基于捕捉效用分析的直流GIL微粒陷阱设计与参数优化

微粒陷阱是抑制气体绝缘输电线路(gasinsulated transmission line,GIL)金属微粒污染物的重要措施,但对于直流GIL,微粒陷阱的设计仍缺乏明确的指导原则,且鲜有针对微粒陷阱的理论研究。该文研究直流下微粒陷阱的作用机制,认为电场屏蔽和碰撞能量损耗是微粒陷阱抑制球形微粒活性的主要原因,基于该机制提出一种微粒陷阱设计——楔形微粒陷阱。将楔形微粒陷阱与传统陷阱进行比较,楔形微粒陷阱可以更高效地屏蔽陷阱底部电场,并对球形微粒逃逸起阻挡作用。进一步地,基于微粒的碰撞动力学模型,考虑微粒碰撞运动的强随机性,建立陷阱捕捉概率仿真模型。通过随机释放大量球形金属微粒,模拟微粒随机碰撞运动,以捕获率为优化目标,微粒陷阱槽口宽度、倾斜度为优化变量,设计场强为边界条件,实现了对陷阱参数的定量优化。最后,通过观测实验验证了模型的可靠性。该微粒陷阱设计及优化方法可以为不同电压等级的直流GIL微粒陷阱设计提供指导。     

直流GIL金属微粒陷阱捕捉概率与优化设计

直流气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)中的运动金属微粒会极大降低GIL的绝缘强度,故而需要采取微粒陷阱等措施加以限制。本文针对直流GIL中金属微粒陷阱开展研究,首先搭建了封闭式以及半封闭式同轴圆柱电极实验平台,并构建了对应的三维仿真模型;然后通过仿真计算优化了陷阱参数,据此提出了微粒陷阱设计依据"捕捉参数"-Pcap,并对比了不同参数的微粒陷阱捕捉效果;最后根据微粒运动规律提出了针对性陷阱布置策略,并用实验进行了验证。实验结果表明:金属微粒被捕捉的概率随捕捉参数增大呈现增大趋势,当Pcap值为0.8左右时捕捉概率趋于稳定;直流电压下绝缘子附近金属微粒的落点具有很强的集中性,在微粒落点集中区域进行针对性陷阱布置,可以缩短捕捉时间,取得良好效果。因此,研究结果可以为工程中微粒陷阱的设计及使用提供一定的指导。     

SF6/N2混合气体中金属微粒在工频电压下运动的仿真与实验研究

针对GIS设备内部可能残存的微粒在受到母线电压时会发生运动的问题,建立了微粒运动的数值计算模型和GIS实验模型,在SF6/N2混合气体作为绝缘介质的情况下,仿真研究了不同微粒情况下的微粒运动特性及不同微粒陷阱对金属微粒的捕获情况。仿真发现:交流电压下,金属微粒会发生频繁的上下往复运动,金属微粒的密度越大,碰撞频率和最大起跳高度越低;微粒陷阱会改变GIS设备内部的电场分布情况,不同微粒陷阱的深度和形状会对捕获微粒成功率产生影响,陷阱深度越大会使越容易捕获金属微粒。最后,通过在GIS实验模型中进行对应实验来记录金属微粒运动特性。     

特高压交流GIS/GIL拔孔型陷阱优化设计与协同布置方法

交流气体绝缘组合电器（GIS）和气体绝缘输电管道（GIL）内的运动金属微粒是诱发设备绝缘故障的重要因素,且特高压下的运动金属微粒引发设备绝缘故障的概率更大,而微粒陷阱可抑制金属微粒的运动,但实际工程中的微粒陷阱仍缺乏主动捕获微粒的能力。该文首先基于GIS/GIL内金属微粒动力学模型,分析了拔孔型陷阱的微粒主动捕获机制,进而根据金属微粒荷电运动与碰撞动力学特性,建立了拔孔型陷阱捕获概率计算模型,考虑陷阱的捕获能力对拔孔型陷阱的结构参数进行优化设计。具体结果表明,针对苏通工程中的特高压交流GIL,当陷阱直径为60cm、深度为30cm时,拔孔型陷阱抑制微粒效果达到最佳。进一步考虑微粒碰撞反射角的随机性,将拔孔型陷阱附近捕获率大于90%的区域定义为有效捕获范围,优化的拔孔型陷阱的有效捕获范围为32cm。最后,通过分析栅格型陷阱与拔孔型陷阱轴向电场分布,表明栅格型陷阱能够增强拔孔型陷阱的有效捕获范围,并以提高绝缘子附近的微粒抑制效果为目标,提出了绝缘子附近栅格型与拔孔型陷阱的协同布置方法。     

直流电压下气体绝缘输电线路中微粒运动特性研究及微粒陷阱效能分析

气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal-enclosed transmission line,GIL)中设置微粒陷阱是最常用的微粒抑制措施,由于其真型试验需投入较高成本验证设计能效,目前多采用仿真技术手段进行辅助分析。该文针对直流电压下微粒陷阱结构设计,考虑微粒的受力及电荷变化机制,基于有限元法提出一种可以应用于实际结构中的球形微粒带电运动的仿真方法。建立320kV直流GIL管母线部分模型,在模型中分别设置四种不同类型的微粒陷阱,计算并分析不同陷阱的捕获率及其对微粒运动特性的影响。结果表明,该方法能够有效模拟直流电压下的微粒运动特性,上提式微粒陷阱的捕获能效优异,能够有效阻挡动能较大的入陷微粒,降低其逃逸的概率。该文仿真计算方法和研究结果适用于不同结构气体绝缘输电线路中不同类型微粒陷阱的捕获率分析,对开展工程上气体绝缘输电线路中微粒陷阱的选型及布置具有指导意义。     

微粒陷阱对直流稍不均匀场中球状自由导电微粒运动的影响规律

针对气体绝缘系统(GIS)中自由导电微粒无害化研究问题,明确微粒陷阱对直流稍不均匀场中导电微粒运动的影响规律可指导后续微粒陷阱的设置。为此,建立了球状导电微粒在直流稍不均匀场中的运动方程,获得了导电微粒的运动轨迹,并将其分为水平滚动、起跳与反弹3个阶段;仿真分析了微粒陷阱宽度、深度对周围局部场强的影响,表明陷阱宽度是影响陷阱周围电场分布的主要因素;对比研究了在水平滚动和起跳两个阶段设置微粒陷阱对导电微粒的捕获效果,表明在起跳点处设置微粒陷阱可能导致导电微粒提前起跳,在水平滚动阶段设置微粒陷阱对导电微粒的捕获具有明显效果,并给出了水平滚动阶段微粒陷阱设置准则。最后,通过相关实验验证了上述结论的准确性。     

交流环保GIL中微粒运动规律及陷阱抑制措施研究

针对交流环保气体绝缘输电线路(gasinsulated transmission line,GIL)中微粒引发的绝缘故障,搭建缩比实验平台。采用铝粉、硅粉模拟实际中可能引入的金属与半导体粉尘微粒,记录微粒运动时的放电、超声信号及图像信息,得到粉尘微粒在腔体中的分布规律,建立粉尘微粒在腔体中的受力模型,并揭示两种微粒不同的分布特性。研究表明,粒径较小的粉尘微粒在腔体中会受到范德华力作用,由于电荷消散机制不同,半导体微粒会附着在绝缘子表面。根据微粒的分布特征,设计栅格形与条形两种陷阱,根据陷阱捕获系数,提出微粒陷阱设置建议,采用在气室末端隔断设置栅格形陷阱与间隙其他部位全线设置条形陷阱的组合方式,可达到最优的捕获效果。     

直流电应力下线形微粒飞萤运动物理机制与临界起始判据

直流气体绝缘开关与输电管道（GIS/GIL）中线形微粒存在特殊的飞萤运动行为，即未碰撞地电极而反向运动或在高压电极表面悬浮运动，是影响直流GIS/GIL绝缘性能的关键因素之一。为厘清微粒飞萤运动物理机制，搭建了微粒飞萤运动观测与荷电量测试平台，获得了不同电压下线形微粒的运动与荷电特性。研究表明，线形微粒附近空间电荷导致微粒荷电量的极性变化，是产生飞萤运动的关键诱因，电极表面线形微粒的电晕起始电压是导致微粒荷电量极性改变的临界电压。进一步，基于直流棒板间隙的光电离模型计算了电极表面线形微粒的起晕电压，由测量结果拟合得到纳入起晕电压影响的微粒荷电量表达式，并结合电荷端部集中特性建立了线形微粒的荷电运动模型，由此提出飞萤运动的临界起始判据，实现了线形微粒飞萤运动的动态模拟。计算获得100kV直流GIL样机中不同尺寸微粒的飞萤起始电场强度，对于0.5MPa的SF6气体环境，直径0.2mm、长度5mm线形微粒的负极性飞萤起始电场强度为2.78MV/m，正极性飞萤起始电场强度为4.93MV/m。该研究在抑制微粒飞萤运动方面为直流GIL的主绝缘设计提供了参考依据。     

直流电场下运动金属微粒的带电估算与碰撞分析

气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)内部金属微粒运动与分布特性是制定控制技术的关键。针对金属微粒运动问题,开展试验与仿真研究。根据试验分析,得到了金属微粒碰撞恢复系数,通过反推的方法得到运动金属微粒的带电量;考虑金属微粒运动过程中的带电与碰撞的因素,建立了仿真模型并进行试验验证,结果表明二者有较好的一致性。根据分析得到了金属微粒尺寸、材质等因素对运动特性的影响关系:直流电压下同一材质的金属微粒碰撞频率随着微粒尺寸的增大而减小,微粒向高压电极与向地电极运动时间差随着尺寸的增加而增大;不同材质的金属微粒,自身密度及碰撞恢复系数是影响其在电极间的碰撞频率的重要因素。研究结论对气体绝缘金属封闭开关内部微粒抑制措施的研究具有一定的参考价值。     

直流应力下主动式微粒抑制方法的动态配合研究

直流气体绝缘输电线路（GIL）中自由金属微粒的活性较之交流GIL中更为活跃，对直流GIL的技术发展以及应用带来了严峻的挑战。目前，将各种抑制微粒手段进行主动式动态配合设计是未来发展的趋势。该文搭建直流GIL金属微粒主动式抑制的动态配合实验平台，并结合有限元仿真，从陷阱捕获率的角度优化了驱赶电极与陷阱间的位置配合；同时提出直流老练优化程序，最终获得主动式微粒抑制的动态配合有效方案。研究结果表明，当驱赶电极与陷阱间的距离为18 mm时，陷阱捕获率可高达70%；该文优化后的直流老练程序较传统程序可使陷阱捕获性能提升50%以上；最后通过实验验证了驱赶电极的有效性，且通过大量实验发现，高压电极布置驱赶电极后，陷阱捕获率可提高50%以上。因此，该文结果对提升直流GIL抑制金属微粒的能力具有一定的参考价值。     

基于深度视觉的GIS内部金属微粒运动特性分析

为研究气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated substation,GIS）腔体内部的金属微粒运动特性,建立真实且比例合理的模拟仿真模型,提出一种基于深度学习中的视觉分析方法,通过高速摄像机获取运动过程的视频,使用YOLOv5目标检测模型进行运动金属微粒的检测和DeepSort模型对其进行跟踪,获取腔体内金属微粒的运动状态等数据信息。在实验数据基础上,进行运动特性的分析,如金属微粒的轨迹分布,速度分布直方图与分布规律,速度大小与所经过位置的相关性等。实验结果表明,金属微粒运动范围较广,速度较小,金属微粒的速度大小与不同的位置存在不同程度的相关性。研究与分析的结果可为实际GIS腔体内部金属微粒的检测与运动特性分析提供一定的理论与方法指导。     

直流GIL微粒陷阱的捕获机理分析与优化设计

微粒陷阱是直流气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal-enclosed transmission line,GIL)中抑制金属微粒运动的主要手段,对其结构参数进行优化可以提高微粒捕获的效果。基于此,该文首先建立微粒运动的动力学模型,分析陷阱捕获微粒的机理,得到影响陷阱捕获效果的电场特征值,进而研究陷阱参数对电场特征值的影响;最后,基于鲸鱼优化算法对微粒陷阱的参数进行优化,并通过试验验证优化方案的可行性。结果表明:陷阱底部的电场强度随着槽宽的减小、厚度和槽数的增大而降低,且当厚度与腔体内径的比值大于0.16,槽数大于15后,逐渐趋于饱和;当陷阱厚度与腔体外壁内径的比值小于0.20时,厚度增大,其前方轴向的电场值变大。此外,微粒与高压电极碰撞后受到的朝向陷阱的电场力和电场梯度力是陷阱捕获微粒的关键,且陷阱厚度越大,微粒捕获效果越好。     

基于恢复系数实测结果的盆式绝缘子附近微粒运动规律分析

自由导电微粒的存在降低了气体绝缘输电线路的绝缘强度,研究微粒与电极及绝缘子碰撞后的运动规律可指导陷阱设置,而恢复系数是准确仿真微粒运动的重要变量。因此,建立了恢复系数测量平台,研究恢复系数hn、ht随粒径、材质、角度的变化规律。基于试验结果,通过仿真分析得到了盆式绝缘子凸面和凹面不同粒径微粒的运动规律:凸面附近的微粒经历了水平滚动、启举、沿绝缘子表面爬升和碰撞反弹阶段,且根据粒径的不同将沿绝缘子表面爬升分为2种运动状态:当半径0.62 mm时,钢微粒沿绝缘子表面爬升至高压电极后进入碰撞反弹阶段;当半径0.62 mm时,其沿绝缘子表面爬升至某一位置后作减幅振动,最终附着于绝缘子表面;而凹面附近的微粒以碰撞反弹或水平运动的方式远离绝缘子。     

特约专栏主编寄语

正项目由国网陕西省电力公司电力科学研究院牵头,与西安交通大学共同完成。开发了GIS中金属微粒运动状况模拟及监测试验平台,采用机器视觉识别技术,获得GIS中典型金属微粒外形、尺寸、质量等参量的统计特征和交直流电场作用下的运动规律。基于获得的微粒运动时间与质量、带电特性的相关性统计规律及局部放电分频图谱,提出不同形状金属微粒及其运动区域的辨识方法和GIS金属微粒的交直流复合电压调控方法,使金属微粒运动并做周期振荡,达到金属微粒易于检测的目的。     

GIS内部金属微粒运动规律与复合电压调控检测方法

正项目由国网陕西省电力公司电力科学研究院牵头,与西安交通大学共同完成。开发了GIS中金属微粒运动状况模拟及监测试验平台,采用机器视觉识别技术,获得GIS中典型金属微粒外形、尺寸、质量等参量的统计特征和交直流电场作用下的运动规律。基于获得的微粒运动时间与质量、带电特性的相关性统计规律及局部放电分频图谱,提出不同形状金属微粒及其运动区域的辨识方法和GIS金属微粒的交直流复合电压调控方法,     

GIS内部金属微粒运动规律与复合电压调控检测方法

正项目由国网陕西省电力公司电力科学研究院牵头,与西安交通大学共同完成。开发了GIS中金属微粒运动状况模拟及监测试验平台,采用机器视觉识别技术,获得GIS中典型金属微粒外形、尺寸、质量等参量的统计特征和交直流电场作用下的运动规律。基于获得的微粒运动时间与质量、带电特性的相关性统计规律及局部放电分频图谱,提出不同形状金属微粒及其运动区域的辨识方法和GIS金属微粒的交直流复合电压调控方法,使金属微粒运动并做周期振荡,达到金属微粒易于检测的目的。     

正弦振动激励下GIS内自由金属微粒运动特性

自由金属微粒是影响气体绝缘组合电器(GIS)绝缘可靠性的主要威胁之一,常具有潜伏性和随机性,而GIS振动可激励微粒起跳并诱发绝缘击穿,但相关研究鲜有报道.该文建立了特高压GIS中工频电压叠加正弦振动条件下自由金属微粒的荷电、受力和运动仿真计算模型,研究了不同外施电压和振动参数对微粒运动特性的影响规律,并获得不同条件下微粒的超声飞行时间谱图.研究结果表明:初始时刻,在壳体加速度作用下,微粒起跳场强随振幅的增加逐渐降低,微粒半径对起跳场强影响随振幅的增加逐渐减小.微粒运动过程中,相邻两次碰撞间最大飞行高度与碰撞瞬间恢复速度及电压相位有关,且与微粒飞行时间呈正相关.与仅施加工频电压相比,外施振动激励条件下,微粒飞行时间图谱在电压幅值较低时即呈现明显的三角脉冲,且微粒飞行时间图谱呈山峰状,与带状飞行图谱相比具有明显差异,具有较高的识别性.     

GIS/GIL中金属微粒污染问题研究进展

以SF_6或SF_6/N_2混合气体为绝缘介质的GIS/GIL具有大容量、高可靠性和环境友好等特点,特别是在特高压输电及离岸大规模风电输送领域具有巨大应用前景,而GIS/GIL中存在的金属微粒污染问题是提高设备绝缘强度研究中的关键技术难题。首先介绍了GIS/GIL中金属微粒的带电及受力机理研究;然后分析归纳了交流、直流、冲击等不同电压类型与微粒的运动特性和设备绝缘劣化之间的关系和规律;并进一步,对比分析了GIS/GIL中由金属微粒污染引起的典型绝缘故障,即运动微粒引起的气隙击穿和附着绝缘子表面的微粒引起的沿面闪络;此外总结概述了目前主要的微粒抑制措施及其作用机理;最后指出现有GIS/GIL中微粒污染问题研究存在的不足和可能的解决途径。     

断路器内部异物的研究

分析了断路器内部异物来源途径及其控制方法,从断路器的制造工艺、装配工艺和现场安装三个方面论述防止断路器内部异物的方法,并且总结了优化改进设计结构及工艺方法后的罐式断路器现场运行的可靠性。GCB及GIS用断路器现场放电事故,多数原因都属于内部金属微粒所致,通过分析断路器放电原因,对于双断口罐式断路器,金属微粒主要在灭弧室两端屏蔽罩处及中部传动框架处。微粒掉落到断口处罐内壁上,导致灭弧室屏蔽(灭弧室与接地外壳最小绝缘距离处)对接地外壳内壁放电。尽管改进型的断路器已经从结构上采用了粒子捕捉陷阱,但是,由于金     

交直流气体绝缘管道输电装备微粒污染治理措施研究进展

气体绝缘输电设备内微粒污染物是造成设备故障的主要原因之一,随着设备电压等级的升高,微粒诱发的绝缘故障占设备总故障的比例越来越大,探索高效的微粒抑制措施,对降低设备故障率、保障设备安全稳定运行具有重要意义。文中对交直流GIS/GIL中微粒污染治理措施研究进展进行梳理,首先概述了气体绝缘设备中抑制微粒的基本原理,从微粒启举抑制、微粒运动调控和绝缘子表面微粒吸附抑制3方面阐述了如何降低微粒对设备绝缘的潜在威胁;进一步归纳总结了现有的微粒治理方法,对其优势和不足进行了评价,提出了该领域有待解决的关键问题,以期为管道输电装备的设计制造和安全运行提供参考。