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。     

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。     

负极性直流下金属微粒对SF_6中支柱绝缘子闪络特性的影响

金属微粒是导致气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated transmission line,GIL)绝缘子闪络的重要原因之一。为研究金属微粒对支柱绝缘闪络特性的影响,搭建了实验平台,研究了负极性直流下气压、金属导电微粒尺寸及位置对SF6中支柱绝缘子闪络特性的影响,对闪络过程进行了分析,并应用有限元分析软件对表面电场分布情况进行了计算。结果表明:当绝缘子表面存在金属微粒时,绝缘子闪络电压随气压增大会出现极大值,此现象主要与空间电荷的分布有关;金属微粒附着于高压导体侧时,闪络电压随金属微粒长度增加明显降低,当微粒长度超过一定值时,闪络电压下降减缓;微粒位于绝缘子金属电极侧时对绝缘水平影响最大,随着金属微粒远离高压电极,闪络电压先上升后降低。     

表层非线性电导盆式绝缘子表面电荷分布与沿面放电特性

盆式绝缘子表面电荷积聚是影响直流气体绝缘输电管道(direct current gas insulated transmission line,DC-GIL)电场分布与沿面闪络的重要因素,因此探究绝缘子表面电荷积聚机理并提出调控方法,进而改善绝缘子沿面电场分布具有重要意义。该文搭建缩尺直流GIL绝缘子试验平台,研究不同Si C质量分数(23.1%、37.5%、47.4%)的非线性电导涂层对直流电压、金属微粒附着和极性反转工况下盆式绝缘子表面电荷分布与沿面闪络特性的影响规律。结果表明：环氧基Al₂O₃绝缘子的表面电荷极性取决于气固侧电流密度博弈结果,具有显著的场强依赖特性;非线性电导涂层可以自适应调控直流GIL绝缘子的表面电荷与沿面电场分布,显著提高不同工况下的沿面闪络电压。该文的研究结果为高可靠性直流GIL绝缘子的研发提供了一种潜在的解决方案。     

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。     

交/直流电压下气体绝缘变电站盆式绝缘子表面电荷对闪络电压的影响

在气体绝缘变电站(GIS)中,盆式绝缘子表面电荷的存在会使局部电场发生畸变,严重时还会降低沿面闪络电压。为此,研制了一种用于实际252 k V GIS盆式绝缘子表面电荷的3维测量装置,可以对盆式绝缘子表面电荷进行全径向、全角度测量。参考实际盆式绝缘子的绝缘设计裕度及其沿面闪络特性,设计了闪络试验模型,分别针对直流、交流电压作用下绝缘子表面电荷对沿面闪络电压的影响开展了研究。结果表明:在交流电压和直流电压作用下,随着表面电荷积累量的增加,绝缘子沿面闪络电压有所减小;相比于交流电压50 k V作用1 h工况下,在53 k V交流电压作用3 h工况下,盆式绝缘子的沿面闪络电压降低了10.2%,而直流电压下,绝缘子的沿面闪络电压最大可降低23.0%,这说明了绝缘子表面电荷的存在对其沿面闪络电压具有明显的影响,在绝缘设计时需予以重视。研究结果可为GIS及气体绝缘输电线路(GIL)绝缘子的绝缘设计提供参考。     

特高压直流GIL盆式绝缘子表面电荷分布特性仿真研究

为了满足大容量长距离输电的要求,近年来,中国加快特高压直流输电工程的建设,对气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated metal-enclosed transmission lines,GIL)的需求日益迫切。限制直流GIL实际投运的关键壁垒之一是绝缘子表面积聚的电荷会增加沿面闪络电压降低的概率,故研究特高压直流GIL盆式绝缘子表面电荷分布特性存在必要性。因此,基于SF_6气体中正负离子的输运方程,利用COMSOL Multiphysics建立了真型特高压直流GIL盆式绝缘子表面电荷积聚模型,分别研究了电压幅值和电压极性对绝缘子表面电荷分布特性的影响规律以及气固界面电荷对GIL试验单元空间电场分布的影响规律。从仿真结果可知,正负电荷在盆式绝缘子内外侧均有分布,但分布特性存在一定的差异,外施电压为-800 kV时,最大正负电荷密度分别出现在绝缘子的外表面和内表面,数值分别为+19.64μC·m~(-2)和-22.93μC·m~(-2);表面电荷的积聚程度和高场强区域面积均与电压幅值呈正相关;仿真结果还表明绝缘子沿面耐受电压具有极性效应,即负极性直流耐受电压较低。     

±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。     

不同温度下弹跳金属微粒对圆盘绝缘子表面电荷积聚的影响

气体绝缘开关设备(GIS)和输电线路(GIL)中的金属微粒在电场作用下可弹跳至绝缘子附近,加剧表面电荷积聚,严重时会引发沿面闪络事故。选取126 kV圆盘绝缘子为试样,设计了同轴电极系统,采用Kelvin型静电探头研究了不同温度下（23、40、60℃）弹跳金属微粒对绝缘子表面电荷积聚特性的影响。结果表明：在室温下,绝缘...     

500 kV直流GIL支撑绝缘子的电场优化

随着电网建设的日益深入,直流气体绝缘金属封闭输电管道(GIL)由于可用在高电压、大容量的场合,用作经济的长距离输电线路而被提上研究日程。直流GIL支撑绝缘子的沿面闪络很大程度上是由表面电荷积聚引起的。直流下GIL的内部稳态电场分布主要受环氧树脂固体绝缘的电导率和形状控制。以500 kV直流GIL为计算模型,借助COMSOL软件,研究了GIL中支撑绝缘子的形状、体积电导率和表面电导率对电场分布的影响。研究认为,半圆锥式绝缘子的电场分布是最优化的,绝缘子的体积电导率对其电场分布影响不大,通过控制绝缘子表面电导率,可以控制和优化直流GIL中绝缘子沿面电场分布。     

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.     

550 kV GIL盆式绝缘子及其组件结构优化设计

为均匀气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal enclosed tranmission line,GIL)内盆式绝缘子附近气体区域及绝缘子沿面的场强分布,提高GIL整体的工作性能及运行可靠性,采用非均匀有理B样条曲线拟合方法,重构盆式绝缘子结构形状,利用有限元分析方法,进行电场及应力场的仿真计算,利用智能优化算法对盆式绝缘子、高压屏蔽罩及中心连接件的形状进行了优化,优化后结构与初始结构相比,盆式绝缘子附近气体区域的电场最大值下降了13.6%,凸面切向电场最大值下降了10.3%,改善了GIL内部电场局部过大的问题;在盆式绝缘子凹、凸面分别加气压时,盆式绝缘子沿面及连接件接触面最大应力分别下降了7.4%、7.0%和14.9%、18.6%,提升了盆式绝缘子的机械性能。文中研究成果可为各种高压电器结构优化设计提供参考。     

SF_6中绝缘子表面电荷积聚及其对直流GIL闪络特性的影响

随着中国特高压直流输电工程建设进程的逐渐加快,直流气体绝缘输电线路(GIL)的需求日益迫切,对GIL在特高压直流下一些关键问题的研究显得至关重要。因此针对直流电压下GIL中盆式绝缘子表面电荷积聚问题展开研究,建立了一套基于静电探头法的表面电荷测量系统,研究了在SF6气体环境中,不同电压幅值和电压极性反转情况下绝缘子表面电荷的积聚规律。同时,在特高压直流GIL试验单元上进行了直流闪络试验,研究了绝缘子表面电荷积聚对直流闪络特性的影响。研究结果表明:在0.5 MPa的SF6中,绝缘子表面主要积聚与所加直流电压极性相反的电荷,这种电荷分布将增大绝缘子表面与中心电极间的局部场强,并将进一步导致绝缘子闪络;GIL中盆式绝缘子的直流耐受电压仅为交流耐受电压的64%左右。该研究为GIL中盆式绝缘子在直流电压下闪络电压下降提供了一种可能的解释。     

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。     

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。     

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。     

圆台形绝缘子的表面电荷密度反演算法

直流气体绝缘输电线路(GIL)中盆式绝缘子的表面电荷是诱发沿面闪络的重要原因,如何准确地测量和计算表面电荷分布仍然是一个重要的研究课题。基于多点测量技术,研究了绝缘子表面电荷密度和电场分布的反演计算方法,评估了测量系统的空间分辨率,并在计算中考虑了静电探头的影响。采用信噪比(SNR)和峰值均方根误差(PMSE)估计了该反演方法的准确度。在0.1 MPa SF6气体中,采用静电探头法测量了直流电压下金属微粒附着的缩比盆式绝缘子的表面电位分布,并计算得到了绝缘子表面电荷密度分布。结果表明,电荷密度分布图中可以清晰地发现金属微粒的位置,算法的空间分辨率和电荷分辨率分别为2.0mm和0.95p C/(mm~2·mV)。电荷密度分布和电位分布存在较大差异,电位分布不能用来代替实际的电荷密度分布。该算法可应用于旋转对称结构绝缘材料的表面电荷密度计算,可为直流GIL绝缘子表面电荷分布特性研究提供理论指导。     

基于电–热多物理场耦合模型的直流GIL绝缘子表面电荷积聚及其对沿面电场影响的研究

表面电荷积聚是制约直流气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal-enclosed transmission line,GIL)绝缘子闪络电压提高的主要因素。由于实际测量困难,国内外学者通过建立数学模型开展仿真计算获得绝缘子表面电荷积聚特性。然而现有研究均未考虑GIL中复杂的热传递过程,所建立的电荷积聚模型难以反映实际工程中直流GIL绝缘子电荷积聚情况。为解决上述问题,该文建立了直流GIL内部热交换方程,掌握了实际工况下GIL内部温度分布规律,考虑绝缘气体电流密度与电场强度间的非线性关系以及温度对绝缘材料电学特性的影响,建立了绝缘子电荷积聚电–热多物理场耦合模型。基于此模型,研究了不同运行电流下直流GIL绝缘子电荷积聚情况及电场畸变特性,研究结果表明:当处于小电流运行状态时,直流GIL绝缘子上表面最大切向电场为4.26k V/mm;处于大电流运行状态时,最大切向电场强度为5.01k V/mm,增大了17.6%。对于绝缘子下表面,随着运行电流增大,最大切向电场强度由4.55k V/mm增至5.36k V/mm,增长了17.8%。因此,在进行绝缘优化设计时,需重点考虑直流GIL导杆在最大允许温升下的沿面电场分布,该研究成果可为直流GIL绝缘优化设计提供参考。     

直流气体绝缘金属封闭输电线路中绝缘子的表面电荷积聚研究

直流气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated transmission line,GIL)在特殊环境下可替代部分架空输电线路或电缆,从而提高输电走廊选择的灵活性。严重影响直流GIL绝缘水平的关键因素之一是沿支撑绝缘子表面的电荷积聚现象。通过建立一个板板电极系统来模拟GIL中同轴圆柱结构的电场分布,研究直流下GIL中绝缘子电荷积聚的机制,绝缘子的形状、SF6的电导率对表面电荷积聚的影响,以及电荷积聚对绝缘子沿面电场分布的影响。结果表明,聚四氟乙烯绝缘子的表面电导率比体积电导率受电场的影响更大;初始时沿面法向场强小的绝缘子的电荷积聚能得到明显抑制;SF6的电导率与绝缘子表面电导率的比值影响积聚电荷的极性。