气体绝缘母线触头多元动态退化机理与失效预测方法研究

The current electrical contact theory system cannot fully cover the multivariate dynamic degradation process and its mechanisms of gas insulated bus (GIB) plug-in connectors under large-current/no-air medium operation conditions, resulting in no effective failure prediction method for GIB connector. To investigate the multivariate dynamic degradation mechanisms and failure prediction method of GIB connector, we will use numerical modeling, physical experiments in this study, taking into consideration the complex environmental conditions during GIB equipment usage. We will develop an electromagnetic-thermal-fluid-mechanical multi-physics coupled field numerical model of GIB connector under external electrical network conditions to obtain the preliminary multivariate dynamic contact parameters. Then, we will utilize fiber bragg grating temperature/strain sensors to dynamically monitor, which takes into account the degradation mechanism and failure prediction method of GIB connector. The multivariate dynamic degradation mechanisms of GIB connectors will be elucidated via physical simulation experiments. We will also perform weight analysis on contact degradation factors and provide a method for GIB failure prediction. Data generated from this work will yield novel information for our understanding of improve the large-current/no-air medium electrical contact theory, and provide a sound technical support for the design, manufacturing, and condition maintenance of gas insulated switchgear contacts, thus ensuring the safety and reliability of the power system.

现有电接触理论体系未能完全覆盖在大电流、非空气介质下气体绝缘母线触头的多元动态退化过程及机理，因而缺乏有效的气体绝缘母线触头失效预测方法。本项目结合气体绝缘母线触头的复杂服役环境，通过数值建模和物理模拟试验开展对气体绝缘母线触头多元动态退化机理及失效预测方法的研究：建立电网络约束下气体绝缘母线电磁-温度-流体-机械多场耦合数值计算模型，初步获取触头部位的多元动态接触参数；提出针对退化机理和失效预测的气体绝缘母线触头光纤光栅动态接触测量方法；开展物理模拟试验并揭示触头的多元动态退化机理；进行气体绝缘母线触头退化影响因素权重分析并提出触头的失效预测方法。研究成果将能够丰富和完善大电流、非空气介质下的电接触理论，同时可望为气体绝缘组合电器的电接触设计制造、运行维护和状态检修提供关键技术支撑，对保障设备和电力系统的安全可靠运行具有重要意义。

项目结合气体绝缘母线设备高运行可靠性要求和存在多元退化过程的客观服役条件，从数值建模、物理试验和失效预测三个方面开展气体绝缘母线触头电接触退化机理及失效预测方法研究。项目研究取得以下成果，1. 建立了气体绝缘母线触头多场耦合数值计算模型，等效热网络模型和温升预测模型，分析了不同初始装配工况和运行条件(负荷电流，变压器励磁涌流和短路电流冲击)下，气体绝缘母线触头的机械接触（接触压力，电磁力），电接触（电流，空间磁场）和热接触（温升,载流量）性能，结果表明触头与导体初始装配工况能够影响各触点接触压力和接触电阻分布，装配不良引起个别触点异常温升进而造成气体绝缘母线空间磁场畸变和载流量下降，弹簧预紧力下降（60%初始值），导体对接深度严重不足（14mm）以及导体对接角度偏差（-2°）条件下，气体绝缘母线触头的载流量分别下降到初始设计值的82%，46%和15%，同时严重装配不良（-2°导体对接角度偏差）引起触头空间磁场最大畸变场强达到30mT；2. 开展了正常和接触失效条件下，气体绝缘母线触头原型物理模拟试验, 验证所建立模型的有效性并获取了触头不同接触状态下气体绝缘母线温升和磁场的故障传播特性；3. 开展了非空气介质下气体绝缘母线触头触点摩擦磨损试验，获取气体介质，接触压力和负荷电流下气体绝缘母线触头触点接触电阻退化过程和失效机理, 即循环载荷产生的摩擦磨损导致触点镀银层损伤和磨屑堆积，引起触点接触电阻和温升增大并最终导致失效；4. 基于气体绝缘母线触头失效理论分析和接触退化试验数据，提出了基于非线性winner过程的气体绝缘母线触头接触失效预测方法，对SF6和空气下气体绝缘母线触头的寿命进行预测，结果表明，SF6中气体绝缘母线触头的寿命为41195次（43.67年），空气中触头寿命预测为24921次（22.76年），预测结果与试验结果和触头设计寿命相吻合；通过该项目研究，丰富了完善了非空气，大电流下电接触理论，同时可为气体绝缘母线的电接触设计制造，现场安装和状态监测提供技术支持。