GIS隔离开关不同接触状态下的温升特性研究

GIS因具有通流能力强、输送容量大、结构紧凑和使用寿命长等优点被广泛地应用于高压输电领域,而GIS隔离开关由于其封闭性和结构的紧凑性导致内部热故障不易被发现。因此,文中利用有限元多物理场分析方法建立仿真模型,分析了GIS隔离开关导体和外壳在同一负荷电流、不同接触状态下以及同一接触状态、不同负荷电流下的温升,得到GIS内部的温度场及流场分布情况,并搭建了GIS隔离开关温升实验平台进行实验验证。结果表明:通过对比多物理场耦合计算结果与实验结果证明了该模型的正确性以及有效性;触指是温升最高的地方,触头上方的位置为外壳上的最佳温度监测点;触头接触不良时的温升值和温升速率明显增大。文中的研究可以为GIS隔离开关的状态监测提供参考。     

252 kV GIS隔离开关温度场仿真及触头温度的预测方法研究

为了实现对气体绝缘开关GIS(gas insulator switchgear)触头温升的预测,文中建立了252 kV三相分箱型GIS隔离开关的三维电磁—传热—流场的多场耦合模型并采用有限元方法进行了求解。通过一段电阻率可变导体来模拟隔离开关触头存在接触电阻的情况,首先通过电磁场计算出各部分损耗,再将损耗作为热源带入传热-流场中,最后计算得到GIS的温度分布。对环境温度在-10～30℃、载流量在1 000～3 150 A、接触电阻在0～100μΩ的条件下,基于该模型计算出了不同情况下GIS的温度场分布,确定了触头最高温升的影响因素,得到了180组触头最高温升与外壳最高温升和载流量的关系。基于所得数据拟合出了一个预测触头最高温度的经验公式,同时基于算得的不同条件下的另外100组触头最高温升与外壳最高温升和载流量的数据以及实测GIS温度初步验证了公式的有效性。文中的工作对GIS内部温度预测的研究有一定的参考价值。     

500 kV GIS隔离开关触头温度监测及外壳温度传感器优化布置

GIS触头温度是反应触头热故障信息最直接的指标,有必要实时监测其温度。目前无法在触头上安装传感器来监测其温度,因此文中提出利用多点外壳温度和环境温度的监测值来反演计算GIS触头温度,并对布置在外壳上的多点传感器进行了优化。首先建立了500 kV隔离开关气室的温度—流体场有限元分析模型,计算出温度场分布,确定了外壳传感器安装位置。同时进行温升试验,将试验和仿真结果对比,验证仿真模型的合理性。接着利用支持向量回归机训练多点外壳温度、环境温度和触头温度的对应关系,并利用多点外壳温度和环境温度的实测来反演计算触头温度,比较计算和实测结果发现平均绝对监测误差为0.47%。最后,利用遗传算法对外壳温度传感器进行优化布置,传感器数量从25个减少到5个,优化后平均绝对监测误差为2.07%,节约了成本,提高了反演计算的速度。     

基于热电耦合方法的800 kV GIS隔离开关温度场仿真研究

温升是GIS设备的重要考核指标之一,温升过高会导致设备发热严重,进而影响GIS运行的可靠性。为准确分析GIS的发热和温升,基于有限元分析软件,通过热电耦合方法,建立800 kV GIS隔离开关损耗发热的求解模型,在综合考虑导体及外壳不同的散热系数、环境温度和材料电阻率随温度变化等多种因素的基础上,计算分析隔离开关的整体温度场分布。通过温升试验,对比主要部位温升的计算值和试验值,证明了该方法的准确性,为隔离开关的设计提供了参考。     

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。     

基于多点分布式光纤光栅的GIS隔离开关触头温度在线监测技术

GIS设备导体触头温升过高会引发重大事故,光纤光栅技术在电气设备温度在线监测方面具有广泛的应用前景。针对光纤光栅温度传感器无法直接安装在导体触头表面进行温度测量的难题,提出了一种基于测量多点外壳温度及环境温度,从而间接计算导体触头温度的方法。建立了单相GIS隔离开关三维有限元计算模型,得到GIS内部温度分布规律,确定了多个光纤光栅温度传感器的最优安装位置。进行GIS隔离开关温升实验,将实验数据与仿真结果进行了比较,验证了仿真计算模型的准确性。最后利用人工神经网络算法对环境温度、外壳温度和导体触头温度进行了曲线拟合,计算结果与实测数据对比表明本方法具有较高准确度。该在线测温方法简单有效,无需破坏现有GIS设备的结构,具有较好的应用前景。     

基于有限元分析的不同电压等级GIS隔离开关温度场仿真研究

GIS隔离开关部位容易引起热故障,研究温度场分布可为GIS温度监测提供参考。基于AnsysWorkbench有限元仿真软件,针对不同电压等级的GIS隔离开关,建立多物理场耦合仿真模型,计算分析实际工况下隔离开关的温度场分布。同时分析外界环境温度和风速对导杆温度及外壳温度的影响,结果表明:环境温度的改变能导致GIS温度近似线性变化;风速能改变外壳与空气之间的对流换热能力,风速的增大能相应地降低导杆和外壳温度,但温度下降的趋势越来越缓慢,散热效果也在降低,两者呈非线性关系。最后,利用外壳温升、环境温度和风速三者的数值关系,总结出计算各电压等级的GIS隔离开关导杆温度的经验公式。     

基于磁场-流场-温度场耦合的GIS母线热分析

GIS(气体绝缘组合电器)母线的温升和散热性能是影响其工作稳定性的重要因素之一。基于磁场-流场-温度场耦合的有限元方法分析了GIS母线温度场,通过计算145 k V GIS三相母线的涡流场分布,得到母线导体和外壳的功率损耗,建立流场以及温度场有限元分析模型,将功率损耗作为母线体积热源耦合到温度场模型中,计算母线温度场,将仿真数据与试验数据进行对比,验证了温度场计算结果的正确性。实践证明,该有限元分析方法对GIS母线产品设计具有一定参考价值。     

基于多场耦合计算的气体绝缘开关设备母线接头过热性故障分析

为了研究气体绝缘开关设备(GIS)母线接头的过热性故障形成机理,基于多场耦合有限元法建立了GIS梅花接头温升计算模型。该模型通过对结构场分析计算触指与导体间的接触电阻(ECR)与接触热阻(TCR),运用电流传导分析计算了功率损失并作为热源代入温度场计算接头温升。进行了稳态电流温升实验,验证了所提出计算模型的有效性。基于该模型分析了导体插入深度与短路负荷电流对GIS母线接头温升的影响,结果表明短路负荷电流由于作用时间短而不会造成母线接头的热损伤,导体对接深度不足引起的接触点异常温升是导致GIS母线接头过热性故障的直接原因。     

考虑气流场影响的GIS温升计算与实验研究

准确计算GIS温升对于产品优化设计、缩短研发周期和降低研发成本等具有重要意义。为此,针对一台126kV三相共箱式GIS,考虑接触电阻、邻近与趋肤效应以及涡流效应的作用,首先建立了电磁–热耦合仿真模型,仿真分析了2 200 A电流条件下GIS的损耗分布及温升特性;接着为了进一步研究气流场对温升的影响,建立了GIS的电磁–热–流耦合模型,对比分析了仅计及GIS内部SF_6气体流体域、同时考虑GIS内部SF_6和外部空气流体域两种方法的温升计算结果;最后开展了2 200 A电流下的温升实验。结果表明:隔离开关导体的损耗密度要高于断路器导体,且接触电阻的损耗密度最大;考虑内、外流体域的计算方法精度最高,最大相对误差小于10%。研究为GIS温升特性的工程设计提供了有效的方法,也可为其他电力设备的温升计算提供技术参考。     

基于等效热路模型的GIS隔离开关温升计算

隔离开关是电力系统中关键的一次设备。表征设备负载能力的温升,特别是GIS封闭式隔离开关温升的计算在工程上具有重要参考价值。针对GIS隔离开关的热计算,基于传热学基本原理,建立了220 k V三相共箱式SF_6隔离开关等效热路模型,给出了GIS外壳及导体表面的对流换热及辐射换热的计算公式,提出了针对其在运行工况下,考虑环境温度、接触电阻、负荷电流等因素的稳态热场计算方法,计算结果与FEM计算结果的对比分析表明,所提出的模型能有效、快速计算GIS隔离开关正常运行条件下的热点温升,为电力设备的动态增容提供重要参考。     

基于等效热路的GIS母线动态热模型研究

建立了126kVE相共箱式GIS母线等效热路模型,由于母线等效热阻与热容等集总参数未知,直接求解微分方程较为困难。采用有限元模型计算母线导体、SF6气体以及外壳的温升时间常数,通过数值拟合方法得出母线负荷电流与稳态温升的对应关系,尝试利用单个指数函数模拟母线各组件的温升过程。与不同负荷条件下有限元温升过程计算结果的对比表明．所提出的模型能够有效计算GIS母线正常运行条件下的温升过程。     

红外热成像仪应用于电力设备故障诊断

红外热像仪能快速、实时地采用非接触手段在线监测和诊断出电力设备的大多数过热故障,防止电力设备损坏和由于这些设备损坏而导致的电网大面积停电事故发生。文章介绍了红外热成像的特点;红外热像仪的功能和特点,红外热成像仪在电力设备如变压器、电抗器、电容器、断路器、绝缘子串、互感器、电力电缆和导线、隔离开关、高压输电导线和压接管、发电机等故障诊断中的应用效果;指出了用好红外热像仪的关键环节。积极推广电力设备在线红外监测技术及红外热成像仪,对保障电力设备乃至电网的安全运行,做到防患于未然可起到积极作用。     

基于机-热-电多参量信号特征的GIS隔离开关状态评估方法

气体绝缘开关(gas insulated switchgear, GIS)设备中的隔离开关故障往往是机械、热、电气多物理量综合作用的结果,从微小缺陷发展至严重故障的过程中,会产生异常振动、温度、局部放电多种参量信号,同时测量并分析GIS隔离开关的多参量信息对于准确获取其运行状态具有重要意义。文中通过在实体220 kV GIS实验平台上模拟隔离开关最为常见的接触不良缺陷,研究不同接触状态时振动信号、温度变化和局部放电信号的演化规律,获得其与设备状态之间的对应关系,结合健康指数理论和改进层次分析法,提出基于多参量特征的GIS隔离开关综合评估方法。使用该方法开展现场测试,其检查结果与多参量综合评估方法的的分析结果相吻合。文中的研究为GIS隔离开关状态的带电检测提供了一种可行性较高的多参量融合分析新方法。     

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.     

基于同步挤压变换和深度迁移学习的GIS隔离开关故障诊断

为实现气体绝缘组合电器(GIS)隔离开关机械故障的智能诊断,基于GIS隔离开关分合闸过程中的振动信号,提出了基于深度迁移学习的GIS隔离开关机械故障诊断方法。首先应用二阶同步挤压傅里叶变换(FSST2)获取GIS隔离开关振动信号的时频分布,然后基于深度迁移学习的思想构建预训练模型并进行优化,建立了GIS隔离开关机械故障智能诊断模型。对某GR角型GIS隔离开关正常和典型机械故障状态下的振动信号的分析结果表明,基于FSST2得到的GIS隔离开关振动信号时频表示具有较好的能量聚集性,所建立的GIS隔离开关机械故障智能诊断模型识别准确率高且模型复杂度低,可用于GIS隔离开关机械故障的高效诊断。     

Contact-failure phenomena and their development in gas-insulated switchgear

To explain contact failure phenomena and their development in the gas-insulated switchgear (GIS). tests were conducted by simulating abnormal current-carrying conditions using an actual 300-kV, 2000-A GIS. This paper describes the process observed. ranging from contact failures to ground faults, deteriorative phenomena and some detection methods for initial contact failure conditions. A summary of this study is as follows: (1) The contact resistances are greatly dependent on the materials and construction of contacts. (2) The relation between the initial contact resistance and the carried current resulting in arcing is derived with approximately constant Joule-heat generation. (3) Ground faults result from sagging of a shield melted by arcing or a combination of two causes: (i) scattering of molten metal caused by arcing; and (ii) sagging of a conductor caused by bolt melt down. (4) To detect initial contact failures, it is recommended to observe the contact resistance, the temperature rise on the tank surface, or the electrical partial discharges.     

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。     

Electrical contact overheating under short-circuit currents

In this paper, a method is proposed, concerning the temperature rise estimation at stationary electrical contacts, operating in the power supply network, during short-circuit. The method consists in the formation of a mathematical model, which simulates the operation of the contact/conductors system under heavy fault currents. The model comprises analytical mathematical expressions that enable temperature estimations lengthwise the aforementioned system. From the analysis results, it can be concluded that the conductor (bar) cross-section is of primary importance as far as overheating is concerned. It is convincingly shown that the equipment deterioration can be delayed by lowering the maximum contact temperature during short-circuit transient phenomena. An approximate equation is also proposed as an extra calculating test for the contact and bar overheating under short-circuit conditions. The proposed model could be a criterion for the selection of conductors and switchgear components.     

弹簧触指在隔离开关中的应用研究

以ZF27-800气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)产品为例,介绍了弹簧触指在隔离开关中的应用情况,构建了弹簧触指数学模型,进行了仿真分析,并通过摩擦力、机械寿命、温升试验等试验项目,对弹簧触指在隔离开关中的使用性能进行了验证,结果表明:采用弹簧触指的产品比采用梅花触指等传统结构的产品性能更加优越,使用寿命显著提升。