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GIS设备用表带触指电连接结构接触电阻的分形理论计算与分析

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工程科学与技术 2023年第4期55卷 11-20页

作者：杨为朱太云任汀王青于靳守锋国网安徽省电力有限公司电力科学研究院安徽合肥230601 西安交通大学电气绝缘与电力设备国家重点实验室陕西西安710049

电连接结构的接触电阻(electrical contact resistance,ECR)是评价电接触系统可靠性的重要指标。表带触指是环保气体GIS设备中重要的电连接部件,其ECR不仅影响回路总电阻,通流过大导体振动、安装不当等因素也会导致电接触不良,引发触指... 详细信息

电连接结构的接触电阻(electrical contact resistance,ECR)是评价电接触系统可靠性的重要指标。表带触指是环保气体GIS设备中重要的电连接部件,其ECR不仅影响回路总电阻,通流过大导体振动、安装不当等因素也会导致电接触不良,引发触指局部过热,引起绝缘放电等故障,还会关系到环保气体GIS设备的运行稳定性。为研究触指ECR的产生机理和变化规律,采用MATLAB和激光共聚焦显微镜捕捉接触区域灰度图像,获得触指接触区域的名义接触面积Aa和分形维数D;运用分形理论模型,数值计算了表带触指电连接结构的ECR,并通过ECR试验测量,验证了应用分形理论模型解析计算表带触指电连接结构ECR的合理性和准确性;研究了表带触指电接触过程中的弹性变形、第一弹塑性变形、第二弹塑性变形和塑性变形4个阶段,对比分析了不同分形维数对触指电接触实际接触面积的影响规律。研究发现:分形理论模型可用于GIS设备用表带触指的接触电阻理论计算;触指电接触表面形貌越复杂,分形维数越大,触点变形越先进入弹塑性阶段,也越易进入第二弹塑性变形阶段,达到相同承载能力所需实际接触面积也越小。研究成果有助于环保气体GIS电连接结构的优化设计,可为环保气体GIS设备触指电连接结构的多物理场计算和电接触性能的状态评估提供理论基础。

关键词：分形模型表带触指接触电阻弹塑性变形实际接触面积

特高压环氧浸纸−SF_(6)气体复合绝缘穿墙套管界面电荷积累过程和直流电场分布特性仿真

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高电压技术 2022年第10期48卷 4102-4112页

作者：王青于靳守锋袁书文刘鹏彭宗仁西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049

特高压直流穿墙套管作为换流站中连接阀厅和直流场的唯一通道,是承载系统全电压、全电流的核心设备,掌握穿墙套管在直流电压下的电荷积累特性和暂态电场变化规律对保障其运行可靠性具有重要意义。为此以±1100 kV直流环氧浸纸–SF_(6)... 详细信息

特高压直流穿墙套管作为换流站中连接阀厅和直流场的唯一通道,是承载系统全电压、全电流的核心设备,掌握穿墙套管在直流电压下的电荷积累特性和暂态电场变化规律对保障其运行可靠性具有重要意义。为此以±1100 kV直流环氧浸纸–SF_(6)气体复合绝缘穿墙套管为研究对象,建立基于介质内部和分界面上电荷驰豫过程的复合绝缘系统电场模型,提出一种气体饱和电流密度的简化计算方法,以解决求解复杂仿真模型时对流扩散方程收敛较为困难的问题,利用该模型研究环氧浸纸–SF_(6)气体复合绝缘穿墙套管直流电场过渡过程和界面电荷积累现象,并结合三维电磁–热–流场数值计算,获得环氧浸纸–SF_(6)气体复合绝缘穿墙套管的三维温度场分布,分析环氧浸纸–SF_(6)气体复合绝缘穿墙套管在实际运行工况下的电–热耦合场分布规律。相关结论可为环氧浸纸–SF_(6)气体复合绝缘穿墙套管的结构优化设计、寿命评估和故障分析提供理论依据。

关键词：穿墙套管暂态电场界面电荷温度场电–热耦合场

高压GIS设备插接结构载流磨损特性研究和电接触性能劣化分析

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摩擦学学报 2023年第12期43卷 1467-1477页

作者：杨为朱太云靳守锋任汀谢韬王青于国网安徽省电力公司电力科学研究院安徽合肥230022 西安交通大学电气工程学院陕西西安710049

触指作为电连接部件,具有结构简单、体积小和适合批量制造等特点,现普遍应用于大功率电气互连场合,如SF_(6)气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)中触指被广泛应用在断路器、母线和隔离开关等关键部件内.触指长期承受电、热... 详细信息

触指作为电连接部件,具有结构简单、体积小和适合批量制造等特点,现普遍应用于大功率电气互连场合,如SF_(6)气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)中触指被广泛应用在断路器、母线和隔离开关等关键部件内.触指长期承受电、热和力的集中作用,作为插接结构的关键部件,其电气载流、磨损性能对于GIS设备的安全稳定运行至关重要.本文中以GIS设备中常用的表带触指为研究对象,在自主搭建的电接触试验平台中开展了表带触指的静态及动态磨损特性试验,研究了极板表面镀层、电流幅值及电极材料等因素对表带触指电连接结构载流磨损性能的影响规律.研究发现,表带触指的法向压力高于10 N时,接触电阻变化较为稳定;在载流磨损条件下,电流幅值越大,触指触头的劣化越严重,并会与SF_(6)气体发生腐蚀反应;即使通流大小在触指额定范围内,载流导体表面未镀银时,由于触指的过热腐蚀将导致接触电阻在磨损中期最大值达到14 mΩ,严重高于正常接触电阻值.本文的研究成果可为GIS设备内部插接结构的选型、结构设计和故障分析提供重要依据.

关键词： GIS 表带触指磨损表面镀层接触电阻

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换流变阀侧套管表带触指接触电阻数值计算

高电压技术 2023年第3期49卷 1184-1193页

作者：刘鹏任汀谢韬田汇冬靳守锋王青于西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049 国网经济技术研究院有限公司北京102211

换流变阀侧套管的载流连接结构由中心导杆、载流端子以及表带触指组成。为了研究单片表带触指接触电阻与其所受压力的关系,基于Greenwood和Williamson接触模型(G–W模型)推导出单片表带触指接触电阻与压力的关系式,引入表带触指受力偏... 详细信息

换流变阀侧套管的载流连接结构由中心导杆、载流端子以及表带触指组成。为了研究单片表带触指接触电阻与其所受压力的关系,基于Greenwood和Williamson接触模型(G–W模型)推导出单片表带触指接触电阻与压力的关系式,引入表带触指受力偏转修正和接触区域表面轮廓修正,得到3种不同电极组合(紫铜–紫铜、紫铜镀银–紫铜镀银、铝合金镀银–铝合金镀银)下单片触指接触电阻与压力的关系。同时,开展试验验证触指的受力偏转现象,测量了不同电极组合下单片触指随压力变化的接触电阻。研究结果表明:接触电阻随压力增大而减小,当单片触指压力为5~9 N时,修正后计算值与试验值的相对误差在10%以内,验证了修正的准确性。该研究可为提高套管电连接可靠性提供参考。

关键词：换流变阀侧套管载流连接结构表带触指接触电阻法向压力 G–W模型

GIS/GIL滑动触头电连接部件过热故障机制仿真分析

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高电压技术 2023年第5期49卷 2090-2100页

作者：刘鹏谢韬靳守锋张鹏飞田汇冬彭宗仁西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049 国家电网有限公司北京100031 中国电力科学研究院有限公司北京100192 国网经济技术研究院有限公司北京102209

近年来,气体绝缘输电设备中滑动触头电连接部件过热故障时有发生,严重影响了设备运行的可靠性,威胁了电网的稳定运行。为了研究滑动触头过热故障发生机理,选取气体绝缘输电设备电连接用弹簧触指为研究对象,建立了电、磁、热、流、力3维... 详细信息

近年来,气体绝缘输电设备中滑动触头电连接部件过热故障时有发生,严重影响了设备运行的可靠性,威胁了电网的稳定运行。为了研究滑动触头过热故障发生机理,选取气体绝缘输电设备电连接用弹簧触指为研究对象,建立了电、磁、热、流、力3维多物理场耦合模型。基于静态结构分析滑动触头插接过程中和发生热膨胀后弹簧触指的接触力并依此计算接触电阻,结合接触电阻电场分析计算得出导体发热功率,并代入热-流耦合中分析滑动触头的热场分布。研究结果表明:单一环弹簧的接触力为5.06 N,与规格参数误差为1.2%;当发生偏心等故障时触指温度可达108.25℃,并间接影响相邻触指的温度和内外SF6气体的流动;文中5%的触指发生劣化过热会造成26%的触指出现升温现象,与非故障区域的最大温差为20℃;温升导致的热膨胀会使触点处接触压力呈非线性变化,长期运行或偏心受力等原因引发的接触性能劣化将直接导致触头部分出现过热故障。论文研究可为弹簧触指劣化机理研究和滑动触头电连接部件过热故障分析提供理论依据。

关键词： GIS/GIL滑动触头过热故障电连接部件弹簧触指接触电阻多物理场耦合

高压套管表带触指SF气氛中高温腐蚀特性研究

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高压电器 2023年

作者：田汇冬靳守锋谢韬赵子辰王青于彭宗仁国网经济技术研究院有限公司国网北京市电力公司西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室

表带触指作为高压套管中电连接结构的关键部件，其接触劣化受到电、热、化学的联合作用。目前影响表带触指劣化腐蚀的关键因素尚不清楚，亟待开展相关研究。文中基于表带触指劣化试验系统开展了表带触指高温腐蚀特性研究：基于热力学原... 详细信息

表带触指作为高压套管中电连接结构的关键部件，其接触劣化受到电、热、化学的联合作用。目前影响表带触指劣化腐蚀的关键因素尚不清楚，亟待开展相关研究。文中基于表带触指劣化试验系统开展了表带触指高温腐蚀特性研究：基于热力学原理分析了不同金属材料对SF6气体分解产物的反应倾向；同时，开展了高温下表带触指在SF6气体中的腐蚀试验，获得了不同过热分解条件下表带触指的腐蚀特性。研究发现，表带触指发生腐蚀反应的类型主要取决于温度最高点的位置和SF6气体过热分解程度，SF6过热分解初期氟化物的特征峰更强。当触指温度高于周边温度且SF6分解程度较低时，表带触指主要受到氟化腐蚀，当SF6分解程度较高时，表带触指主要受到硫化腐蚀。相关研究可为高压套管触指结构的过热故障分析及可靠性运行提供实践依据。

关键词：高压套管表带触指腐蚀热力学 SF 分解

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特高压GIL电接触结构选型及磨损特性研究

电网技术 2022年第11期46卷 4482-4490页

作者：靳守锋田汇冬王浩然崔博源亓云国刘鹏彭宗仁电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学) 陕西省西安市710049 中国电力科学研究院有限公司北京市海淀区100192 国网经济技术研究院有限公司北京市昌平区102211 山东电工电气日立高压开关有限公司山东省济南市250300

在特高压气体绝缘金属封闭输电线路(gasinsulated line,GIL)综合管廊工程中,GIL敷设距离长,加之环境温度变化和电力系统调峰容易引发载流导体的热胀冷缩,通常采用电连接结构来实现位移补偿和电力连接。为探究特高压GIL电连接结构的选型... 详细信息

在特高压气体绝缘金属封闭输电线路(gasinsulated line,GIL)综合管廊工程中,GIL敷设距离长,加之环境温度变化和电力系统调峰容易引发载流导体的热胀冷缩,通常采用电连接结构来实现位移补偿和电力连接。为探究特高压GIL电连接结构的选型优劣性,围绕特高压GIL电连接结构的2种方案,搭建了滑动触头劣化摩擦特性试验平台,获得磨损特性与接触特性。研究发现,弹簧触指和表带触指2种方案的接触电阻随摩擦次数的增加呈现先下降后上升的趋势,弹簧触指从1μΩ上升至4μΩ,而表带触指主要在1~1.5μΩ波动,磨损碎屑的等效直径主要分布在100~800nm之间,碎屑量的增加是接触电阻升高的重要原因。对比2种方案,弹簧触指分层磨损严重,而表带触指接触电阻较低,磨损量少,接触性能优于弹簧触指,更适用于GIL插接结构的配置。同时,研究发现含氟润滑脂的引入会引起CuF等金属氟化物的形成,对电连接结构造成不利影响,应考虑选用不含氟润滑脂来减少机械磨损。研究结论可为GIL插接结构的触指选型、劣化分析机理、润滑脂选型提供理论指导依据。

关键词： GIL 特高压电接触机械磨损接触电阻

特高压气体绝缘输电设备载流连接结构过热腐蚀特性

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电网技术 2023年第7期47卷 2985-2993页

作者：靳守锋任汀田汇冬赵子辰谢韬王青于刘鹏彭宗仁电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学) 陕西省西安市710049 国网经济技术研究院有限公司北京市昌平区102211

在特高压气体绝缘输电设备运行过程中,触指载流连接结构处容易因安装不当、载流不均而产生过热温度,加剧接触劣化,引发过热性故障。以气体绝缘设备中表带触指为研究对象,通过电热计算及红外温谱,确定触指过热范围,开展触指在SF_(6)、N_... 详细信息

在特高压气体绝缘输电设备运行过程中,触指载流连接结构处容易因安装不当、载流不均而产生过热温度,加剧接触劣化,引发过热性故障。以气体绝缘设备中表带触指为研究对象,通过电热计算及红外温谱,确定触指过热范围,开展触指在SF_(6)、N_(2)、氮氧混合3种气氛下的过热腐蚀实验。利用扫描电镜、能谱分析对触指的接触形貌、腐蚀产物进行分析。结果表明,短时和长时大电流条件对接触电阻的影响相反。在铝电极组合和加速腐蚀48h内,3种气氛差异明显,纯氮气下接触电阻最低。在掺杂氧气、纯SF_(6)下接触电阻呈现波动、增长、稳定3个阶段,电阻最大值比氮气条件增长约14%。触指过热劣化机制主要为镀层高温剥落,基体暴露生成腐蚀产物。其表面氧、氟元素占比高,集中于触点。纯SF_(6)下触点及边缘腐蚀严重,铜银分界区存在明显的CuF、CuF_(2),与故障套管中触指表面形貌及产物较为相似,表明模拟实验的有效性。该研究可为气体绝缘输电设备中触指结构过热劣化分析提供依据。

关键词：气体绝缘输电设备载流连接结构接触电阻腐蚀过热劣化

基于三维热力场耦合分析的换流变压器网侧干式套管拉杆连接结构力学计算及优化设计

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电瓷避雷器 2023年第4期 189-196页

作者：赵子辰陕华平赵磊靳守锋王青于刘鹏彭宗仁刘首文电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学) 西安710049 国家电网有限公司直流技术中心北京100052 国网湖北省电力有限公司武汉430077

换流变压器网侧套管在换流站系统运行中承担着关键作用,但在实际运行中其拉杆连接结构多次发生如拉杆断裂、拉杆与载流端子松脱等故障。本研究针对某出现故障的550 kV换流变网侧干式套管,采用三维电磁-热-流场耦合分析方法及热力场耦合... 详细信息

换流变压器网侧套管在换流站系统运行中承担着关键作用,但在实际运行中其拉杆连接结构多次发生如拉杆断裂、拉杆与载流端子松脱等故障。本研究针对某出现故障的550 kV换流变网侧干式套管,采用三维电磁-热-流场耦合分析方法及热力场耦合分析方法,建立了套管及拉杆连接结构精细化模型,考虑了热传导、热对流、热辐射等条件,计算了网侧套管温度场及应力应变场分布。结果表明:换流变网侧干式套管的拉杆连接系统附近温度较高,拉杆表面大部分区域受到较大应力作用,拉杆与载流端子插接处应力极大,在工况反复热胀冷缩及换流变压器振动等因素的共同作用下可能导致拉杆与载流端子插接处脱开,电气连接失效。同时提出了采用导杆式插接结构替换拉杆连接系统的优化设计方案,通过仿真分析验证了导杆式套管温度分布及应力应变分布满足安全稳定运行的热裕度和机械裕度,为后续生产试验提供依据。

关键词：换流变网侧干式套管拉杆连接结构热力场耦合分析温度分布应力应变分布