本文選題：氣體絕緣母線　切入點(diǎn)：過熱性故障　出處：《武漢大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：氣體絕緣母線是輸變電的關(guān)鍵設(shè)備之一,其故障將直接導(dǎo)致電網(wǎng)大面積停電,造成極大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響,嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定運(yùn)行。隨著氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的大量投運(yùn),由于設(shè)計(jì)、制造以及安裝的缺陷,氣體絕緣母線接頭過熱性故障時(shí)有發(fā)生且呈上升趨勢(shì),已成為典型的故障類型之一。氣體絕緣母線接頭發(fā)生過熱性故障時(shí),母線接頭溫度急劇上升,過高的溫度將導(dǎo)致氣體絕緣母線接頭熔化,以至于發(fā)生相間或接地短路故障。因此,研究氣體絕緣母線接頭的溫升特性,揭示氣體絕緣母線接頭過熱失效的機(jī)理和最終發(fā)展至短路故障的原因,具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。 為揭示氣體絕緣母線接頭過熱性故障的機(jī)理,論文作者從理論、仿真計(jì)算以及物理模擬試驗(yàn)等方面入手,在氣體絕緣母線接頭溫升數(shù)值計(jì)算方法、母線接頭過熱失效機(jī)理、母線接頭溫升特性以及過熱失效模擬試驗(yàn)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。 開展氣體絕緣母線接頭過熱性故障機(jī)理研究,必須認(rèn)識(shí)和了解氣體絕緣母線接頭的溫升特性。氣體絕緣母線接頭溫升特性與自身接觸電阻、功率損耗和周邊散熱條件有關(guān),論文作者通過引入導(dǎo)電橋模型等效模擬氣體絕緣母線導(dǎo)電桿與觸指之間的電流收縮效應(yīng)與焦耳熱效應(yīng),建立了氣體絕緣母線三維渦流-流體-熱場(chǎng)耦合有限元數(shù)值計(jì)算模型。首先通過渦流場(chǎng)分析得到了氣體絕緣母線的電流密度與功率損耗,將功率損耗作為體積熱源輸入流體-熱場(chǎng)進(jìn)行分析,并綜合考慮母線材料和氣體物性參數(shù)隨溫度變化的關(guān)系,計(jì)算了氣體絕緣母線的溫度分布。同時(shí),將氣體絕緣母線溫升數(shù)值計(jì)算結(jié)果與原型溫升物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了氣體絕緣母線三維渦流-流體-熱場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型的正確性、有效性以及導(dǎo)電橋等效處理方法的合理性。 基于氣體絕緣母線三維渦流-流體-熱場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型,分析了負(fù)荷電流、短路電流沖擊、接觸電阻劣化以及環(huán)境溫度變化等相關(guān)因素對(duì)氣體絕緣母線接頭溫度的影響,分析結(jié)果表明在接觸正常的情況下,負(fù)荷電流、環(huán)境溫度以及短路電流沖擊均不會(huì)引起氣體絕緣母線接頭過熱導(dǎo)致母線接頭熔化,即使母線接頭接觸電阻在超過正常接觸電阻一定范圍(不考慮下面提及的對(duì)接深度不足引起的接觸電阻劣化)時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)過熱性故障。在上述研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合事故現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,對(duì)氣體絕緣母線過熱性故障特征進(jìn)行了分析研究,認(rèn)為導(dǎo)電桿與觸指之間對(duì)接深度不足可能引起氣體絕緣母線接頭過熱性故障,針對(duì)導(dǎo)致導(dǎo)電桿與觸指之間對(duì)接深度不足的原因,提出了如下假設(shè),即當(dāng)環(huán)境溫度循環(huán)變化時(shí),氣體絕緣母線筒熱脹冷縮,會(huì)使母線接頭觸指出現(xiàn)軸向往返運(yùn)動(dòng),導(dǎo)電桿在兩側(cè)觸指摩擦力的作用下可能發(fā)生不完全往返運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致導(dǎo)電桿向某一側(cè)滑移,導(dǎo)電桿的一端與觸指之間的對(duì)接深度就會(huì)不斷減少,當(dāng)導(dǎo)電桿與觸指的對(duì)接深度達(dá)到接觸失效臨界點(diǎn)后,接觸電阻逐漸增大,接觸溫升迅速上升,該過程持續(xù)發(fā)展下去,就可能導(dǎo)致氣體絕緣母線接頭過熱性故障。 根據(jù)這一假設(shè),基于粘著-滑移摩擦和多剛體動(dòng)力學(xué)理論,建立了氣體絕緣母線導(dǎo)電桿摩擦滑移數(shù)學(xué)模型,研究了氣體絕緣母線導(dǎo)電桿與觸指之間的摩擦運(yùn)動(dòng)特性。分析了環(huán)境溫度循環(huán)變化(采用機(jī)械位移循環(huán)加載等效)條件下導(dǎo)電桿與觸指之間的摩擦運(yùn)動(dòng)特性,并進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明,環(huán)境溫度變化引起的氣體絕緣母線外筒熱脹冷縮會(huì)使導(dǎo)電桿向某一側(cè)滑移,引起氣體絕緣母線導(dǎo)電桿與觸指之間的對(duì)接深度變化,從而引發(fā)過熱性故障。 為進(jìn)一步驗(yàn)證氣體絕緣母線接頭過熱性故障機(jī)理的假設(shè),設(shè)計(jì)并制作了氣體絕緣母線導(dǎo)電桿摩擦滑移試驗(yàn)的物理模型,進(jìn)行了機(jī)械位移循環(huán)加載和溫度循環(huán)加載條件下的氣體絕緣母線導(dǎo)電桿摩擦滑移的物理模擬試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,在機(jī)械位移循環(huán)加載和溫度循環(huán)加載條件下,氣體絕緣母線導(dǎo)電桿均向某一側(cè)滑移,氣體絕緣母線接頭過熱性故障機(jī)理的假設(shè)得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。 為研究氣體絕緣母線接頭溫升特性及過熱熔化的物理過程,基于相似理論對(duì)氣體絕緣母線接頭溫升現(xiàn)象進(jìn)行了相似分析,研究并推導(dǎo)了渦流-流體-熱場(chǎng)相似準(zhǔn)則,通過對(duì)相似準(zhǔn)則進(jìn)行合理地簡(jiǎn)化,設(shè)計(jì)并研制了氣體絕緣母線的局部相似物理模型,藉此進(jìn)行了氣體絕緣母線接頭溫升特性和過熱失效的物理模擬試驗(yàn)。溫升特性物理模擬試驗(yàn)結(jié)果表明所建立的氣體絕緣母線相似模型與原型具有基本相同的熱特性。氣體絕緣母線接頭過熱失效物理模擬試驗(yàn)?zāi)M了母線接頭的熔化過程,試驗(yàn)結(jié)果表明,母線導(dǎo)電桿與觸指對(duì)接深度變化達(dá)到接觸失效臨界點(diǎn)后,將引起母線接頭過熱熔化并產(chǎn)生金屬熔融物乃至金屬熔滴。 為研究氣體絕緣母線接頭過熱熔化產(chǎn)生金屬熔滴對(duì)氣體絕緣母線絕緣特性的影響以及引發(fā)母線相間或接地短路故障的過程,采用有限元方法計(jì)算了三相共箱氣體絕緣母線接頭過熱熔化產(chǎn)生金屬熔滴且下落時(shí),相間以及相對(duì)地(外殼)之間的靜電場(chǎng)與電容分布。在此基礎(chǔ)上,推斷了氣體絕緣母線接頭過熱性故障發(fā)展至短路故障的物理過程,即母線接頭過熱性故障產(chǎn)生的金屬熔滴受重力作用,脫離導(dǎo)體下落并引起局部電場(chǎng)畸變,有可能形成貫穿性的放電通道并引發(fā)相間或接地短路故障。 論文作者基于理論研究、仿真計(jì)算及物理模擬試驗(yàn),揭示了氣體絕緣母線接頭過熱性故障形成的機(jī)理。研究成果對(duì)氣體絕緣母線的設(shè)計(jì)、制造及現(xiàn)場(chǎng)安裝,防止氣體絕緣母線接頭過熱故障的發(fā)生,具有工程指導(dǎo)意義。同時(shí),也為運(yùn)行中的氣體絕緣母接頭溫升的在線監(jiān)測(cè)或巡檢提供了理論依據(jù)。本研究成果對(duì)預(yù)防氣體絕緣母線接頭過熱性故障,防止氣體絕緣母線發(fā)生短路故障,保證電力系統(tǒng)安全與穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的工程意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM645.11

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本文編號(hào)：1589700