直流GIL金屬微粒的荷電運動機制與治理方法研究.pdf

1、鑒于當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)愈加受到學術界和工業(yè)界的普遍重視。在直流GIL絕緣體系中，由于生產、運輸、組裝、運行等階段的機械碰撞、設備振動以及熱伸縮摩擦，都會不可避免地產生金屬微粒污染物，而金屬微粒將在電場作用下帶電、運動并引發(fā)腔體內的氣隙擊穿和絕緣子沿面閃

2、絡，進而造成GIL設備絕緣耐受能力顯著下降，嚴重影響到直流輸電系統(tǒng)的安全可靠運行。本文重點針對直流GIL中金屬微粒的荷電運動機制及治理方法開展研究，所取得的成果主要包括:
　　利用流體力學理論分析微粒運動過程中混合氣體阻力的影響，并結合彈性碰撞理論分析金屬微粒與導體及外殼的非彈性隨機碰撞過程，建立了球形金屬微粒的運動模型。仿真和實驗結果表明:相比于交流情況，直流GIL中的微粒存在貫穿電極間隙的運動，分布范圍更大，危險程度更高;盡管

3、微粒運動有很大隨機性，但在封閉腔體內的運動分布仍呈現一定規(guī)律;微粒活躍度與隨機反射角、電壓幅值呈正相關，且隨著微粒半徑變化存在極大值。掌握微粒的動力學行為特征，可為微粒的危險程度評價及抑制措施研究提供重要的理論基礎和技術依據。
　　自由金屬微粒運動將進一步引發(fā)直流GIL腔體內部的局部放電，而嚴重的放電甚至會導致整個氣隙擊穿。基于微粒局部放電實驗平臺，針對電壓極性、幅值、SF6氣壓、微粒長度、微粒半徑、微粒個數等影響因素開展實驗研究

4、，探究各因素對金屬微粒運動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程度。進一步使用高速相機觀測自由金屬微粒誘導的氣隙擊穿過程，通過分析球形微粒啟舉后的電場畸變現象，并基于流注理論的微放電判據得到運動微粒與極板間的微放電特征間距，根據實驗現象將直流勻場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度的增加而增加，擊穿電壓則隨著微粒長度

5、的增加而降低。
　　除了誘發(fā)氣隙擊穿，附著金屬微粒還對絕緣子表面電荷積聚具有嚴重影響。納入微粒污染以及氣體側空間離子的產生、復合、遷移、擴散等作用，利用多物理場仿真軟件COMSOL建立了絕緣子表面電荷積聚的微觀模型，同時搭建考慮金屬微粒影響的旋轉式電荷測量平臺進行測試，仿真分析和實驗結果均表明:絕緣子表面電荷積聚與絕緣子表面場強的法向分量具有一致性;附著絕緣子表面的導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，并與微粒尖端所對電極極性相反;懸浮微粒對表面電荷積聚的影響較小，當懸浮微粒距絕緣子表面垂直距離超過4倍微粒直徑時，其對絕緣子表面電荷的影響可以忽略。
　　針對直流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金屬微粒啟舉特性的抑制機理，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金屬微粒的帶電與啟舉模型，發(fā)現直流應力下覆膜產生的靜電吸附力可顯著提高微粒的啟舉電壓，覆