直流GIL金属微粒的荷电运动机制与治理方法研究

发布时间：2019-08-28 17:35

【摘要】：鉴于当前超特高压输电走廊紧缺、分布式能源就地输送、线路跨越江河的特殊需求等问题,以及未来直流电网规划发展需要,使得直流气体绝缘输电线路(Gas insulated transmission lines,GIL)愈加受到学术界和工业界的普遍重视。在直流GIL绝缘体系中,由于生产、运输、组装、运行等阶段的机械碰撞、设备振动以及热伸缩摩擦,都会不可避免地产生金属微粒污染物,而金属微粒将在电场作用下带电、运动并引发腔体内的气隙击穿和绝缘子沿面闪络,进而造成GIL设备绝缘耐受能力显著下降,严重影响到直流输电系统的安全可靠运行。本文重点针对直流GIL中金属微粒的荷电运动机制及治理方法开展研究,所取得的成果主要包括: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,并结合弹性碰撞理论分析金属微粒与导体及外壳的非弹性随机碰撞过程,建立了球形金属微粒的运动模型。仿真和实验结果表明:相比于交流情况,直流GIL中的微粒存在贯穿电极间隙的运动,分布范围更大,危险程度更高;尽管微粒运动有很大随机性,但在封闭腔体内的运动分布仍呈现一定规律;微粒活跃度与随机反射角、电压幅值呈正相关,且随着微粒半径变化存在极大值。掌握微粒的动力学行为特征,可为微粒的危险程度评价及抑制措施研究提供重要的理论基础和技术依据。自由金属微粒运动将进一步引发直流GIL腔体内部的局部放电,而严重的放电甚至会导致整个气隙击穿。基于微粒局部放电实验平台,针对电压极性、幅值、SF6气压、微粒长度、微粒半径、微粒个数等影响因素开展实验研究,探究各因素对金属微粒运动特性以及放电特性的影响,并分析获得不同因素下微粒污染物的危险程度。进一步使用高速相机观测自由金属微粒诱导的气隙击穿过程,通过分析球形微粒启举后的电场畸变现象,并基于流注理论的微放电判据得到运动微粒与极板间的微放电特征间距,根据实验现象将直流匀场中金属微粒引起的击穿分为3种类型——静止直接击穿、微放电击穿、启举电压击穿。对于跳跃的自由线形微粒,其引起的微放电击穿间距随着微粒长度的增加而增加,击穿电压则随着微粒长度的增加而降低。除了诱发气隙击穿,附着金属微粒还对绝缘子表面电荷积聚具有严重影响。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,利用多物理场仿真软件COMSOL建立了绝缘子表面电荷积聚的微观模型,同时搭建考虑金属微粒影响的旋转式电荷测量平台进行测试,仿真分析和实验结果均表明:绝缘子表面电荷积聚与绝缘子表面场强的法向分量具有一致性;附着绝缘子表面的导电微粒能引起表面电荷积聚激增,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,并与微粒尖端所对电极极性相反;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。针对直流GIL中自由金属微粒污染物的治理,一方面,研究电极表面覆膜对金属微粒启举特性的抑制机理,并利用气体电离及界面电荷积聚理论提出直流电极覆膜时金属微粒的带电与启举模型,发现直流应力下覆膜产生的静电吸附力可显著提高微粒的启举电压,覆膜介电常数及体电导率对微粒充电时间均有显著影响,从而明确了介电常数大、体电导率小这一覆膜材料遴选原则;另一方面,基于电场分析以及捕捉实验,提出了可用于直流GIL栅格式微粒陷阱设计的特征厚宽比参数,同时对绝缘子附近金属微粒的运动行为进行了研究,并在金属微粒落点集中区域进行陷阱布置,取得较好的抑制效果,可指导工程应用设计。
【图文】：

拉西瓦水电站,隧道

目前我国的能源基地大都远离负荷中心，如何科学解决大容量远程电力输送通道问题，是我国电力发展面临的重大课题之一。高压直流输电（HVDC）具有运行损耗小、输电调节快、输送容量大等优异特性，其在远距离能源输送方面的独特优势，为上述问题的解决提供了技术途径。但与此同时，由于土地资源的日益稀缺，加之来自生态环境保护的巨大压力以及特殊地理区域的空间限制，以架空线路为主的传统电力传输通道面临严峻的现实挑战。为支撑我国当前和未来的大规模电能输送需求，在输电通道方面亟需解决三个关键问题：1）当前超特高压输电线路的走廊紧缺与空间限制问题，如复杂地理环境的大容量水电送出，大都市的电力集中接入，以及线路愈加频繁地跨江跨河等；2）解决分布式能源的就地输送问题，如将离岸大规模风电送出，以及向孤立的岛屿及海上平台供电等；3）面向十三五电力规划以及未来直流电网发展蓝图，须构建大容量、高可靠性、环境协调友好的电能传输通道。直流输电迫切需要建立一种新的电能传输模式，以突破容量、可靠性、占地、走廊、环保等多种瓶颈束缚，为此，直流 GIL（Gas insulated transmission lines，气体绝缘输电线路）应运而生，并愈加受到学术界和工业界的普遍重视[1]。

故障图,沿面闪络,绝缘子,气隙

c) 550kV 盆式绝缘子沿面闪络 d) 800kV 柱式绝缘子沿面闪络c) Flashover of 550kV basin-type insulator d) Flashover of 800kV Post insulator图 1-2 微粒引发的气隙击穿与绝缘子沿面闪络故障Fig.1-2 Particle-induced air gap breakdown and flashover along the insulator surface交流 GIL 遇到的上述绝缘问题，直流 GIL 不仅同样存在，而且情况更为复杂严峻。高压直流输电和直流电网的大规模发展呼唤直流 GIL 的设计与制造，但目前直流 GIL 尚未能推广应用，究其根源，除了设备本体与材料造价高等暂时性原因之外，还有影响设备可靠性的制约瓶颈：1）相较于交流 GIL，直流GIL 中金属微粒的活跃程度更高，绝缘子表面电荷积聚更加严重。受单极性电场应力作用，自由电荷极易发生定向移动而积聚，金属微粒运动也呈现空间非均匀的随机分布特征[4]。2）金属微粒与空间电荷两大问题交互混叠，形成突出的耦合效应。更加活跃的金属微粒，，将与空间电荷、界面电荷发生更频繁的交互作用，使得空间电荷也会因为微粒的存在而富集，而界面电荷积聚机制也会产生特殊变异。当金属微粒污染物在电场中荷电并在电极间运动时，将造成严重的电场畸变及动态变化，甚至直接导致主气隙击穿，而其一旦出现在绝缘子附近或附着在绝缘子表面，将显著降低气固组合绝缘耐电强度，进而引发绝缘
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM75

【参考文献】