直流GIL金屬微粒的荷電運(yùn)動(dòng)機(jī)制與治理方法研究.pdf

1、鑒于當(dāng)前超特高壓輸電走廊緊缺、分布式能源就地輸送、線路跨越江河的特殊需求等問題，以及未來直流電網(wǎng)規(guī)劃發(fā)展需要，使得直流氣體絕緣輸電線路(Gas insulated transmission lines，GIL)愈加受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的普遍重視。在直流GIL絕緣體系中，由于生產(chǎn)、運(yùn)輸、組裝、運(yùn)行等階段的機(jī)械碰撞、設(shè)備振動(dòng)以及熱伸縮摩擦，都會(huì)不可避免地產(chǎn)生金屬微粒污染物，而金屬微粒將在電場(chǎng)作用下帶電、運(yùn)動(dòng)并引發(fā)腔體內(nèi)的氣隙擊穿和絕緣子沿面閃

2、絡(luò)，進(jìn)而造成GIL設(shè)備絕緣耐受能力顯著下降，嚴(yán)重影響到直流輸電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。本文重點(diǎn)針對(duì)直流GIL中金屬微粒的荷電運(yùn)動(dòng)機(jī)制及治理方法開展研究，所取得的成果主要包括:
　　利用流體力學(xué)理論分析微粒運(yùn)動(dòng)過程中混合氣體阻力的影響，并結(jié)合彈性碰撞理論分析金屬微粒與導(dǎo)體及外殼的非彈性隨機(jī)碰撞過程，建立了球形金屬微粒的運(yùn)動(dòng)模型。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:相比于交流情況，直流GIL中的微粒存在貫穿電極間隙的運(yùn)動(dòng)，分布范圍更大，危險(xiǎn)程度更高;盡管

3、微粒運(yùn)動(dòng)有很大隨機(jī)性，但在封閉腔體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)分布仍呈現(xiàn)一定規(guī)律;微?；钴S度與隨機(jī)反射角、電壓幅值呈正相關(guān)，且隨著微粒半徑變化存在極大值。掌握微粒的動(dòng)力學(xué)行為特征，可為微粒的危險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)及抑制措施研究提供重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)。
　　自由金屬微粒運(yùn)動(dòng)將進(jìn)一步引發(fā)直流GIL腔體內(nèi)部的局部放電，而嚴(yán)重的放電甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)氣隙擊穿?；谖⒘＞植糠烹妼?shí)驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)電壓極性、幅值、SF6氣壓、微粒長(zhǎng)度、微粒半徑、微粒個(gè)數(shù)等影響因素開展實(shí)驗(yàn)研究

4、，探究各因素對(duì)金屬微粒運(yùn)動(dòng)特性以及放電特性的影響，并分析獲得不同因素下微粒污染物的危險(xiǎn)程度。進(jìn)一步使用高速相機(jī)觀測(cè)自由金屬微粒誘導(dǎo)的氣隙擊穿過程，通過分析球形微粒啟舉后的電場(chǎng)畸變現(xiàn)象，并基于流注理論的微放電判據(jù)得到運(yùn)動(dòng)微粒與極板間的微放電特征間距，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象將直流勻場(chǎng)中金屬微粒引起的擊穿分為3種類型——靜止直接擊穿、微放電擊穿、啟舉電壓擊穿。對(duì)于跳躍的自由線形微粒，其引起的微放電擊穿間距隨著微粒長(zhǎng)度的增加而增加，擊穿電壓則隨著微粒長(zhǎng)度

5、的增加而降低。
　　除了誘發(fā)氣隙擊穿，附著金屬微粒還對(duì)絕緣子表面電荷積聚具有嚴(yán)重影響。納入微粒污染以及氣體側(cè)空間離子的產(chǎn)生、復(fù)合、遷移、擴(kuò)散等作用，利用多物理場(chǎng)仿真軟件COMSOL建立了絕緣子表面電荷積聚的微觀模型，同時(shí)搭建考慮金屬微粒影響的旋轉(zhuǎn)式電荷測(cè)量平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明:絕緣子表面電荷積聚與絕緣子表面場(chǎng)強(qiáng)的法向分量具有一致性;附著絕緣子表面的導(dǎo)電微粒能引起表面電荷積聚激增，其中附著在中間部位的微粒引起的電荷

6、激增量更為顯著，且微粒兩端積聚電荷的電性相反，并與微粒尖端所對(duì)電極極性相反;懸浮微粒對(duì)表面電荷積聚的影響較小，當(dāng)懸浮微粒距絕緣子表面垂直距離超過4倍微粒直徑時(shí)，其對(duì)絕緣子表面電荷的影響可以忽略。
　　針對(duì)直流GIL中自由金屬微粒污染物的治理，一方面，研究電極表面覆膜對(duì)金屬微粒啟舉特性的抑制機(jī)理，并利用氣體電離及界面電荷積聚理論提出直流電極覆膜時(shí)金屬微粒的帶電與啟舉模型，發(fā)現(xiàn)直流應(yīng)力下覆膜產(chǎn)生的靜電吸附力可顯著提高微粒的啟舉電壓，覆