电弧模型;结合交变电场下电介质极化原理,建立金属氧化物避雷器(MOA)暂态电路模型;并从GIS本体结构出发,通过三维电场分析,获得较准确的GIS元件暂态模型及参数;结合传输线理论和相模变换,获得GIS外壳暂态模型,并建立了考虑接地体间互感作用的暂态地网模型。最后结合国内某1 100kV气体绝缘变电站,进行VFTO详细仿真。仿真结果表明,分段式动态电弧模型下VFTO幅值标幺值高达1.270(基准值取898kV),较指数时变电弧模型下的VFTO幅值标幺值增加了17.59%,当考虑了MOA的非线性特性时,VFTO的振荡幅值有不断减小的趋势,在仿真时间将近20μs时,VFTO标幺值振荡幅度至0.8。最后将仿真结果与实测波形进行对比分析,VFTO幅值标幺值相差0.2～0.4,证明了所建立的VFTO仿真整体模型的实用性。     

三线式宽带短波天线建模与仿真

三线式宽带短波天线是一种新型的短波通信天线,为充分发挥该天线在全向通信与定向通信中的性能,本文首先采用矩量法分析计算三线天线在不同工种频率的辐射阻抗与天线方向图,并得到了天线方向性系数随工作频率变化的曲线,从而有效指导天线在全向通信或定向通信中的频率选择;利用电磁仿真软件FEKO建立了三线天线与典型地物的仿真模型,得到了典型工作频率、不同地物影响下天线方向图的畸变规律,总结出高度参数对三线天线方向图的影响最为明显,为三线天线选址架设等工程实践提供参考。     

快速暂态过电压下GIS绝缘特性研究综述

随着电压等级升高,气体绝缘开关设备(GIS)的额定雷电冲击耐受电压和快速暂态过电压(VFTO)水平的差异逐渐减小,由VFTO引起的GIS绝缘事故日益增加。从工程应用角度出发,对VFTO下正常及存在缺陷的GIS气体间隙和绝缘子的绝缘特性进行了综述,详细对比了VFFO波头时间、振荡频率、衰减时间常数等特征参量对GIS绝缘特性的影响规律。指出了GIS绝缘特性的后期研究方向,即在统计分析工程实际VFTO波形的基础上提出VFTO典型试验波形,并研究典型波形下大尺寸GIS气体间隙和全尺寸绝缘子放电特性,给出GIS在VFTO和雷电冲击下的绝缘等价性关系,为工程实际中考虑VFTO特性的GIS绝缘配合提供基础数据。     

VFTO作用下电子式互感器辐射电磁场数值计算与分析

为研究气体绝缘金属封闭开关(gas insulated switchgear,GIS)中隔离开关分合闸操作时产生的特快速暂态过电压(very fast transient over-voltage,VFTO)对电子式互感器的电磁辐射干扰,建立了GIS电子式互感器的仿真模型,以实测VFTO波形为激励源,基于隐式时域有限元法计算了VFTO穿透绝缘接线端子圆盘辐射至二次金属采集箱的暂态电磁场分布。结果表明VFTO作用下辐射至金属采集箱内的暂态电场强度和暂态磁场强度均远远超出现有电子式互感器采集单元的电磁兼容试验标准。提出了减小接线端子原盘直径及增大金属采集箱与GIS外壳连接长度的抑制措施,仿真验证其可获得较高的屏蔽效能。研究成果可为电子式互感器的VFTO电磁辐射干扰抑制设计提供理论依据与技术支持。