工频电压下片状自由金属微粒带电特性与运动规律研究

GIS/GIL因安装、运输等环节会不可避免地产生多样性的金属微粒,而片状金属微粒因其"潜伏性"较难检出,从而威胁GIS/GIL的绝缘性能。采用数值计算结合实验方式开展了工频电压下片状金属微粒起跳与运动规律研究。片状金属微粒采用旋转椭球体模型进行等效,并通过理论推导获得片状金属微粒的带电量与临界起跳场强。搭建工频电压下片状金属微粒运动观测平台。采用高速相机观测其起跳和运动行为,并与数值计算结果进行对比分析。结果表明:片状金属微粒起跳场强与厚度的1/2次方近似呈正比关系,而随微粒半径增大呈现出微弱的上升趋势。密度较大的片状金属钢微粒竖起后,存在原地旋转与沿地电极表面来回滚动两种运动模式,并在微粒底部与电极间隙伴有微弱的局部放电;密度较小的片状金属铝微粒竖立后,在电极间隙内发生剧烈地上下跳动。     

直流电压下SF_6气体中电极覆膜对金属微粒启举的影响机理

为研究直流电场下SF_6气体中低压电极覆膜对金属微粒启举的影响机理,搭建了实验平台并使用高速摄像机记录运动轨迹。实验结果表明,随着SF_6气体压力的增大,微粒启举场强升高,且启举后到达高压电极的时间缩短。基于图像处理获得了微粒的瞬时位移,结合运动力学方程和最小二乘法提出了启举时电荷量的计算方法,微粒电荷量的计算分析表明启举时的电荷量减小。建立了覆膜后金属微粒周围电场分布的理论模型,电场分析表明金属微粒与薄膜间的电场明显增大及表面电荷密度分布的改变,使得金属微粒受到向下的极化作用力。研究认为:电荷量减小和极化作用力向下综合导致金属微粒的启举场强提高;覆膜后局部放电是金属微粒的带电机理;SF_6气体压力增大使得金属微粒发生局部放电的起始场强升高,导致极化作用力增大,需要更高场强发生启举。     

直流电压下SF_6气体中电极覆膜后金属微粒启举场强的计算分析

电极覆膜是直流GIL中提高金属微粒启举场强的一种重要措施,研究覆膜后启举场强的计算能够为实际GIL覆膜选择提供理论支撑。Parekh启举场强计算模型未考虑薄膜相对介电常数、微粒与薄膜间发生局部放电时电子崩头部空间电荷的影响,且微粒受到的电场力计算公式与实际不符,对此进行了改进。基于改进模型获得了不同SF_6气体压力、薄膜材质及厚度组合下的计算结果,并开展实验验证了改进模型的准确性。考虑薄膜相对介电常数后微粒与薄膜间发生局部放电的场强降低,考虑空间电荷后微粒带电量会明显增加,从而提高了启举场强计算的精确度;此外,新的电场力计算公式更能揭示覆膜影响微粒受力的物理本质。分析表明:微粒带电量减少和受到向下的电场力是电极覆膜提高启举场强的两个原因。     

交直流复合电压下流动变压器油中金属微粒运动规律和局部放电特性研究

流动变压器油中自由金属微粒引起的局部放电(PD)特性与其运动规律密切相关.该文利用搭建的变压器油循环流动装置,获得了交直流复合电压作用下流动油中自由金属微粒的运动特性,同时研究了流动油中自由金属微粒引发的PD特性.试验结果显示,在交流电压下PD最剧烈;当复合电压中直流分量增多时,起始放电电压降低,放电重复率、放电量和单位时间累积放电量增大.为分析试验结果,构建了复合电压下的层流固-液两相流模型,仿真得到自由金属微粒的运动轨迹,仿真结果显示在交流电压下微粒只在下电极附近上下往复运动,并频繁与电极发生碰撞;外施电压含有直流分量时,微粒在上、下电极间往复运动,且落点间距随着直流分量的增加而变窄,仿真与实验结果具有较好的一致性.最后,该文根据验证后的仿真模型,分析了金属微粒运动对PD特性的影响机制.     

GIS绝缘缺陷局部放电检测的有效性研究

GIS因大容量、高可靠性、环境友好等优点在电力系统获得了广泛应用,局部放电检测作为GIS绝缘状态监测和缺陷诊断的重要手段,但存在误报和漏报现象,需要针对其检测有效性进行研究。文中针对球—板带尖刺电极模型和绝缘子沿面附着金属微粒两种典型绝缘缺陷展开研究,研究不同缺陷类型下局放起始电压和击穿/闪络电压的关系,提出局部放电检测有效性系数α以表征脉冲电流法对绝缘缺陷检测的难易程度。研究结果表明,两类缺陷的局部放电起始电压和击穿/闪络电压均随缺陷尺寸增大而显著降低,球—板带针电极引发的局部放电起始电压与间隙击穿电压差别较大,且局部放电量较高,而绝缘子表面金属微粒引发的局部放电起始电压与闪络电压更为接近,且局部放电量相对间隙缺陷较小,因此,绝缘子沿面金属微粒的局部放电检测有效性系数相对间隙电场集中缺陷更低,通过局部放电检出的难度相对较大,因而危害也更大。此外,随着气压升高,两种典型缺陷局部放电检测有效性系数α均呈现降低趋势,因而可通过适当降低气压开展局部放电试验来提高GIS局部放电检测的有效性。     

直流GIL中自由线形金属微粒的运动与放电特性

针对直流GIL中较常见且具有严重影响的自由线形金属微粒,搭建了贴合实际工况的封闭式同轴圆柱电极平台,同时使用高速相机和局放监测手段观测线形金属微粒的运动、局放与击穿行为。定量获得了微粒长度对站立与跳跃两种不同运动模式发生概率的影响;拍摄了站立线形微粒引起的电晕图像,同时监测、提取并统计微粒引起的局部放电情况;记录金属微粒引起的击穿图像,并基于流注理论分析了自由线形金属微粒引起的气隙击穿特性。研究表明:线形微粒的起动场强与微粒的长度基本无关,而与微粒的半径开方成正比,微粒越短,起动后越易达到跳跃运动状态,而微粒越长,越易保持站立状态;微粒引起的局部放电随着微粒长度的增大而更加剧烈;对于跳跃的自由线形微粒,其引起的微放电击穿间距随着微粒长度的增加而增加,击穿电压随着微粒长度的增加而降低。     

GIL中电极覆膜对金属微粒表面电场及受力的影响

研究气体绝缘金属封闭线路(gas insulation line,GIL)中电极覆膜后金属微粒的表面电场及受力对探究覆膜提高微粒起跳场强的原因具有重要意义。分别建立了裸电极和覆膜下微粒周围电场分布的计算模型,电场计算分析结果表明:裸电极下电场最大值在微粒顶端,受到向上的电场力;覆膜下电场最大值在微粒与薄膜之间,受到的电场力方向与其带电量有关,存在向下和向上两种情况。微粒与薄膜间的局部放电可能使覆膜下的微粒带电,当电场达到裸电极下微粒的起跳场强时,微粒仍然可能不带电但受到向下的电场力。因此,电荷量减小和电场力向下是覆膜提高微粒起跳场强的原因。     

机-电联合作用下尖端电极中金属微粒的运动行为与局部放电特性

GIS内自由金属微粒的运动、集聚行为导致金属微粒在电力设备内部分布广泛,使得绝缘子表面的闪络电压降低,对设备的绝缘状态造成潜在性的威胁。本文搭建自由金属微粒机—电联合试验平台,研究机—电共同作用下尖端电极中金属微粒的放电特性与运动特性,总结出工频电压和机械振动对于金属微粒起跳及运动行为的影响规律。试验结果表明尖端电极下,球形微粒与线性微粒均保持在底电极上沿弧面进行小幅滚动,增加工频电压幅值会使得微粒沿弧面晃动的上下界高度提升,增加机械振动幅值会使得微粒出现一定的起跳动作,且运动的随机性增加;放电产生的PRPD谱图整体保持尖端放电的典型特征,飞行谱图整体保持三角脉冲群的典型特征,但仅存在单一的三角峰,并从受力分析与空间电荷的角度对运动行为与放电特性进行解释。文中的研究为实际工程应用多缺陷中金属微粒的检测提供了一种有效的方法。     

金属微粒对交流滤波器断路器灭弧室电场的影响

换流站交流滤波器断路器因切断频繁等因素发生了多起爆炸事故,威胁了电网运行安全。分析表明交流滤波器断路器合闸涌流对弧触头烧蚀产生的金属微粒,可能会引起灭弧室电场畸变进而降低设备绝缘强度,为此文中开展了金属微粒对交流滤波器断路器灭弧室电场分布的仿真研究。首先基于电磁场数值分析理论,采用Solidworks和Ansys软件建立了550 kV ACF断路器和不同形状金属微粒的三维数值仿真模型,并仿真分析了无金属微粒情况下ACF断路器开断过程中的电场分布;然后,研究了金属微粒形状和半径对灭弧室电场分布的影响,研究表明,金属微粒的存在增加了灭弧室最大场强,且不同形状金属微粒对灭弧室电场计算结果影响程度不同,对于半球体微粒,最大场强随微粒半径增加而减小,且当其附着于静弧触头表面时对灭弧室绝缘性能影响最大;最后,基于灭弧室无金属微粒时电场优化结果,分析了静弧触头表面有金属微粒时,燃弧时间对交流滤波器断路器灭弧室电场的影响,并提出了优化措施,即将燃弧时间提至5 ms时,灭弧室最大场强将小于SF6气体工程击穿场强。     

直流气体放电过程中的离子分子碰撞模型

气体放电是高压设备绝缘击穿的一种常见现象,为了研究正离子能量及行为对气体放电过程的影响,采用微观粒子法在计算机上模拟了平板电极下,极间电压为500V时,短间隙击穿过程中的正离子运动。数值计算的过程中考虑了离子与分子间的弹性碰撞及电荷交换碰撞对离子运动的修正作用,采用了与能量相关的碰撞截面,跟踪正离子直至其运动到达阴极表面。基于此方法获得了空间电荷密度、带电粒子数与电场强度等宏观物理量。计算结果表明:直流放电过程中,正离子碰撞阴极是放电得以维持的必要条件;正离子运动缓慢形成的空间电荷畸变了电场,促进了碰撞电离,有利于放电的持续进行,同时离子碰撞加剧将减弱γ过程,使放电无法自持。     

直流气体绝缘线路中自由金属微粒的局部放电特性与影响因素

直流气体绝缘线路(GIL)中的自由金属微粒会使电场发生畸变,使绝缘气体/绝缘子发生局部放电等劣化效应。为此,研究了微粒局部放电的影响因素以及严重程度,在密封同轴圆柱腔体内充入不同气压的SF6气体,以不同长度的线形微粒进行了试验,利用脉冲电流法及高速相机同时观察了其局部放电信号与微粒运动行为,对局部放电信号的平均局部放电量、平均局部放电时间间隔进行了分析。结果表明:对于自由线形金属微粒,微粒的平均局部放电量与长度、最大可能带电量成正相关,可根据微粒的局部放电信号判断其危险程度及微粒长度;在负电压下,微粒跳起运动至高压电极附近,发生"飞萤"现象;在正电压下,微粒在外壳地电极跳起后落至地电极,并不断弹跳;且微粒在负电压下的平均局部放电量是在正电压下的2~5倍,平均局部放电时间间隔较小;随着气压增大,气体的平均局部放电量随之减小,但有趋于饱和的趋势。因此,自由金属微粒的局部放电特性可以为金属微粒的严重程度判别与故障诊断提供依据。     

550kV罐式断路器放电原因分析及金属微粒对CT罐体电场影响研究

文中介绍了某台550 kV罐式断路器处于热备用状态下发生内部放电的故障情况并进行详细的原因分析.从故障发生后的诊断性试验、解体检查、电场仿真3个方面开展全面分析,分析发现放电根本原因为异物在CT罐体屏蔽罩处引起场强畸变,导致发生间隙放电.此外,文中结合断路器结构研究了不同尺寸常见金属微粒在CT罐体处不同位置对电场的影响...     

考虑金属异物存在时220 kV紧凑型GIS内电场分布精确分析

随着电网电压和系统容量不断提高,气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)内部故障频频发生放电现象。基于虚拟边界面和多层边界剖分方法,应用有限元法建立了三相一体紧凑型GIS高压导体外表面和外壳内表面不同位置存在金属异物时的分析模型,计算了内部的电位与电场强度分布。同时提出二阶灵敏度系数α的概念,分析了金属异物的高度和半径对于局部场强畸变的影响程度。通过分析发现:在其他条件相同的情况下,高压导体上金属异物所产生的畸变场强要比外壳侧高出2～9倍;金属异物位于高压导体表面时,电场畸变对于半径和高度的灵敏度相当;而当异物在外壳内表面时,场强畸变对半径的灵敏度更大,是高度的2倍左右。将计算所得的最大电场强度数值与SF6临界击穿场强值相比较,得到了金属异物在不同位置时安全区域。本研究对于GIS实际的运行和检修具有重要指导意义。     

小间隙高电场下温度对环氧树脂绝缘特性的影响

为研究直流高电场与温度对环氧树脂绝缘特性的影响,采用正直流电源测量了不同绝缘间隙与温度下环氧基板的放电起始电压,并结合二维电场有限元仿真计算分析了不同温度与电场下的电场分布与场强。研究结果表明:温度升高与绝缘间隙增大均降低了放电起始电压与场强;温度的升高未改变电场分布,但增强了断面电场强度;绝缘间隙的增大导致断面电场分布向电极侧集中,同时增强了电场强度较易引发放电。     

等离子体复合薄膜沉积抑制金属微粒启举

气体绝缘金属封闭线路(GIL)和气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)中的金属微粒污染是影响设备绝缘性能的主要因素之一,而电极表面覆膜能够在一定程度上提高直流应力下金属微粒的启举电压。本文探索一种使用等离子体射流对金属电极表面处理以抑制金属微粒启举的方法。利用高频交流电源激励产生大气压等离子体射流在Cu表面沉积SiO_2-TiO_2复合薄膜,获得由厚度约2μm的TiO_2薄膜和3.5μm的SiO_2薄膜组成的致密复合薄膜,并且在测试频率为1kHz时TiO_2和SiO_2薄膜的相对介电常数分别为24和4左右。此外搭建金属微粒运动观测平台对比电极表面沉积薄膜前后对金属微粒启举的影响,并通过建模仿真计算沉积复合薄膜前后高压电极与金属微粒间的电场畸变程度。结果表明:电极表面沉积薄膜后金属微粒的启举电压提高约18%,在相同条件下表面沉积薄膜后金属微粒启举具有明显的延迟效应,并且沉积薄膜后金属微粒和电极间的最大电场强度由1.98×108V/m下降至1.82×108V/m。因此,通过等离子体增强化学气相沉积法在电极表面沉积薄膜能够提高金属微粒启举电压、降低其运动活性,为工程应用提供了新的解决方式。     

直流均匀电场下流动变压器油中金属微粒运动行为研究

含金属微粒污染物变压器油的局部放电(partial discharge,PD)特性取决于微粒的运动行为。为了研究流动变压器油中金属微粒运动特性,在深入分析微粒受力的基础上,构建了基于层流状态的固–液两相流模型,仿真了直流均匀电场中不同油流速度下微粒的运动轨迹。为验证模型的正确性,搭建了金属微粒运动观测平台,获得了不同流速下平行板电极之间微粒的真实运动轨迹。实验结果与仿真结果相一致,二者均表明微粒在水平方向随着油流运动的同时,在竖直方向上下往复运动并与电极发生碰撞。此外,随着油流速率增加,微粒沉降过程所需的水平移动距离变长,相邻2次碰撞间的水平移动距离增加,导致了微粒与电极之间总的碰撞次数将减少。这解释了PD次数随油流速度减少的原因。     

直流GIL中线形金属微粒运动与放电特性研究综述

由于直流气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)具有传输容量大、电能损耗小、可靠性高和全寿命输电成本合理等优点,因此可在特殊环境下,如高落差、隧道和远距离大容量输电等场合替代架空输电线。而限制直流GIL在输电线路上大规模运用的一个重要原因就是自由金属微粒的干扰,因此有必要掌握自由金属微粒在直流电压下的运动和放电特性。文中总结了国内外关于直流电压下SF6气体中自由线形金属微粒运动与放电特性的研究,以期对工程建设和学术研究起到参考作用。首先介绍了线形金属微粒在直流电压下的受力分析及起跳电压计算模型;然后总结了线形金属微粒在GIL中可能的运动形式,以及当存在轴向不均匀电场时的运动情况;进而分析了线形微粒在直流电压下的电晕放电规律;最后,揭示了线形金属微粒对SF6气体间隙击穿的影响机制。     

不同电极结构中SF_6/N_2混合气体正向流注电晕放电特性

宏观上假定气体放电过程中产生的正、负离子束和电子束为流体,采用二维流体动力学模型对SF6/N2混合气体正向流注电晕放电过程进行建模,利用通量校正传输法求解连续方程,通过求解耦合的泊松方程处理空间电荷畸变电场对放电的作用,仿真过程中假设带电粒子的输运参数是折算电场的函数,对比分析了平行板电极间隙、同轴电极间隙和棒-板电极间隙三种电极结构中正向流注电晕放电特性。结果表明:流注电晕的形成加强了流注头部与阳极间的场强,减弱了流注尾部与阴极的场强。只有流注头部所在位置的初始场强足够大时放电才能继续发展,否则放电转化为稳定的流注电晕放电。     

不同接触电阻的气体扩散电极性能研究

在催化剂与泡沫镍基板之间,采取涂抹式和表面接触式两种方式制作了具有不同接触电阻的气体扩散电极,通过观察微观形貌从理论上说明两种电极的接触方式引起的放电效果区别;结合在锌空气动力电池中的放电实验,获得在同等实验条件下,电极催化剂与基板采取表面接触式比涂抹式制作方式产生的电池表观内阻值高0.05Ω,当放电电流密度值为106mA/cm2,放电电压值低0.09V。说明了气体扩散电极由于催化剂与基板接触方式不同引起的接触电阻变化对电池放电状态的影响及其影响程度。     

棒-板短间隙在不同环境下的电场特性研究

通过Comsol软件,利用有限元分析方法,建立了干燥情况下以及棒电极凝露、形成水膜、凝结出水滴、间隙间有雾霾等情况下的棒-板短间隙模型,分析了棒-板短间隙在不同环境下的场强分布。结果表明:棒-板短间隙之间含有单颗雾滴时,场强发生了明显畸变;棒电极末端凝露时棒-板短间隙的电场分布相较于纯空气间隙下的电场分布没有出现太大的变化,电场最大值仅升高了约5%;棒电极末端形成水膜时的击穿电压也没有出现太大变化;棒电极末端有水滴时棒-板短间隙的击穿电压发生明显改变,畸变率达到30%;霾颗粒也容易使间隙中的场强发生畸变。