直流气体绝缘输电线路的绝缘设计

气体绝缘输电线路(gas insulated transmission line,GIL)与架空线路相似但占地空间小、损耗低,在高压直流输电和特高压直流输电领域具有较大的应用空间。通过分析表面电荷和金属导电微粒对绝缘子沿面放电的影响,指出了绝缘子表面电荷积聚和自由金属导电微粒附着是降低直流GIL绝缘性能的重要原因。采用了使电场分布合理的方法,即半圆锥形盆式绝缘子的优化和表面电阻率阶梯分布的覆膜。设计了包括电极覆膜、微粒陷阱、驱赶电极和屏蔽环的直流GIL的绝缘结构。     

±800 kV特高压直流GIL关键技术研究

为了提高特高压直流输电线路走廊选择的灵活性,研究可以替代部分架空输电线路的直流气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal enclosed transmission line,GIL)具有重要意义。提出了在进行直流GIL绝缘子相关试验时,以带绝缘子的圆柱平板电极替代带绝缘子的同轴圆柱电极的试验方法。结合国外小尺寸电极试验结果,采用麦夸特法拟合得到了考虑表面粗糙度的同轴圆柱电极SF6气体间隙下临界击穿场强估算公式。设计了包含微粒陷阱、微粒驱赶电极和屏蔽环的直流GIL电极结构,并对此进行了电场分布的仿真,结果表明此结构具有抑制金属导电微粒运动的作用。     

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。     

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。     

GIL内金属微粒在直流电压下的运动特性分析

气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated metal-enclosed transmission line,GIL)以其输送容量大、占地面积小、传输损耗小等优点,在许多场合是替代电缆和架空线路的首选方案。但GIL内部的金属微粒会在电场的影响下发生起跳和运动,严重威胁了GIL的绝缘性能。为更好地捕获金属微粒,掌握GIL内金属微粒的受力和运动特性是十分有必要的。本文首先忽略了盆式绝缘子对GIL轴向场强的影响,分析了金属微粒在同轴圆柱间的受力和运动特性,使用金属微粒谐振频率表征金属微粒在直流电压下的活跃度,并分析了电压和微粒半径对金属微粒谐振频率的影响规律。然后考虑了盆式绝缘子对GIL轴向场强的影响,得到了金属微粒的几种典型的运动轨迹。最后给出了对于金属微粒陷阱布置的建议,认为在盆式绝缘子凸面侧下方布置金属微粒陷阱是必要的。     

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。     

交流GIL内金属微粒的受力及运动特性分析北大核心CSCD

气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated metal-enclosed transmission line,GIL)以其输送容量大、占地面积小、传输损耗小等优点,在许多场合是替代电缆和架空线路的首选方案。但GIL内部的金属微粒会在电场的影响下发生起跳和运动,严重威胁了GIL的绝缘性能。为更好地捕获金属微粒,掌握GIL内金属微粒的受力和运动特性是十分有必要的。文中首先忽略了盆式绝缘子对GIL轴向电场的畸变,分析了金属微粒在同轴圆柱电极间的运动特性;然后使用平均谐振频率和平均起跳高度来表征金属微粒在交流电压下的活跃度,分析了交流电压幅值、交流电压频率和微粒半径对平均谐振频率和平均起跳高度的影响规律;最后分析了在考虑盆式绝缘子影响下的金属微粒运动特性,可为金属微粒陷阱的结构设计和布置提供参考。     

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。     

高压直流GIL设备绝缘关键技术研究综述

直流GIL具有输送容量大，占地面积小，可靠性高，受外界环境影响小等优势，在特殊环境中具有广泛的应用前景。然而直流电压下GIL内部气固界面电荷积聚及金属微粒的存在会导致GIL内部电场畸变、绝缘性能下降，甚至诱发沿面闪络，是限制直流GIL发展的重要因素。因此，论文总结了近年来关于直流GIL绝缘关键技术和GIL设备研制的相关研究，从气固界面电荷积聚机理与调控方法，GIL中金属微粒对绝缘性能的影响，绝缘材料沿面耐电性能，新型环保气体在直流GIL中的应用，直流GIL设备研制与试验和特高压直流GIL研制关键技术等6个方面进行总结评述，为高压直流GIL研发提供参考。     

考虑非弹性随机碰撞与SF6/N2混合气体影响的直流GIL球形金属微粒运动行为研究

针对直流气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal enclosed transmission line,GIL)金属微粒污染物问题,研究球形金属微粒在其中的运动行为,采用贴合实际情境的同轴圆柱电极结构,建立直流 GIL 内球形金属微粒运动模型：纳入 SF6/N2混合气体动力学参数,利用流体力学理论分析微粒运动过程中混合气体阻力的影响;同时考虑金属表面粗糙度影响,利用弹性力学中的碰撞理论分析金属微粒与导体及外壳的非弹性随机碰撞,实验结果验证了模型计算的可靠性。利用模型对微粒运动轨迹进行仿真分析,并根据微粒运动的分布情况提出微粒活跃度的概念,研究表明：微粒在导体与外壳间的谐振频率与微粒半径、SF6占比、绝缘气压呈负相关;微粒活跃度与随机反射角、电压幅值呈正相关,而随着微粒半径变化存在极大值。     

直流GIL内金属微粒的落点分布研究

气体绝缘金属封闭输电线路（gas-insulated metal-enclosed transmission line,GIL）拥有输送容量大、占地面积小、传输损耗小等优点,但GIL内部的金属微粒会在电场的影响下发生起跳,严重威胁了GIL的绝缘,需要对金属微粒采取有效的捕获措施。为更好地捕获金属微粒,研究GIL内部的金属微粒在直流电压下的运动特性和落点分布是十分有必要的。文中首先对微粒在直流电压下的受力进行了分析;然后在不考虑屏蔽罩的情况下对金属微粒的运动轨迹和落点分布进行了仿真,发现金属微粒的落点较为集中,尤其是前几次的落点,故金属微粒陷阱应至少覆盖第一个落点,并尽可能囊括之后的几个落点;最后研究了屏蔽罩对金属微粒落点分布的影响,认为曲率较大的屏蔽罩会造成其下方两侧的落点更为集中,应在此处安装微粒陷阱。     

直流GIL中线形金属微粒电动力学行为研究

直流GIL中线形金属微粒受力运动极易引发气体间隙击穿或者绝缘子沿面闪络,降低GIL的绝缘性能,严重影响直流输电系统的安全可靠运行.为研究直流GIL中线形金属导电微粒电动力学行为机理,搭建自由微粒实验装置和观测平台,并建立直流下微粒电动力学模型.通过实验与仿真相结合的方法,获得线形金属微粒荷电特性、启举与运动特性以及微粒运动导致的气隙击穿特性,并从微观角度解释了微粒启举与运动现象形成的原因.研究结果表明,线形启举电压只与半径有关,与长度和电压极性无关,随着半径增大,启举电压升高,直流电压极性不影响金属微粒启举电压幅值;线形微粒的运动及导致的气隙击穿与微粒半径、长度和电压极性有关,线形金属微粒半径小、长度增加时容易导致气隙击穿;线形金属微粒形状的不规则使得电场畸变作用加强,极性效应更明显.电晕极性效应导致正负极性下线形微粒的启举与运动及运动致气隙击穿特性呈现出明显的规律,当达到启举电压时,正极性下,线形金属微粒一端抬起后,在下极板小幅跳跃、旋转或者直立,难以贯穿气隙;负极性下,线形金属微粒贯穿气隙运动,极易出现飞萤现象,为直流GIL中线形金属微粒污染防治提供了理论指导.     

直流应力下电极表面覆膜对金属微粒启举的影响机理研究

针对直流GIL中的自由金属微粒污染物问题,研究表面覆膜措施对金属微粒启举的限制机理。利用气体电离及界面电荷积聚理论提出了直流应力下电极覆膜时金属微粒带电及启举模型,并根据微粒带电量的时变特征提出了充电时间的概念。为验证模型的正确性,构建了多功能模块的金属微粒带电.运动观测实验平台,对不同大小、材质的球形金属微粒以及不同厚度的PET薄膜开展实验,实验结果验证了模型的正确性:直流应力下,覆膜措施产生的界面极化过程只是增加了微粒的充电时间,而对微粒最终带电量并无影响,但覆膜产生的静电吸附力可显著提高微粒的启举电压;外施电压、覆膜介电常数及体电导率对微粒充电时间均有显著影响;而由于充电时间的存在使得电极覆膜措施下出现微粒"间歇启举"现象。     

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.     

苯硫醚聚酰亚胺电极覆膜材料合成及直流应力下对金属微粒运动特性的抑制作用

金属微粒的有效治理是关乎直流气体绝缘输电线路(GIL)绝缘设计的重要问题。通过溶液缩聚-热酰亚胺化法制备含有苯硫醚结构的聚酰亚胺薄膜,同时利用红外光谱、热失重、差示扫描量热、介电谱和接触角等测试方法对聚酰亚胺薄膜的结构与性能进行表征,并构建金属微粒运动观测实验平台,测试直流应力下薄膜材料对金属微粒运动特性的抑制作用。结果表明,引入苯硫醚结构,可在保证热稳定性的同时有效提升聚酰亚胺薄膜与铝合金电极的粘附功,因而改性聚酰亚胺可作为直流GIL无胶电极覆膜材料,以提升其运行稳定性。当电极涂覆改性的聚酰亚胺薄膜时,可显著提高金属微粒在直流电场中的启举电压,这缘于引入的苯硫醚结构提高了薄膜的介电常数以及金属微粒与薄膜间的粘附功,使得金属微粒所受的粘附力和静电吸附力均有所提升,进而抑制了微粒在直流电应力下的运动行为。     

直流均匀场中球形金属微粒与电极碰撞的超声特性研究

GIL中金属微粒与电极碰撞时会产生超声信号,研究超声特性对微粒运动的在线监测具有重要意义。搭建了直流电压下平行板电极中球形金属微粒运动的实验平台,实验得到了不同电压、直径下铝微粒与低压极板碰撞时的超声信号,并通过编制计算机程序提取了超声信号的幅值,超声信号幅值结果表明:同等条件下,随着电压、微粒直径的增大超声信号幅值增大。基于Ansys/LS-DYNA建立了铝微粒与电极碰撞的力学模型,仿真获得了微粒与电极碰撞过程中接触力变化,仿真结果表明:碰撞过程中接触力呈先增大后减小趋势,存在最大值。最后,对接触力最大值与超声信号幅值之间的相关分析表明:接触力最大值与超声信号幅值之间成正比关系。     

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。     

直流气体绝缘输电线路关键问题及装备研发现状综述北大核心CSCD

直流气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)可解决特殊地理环境下输电走廊空间限制问题,为构建“双碳”目标下中国未来能源结构提供装备基础。文中回顾了中国在直流GIL方面的研究进展,包括表面电荷及金属微粒动力学与抑制理论、导体表面形貌诱发的微电离理论等关键科学问题,以及绝缘件设计、微粒捕捉器设计等技术创新。此外,简要介绍了近年来中国在直流GIL的装备研发及设备评价标方面的进展。文中内容为未来直流GIL的研发及应用提供了参考。