GIL内部金属微粒问题研究进展

GIL作为中国能源电力互联网建设中一种重要的新型输电设备,在许多大型工程中都得到了广泛的应用。但随着GIL应用日益增多,由金属微粒污染物造成的内部绝缘劣化问题也日渐突出,很有必要对GIL内部金属微粒运动行为与放电特性的机理开展深入研究。文中从金属微粒的形状与材质、金属微粒的尺寸与数量、金属微粒的存在状态、金属微粒受电场作用的大小与类型、绝缘子类型与表面状况5大角度对国内外研究工作进行了归纳总结,给出了典型金属微粒的受力分析模型及计算公式,论述了金属粉尘群的潜在危险,对比了固定金属微粒与自由金属微粒的运动规律,以及交流、直流、冲击等典型电压下金属微粒的运动变化,并依据GIL内部不同绝缘子类型对表面电荷积聚及沿面闪络机理进行了分析。

冲击振动激励下GIS内自由金属微粒运动及其诱发间隙击穿特性

大量GIS故障案例表明,断路器带电操作后的一段时间内,气室中常突发由金属微粒引起的间隙击穿故障。断路器操作产生的冲击振动可以有效地激励GIS中多个潜伏性微粒的起跳,但多个微粒起跳后在运动过程中诱发间隙击穿的过程尚不明确。针对于此,本研究在252kV真型GIS实验平台上进行了多微粒共存时的断路器带电操作实验,以复现GIS运行过程中微粒在冲击振动激励下的运动过程,并探究多微粒被激励起跳后诱发GIS放电故障的机理。研究表明,在带电实验中未操作断路器时,耐压期间自由金属微粒存在较大的概率可运动至气室的末端,并保持静止,形成了多微粒的聚集;在带电操作断路器后,多微粒受到壳体冲击振动的激励而起跳,并在起跳后的运动过程中于气隙间形成了多微粒串联击穿现象,而且断路器带电操作时多微粒引起的击穿电压总是低于耐压期间的击穿电压。基于流注放电理论,研究认为相较于耐压期间分散性的多微粒,带电操作前已形成聚集的多微粒彼此靠近,在操作后的运动过程中对电场的畸变能力更强,因此形成多微粒的串联击穿电压更低。

金属微粒影响三电极气体火花开关击穿过程的仿真研究

气体火花开关在脉冲功率技术中得到了大量应用,但由于脉冲功率技术大电流高电压的特点,气体火花开关在使用过程中很容易对电极表面造成烧蚀,烧蚀产生的金属微粒会显著影响开关的稳定性和可靠性.本文首先针对大气压氮气环境下的三电极气体火花开关放电过程进行建模,对触发极边缘高场强区域的电离系数进行修正,使用场致电子发射电流模拟初始电子产生的过程,深入探究开关导通的物理机理,详细叙述开关击穿过程各阶段的放电形态.接着研究了金属微粒对于击穿过程的影响,研究表明金属微粒的存在增强了触发极附近的电场,加速了初始电子云的产生,同时金属微粒与触发极之间会率先击穿,并成为后续流注发展的源头.除此之外,金属微粒对于流注的传播具有阻碍作用,使放电通道产生分支.最后本文讨论了不同形状以及尺寸的金属微粒对于放电过程的影响,这些都为进一步研究三电极气体火花开关放电过程以及金属微粒诱发开关击穿的物理机理提供了理论支撑.

流动变压器油中金属微粒分布规律及其对击穿电压的影响机制

作为对变压器液相绝缘危害最严重的污染杂质,金属微粒若在油间隙内部发生聚集,由于其强导电性,会大大缩短油隙的绝缘有效距离,甚至在外加电场的持续作用下引发绝缘击穿。为此构建了流动油中金属微粒分布与击穿特性测试平台,开展了交流电压下流动变压器油中金属微粒的分布规律与击穿特性试验,结合仿真,讨论了金属微粒分布特征对绝缘油击穿电压的影响机制,试验结果表明:一旦变压器油开始流动,微粒将难以在高场强区域聚集。随着电场场强的提升,微粒的聚集浓度增大。随着预压场强的增加,击穿电压的Weibull分布曲线均向左移动,其中位于低流速区的曲线偏移更为显著。仿真得到金属微粒在电极间的聚集情况,进一步分析了微粒在电极间的受力情况,理清了金属微粒聚集特性对击穿特性的影响机制。

110 kV GIS内不同形态金属微粒附着缺陷电场分析

全封闭组合电器(Gas insulated switchgear,GIS)广泛应用于高压变电领域,其安全稳定运行对于电力系统来说至关重要,而金属微粒附着缺陷是导致GIS设备故障的主要原因之一。基于有限元仿真建立了110 kV GIS设备的仿真模型,模拟了不同形状以及多个金属微粒附着缺陷对GIS设备电场的影响情况。结果显示,细长型微粒处电场畸变随狭长程度增大而增大;带尖刺微粒尖角在60°时电场畸变较严重;圆形片状微粒越薄,电场畸变越严重;多微粒附着电场畸变主要为其中两个微粒作用,随着微粒径向间隔距离增大而增大,而其余与单个微粒附着时情况相近;各形状金属微粒引起的电场畸变程度从大到小依次为:圆形片状>线形>矩形片状>球形。计算结果可对于GIS内固体绝缘表面金属微粒附着缺陷的局放检测和诊断分析具有参考价值。

不同位置的金属微粒对GIS隔离开关电场的影响分析

隔离开关作为GIS的重要组成部件,如果有金属微粒等异物存在,将对隔离开关的绝缘性能产生影响。因此,计算GIS隔离开关带金属微粒时的电场分布至关重要。文中采用三维有限元分析计算方法对隔离开关无金属微粒和不同位置带金属微粒两种工况进行了电场强度计算。对比计算结果可知,屏蔽罩表面附着金属微粒所产生的电场畸变最为严重,绝缘拉杆表面和SF6气体中的金属微粒也会大大增加场强值,导致隔离开关极易放电。基于电场分析所得的计算结果,文中对隔离开关的生产和安装提出了合理的建议。

交流GIS/GIL绝缘子介电功能梯度化设计与金属微粒驱离方法研究

气体绝缘金属封闭开关(GIS)设备内部的金属微粒污染物会引起严重的电场畸变,进而诱发绝缘子沿面放电。针对此问题,本文提出一种介电功能梯度绝缘子的金属微粒驱离方法,仿真研究盆式绝缘子周围电场分布以及金属微粒运动特性。结果表明:GIS外壳表面释放的金属微粒受到轴向电场力作用,有朝着绝缘子运动的趋势。叠层式功能梯度(ε_(L)-FGM)绝缘子的介电常数沿径向递减,可在均匀沿面电场分布的同时,使金属微粒所受的电场力方向随轴向电场反转,让金属微粒远离绝缘子运动。然而,ε_(L)-FGM绝缘子GIS使外壳表面电场增强,使金属微粒运动高度较均匀绝缘子上增大约2.7倍。与ε_(L)-FGM绝缘子相比,基于拓扑优化算法设计的具有空间介电常数梯度的ε_(T)-FGM绝缘子减小了金属微粒跳跃高度,具有更佳的电场调控与微粒抑制效果。

直写成型中金属微粒悬浮液相分离数值模拟研究

为研究金属微粒直写成型中悬浮液的流动特性,制备了粒径为Φ50μm的316L不锈钢微粒悬浮液,根据直写成型实验与Eulerian多相流模型,对悬浮液流动过程中的固液分离现象进行了数值模拟研究。结果表明,金属微粒悬浮液流动时的相分离现象与流域横截面积改变及微粒粒径有关,在横截面积由小变大的区域,微粒与溶液易产生离散现象,在横截面积由大变小区域则微粒容易聚集;横截面积改变程度越小,分离现象越弱,减小微粒粒径也可减弱悬浮液相分离程度,当粒径降至Φ10μm时可基本消除相分离。

机-电联合作用下SF_(6)气体中金属微粒运动行为与局部放电特性研究

为探究气体绝缘金属封闭开关设备内金属微粒在机械振动和高压电场联合作用下的放电运动特性,基于机械振动与交流电压联合试验平台,对不同机-电状态下自由金属微粒运动产生的超声波信号及放电信息进行测量,分析了机-电联合作用下金属微粒的放电特性及运动规律。试验结果表明:随着机械振动幅值、频率的增加,金属微粒的局部放电起始电压减小,且高振动频率时微粒放电分散性降低;机-电联合作用下,放电活动更加剧烈,局部放电相位分布谱图分散性增大,超声飞行谱图整体保持三角脉冲群的典型特征,且脉冲群周期为工频周期;随着机械振动、电压幅值的升高,飞行谱图不断向前发展,产生“双峰”和“三峰”的形态。研究结果有助于气体绝缘组合开关实际运行过程中自由金属微粒的检测与分析。

稍不均匀直流电场下静止与流动变压器油中金属微粒聚集特性

换流变压器阀侧电压中直流分量的存在会加剧杂质颗粒的聚集,而变压器油流会对其聚集特性产生影响。利用所搭建的变压器油循环流动装置,分别开展了静止和流动变压器油中自由金属微粒在不同电压、微粒粒子数密度及油流速度下的直流聚集试验,采用高速相机拍摄了电极间隙内金属微粒的聚集图像,并记录了微粒聚集过程中泄漏电流的变化。试验结果表明:金属微粒在静止与流动油中均会在间隙中心区域聚集,且聚集的金属微粒不断在电极间往复运动;聚集的金属微粒数及间隙泄漏电流均随电压大小和微粒粒子数密度的升高而增加,随流速的升高呈先增后减的分段式变化规律,低速油流(≤0.02 m/s)促进微粒聚集,而高速油流(>0.02 m/s)抑制微粒聚集。结合油中金属微粒的受力及运动特征,对静止变压器油中金属微粒的运动轨迹进行了分类,阐明了静止油中金属微粒在间隙中心区域聚集的机理,并分析了变压器油流对金属微粒聚集的影响。

含自由金属微粒流动变压器油的直流击穿特性

自由金属微粒的污染是导致油浸式电力变压器绝缘性能下降的重要原因之一,其运动行为与分布规律会受到油流的影响,从而导致变压器油的击穿特性发生变化,目前流动状态下含金属微粒变压器油的击穿特性和机理均不明确。该文利用所构建的流动变压器油击穿特性试验平台,分别开展了无预压和有预压两种方式下变压器油的击穿试验,并记录了击穿前微粒的分布规律以及击穿时刻的放电信号。观测结果表明:无预压时,击穿前油隙内仅存在少量游离的金属微粒,而有预压后微粒则会在油流静止和较低流速时于电极间汇聚,显著提高击穿前的微粒浓度;此外,含金属微粒变压器油的特征击穿电压将随着流速的增大先迅速上升随后逐渐趋于稳定。在流速小于0.25 m/s时,预压后的击穿电压将低于无预压时,随流速的增大而逐渐接近。通过击穿过程观测发现含微粒变压器油的击穿均是由单颗金属微粒引起的,其在靠近上电极时将引发局部放电从而导致击穿的发生。最后,结合油隙内微粒分布的变化情况讨论了油流速度对变压器油击穿特性的影响机制。

SF_(6)直流穿墙套管金属微粒产生过程模拟及沿面闪络特性研究

穿墙套管是特高压直流输电工程中不可替代的关键装备。在SF_(6)气体绝缘直流穿墙套管内,部件间的相互摩擦会产生大量金属微粒,这是引发其内绝缘失效的主要原因之一。因此,研究金属微粒的产生过程和形貌特征,进而研究其对闪络的影响具有重要意义。该文计算某特高压工程中昼夜温差与风致振动工况下触指的振动幅值和频率,开展触指磨损实验,基于磨损产物进行金属微粒吸附实验以及闪络电压测量实验。结果表明:脉动风作用下的触指磨损程度较大,是金属微粒的主要来源;在粘着磨损以及磨粒磨损的耦合作用下,产生的微粒基本处于微米级,材料包括铝、银、锌和铜,大微粒多为片状,小微粒多为椭球状;在库仑力的作用下,微粒主要在绝缘支柱法向电场较大的表面吸附;附着微米级金属微粒可以使得环氧闪络电压下降20%。该研究结果可为金属微粒对绝缘特性影响的研究提供选型参考。

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。

直流GIS内金属微粒研究综述:从运动特性、电荷积聚到抑制策略

在直流气体绝缘设备中,金属微粒受力启举后,很难进入静止状态,且金属微粒会引起表面电荷积聚,可能会诱发绝缘子附近电场畸变,甚至引发沿面闪络。目前,国内外学者在金属微粒对绝缘子的危害及微粒活性抑制策略等方面进行了充分并卓有成效的研究。对金属微粒荷电运动特性、微粒引起的表面电荷分布情况及金属微粒活性抑制策略进行了综述。首先探讨了金属微粒的荷电运动及受力情况,其次概述了金属微粒对电荷积聚的影响。此外,归纳了金属微粒运动的抑制措施,重点描述了微粒陷阱和电极覆膜两种方法,最后为未来的研究工作提供了一些建议。

含金属微粒流动变压器油的直流局部放电与击穿特性研究

自由金属微粒通常被视为换流变压器液相绝缘中危害最大的污染杂质之一,可导致设备的局部放电(PD)起始电压与击穿电压显著降低。本文构建了变压器油循环系统,开展含金属微粒变压器油在不同油流速度下的直流局部放电与击穿试验,并提取PD特征量,获取了特征击穿电压随油流速度的变化,然后结合油隙的微粒分布影像,讨论油流速度对局部放电和击穿特性的影响机制。结果表明:油静止时,含金属微粒变压器油的局部放电程度最高,随着油流速度的增大,局部放电起始电压升高,放电重复率和单位时间累积放电量降低;油静止时,含金属微粒变压器油的击穿电压最低,随着油流速度的增大,击穿电压的Weibull分布曲线右移,特征击穿电压升高,即油流动提升了变压器油的绝缘性能,大幅降低了击穿发生的可能性。

GIS内部金属微粒运动规律与复合电压调控检测方法

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。

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。

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。

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(GIL)以其输送容量大、占地面积小、传输损耗小等优点,在许多场合成为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运动轨迹。最后针对金属微粒陷阱布置提出建议,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。