GIL中金屬微粒治理方法研究進(jìn)展

律方成，趙正楊，詹振宇，馬康

(1.新能源與電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京 102206；2. 河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，河北 保定 071003)

氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas insulated transmission line，GIL)是一種外殼與導(dǎo)體同軸布置的高電壓、大電流、長(zhǎng)距離電力傳輸設(shè)備，其腔體內(nèi)部常采用高氣壓的SF6-N2作為絕緣介質(zhì)，可以作為架空輸電和電纜輸電的補(bǔ)充。因具有傳輸容量大、損耗小、無(wú)電磁干擾、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，GIL在未來(lái)輸電方式中具有廣泛的應(yīng)用前景。當(dāng)前GIL的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還存在一些亟待解決的問(wèn)題，其中由金屬微粒引發(fā)的GIL絕緣強(qiáng)度降低是影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素[1-3]。

GIL與GIS結(jié)構(gòu)相似，區(qū)別在于：GIL具有氣室長(zhǎng)度更大、結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、絕緣氣體為氣壓更高的SF6-N2的混合氣體而非純SF6氣體等特點(diǎn)；除盆式絕緣子外，GIL還會(huì)使用三支柱絕緣子對(duì)導(dǎo)體起支撐作用。在GIL的生產(chǎn)、運(yùn)輸、裝配和運(yùn)行過(guò)程中，清理設(shè)備不完善、設(shè)備受擠壓或摩擦等原因會(huì)不可避免地產(chǎn)生金屬微粒；同時(shí)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中可能存在的火花放電會(huì)進(jìn)一步燒蝕GIL零部件，也會(huì)產(chǎn)生金屬微粒。統(tǒng)計(jì)表明這些金屬微粒材料以鋁、鐵和不銹鋼為主，形狀多為線形、球狀和粉末狀，且尺寸一般較小，大多為毫米級(jí)[4-5]。這些微粒在GIL中會(huì)帶電并在電場(chǎng)作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

金屬微粒會(huì)造成GIL系統(tǒng)絕緣性能降低，尤其是在盆式和支柱絕緣子附近，微粒會(huì)附著在絕緣子表面引起絕緣子沿面閃絡(luò)，導(dǎo)致多數(shù)場(chǎng)合下絕緣子成為系統(tǒng)整體絕緣的最薄弱環(huán)節(jié)和決定性因素[4-5]，其次金屬微粒在氣隙間運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致氣隙發(fā)生擊穿；因此探索高效的微粒治理方法，有效地抑制自由金屬微粒的運(yùn)動(dòng)，對(duì)提高GIL的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外科研人員就如何降低微粒對(duì)GIL系統(tǒng)絕緣強(qiáng)度的破壞提出了多種微粒治理的措施，主要包括：微粒陷阱、電極表面覆膜和預(yù)埋電極等[4-6]。

本文首先分析了GIL系統(tǒng)中金屬微粒的運(yùn)動(dòng)特性，總結(jié)前人在微粒治理方面的研究成果，比較了各治理方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并基于以上內(nèi)容就治理方法的發(fā)展方向提出了建議。

1 金屬微粒的運(yùn)動(dòng)特性及對(duì)GIL絕緣的危害

1.1 運(yùn)動(dòng)特性

金屬微粒的運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致GIL絕緣強(qiáng)度降低的重要因素，而微粒的運(yùn)動(dòng)特性與外施電壓類(lèi)型和微粒的形狀密切相關(guān)。當(dāng)微粒位于盆式絕緣子附近區(qū)域時(shí)，其受力分析如圖1所示，主要受到庫(kù)侖力Fq(水平分量Fqx、徑向分量Fqz)、電場(chǎng)梯度力Fgrad(水平分量Fgradx、徑向分量Fgradz)和重力G，此外運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的微粒還會(huì)受到阻礙微粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻力Ff，接下來(lái)分別對(duì)微粒在直流電壓和交流電壓作用下的運(yùn)動(dòng)特性做出分析。

HVE—高壓極，high voltage electrode的縮寫(xiě)；GE—接地極，ground electrode的縮寫(xiě)。圖1 微粒的受力分析Fig.1 Force analysis of particles

1.1.1 直流電壓

施加直流電壓時(shí)，GIL中電場(chǎng)方向恒定不變，金屬微粒受到的電場(chǎng)力是單極性作用力，其運(yùn)動(dòng)活性較強(qiáng)，通常表現(xiàn)為微粒啟舉即可發(fā)生貫穿間隙的運(yùn)動(dòng)。

直流場(chǎng)中球形微粒的運(yùn)動(dòng)如圖2(a)所示，球形微粒在直流電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)可以分為3個(gè)階段：水平滾動(dòng)階段、起跳階段和反彈階段[7-9]。與球形微粒相比，線形微粒自身結(jié)構(gòu)的不均勻?qū)е缕湓陔妶?chǎng)作用下自身的電荷分布存在極性，王健等人研究結(jié)果顯示當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“場(chǎng)強(qiáng)”)達(dá)到線形微粒啟舉場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)如圖2(b)所示，微粒會(huì)平行浮起隨后發(fā)生傾斜并劇烈旋轉(zhuǎn)。此外線形微粒在直流電場(chǎng)中還會(huì)存在特有的運(yùn)動(dòng)形式，即“飛螢現(xiàn)象”[8,10-11]。

圖2 直流場(chǎng)中微粒的運(yùn)動(dòng)[4]Fig.2 Movement of particles in the DC field[4]

1.1.2 交流電壓

在交流電場(chǎng)中，金屬微粒的運(yùn)動(dòng)活性會(huì)大幅度降低。微粒所受電場(chǎng)力具有交變性，所以通常情況下微粒首次啟舉后并不會(huì)發(fā)生貫穿性運(yùn)動(dòng)，而是在外腔體內(nèi)壁進(jìn)行往復(fù)式的小跳躍，經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)后有可能會(huì)到達(dá)高壓電極[12-15]。當(dāng)外施電壓較高時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)微粒首次啟舉即貫穿電極間隙的情況。

交流電壓下球形微粒的運(yùn)動(dòng)如圖3(a)所示：當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)接近微粒啟舉場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，球形微粒會(huì)在外腔體內(nèi)壁往復(fù)滾動(dòng)，并發(fā)生小幅度的振諧運(yùn)動(dòng)[14]；當(dāng)與盆式絕緣子碰撞后會(huì)反方向彈回，一般情況下不會(huì)吸附在絕緣子表面[7,13]。對(duì)于線形微粒，如圖3(b)所示：當(dāng)微粒所受電場(chǎng)力接近重力時(shí)，微粒開(kāi)始小幅跳動(dòng)并發(fā)生水平運(yùn)動(dòng)，最終在絕緣子表面下部區(qū)域形成吸附，不再運(yùn)動(dòng)；繼續(xù)增大場(chǎng)強(qiáng)，微粒也不會(huì)再運(yùn)動(dòng)[13,16]。

圖3 交流電壓下微粒的運(yùn)動(dòng)[7]Fig.3 Movement of particle in the AC field[7]

1.2 對(duì)GIL絕緣的危害

金屬微粒對(duì)GIL絕緣性能的危害主要包括以下3個(gè)方面。

a)局部放電。在電場(chǎng)中線形微粒尖端處電場(chǎng)會(huì)發(fā)生畸變導(dǎo)致該處局部場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)，使周?chē)^緣氣體發(fā)生電離現(xiàn)象，電離產(chǎn)生的電子被周?chē)娯?fù)性很強(qiáng)的SF6氣體分子所俘獲形成大量的負(fù)離子，因此產(chǎn)生比較微弱且很不穩(wěn)定的局部放電[10,17]。隨著外施電壓升高，微粒尖端附近會(huì)形成間歇性或連續(xù)性的放電通道，從而形成持續(xù)的局部放電，而長(zhǎng)期的局部放電會(huì)逐漸導(dǎo)致系統(tǒng)的絕緣劣化[17-18]。

b)間隙擊穿。當(dāng)微粒運(yùn)動(dòng)至高壓導(dǎo)體附近時(shí)，微放電現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致微粒與高壓導(dǎo)體等電位，此時(shí)微粒相當(dāng)于高壓導(dǎo)體的毛刺，從而縮短了高壓電極與外腔體的電氣距離[8,19-20]，進(jìn)而降低系統(tǒng)擊穿電壓，有可能引發(fā)間隙擊穿。與球形相比，線形微粒的微放電間距較大，微放電間距和微粒長(zhǎng)度疊加值(即等效的毛刺)越長(zhǎng)，使高壓電極距離外殼的電氣距離越小，因此線形微粒對(duì)間隙擊穿電壓的影響更顯著。

c)沿面閃絡(luò)。運(yùn)動(dòng)的線形和粉塵類(lèi)微粒與絕緣子碰撞后易形成吸附作用，微粒附著在絕緣子表面會(huì)加劇表面電荷積聚誘發(fā)局部放電[21-25]，并引發(fā)沿面閃絡(luò)。微粒附著在絕緣子不同位置對(duì)絕緣性能的影響程度會(huì)有很大的差異。微粒附著在絕緣子兩端與電極接觸時(shí)，絕緣子表面積聚電荷的極性與微粒所接觸電極極性相同，絕緣子表面電荷密度僅增大到潔凈時(shí)的2～5倍，該情況下微粒對(duì)絕緣子的閃絡(luò)電壓影響較??；但當(dāng)金屬微粒附著在絕緣子表面中間位置時(shí)，積聚電荷極性與電極極性相反，積聚電荷與電極之間形成的電場(chǎng)有較大的法向分量會(huì)加劇電荷的積聚作用[26-29]。文獻(xiàn)[22]研究顯示微粒附著于絕緣子正中間位置可使絕緣子表面電荷密度劇增到潔凈時(shí)的40～60倍，導(dǎo)致絕緣子沿面閃絡(luò)電壓大幅度降低。

GIL中金屬微粒出現(xiàn)貫穿間隙的運(yùn)動(dòng)，或者與絕緣子碰撞并附著在其表面均會(huì)導(dǎo)致GIL絕緣強(qiáng)度大幅下降，因此有效地抑制金屬微粒的運(yùn)動(dòng)對(duì)于GIL的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

2 微粒陷阱

微粒陷阱是一種在GIL外腔體內(nèi)壁通過(guò)開(kāi)槽等手段，構(gòu)造低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域進(jìn)而捕獲微粒的方法。該方法可有效地提高槽內(nèi)微粒的啟舉電壓，同時(shí)用來(lái)捕獲運(yùn)動(dòng)的自由金屬微粒并使之惰性化，是當(dāng)前GIL中最常用的微粒抑制措施。

2.1 陷阱捕獲研究

微粒陷阱是當(dāng)前實(shí)際工程中應(yīng)用最廣泛的高效微粒抑制措施，目前被廣泛研究的有柵格類(lèi)和條形類(lèi)2類(lèi)陷阱，它們通常被布置在盆式絕緣子附近0～10 cm處和支柱絕緣子下部[30]，其實(shí)物圖如圖4、5所示。

圖4 柵格陷阱[30]Fig.4 Grid trap[30]

圖5 條形陷阱[30]Fig.5 Strip trap[30]

微粒陷阱置于腔體內(nèi)對(duì)周?chē)妶?chǎng)造成畸變，使得陷阱頂部和周?chē)鷪?chǎng)強(qiáng)增大，致使帶電自由金屬微粒在電場(chǎng)梯度力的作用下向陷阱周?chē)拷黐30-33]。微粒陷阱與外腔體內(nèi)壁接觸形成等電位，金屬凹槽壁的屏蔽效應(yīng)使得陷阱槽底部場(chǎng)強(qiáng)變得非常小。運(yùn)動(dòng)的微粒進(jìn)入陷阱內(nèi)部后，場(chǎng)強(qiáng)的急劇變小導(dǎo)致其所受電場(chǎng)力也隨之變小，當(dāng)電場(chǎng)力不足以再克服重力時(shí)，微粒就不能從陷阱中再次運(yùn)動(dòng)出去，進(jìn)而被陷阱所捕獲[34-36]。另外，華北電力大學(xué)汪佛池等人指出，進(jìn)入陷阱的微粒會(huì)與陷阱壁發(fā)生碰撞損失動(dòng)能，這也有助于微粒的捕獲[37]。

在此基礎(chǔ)上，J.G.Trump和美國(guó)西屋電力公司設(shè)計(jì)了一種安裝在內(nèi)導(dǎo)體的支撐絕緣子上的微粒陷阱[35-36](如圖6、7所示)，其與外腔體內(nèi)壁分離開(kāi)一定的距離，但與外殼同電位。凹陷結(jié)構(gòu)兩側(cè)的金屬的屏蔽作用，使陷阱內(nèi)部成為局部場(chǎng)強(qiáng)較弱的地方，故而沒(méi)有足夠的電場(chǎng)力使帶電粒子運(yùn)動(dòng)到內(nèi)電極而引起放電[38]。J.G.Trump通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在電壓低于200 kV時(shí)，用15個(gè)槽的充滿式柵格陷阱就可以捕獲99%～100%的鋁微粒[34]。

圖6 陷阱在GIL內(nèi)的安裝圖[35]Fig.6 Mounted diagram of particle trap in GIL[35]

圖7 帶陷阱的GIL橫截面[35]Fig.7 Cross sectional view of GIL with particle traps[35]

ABB公司也在高壓器具設(shè)計(jì)了微粒陷阱，用于治理運(yùn)動(dòng)的微粒[39]，其設(shè)計(jì)的陷阱都是安裝在設(shè)備外腔體的內(nèi)部，與外腔體同電位，如圖8所示。

圖8 微粒陷阱的2種形式[39]Fig.8 Two styles of particle traps[39]

一種陷阱是與外腔內(nèi)壁完全貼和的充滿式陷阱(圖8右側(cè))，這種陷阱通過(guò)微粒起跳越過(guò)陷阱邊緣落入陷阱的方式捕獲微粒[40]。但是對(duì)于交流GIL中的大顆粒微粒，由于電場(chǎng)的交變性微粒的起跳幅值很小，可能不足以使微粒越過(guò)陷阱邊緣進(jìn)入陷阱[34,40]。所以又設(shè)計(jì)了另一種陷阱底部與外腔體內(nèi)壁間留有約5 mm間隙的提上式柵格陷阱(圖8左側(cè))，這種陷阱增加了微粒不起跳或小幅起跳便可從陷阱下方滾入陷阱的捕獲方式，大幅提高了交流GIL中微粒的捕獲率。比較2種柵格類(lèi)陷阱，提上式陷阱中60%的微粒通過(guò)間隙滾入被捕獲，且微粒捕獲的起始電壓要低于充滿式陷阱[31,34]。對(duì)充滿式陷阱進(jìn)行演變，即直接在外腔體內(nèi)壁形成陷阱，如上海思源設(shè)計(jì)公司在外腔體上設(shè)計(jì)具有一定角度的坡面陷阱[41](如圖9所示)，借重力來(lái)輔助捕獲微粒。

圖9 坡面微粒陷阱[41]Fig.9 Slope particle traps[41]

柵格陷阱會(huì)對(duì)電場(chǎng)產(chǎn)生較大程度的畸變，在形成陷阱底部的低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域同時(shí)也會(huì)造成陷阱頂部邊緣局部場(chǎng)強(qiáng)增大，最大增幅可達(dá)1倍，這可能導(dǎo)致局部放電危害絕緣[30,42]；因此，研究人員基于提上式陷阱的微粒捕獲原理，研究設(shè)計(jì)了對(duì)電場(chǎng)畸變程度更小的條形陷阱[30]。圖10所示即為文獻(xiàn)[30]通過(guò)仿真研究126 kV GIL系統(tǒng)中柵格類(lèi)和條形類(lèi)陷阱對(duì)GIL場(chǎng)強(qiáng)E的影響。圖10(a)所述的距離和部位是與有陷阱時(shí)對(duì)應(yīng)的位置。

圖10 126 kV同軸系統(tǒng)的場(chǎng)強(qiáng)分布[30]Fig.10 Field distribution of 126 kV coaxial system[30]

因提上式陷阱附近的場(chǎng)強(qiáng)略強(qiáng)于開(kāi)口處場(chǎng)強(qiáng)，所以被捕獲的微粒容易停留在陷阱兩端的開(kāi)口處，或者停留在距離開(kāi)口的10～20 mm位置[33-34]，只有進(jìn)一步提升電壓才能使微粒進(jìn)入陷阱，這就可能增加間隙擊穿的概率。為克服上述缺點(diǎn)，S.J.Dale和美國(guó)西屋電力公司在提上式陷阱兩端各加1個(gè)由絕緣材料制成的唇形物來(lái)改進(jìn)陷阱[31,33-34]，如圖11所示。唇形物向內(nèi)導(dǎo)體方向彎曲，微粒碰撞唇形物會(huì)折射落入陷阱中；唇形物還能阻止在電壓的升降過(guò)程中微粒離開(kāi)陷阱；另外，改進(jìn)后的陷阱還可以大幅縮短捕獲微粒所需時(shí)間[34]。

圖11 帶唇形物的陷阱結(jié)構(gòu)[33]Fig.11 Particle trap with lips[33]

因直流電壓的單極性，常用的交流陷阱用在直流時(shí)，微粒從陷阱中逃逸出的概率會(huì)大幅增加，為了降低微粒的逃逸概率，會(huì)在陷阱底部使用一層膠粘劑[33-34]；對(duì)于直接在外殼上形成類(lèi)陷阱，直流GIL會(huì)考慮使用形成自然低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域和阻礙微粒軸向運(yùn)動(dòng)的鍵槽式陷阱[34,43]，如圖12所示。另外，根據(jù)增加運(yùn)動(dòng)微粒與壁面碰撞降低動(dòng)能可以幫助陷阱捕獲微粒的原理，上海電力學(xué)院淡淑恒等人設(shè)計(jì)了一種棚式微粒陷阱(如圖13所示)，這種陷阱對(duì)微粒的捕獲率取決于陷阱入口的電場(chǎng)水平分量Ex，能夠大幅降低微粒逃逸出陷阱的概率[44]。

圖12 鍵槽式微粒陷阱[34]Fig.12 Grooved particle trap[34]

圖13 棚式微粒陷阱[44]Fig.13 Shed particle trap [44]

2.2 陷阱設(shè)計(jì)與捕獲性能評(píng)價(jià)

在實(shí)驗(yàn)研究和工程實(shí)際應(yīng)用中，常用陷阱對(duì)同種微粒的捕獲率來(lái)評(píng)判陷阱性能。陷阱的深度、寬度和布置位置，微粒的形狀和大小，外施電壓的波形、大小和升壓速率等都會(huì)對(duì)陷阱的性能產(chǎn)生影響。

陷阱的深度和寬度作為影響陷阱周?chē)妶?chǎng)分布的決定性因素，對(duì)于微粒的捕獲具有決定性的影響。文獻(xiàn)[45]就陷阱的深度和寬度對(duì)陷阱的性能進(jìn)行了研究，陷阱底部的平均場(chǎng)強(qiáng)Eav與陷阱深度h、寬度b的關(guān)系如圖14所示，發(fā)現(xiàn)陷阱底部的平均場(chǎng)強(qiáng)會(huì)隨著陷阱寬度的增加而增大，隨陷阱深度的增加而減小[39]。陷阱底部場(chǎng)強(qiáng)的不同導(dǎo)致捕獲性能的差異，文獻(xiàn)[45]研究雖然發(fā)現(xiàn)陷阱底部的場(chǎng)強(qiáng)會(huì)隨著陷阱深度的增加而減小，但在進(jìn)行陷阱的捕獲率的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，捕獲率并不會(huì)隨陷阱深度的增加而不斷提高，陷阱對(duì)微粒的捕獲率總體上呈現(xiàn)隨著深寬比k值(k=h/b)的增加而先增加然后減少的趨勢(shì)。

圖14 陷阱底部場(chǎng)強(qiáng)與陷阱寬度的關(guān)系[45]Fig.14 Relationship between the field at the bottom and the width of the trap[45]

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，不同深寬比的陷阱對(duì)半徑r=0.1～0.3 mm的球形金屬顆粒的捕獲率始終維持在75%～97%，性能差距最大達(dá)20%[46]，如圖15所示。所以選擇合適深度和寬度的陷阱對(duì)提高微粒的捕獲率具有重要意義。

圖15 捕獲率與陷阱深寬比的關(guān)系[45]Fig.15 Relationship between capture rate and trap aspect ratio[45]

陷阱的安裝位置對(duì)微粒的捕獲效果也會(huì)產(chǎn)生較大影響。汪佛池等人通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)研究安裝陷阱前后微粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，結(jié)果表明在外腔體內(nèi)壁不同位置安裝單個(gè)柵格陷阱，微粒的捕獲率會(huì)存在較大差異。在微粒水平滾動(dòng)臨界位置前段裝設(shè)陷阱，可以完全捕獲陷阱外側(cè)的微粒，但陷阱設(shè)置在臨界位置后段時(shí)部分微粒將會(huì)越過(guò)陷阱抵達(dá)高壓電極[37,40]，如圖16所示；因此，找準(zhǔn)陷阱的安裝位置，對(duì)最大限度地發(fā)揮陷阱對(duì)微粒的捕獲效果至關(guān)重要。圖16中x為微粒的水平位置，z為微粒的徑向位置。

圖16 臨界位置兩側(cè)設(shè)置陷阱微粒的運(yùn)動(dòng)特性(電壓U=16.4 kV，微粒直徑a=1 mm)[38]Fig.16 Movement characteristics of trap particles on both sides of critical position[38]

另外，線形微粒更容易在設(shè)備內(nèi)發(fā)生運(yùn)動(dòng)和反彈，且線形微粒尺寸越大其運(yùn)動(dòng)的速度越快，捕獲難度越高。與之相比，陷阱對(duì)球形微粒的捕獲率更高[47-50]，對(duì)大顆粒微粒(半徑r>2 mm)的捕獲效果要優(yōu)于小顆粒微粒(半徑r≤2 mm)，捕獲率與微粒半徑呈近似對(duì)數(shù)函數(shù)的關(guān)系[46,48]。

陷阱可以在不改變?cè)蠫IL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)微粒進(jìn)行抑制，可以對(duì)現(xiàn)存系統(tǒng)直接加裝陷阱裝置，安裝方便快捷，經(jīng)濟(jì)成本低；且該方法對(duì)微粒的抑制效果也很好，球形金屬微粒的捕獲率高達(dá)90%[34,46]，是一種被廣泛采用的行之有效的微粒治理措施；另外它與其他微粒治理措施兼容性好，其理論和實(shí)踐研究也較為成熟，具有較好的應(yīng)用開(kāi)發(fā)和優(yōu)化前景。但是，微粒陷阱在形成底部低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致頂端場(chǎng)強(qiáng)的增大和周?chē)妶?chǎng)的畸變，有研究表明安裝陷阱后頂端場(chǎng)強(qiáng)會(huì)提高10%～100%[51-53]，陷阱的棱角邊緣場(chǎng)強(qiáng)增大最嚴(yán)重，影響范圍會(huì)隨著陷阱寬度增大而增大，這就可能導(dǎo)致微粒的啟舉電壓降低[43,54]；其次陷阱對(duì)線形和粉塵類(lèi)金屬微粒的捕獲效果一般，尤其是直流輸電系統(tǒng)中的大型線形微粒和粉塵微粒；另外陷阱不能提高微粒的啟舉場(chǎng)強(qiáng)，對(duì)貫穿性微粒運(yùn)動(dòng)抑制效果不佳。

2.3 微粒陷阱研究趨勢(shì)

為了改善陷阱的治理效果，研究人員在不斷地進(jìn)行探究。未來(lái)新型陷阱的主要發(fā)展方向?yàn)椋?/p>

a)對(duì)陷阱棱角邊緣進(jìn)行合適的倒圓角處理，降低棱角對(duì)電場(chǎng)畸變的影響[40]；

b)在外殼直接形成用于粒子捕集器的“自然”低場(chǎng)區(qū)域，如將外殼制造成波紋狀[53]；

c)優(yōu)化陷阱結(jié)構(gòu)，如采用傘型陷阱增加微粒與壁的碰撞次數(shù)，減小微粒逃逸出陷阱的概率[44]。

3 外腔體內(nèi)壁覆膜抑制措施

電極覆膜是在GIL外腔體內(nèi)壁涂覆1層介質(zhì)層來(lái)提高金屬微粒的啟舉場(chǎng)強(qiáng)和抑制金屬微粒運(yùn)動(dòng)的措施，也是當(dāng)前GIL系統(tǒng)微粒治理研究的熱點(diǎn)課題之一。

3.1 覆膜工作原理與研究

電極覆膜是在同軸GIL系統(tǒng)的盆式絕緣子前后20～30 cm的外腔體內(nèi)壁涂覆一定厚度(0.03～0.5 mm)介質(zhì)層〔常用材料為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)〕，如圖17所示[55-58]。微粒受重力影響會(huì)沉積在外腔體內(nèi)壁，所以僅需對(duì)外腔體內(nèi)壁的下半部進(jìn)行覆膜即能實(shí)現(xiàn)抑制微粒運(yùn)動(dòng)的效果。此外有研究表明：在GIL系統(tǒng)外腔體內(nèi)壁覆膜，可以阻礙氣體中的預(yù)放電發(fā)展[34,55]；提高氣隙擊穿電壓和微粒啟舉所需的場(chǎng)強(qiáng)，啟舉場(chǎng)強(qiáng)可以提高2～11倍[59-61]，降低微粒的活性效果非常顯著。

圖17 外腔體內(nèi)壁覆膜Fig.17 Coating of the inner surface of the outer wall

文獻(xiàn)[62]認(rèn)為覆膜一方面會(huì)使微粒的帶電量減少，另一方面會(huì)改變微粒周?chē)碾妶?chǎng)分布使得微粒與薄膜間的場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)[63-65]，致使微粒受到向下的電場(chǎng)梯度力。覆膜會(huì)改變微粒表面電荷密度的分布，從而導(dǎo)致電場(chǎng)分布的改變。裸電極下電場(chǎng)最大值在微粒頂端，微粒受到向上的電場(chǎng)梯度力；覆膜后電場(chǎng)最大值會(huì)移動(dòng)到微粒與薄膜之間(如圖18所示)，此時(shí)出現(xiàn)微粒下半周電荷密度為正值，上半周為負(fù)值，使得微粒整體電場(chǎng)力存在向上和向下2種情況[59]。另外，華北電力大學(xué)律方成等人[66]研究指出：金屬微粒與電極膜之間還會(huì)出現(xiàn)向下的極化作用力，該力會(huì)阻礙微粒的運(yùn)動(dòng)，并指出即使金屬微粒不帶電，仍會(huì)存在此向下的極化作用力。J.Q.Fengd等人進(jìn)一步研究表明：帶電微粒接觸薄膜會(huì)存在極化作用力，離開(kāi)薄膜后極化作用力會(huì)立刻消失[67]。

圖18 微粒表面電荷密度分布[59]Fig.18 Distribution of charge density on the surface of particles[59]

文獻(xiàn)[68]利用高速攝像機(jī)拍攝微粒運(yùn)動(dòng)圖像，經(jīng)圖像處理獲得微粒運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)位移，計(jì)算出微粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程的加速度，進(jìn)而反演推算出微粒的帶電量(見(jiàn)表1)，可以發(fā)現(xiàn)直流電極覆膜后微粒的電荷量Q僅約為裸電極的50%。賈江波等人也得出了相近的結(jié)論：覆膜后微粒的電荷量會(huì)變?yōu)槁汶姌O時(shí)的30%～60%[69-72]。另外文獻(xiàn)[68]的作者還在Parekh模型[60]的基礎(chǔ)上建立新的微粒帶電量和電場(chǎng)力與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系，認(rèn)為：覆膜后在場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到微粒與膜之間發(fā)生微放電的臨界場(chǎng)強(qiáng)Ep之前，微粒是基本不帶電的；超過(guò)臨界場(chǎng)強(qiáng)后，微粒的帶電量會(huì)迅速增大，但仍會(huì)小于同場(chǎng)強(qiáng)下裸電極上微粒的帶電量[66]，如圖19所示。但是，王健等人研究顯示直流電極覆膜只會(huì)增加微粒獲得電荷量的時(shí)間，對(duì)微粒的最終電荷量并不會(huì)產(chǎn)生影響[55-56]，見(jiàn)表2。

表1 不同氣壓下覆膜后微粒(r=0.5 mm)的電荷量[68]Tab.1 Charge of particles(r=0.5 mm) after coating under different air pressure [68]

圖19 帶電量與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系[66]Fig.19 Relationship between charge and field strength[66]

表2 不同覆膜厚度下不同時(shí)間微粒(r=0.5 mm)的電荷量(20 kV)[56]Tab.2 Charge of particles(r=0.5 mm) at different time under different coating thickness(20 kV)[56]

當(dāng)前研究認(rèn)為覆膜后微粒的帶電機(jī)理主要有3種：①介質(zhì)表面存在電荷，微粒通過(guò)與電極膜接觸帶電；②通過(guò)介質(zhì)的電導(dǎo)電流使微粒帶電；③微粒-介質(zhì)之間的微放電使微粒帶電。賈江波等人用高速攝像機(jī)觀察交流電壓下微粒運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)：微粒在水平運(yùn)動(dòng)之前或運(yùn)動(dòng)過(guò)程中均會(huì)與介質(zhì)之間出現(xiàn)明顯的發(fā)光現(xiàn)象，證實(shí)了交流電壓下微放電是膜上微粒獲得電荷量的主要方式之一。但在直流電壓下，在微粒的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中均不能觀察到微粒與介質(zhì)之間的發(fā)光現(xiàn)象，說(shuō)明直流電壓下微放電不是膜上自由微粒獲得電荷量的主要方式[69]。

對(duì)于直流電極覆膜后微粒的帶電機(jī)理，文獻(xiàn)[55]研究結(jié)果認(rèn)為：直流系統(tǒng)覆膜后，微粒獲得電荷量的主要方式為通過(guò)薄膜的傳導(dǎo)。Parekh等人[60]也從理論上證明了這個(gè)結(jié)論。在進(jìn)一步研究中，S. Zhang等人[63-65]通過(guò)建立傳導(dǎo)和微放電模型分別計(jì)算出了不同模型中微粒的帶電量，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)覆膜后2種帶電機(jī)制均存在，但主次不同。通過(guò)測(cè)試氣體壓力是否對(duì)微粒啟舉場(chǎng)強(qiáng)產(chǎn)生影響，來(lái)判斷微粒的主要的帶電方式：若啟舉場(chǎng)強(qiáng)受SF6氣體壓力影響較小，則傳導(dǎo)為覆膜后微粒的主要帶電機(jī)理；若微粒的啟舉場(chǎng)強(qiáng)受SF6氣體壓力影響較大，則微放電為覆膜后微粒的主要帶電機(jī)理[71-73]。

3.2 覆膜的設(shè)計(jì)和性能評(píng)價(jià)

在實(shí)驗(yàn)研究和工程實(shí)際應(yīng)用中，常用同厚度膜下微粒啟舉場(chǎng)強(qiáng)和同場(chǎng)強(qiáng)下微粒啟舉概率來(lái)評(píng)判覆膜性能。電極膜的高阻性阻礙微粒與電極間的直接電荷轉(zhuǎn)移，所以膜厚度和介電性能會(huì)對(duì)覆膜效果產(chǎn)生決定性作用。

膜的電阻會(huì)隨著厚度增加而增大，文獻(xiàn)[60]就膜的厚度變化對(duì)覆膜效果的影響進(jìn)行了研究，在研究電場(chǎng)分布時(shí)，發(fā)現(xiàn)微粒底部的場(chǎng)強(qiáng)E取決于介質(zhì)層厚度d與微粒半徑r的比值(如圖20所示)，同種微粒底部場(chǎng)強(qiáng)會(huì)隨著與地電極的距離增大呈負(fù)對(duì)數(shù)減小。K.D.Srivastava等人研究介質(zhì)層厚度對(duì)啟舉場(chǎng)強(qiáng)的影響，發(fā)現(xiàn)覆膜后微粒啟舉場(chǎng)強(qiáng)Elift隨氣壓p幾乎呈線性增加[63-64]，如圖21所示。當(dāng)電極膜材料相同時(shí)，在0～100 μm范圍內(nèi)增大膜厚度可以有效提高對(duì)微粒的抑制效果；但當(dāng)膜厚度超過(guò)100 μm，再增大膜厚度，微粒啟舉場(chǎng)強(qiáng)的增幅就很小了；若超過(guò)500 μm，啟舉場(chǎng)強(qiáng)基本就維持不變了。

圖20 微粒底部的場(chǎng)強(qiáng)隨d/r的變化[60]Fig.20 Relationship between the field at the bottom of particles and d/r[60]

圖21 不同覆膜厚度和氣壓下啟舉場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算值[63]Fig.21 Calculated values of field with different coating thicknesses and pressure[63]

電極膜的介電性能是影響覆膜性能的另一重要因素。在同厚度的條件下，采用相對(duì)介電常數(shù)大的膜對(duì)微粒的抑制效果更好[74]。目前電極膜的材料主要為PET，其相對(duì)介電常數(shù)約為3.5[75]。

覆膜不僅能提高微粒的軸向啟舉場(chǎng)強(qiáng)，抑制微粒的貫穿性運(yùn)動(dòng)，還能在水平方向上阻礙微粒向絕緣子運(yùn)動(dòng)，其抑制微粒和提升系統(tǒng)耐壓水平效果明顯；其次覆膜可以在原有設(shè)備上直接進(jìn)行電極膜的敷設(shè)安裝，安裝方便、快捷；具有較好的經(jīng)濟(jì)性和與其他措施良好的兼容性；同時(shí)具有廣闊的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景。

但是，PET膜的耐熱溫度不高，長(zhǎng)期運(yùn)行溫度只能維持在120 ℃左右[76-77]，不能滿足高電壓大電流系統(tǒng)的溫度要求。其次，PET薄膜與電極的粘結(jié)性能差，在應(yīng)用中需使用膠粘劑以保證接觸接觸良好，而膠粘劑又有明顯的缺點(diǎn)[74]：①穩(wěn)定性差，薄膜和金屬導(dǎo)體間的熱膨脹系數(shù)相差很大，長(zhǎng)期的高溫運(yùn)行環(huán)境(外腔體內(nèi)壁約為50 ℃)很易導(dǎo)致薄膜脫落，從而可能會(huì)引發(fā)絕緣事故，如間隙擊穿等；②膠粘劑會(huì)影響導(dǎo)體的散熱，導(dǎo)致電極和薄膜溫度升高，降低膠粘層和薄膜的使用壽命；③引入更多界面使導(dǎo)體表面電場(chǎng)分布不均，易引起界面閃絡(luò)或微放電發(fā)生，降低絕緣強(qiáng)度。另外，沿面閃絡(luò)或者間隙擊穿會(huì)引起GIL內(nèi)溫度升高，可能會(huì)導(dǎo)致電極膜的燒蝕。

復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境最終會(huì)加速電極膜的電、熱老化縮短其使用壽命，制約了覆膜在實(shí)際工程中的應(yīng)用和推廣。

3.3 覆膜技術(shù)的研究趨勢(shì)

對(duì)于低電壓小電流系統(tǒng)，系統(tǒng)溫度較低，PET膜可以滿足其溫度要求，主要需要解決膠粘劑的問(wèn)題。采用熱熔覆膜鐵技術(shù)可以使PET膜與外腔體形成一體[78-79]，覆膜鐵的膜與外腔體的結(jié)合強(qiáng)度會(huì)非常高，可有效地解決電極膜脫落和膠粘劑問(wèn)題。

對(duì)于高電壓大電流系統(tǒng)，可開(kāi)發(fā)應(yīng)用介電性能、熱穩(wěn)定性、耐化學(xué)腐蝕性和抗張強(qiáng)度等性能更優(yōu)異的介質(zhì)膜替代PET膜，如聚酰亞胺膜不僅有更好的熱穩(wěn)定性(長(zhǎng)期運(yùn)行溫度可保持在550 ℃)和增強(qiáng)膜與電極之間的粘結(jié)性能，還可以提高微粒與薄膜間的相互作用力，進(jìn)一步提高微粒的啟舉場(chǎng)強(qiáng)[74-75]。另外，在絕緣子表面覆較大表面電導(dǎo)率的絕緣膜，不僅能夠提高系統(tǒng)沿面閃絡(luò)電壓，還能根據(jù)電場(chǎng)分布覆以相應(yīng)電導(dǎo)率的絕緣膜來(lái)降低絕緣子表面的電荷積聚[79-80]。

4 絕緣子預(yù)埋電極

預(yù)埋電極是在絕緣子內(nèi)部安裝電極，通過(guò)預(yù)埋電極產(chǎn)生的附加電場(chǎng)改善絕緣子附近電場(chǎng)分布，以達(dá)到阻礙微粒向絕緣子靠近、抑制微粒運(yùn)動(dòng)的目的。

4.1 預(yù)埋電極的原理與應(yīng)用研究現(xiàn)狀

由第1.1節(jié)的微粒受力分析可知，水平方向上帶電微粒會(huì)受到指向絕緣子方向的電場(chǎng)梯度力Fgradx和庫(kù)侖力的水平分量Fqx[81-83]。當(dāng)庫(kù)侖力徑向分量Fqz接近重力G達(dá)到懸停條件(Fq≈G)時(shí)，微粒就可能在Fgradx和Fqx的作用下克服黏滯力和摩擦力在外腔體內(nèi)壁上橫向移動(dòng)[84-85]。文獻(xiàn)[86]中就微粒在稍不均勻電場(chǎng)中所受到的Fgradx和Fqx進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如圖22所示。在實(shí)際的GIL系統(tǒng)中，絕緣子附近場(chǎng)強(qiáng)分布要稍強(qiáng)于其他位置，所以電場(chǎng)梯度力的方向(低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域指向高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域)是指向絕緣子表面的。

如圖23所示，日本九州大學(xué)學(xué)者H.H. Lee和西安交通大學(xué)賈江波通過(guò)在絕緣子中預(yù)埋電極產(chǎn)生與電場(chǎng)梯度相反的電場(chǎng)，來(lái)削弱甚至消除電場(chǎng)梯度力對(duì)微粒運(yùn)動(dòng)的影響，使微粒不再朝著絕緣子方向運(yùn)動(dòng)，甚至遠(yuǎn)離絕緣子，降低微粒與絕緣子的碰撞概率，進(jìn)而降低微粒附著在絕緣子表面引發(fā)沿面閃絡(luò)的可能性[81,87]。

圖23 預(yù)埋結(jié)構(gòu)示意圖[1]Fig.23 Structure of embedded insulator[1]

文獻(xiàn)[81]采用有限元法分析仿真計(jì)算絕緣子附近電場(chǎng)和微粒受力，對(duì)比絕緣子預(yù)埋電極前后電場(chǎng)和微粒受力的變化，量化預(yù)埋電極的作用機(jī)理，結(jié)果如圖24和25所示。從這2個(gè)圖中可以發(fā)現(xiàn)：無(wú)預(yù)埋電極時(shí)，若微粒的水平受力Fx是指向絕緣子方向，安裝預(yù)埋電極后Fx會(huì)明顯變小甚至反向；無(wú)預(yù)埋電極時(shí)，若Fx指向遠(yuǎn)離絕緣子的方向，安裝預(yù)埋電極后Fx會(huì)增大。因此在絕緣子內(nèi)預(yù)埋電極可以驅(qū)動(dòng)微粒向著遠(yuǎn)離絕緣子方向運(yùn)動(dòng)。

圖24 絕緣子附近水平方向電場(chǎng)分布[81]Fig.24 Horizontal field distribution near the insulator[81]

隨后開(kāi)展絕緣子內(nèi)安裝預(yù)埋電極對(duì)微粒運(yùn)動(dòng)的影響實(shí)驗(yàn)(如圖26所示)，發(fā)現(xiàn)在無(wú)預(yù)埋電極時(shí)：當(dāng)微粒距離絕緣子距離x>10 mm，絕緣子形狀對(duì)微粒的運(yùn)動(dòng)啟舉電壓Ulift和運(yùn)動(dòng)基本沒(méi)有影響；但是當(dāng)x≤10 mm時(shí)，絕緣子的形狀會(huì)對(duì)附近微粒的運(yùn)動(dòng)啟舉電壓Ulift產(chǎn)生影響；在x≤2 mm時(shí)，還會(huì)對(duì)微粒運(yùn)動(dòng)方式產(chǎn)生影響，這與文獻(xiàn)[82]的研究結(jié)果是一致的。絕緣子預(yù)埋電極后，絕緣子結(jié)構(gòu)對(duì)范圍在5 mm≤x≤10 mm的微粒的影響會(huì)被消除。微粒運(yùn)動(dòng)方向由原來(lái)的向絕緣子靠近變成遠(yuǎn)離絕緣子方向，對(duì)于一些形狀的絕緣子，預(yù)埋電極還能幫助提高微粒運(yùn)動(dòng)的啟舉場(chǎng)強(qiáng)，如圖27所示。

圖25 絕緣子附近微粒所受的水平電場(chǎng)力[81]Fig.25 Horizontal field forces of particles near the insulator[81]

圖26 無(wú)預(yù)埋電極微粒啟舉電壓與初始位置的關(guān)系[81]Fig.26 Relationship between initial voltage and initial voltage of particles without embedded electrodes[81]

圖27 預(yù)埋電極微粒啟舉電壓與初始位置的關(guān)系[81]Fig.27 Relationship between initial voltage and initial location of particles with embedded electrodes[81]

4.2 預(yù)埋電極的設(shè)計(jì)和性能評(píng)價(jià)

預(yù)埋電極的性能是通過(guò)比較同場(chǎng)強(qiáng)下微粒與絕緣子表面的碰撞概率來(lái)評(píng)判的，碰撞概率越小效果越佳。該措施通過(guò)電極產(chǎn)生的附加電場(chǎng)來(lái)抵消電場(chǎng)梯度，所以影響附加電場(chǎng)的因素都會(huì)對(duì)抑制效果產(chǎn)生影響，例如預(yù)埋電極的電壓、絕緣材料的介電性能、絕緣子結(jié)構(gòu)[81]等。

預(yù)埋電極對(duì)于阻礙微粒向絕緣子運(yùn)動(dòng)、降低因微粒附著絕緣子表面引發(fā)的沿面閃絡(luò)具有顯著效果，而且還能使盆式絕緣子附近微粒的徑向啟舉場(chǎng)強(qiáng)提升5%～10%。但缺點(diǎn)是：在柱式絕緣子中預(yù)埋電極會(huì)使附近微粒的啟舉場(chǎng)強(qiáng)下降約5%[82,88]；該方法必須要和絕緣子生產(chǎn)商緊密合作，在絕緣子生產(chǎn)過(guò)程中就需要將電極置于絕緣子內(nèi)，電極的安裝、檢修和更換極不方便；另外該方法的造價(jià)也較高。

4.3 新型預(yù)埋電極的研究方向

預(yù)埋電極雖然能阻礙導(dǎo)電微?？拷^緣子，但是對(duì)于貫穿性的運(yùn)動(dòng)幾乎沒(méi)有作用[87,89]。在腔體內(nèi)壁距離絕緣子底部5～10 mm段開(kāi)槽形成微粒陷阱，這樣絕緣子附近的微粒在初始滾動(dòng)階段就能滾進(jìn)低場(chǎng)強(qiáng)的陷阱內(nèi)部從而被捕獲，進(jìn)而降低微粒的貫穿性的擊穿，更好地抑制微粒。另外，預(yù)埋電極和電極覆膜結(jié)合也能形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，更好地發(fā)揮彼此抑制微粒的功效。

5 展望

a)微粒陷阱具有安全、高效等特性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝快捷、經(jīng)濟(jì)性好，是當(dāng)前應(yīng)用中最主要的微粒治理方法；但其對(duì)小型和線形微粒的抑制效果不佳，尤其是在直流GIL中。對(duì)陷阱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、設(shè)計(jì)實(shí)用的新型外腔體和采用膠粘劑等方法來(lái)改善陷阱性能。

b)電極覆膜具有高效性和全面性，是未來(lái)最具潛力的微粒治理方法之一；但使其在實(shí)際工程中被廣泛的應(yīng)用，還需要解決介質(zhì)膜的脫落問(wèn)題，以及開(kāi)發(fā)應(yīng)用更高介電性能的電極膜。

c)預(yù)埋電極能夠消除金屬微粒受到的電場(chǎng)梯度力，降低金屬微粒與絕緣子的碰撞概率，從而降低沿面閃絡(luò)發(fā)生的概率。與其他治理措施結(jié)合抑制貫穿性的運(yùn)動(dòng)微粒才能最大地發(fā)揮該措施的功效。

d)單一的微粒治理方法都有改進(jìn)的潛力，甚至存在一定的缺陷。多種治理方法的結(jié)合可以彌補(bǔ)彼此的不足，更好地發(fā)揮彼此的特點(diǎn)并達(dá)到更好的微粒抑制效果，形成綜合治理方法和體系。