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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

直流GIL中附着导电微粒对绝缘子表面电荷积聚特性的影响分析

导电微粒污染是直流GIL绝缘强度劣化的重要影响因素,为研究其对柱式绝缘子表面电荷积聚的影响,文中搭建了考虑导电微粒情况的电荷测量平台。首先探究了绝缘子表面电荷积聚的时间效应,并在此基础上进一步研究了微粒附着位置、微粒长度、微粒直径对表面电荷积聚的影响。结果表明:附着绝缘子表面的导电微粒可引起表面电荷的积聚激增,其中与电极接触的微粒引起的电荷激增量更为显著;随微粒长度增加,微粒引起电荷积聚增强,而微粒直径对电荷积聚的影响并没有明显的线性规律;与正电荷相比,负电荷更易发生积聚。     

电极覆纸时流动变压器油中金属微粒局部放电特性研究

本研究建立了变压器油循环流动装置,开展了含金属微粒流动变压器油的局部放电（PD）实验,并提取PD特征参数,结合流动变压器油中金属微粒的运动行为,讨论电极覆纸情况对流动变压器油中金属微粒PD的影响机制。结果表明：相比于电极裸露的情况,电极覆盖绝缘纸时,测得的局部放电起始电压升高,放电幅值和频率降低。在双电极裸露与仅下电极...     

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。     

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。     

直流GIL中线形金属微粒对柱式绝缘子表面电荷积聚的影响

针对直流气体绝缘金属封闭输电线路中导电微粒污染问题,研究其对柱式绝缘子表面电荷积聚的影响。首先基于麦克斯韦方程组理论,对绝缘子表面电荷的积聚情况进行分析;并进一步纳入微粒污染以及气体侧空间离子的产生、复合、迁移、扩散等作用,建立了微粒污染情况下包含气体侧微观机制的绝缘子表面电荷积聚模型,利用COMSOL软件对不同极性下绝缘子表面附着微粒以及绝缘子附近存在悬浮微粒两种情况分别进行了求解分析。此外,结合前人实验研究的数据证明了仿真方法与结果的有效性和正确性。结果表明:附着绝缘子表面的导电微粒可引起表面电荷的积聚激增,其中附着在中间部位的微粒引起的电荷激增量更为显著,且微粒两端积聚电荷的电性相反;悬浮微粒对表面电荷积聚的影响较小,当悬浮微粒距绝缘子表面垂直距离超过4倍微粒直径时,其对绝缘子表面电荷的影响可以忽略。     

架空线—GIL混合系统短路电流分布特性研究

由于采用管道密封绝缘输电,GIL系统受地形、天气和外界环境干扰较小,采用架空线—GIL混合系统输电会变得越来越普遍。当混合系统短路故障时,其电流分布将异于正常输电线路。为了明晰混合系统短路电流分流问题,文中首先建立了架空线—GIL混合输电系统模型,通过开关闭合操作模拟设置输电侧导线发生接地短路故障,GIL管廊内三相导线电流的增强倍数在1.01～2.08倍之间,且当发生三相接地短路故障时的电流增强倍数最高;设置GIL管廊内部导线发生接地短路故障,GIL管廊内三相导线电流的增强倍数在1.05～21.58倍之间,同样,当发生三相接地短路故障时的电流增强倍数最高,为GIL输电系统的安全性设计提供了技术支撑。     

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。     

振动诱发金属微粒弹跳对圆盘绝缘子表面电荷积聚的影响

绝缘子上积聚的表面电荷是影响直流GIS/GIL绝缘性能的关键因素,金属微粒对表面电荷的积聚具有重要影响。在GIS/GIL的运行过程中,设备振动诱发金属微粒弹跳从而改变电荷的积聚行为,威胁设备的绝缘安全。因此,研究振动诱发的金属微粒弹跳对表面电荷积聚的影响具有重要意义。本文以126 kV圆盘绝缘子为试样,搭建了非周期振动发生装置,测量了振动条件下线形金属微粒的运动轨迹及绝缘子表面电荷的积聚情况,分析了启举方式和微粒最终位置对绝缘子表面电荷积聚的影响。结果表明：微粒以先滚动后启举的方式比直接启举的方式导致表面电荷积聚更明显,并且微粒最终静止在交界区比静止在平面区积聚更多电荷。     

GIL中金属尖端缺陷的PD 频率特性及传播特性研究

气体绝缘输电线路(GIL)是现代电网中的一种重要设备,其内部局部放电会导致电网严重中断,因此对其内部局放进行检测具有重要意义.采用一个220kV单相GIL实验平台,研究金属尖端缺陷产生的特高频局放信号的频率特性及传播特性,实验结果表明特高频信号在GIL中穿透能力很强,在L型拐角处虽然有衰减,但仍然能够获得较高的检测灵敏度.该实验结果为特高频局放传感器的布置规则提供了实验依据.     

机-电联合作用下尖端电极中金属微粒的运动行为与局部放电特性

GIS内自由金属微粒的运动、集聚行为导致金属微粒在电力设备内部分布广泛,使得绝缘子表面的闪络电压降低,对设备的绝缘状态造成潜在性的威胁。本文搭建自由金属微粒机—电联合试验平台,研究机—电共同作用下尖端电极中金属微粒的放电特性与运动特性,总结出工频电压和机械振动对于金属微粒起跳及运动行为的影响规律。试验结果表明尖端电极下,球形微粒与线性微粒均保持在底电极上沿弧面进行小幅滚动,增加工频电压幅值会使得微粒沿弧面晃动的上下界高度提升,增加机械振动幅值会使得微粒出现一定的起跳动作,且运动的随机性增加;放电产生的PRPD谱图整体保持尖端放电的典型特征,飞行谱图整体保持三角脉冲群的典型特征,但仅存在单一的三角峰,并从受力分析与空间电荷的角度对运动行为与放电特性进行解释。文中的研究为实际工程应用多缺陷中金属微粒的检测提供了一种有效的方法。     

均匀直流电场下变压器油中金属微粒聚集特性研究

金属微粒在变压器油道内部出现汇聚或堆积,由于其强导电性,会大大缩短油隙的绝缘有效距离,引发局部放电甚至绝缘击穿。利用变压器油中金属微粒运动观测平台试验装置和高速相机捕获不同外施电压幅值下金属微粒在椭圆形平板电极间的聚集过程,试验结果表明：当外施电压为10kV和20kV时,电极间金属微粒浓度随电压施加时间逐渐降低,变压器油中无法形成金属微粒“小桥”,而当电压升高至30kV后,金属微粒“小桥”将在平板电极边缘出现;对油中微粒进行受力分析,发现微粒在电场边缘所受电场梯度力可高达重力的6倍,微粒会在电场梯度力的作用下向电极边缘运动,从而聚集形成金属微粒“小桥”,最终引发绝缘击穿。