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。     

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。     

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。     

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GIS提上式微粒陷阱优化设计方法

金属微粒是引发交流GIS绝缘故障的主要原因之一,微粒陷阱作为抑制微粒运动的关键组件,尚缺乏微粒抑制机制与定量设计方法。文中搭建了真型GIS微粒陷阱捕捉过程观测平台,分析了微粒陷阱的捕捉机制,微粒陷阱对底部电场强度的抑制作用以及微粒运动的高度分布是影响微粒陷阱捕捉效果的关键因素。基于陷阱捕捉机制定义了微粒陷阱的危险系数,以评估微粒陷阱对不同特征微粒的捕捉能力,进一步建立了考虑微粒荷电碰撞运动特性的微粒陷阱捕捉过程仿真模型,仿真计算了不同参数微粒陷阱的危险系数与捕捉概率,获得了微粒陷阱的最优尺寸。提上高度为4 mm的110 k V微粒陷阱与提上高度为6 mm的220 kV微粒陷阱具有最佳的微粒抑制效果,最后通过实验验证了仿真优化结果的有效性。提出的微粒陷阱优化设计方法可为不同电压等级的陷阱设计提供定量指导。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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,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,     

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。