直流GIL不均匀场中金属微粒运动的数值模拟及放电特性分析

明确直流气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated transmission line,GIL)不均匀场中金属微粒运动及其引发的间隙放电具有重要意义。建立了微粒运动的三维电-力学瞬态耦合有限元数值计算模型:基于静电场原理,获得了微粒的电荷量及电场力;结合力学方程与拉普拉斯光顺方法给出了运动的动网格模型;为抑制微粒与壁面接触时网格拓扑改变引起的计算失败,提出了虚拟接触壁面条件。对楔形平板电极中典型的微粒运动进行数值模拟,通过实验验证了计算模型的准确性。获得了微粒表面的场强畸变,并根据流注起始判据对其引发的典型间隙放电形式进行分析,结果表明:微粒向电极运动时,表面场强畸变最严重部位总是分布在靠近电极一侧的顶端;微粒紧邻高(低)压电极而与低(高)压电极的放电由微放电引起;起跳阶段与高压电极的放电可能会立即引发整个间隙击穿。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

SF6沿面绝缘的工程计算

随着采用SF6绝缘的高压输变电装置在工程中的广泛应用,如GIS和GIL,其内部支撑绝缘子的介电性能成了维持设备安全稳定运行的重要因素.文中建立了锥板电极系统来模拟GIS/GIL中同轴圆柱结构的电场分布,并选择一个考虑了7种影响因素的SF6沿面闪络电压的计算公式,对环氧树脂绝缘子进行了直流下不同SF6气压中沿面绝缘的工程...     

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。     

The behavior of charged conducting particles in electric fields

The presence of metal particles within a gas-insulated switchgear (GIS) might initiate a sparkover and lead to fatal failure of an electric power transmission system. In order to investigate the behavior of a particle in a GIS, the model electrodes and the measuring system are constructed. The motion of a particle was investigated by using a CCD camera and a high-speed video camera. Different shapes of elongated particles were made from 0.1-mm and 0.25-mm diameter wires. The measured values of lift-off field strength of a particle lying on the electrode agreed quite well with the theoretical predictions. The initial raising up of a particle usually started at the sharper edge, as expected. There were two types of different modes of particle motions: one is the bouncing motion between two electrodes or one electrode, and the other is the standing motion on the electrode. An interesting thing is that the standing motion is on the upper electrode, when a negative voltage is applied to the upper electrode. This phenomenon could be explained from the difference of positive and negative corona currents starting from both edges of a standing particle     

Dynamics of metallic particle contaminants in GIS withdielectric-coated electrodes

Electrical insulation performance of compressed gas insulated switchgear (GIS) and gas insulated transmission line (GITL) systems is adversely affected by metallic particle contaminants. Dielectric coatings applied to the inside surface of the outer enclosure of a coaxial GIS/GITL system improve the insulation performance in several ways. Coating has the effect of smoothing the electrode surface and reducing the prebreakdown current in the gas gap. Also, the electrostatic charge acquired by a particle is reduced and hence the range of its motion under an applied power frequency field is inhibited. The movement of such particles is complex and dependent on several parameters. In this paper the dynamics of wire particles in a coaxial system under AC voltage is studied when the inside surface of the outer enclosure of a coaxial GIS/GITL system is coated with a high resistance material. Suggestions for reducing the particle excursion in GIS/GITL systems are discussed     

Understanding the partial discharge activity generated due to particle movement in a composite insulation under AC voltages

The UHF signals are generated due to partial discharges formed by particle movement in Gas Insulated Switchgears (GISs). It is observed that the bandwidth of UHF signals generated due to partial discharges formed by particle movement in GIS is independent of operating pressure and the applied voltage. The levitation voltage of the particle sitting on the dielectric barrier is high compared to that of it on the ground electrode. When a particle is present in between the barrier and an electrode, at certain voltage level the movement of particle will be in pseudo resonance with the applied voltage frequency. When the particle is on the barrier, on application of voltage the particle moves to the center of the electrode axis causes discharges thereby radiating UHF signals, with its dominant frequency in the range of 3–4 GHz, which is much different from that of the UHF signal generated due to partial discharges formed by particle movement. When the particle moving between the high voltage electrode and the barrier, at some time its motion get collapses and the particle settles in the low field region away from the axis of the electrode and generates UHF signals having characteristics of UHF signals generated due to corona discharge.     

1100kV GIL气隔绝缘子的研制开发

在气体绝缘金属封闭线路(GIL)中,气隔绝缘子起着分隔气腔、阻隔污秽及绝缘的重要作用,1100 kV GIL气隔绝缘子的可靠运行是特高压GIL安全运行的根本。采用有限元分析计算软件对其绝缘性能和机械性能进行了详细的计算分析,计算结果表明:通过对其绝缘性能的优化设计,不带有接地屏蔽环的结构同样可以有效降低其三交区电场强度;气隔绝缘子均会配有与外壳接触紧密的微粒吸附器,以便捕捉由于受重力作用影响而移动的微粒。该气隔绝缘子在产品质量检测中心顺利通过了整套型式试验,其雷电冲击耐受水平高达2400 kV,破坏压力最高达3.45 MPa,进一步验证了其绝缘性能及机械性能的可靠性。     

±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。     

超高频技术在拉西瓦电站750kV GIS设备的应用

新投运的拉西瓦电站750kV GIS和GIL设备均已安装有先进的在线监测设备(局部放电检测装置),可进行实时检测和分析GIS和GIL设备早期的局部放电问题。该技术的应用将进一步在今后电站、电网高电压等级GIS和GIL设备局部放电检测技术得到推广,对保障GIS、GIL设备的安全运行具有重要意义。     

变电站内工频电磁场三维数值仿真研究

高压变电站内外工频电磁环境的评估日益重要。将三维建模软件Solidworks同电磁场分析软件Ansoft相结合,实现了大模型、复杂电磁问题的三维数值分析。根据某110 kV变电站设计图,建立电气设备三维仿真模型,对变电站户外区域离地1.5 m高度处工频电磁场进行了仿真和分析。仿真结果表明,该110 kV变电站内、外工频电磁场数值均在标准限值以内。在工作走廊上,计算值同实测结果变化趋势一致;在电气设备不太密集的区域,工频电场计算值与实测值之间误差低于10%。文中所用方法给变电站电磁环境评估问题提供了一个良好的解决方案。