GIL中金屬顆粒污染物運動行為與放電特性研究

馬宏忠， 王立憲， 戴鋒

(1.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 211102)

0 引 言

氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas insulated transmission line，GIL)作為我國能源電力互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中的重要新基建設(shè)備，在許多大型輸電項目中都得到了廣泛的應(yīng)用，其中于江蘇省投運的GIL蘇通管廊更是創(chuàng)下了多項世界紀錄[1-4]。但隨著GIL的廣泛應(yīng)用，由金屬顆粒污染物造成的內(nèi)部絕緣裂化問題也日益突出，在GIL設(shè)備生產(chǎn)、運輸、裝配以及運行的過程中會不可避免的產(chǎn)生金屬顆粒污染物[5-6]，文獻[7]表明金屬顆粒污染物的存在會使GIL內(nèi)部絕緣性能降低50%以上，所以對GIL內(nèi)部金屬顆粒污染物進行運動行為與放電特性研究，對提升GIL設(shè)備內(nèi)部絕緣性能，保護輸電網(wǎng)的穩(wěn)定運行具有重大意義。

GIL內(nèi)部金屬顆粒發(fā)生運動的基本條件是其表面累積的足夠的電荷，當(dāng)能量聚集到某一程度金屬顆粒才會發(fā)生運動。目前，針對GIS與GIL中顆粒運動行為與放電特性，國內(nèi)外做了如下研究：

文獻[8]以同軸圓柱模型對金屬顆粒進行了受力分析并對其運動行為進行了理論研究，并沒有對金屬顆粒運動過程中伴隨的放電特性進行分析；

文獻[9]以楔形電極板為模型，對金屬顆粒的運動與放電現(xiàn)象進行了數(shù)值建模與實驗觀測，但楔形電極板屬于不均勻電場，在電場環(huán)境、電場梯度力等方面與實際GIL內(nèi)部的稍不均勻電場存在差別，這將對金屬顆粒的受力運動與放電特性產(chǎn)生影響；

文獻[10]在考慮非彈性碰撞的前提下分析了不同絕緣氣體混合比對GIL內(nèi)部金屬顆粒運動的影響；文獻[11]通過對顆粒運動位置與吸附特性的研究，分析了不同形狀的金屬顆粒對GIS內(nèi)部的危害程度。但以上研究對象均為單個金屬顆粒，在實際工程應(yīng)用中，較少出現(xiàn)單個顆粒運動與放電的情況，金屬污染物常以多個顆粒甚至“顆粒群”形式出現(xiàn)，單個顆粒的運動行為與放電特性研究難以對多顆粒運動時的顆粒間碰撞與放電形成借鑒意義。

同時，GIL設(shè)備內(nèi)部雖然為同軸圓柱結(jié)構(gòu)，但在盆式絕緣子、三支柱絕緣子以及導(dǎo)電桿末端球頭處，高壓點(高壓導(dǎo)電桿)與接地點(絕緣子附近或GIL接地殼體)的之間的距離會發(fā)生變化，即“極-地”距離發(fā)生變化，這種變化會改變局部電場結(jié)構(gòu)，除此之外“極-地”距離變短也更易形成放電通道，而對于極-地距離變化對金屬顆粒污染物運動與放電的影響，國內(nèi)外并未有研究。

針對現(xiàn)有研究中存在的不足，文中首先以同軸圓為模型對依附于殼體上的金屬顆粒進行數(shù)學(xué)建模，對其運動行為進行分析；其次建立GIL金屬顆粒運動與放電實驗平臺，對金屬顆粒的運動行為與放電現(xiàn)象進行觀測，對極-地距離變化對金屬顆粒運動特性與放電行為的影響以及多顆粒在GIL內(nèi)部的運動特性與放電行為進行了分析；最后，結(jié)合文中研究結(jié)論對實際工程中如何抑制金屬顆粒運行與放電提出理論性建議。

1 GIL內(nèi)金屬顆粒受力運動分析

基于文獻[12-17]的研究，文中以同軸圓柱為模型，對于依附于殼體上的鋁制金屬顆粒進行分析，其中：導(dǎo)電桿半徑為R1；殼體內(nèi)直徑為R2；導(dǎo)電桿施加電壓為U；金屬顆粒半徑為a；金屬顆粒中心與導(dǎo)電桿中心距離為r；金屬顆粒受力模型如圖1所示。

圖1 金屬顆粒受力模型

金屬顆粒主要受力如表1所示。表中：ρal為鋁球密度；ρgas為絕緣氣體密度；g為重力加速度；ε0為真空介電常數(shù)；ε1絕緣氣體相對介電常數(shù)；▽E為電勢梯度；q為電荷帶電量；k為鏡像修正系數(shù)；C為氣體阻力系數(shù)；S為金屬顆粒迎風(fēng)面積；b為金屬顆粒運動與氣體的相對速度。

表1 金屬顆粒主要受力

文中基于實驗室GIL設(shè)備尺寸進行建模分析，高壓導(dǎo)電桿外半徑為20 mm，外殼內(nèi)半徑為240 mm，殼體厚度10 mm。金屬顆粒半徑1.5 mm，材質(zhì)為鋁，密度2 700 kg/m3，設(shè)備運行溫度設(shè)定20 ℃，氣壓為0.1 MPa，絕緣氣體為SF6，密度為6.1 kg/m3，高壓導(dǎo)體隨機變化角5°、外殼隨機變化角度10°，導(dǎo)電桿設(shè)置邊界電壓幅值20、25、30和35 kV，仿真時長20 s，金屬顆粒運動仿真結(jié)果如圖2所示，4幅運動軌跡圖順時針角度分別為0°、90°、180°和270°，省略非必要參量，圖中以第一個運動軌跡圖為例，標(biāo)注了0°和90°，θ為金屬顆粒在殼體內(nèi)部運動范圍對應(yīng)的角度。

圖2 不同施加電壓下金屬顆粒運動軌跡

由圖2可以看出，金屬顆粒的運動狀態(tài)主要分為3個階段：1)沿GIL外殼“打水漂”式跳動：此時外加電壓較低，金屬顆粒累積的電荷能量無法支持其克服摩擦力、粘滯力等外界阻力發(fā)生大幅度起跳動作，金屬顆粒的運動角范圍較大；2)啟舉：隨著外加電壓升高，金屬顆粒受電場梯度力增大，在低幅度的跳躍過程中不斷進行電荷累積，最終發(fā)生啟舉與高壓導(dǎo)電桿發(fā)生撞擊，此時金屬顆粒的運動角范圍開始減??；3)高頻“諧振”：在外加電壓30 kV和35 kV時，金屬顆粒已經(jīng)完全克服了環(huán)境阻力，開始與高壓導(dǎo)電桿和GIL殼體之間發(fā)生高頻撞擊，類似于“諧振”現(xiàn)象。隨著外加電壓幅值的增大，金屬顆粒的運動角范圍越小，與高壓導(dǎo)電桿和殼體的碰撞頻率越高。

2 實驗設(shè)計

2.1 金屬顆粒實驗平臺

為驗證文中建模結(jié)論的準(zhǔn)確性并對金屬顆粒帶電運動進行觀測和定量分析，文中以100 kV GIL實驗腔體為實驗平臺，高壓導(dǎo)電桿外半徑為20 mm，外殼內(nèi)半徑為240 mm，殼體厚度10 mm，腔體端部及左右設(shè)有石英玻璃窗便于觀測，實驗平臺如圖3所示，文中選取鋁制1.5、1.0和0.5 mm直徑金屬顆粒分別進行試驗，如圖4所示。在每次實驗前均用乙醇對顆粒和GIL實驗設(shè)備進行擦拭，等乙醇揮發(fā)完畢后進行實驗，避免污物影響實驗效果。

圖3 金屬顆粒運動與放電實驗平臺

圖4 金屬顆粒實物圖

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)

整個監(jiān)測系統(tǒng)分為供變電單元、GIL金屬顆粒實驗單元和信號檢測單元三部分，如圖5所示：

圖5 檢測系統(tǒng)示意圖

1)供變電單元：MLZC-100kV調(diào)壓器、GDLB-5KVA隔離濾波裝置、YDJ-5/100無局放變壓器，額定電壓110 kV，額定功率5 kVA，110 kV下局部放電量小于10 pC，在變壓器與GIL實驗腔體之間串聯(lián)阻值為5 000 Ω的保護電阻，耦合電容500 pF，檢測阻抗70 Ω。

2)信號檢測單元：HCPD-9104局放綜合分析儀，檢測頻帶10 kHz～1 MHz(±3 dB)，測量范圍0.1 pC～100 000 pC(靈敏度0.1 pC)，記錄放電PRPD譜圖，配套HCCS-2A超聲傳感器對金屬顆粒撞擊產(chǎn)生的超聲信號進行采集；Fastec-HiSpec5高速相機對顆粒運行進行觀測。

3 金屬顆粒運動行為與放電特性分析

3.1 單個顆粒運動行為與放電特性分析

文中對3種直徑的金屬顆粒污染物進行了加壓放電試驗，得到的PRPD放電譜圖趨勢一致，故采用趨勢最明顯的直徑1.5 mm金屬顆粒污染物放電譜圖進行分析，起始放電電壓為22.5 kV，升壓步長0.5 kV，PRPD譜圖隨外加電壓變化情況如圖6所示。

圖6(a)為金屬顆粒起始放電電壓下的PRPD圖譜，雖然并未形成完整的正弦包絡(luò)帶，但此時放電相位已經(jīng)遍布整個正弦周期，放電現(xiàn)象多集中于工頻周期的過零點處，在工頻周期正負半周峰值的放電現(xiàn)象也存在，但幅值較低，故在正弦峰值包絡(luò)帶處多有空白。在此電壓下的金屬顆粒運動多為在GIL殼體上“打水漂”式的左右移動，極少出現(xiàn)大幅度跳躍，與圖2(a)相似。

圖6 單個金屬顆粒放電PRPD譜圖

圖6(b)為加壓至26.5 kV時的PRPD放電譜圖，此時已經(jīng)有形成完整包絡(luò)帶的趨勢，但放電現(xiàn)象集中的位置仍清晰可見，整體分布趨勢與圖6(a)相近，但最大放電幅值增加了50 mV。相比于22.5 kV下的運動情況，此電壓下的金屬顆粒運動高度有所增加，偶有高度跳躍與碰撞現(xiàn)象，與圖2(b)相似。

圖6(c)與圖6(d)為金屬顆粒在30.5 kV與34.5 kV下的PRPD放電譜圖，兩者整體的放電趨勢分布相似，均已形成較為完整的包絡(luò)帶，且隨著外加電壓的增大，放電幅值也有所增加。在30.5 kV下，金屬顆粒左右移動的范圍明顯減少，運動的高度與頻率大幅增加，已經(jīng)出現(xiàn)撞擊導(dǎo)電桿的情況；在34.5 kV下，金屬顆?？焖侔l(fā)生啟舉現(xiàn)象，與導(dǎo)電桿的撞擊更為劇烈，甚至出現(xiàn)超越導(dǎo)電桿的跳躍高度，與圖2(c)和圖2(d)相似。

通過外加電壓與放電相位和幅值的變化關(guān)系可以看出，隨著外加電壓的增加，金屬顆粒的運動頻率與放電程度均有所增加。通過高速相機觀測到的單個金屬顆粒運動軌跡如圖7所示。

圖7 金屬顆粒運動軌跡

3.2 顆粒尺寸對放電的影響

為研究金屬顆粒尺寸對其放電的影響，文中統(tǒng)計了3種不同直徑的顆粒在不同電壓等級下的放電平均值與放電最大值，如圖8所示。

由圖8可以看出，隨著顆粒半徑的增大，其放電的平均值與最大放電幅值均有所增加，所以在GIL內(nèi)部大顆粒的金屬污染物的運動與放電行為會對其絕緣性能造成更大的影響。

圖8 各尺寸顆粒放電幅值對比

3.3 極-地距離影響因素分析

為研究高壓電極與GIL接地殼體對金屬顆粒污染物運動與放電的影響，設(shè)計了U型接地殼來控制極-地距離。U型接地殼長20 cm，寬10 cm，以導(dǎo)電桿中心為圓心，弧度140°，伸縮距離可在0～8 cm調(diào)節(jié)，如圖9所示，其中調(diào)節(jié)部位已用框線標(biāo)出，通過對于螺絲的松旋操作可以實現(xiàn) 對U型接地殼高度的調(diào)節(jié)，U型接地殼與GIL外殼共地。圖10為安裝示意圖，為方便讀者理解在拍攝時將導(dǎo)電桿末端球頭拆下。

圖9 U型接地殼實物圖

圖10 安裝示意圖

文獻[18-20]表明利用超聲波信號可以有效實現(xiàn)對金屬顆粒運動及放電信號進行監(jiān)測。為研究金屬顆粒運動頻率與極-地距離變化之間的關(guān)系，文中提出一種新的微觀角度統(tǒng)計方法：超聲間隔頻率(ultrasonic interval frequency, UIF)，定義若待測超聲信號數(shù)量大于2，則相鄰兩次超聲信號的時間間隔倒數(shù)則為超聲間隔頻率

(1)

式中p為相鄰兩次超聲信號的時間間隔數(shù)。

基于UIF，文中定義平均超聲間隔頻率(average ultrasonic interval frequency, AUIF)，即兩個UIF之間的平均值

(2)

式中n為沖擊信號個數(shù)。

在32kV電壓等級下，文中分別設(shè)置了不同的極-地距離，并對3種不同直徑的金屬顆粒的運動情況進行了統(tǒng)計，統(tǒng)計分布圖如圖11所示。

圖11 金屬顆粒運動頻率統(tǒng)計圖

由圖11可以發(fā)現(xiàn)，在顆粒半徑相同的情況下，隨著極-地距離的減小，金屬顆粒的運動頻率越大，這是由于當(dāng)極-地距離件減小時，高壓導(dǎo)電桿與顆粒之間的徑向絕緣距離變得更短，金屬顆粒越易感應(yīng)電荷，進而在電荷累積的情況下發(fā)生運動行為；在極-地距離相同的情況下，顆粒半徑越大其運動頻率越大，這是由于大直徑的金屬顆粒其累積的電荷更高，同時其能量密度更大，在與高壓導(dǎo)電桿與殼體碰撞時，非彈性碰撞造成的能量損失比較小，在高壓導(dǎo)電桿的高電壓加持下，大直徑的金屬顆粒運動的頻率更快。為研究極-地距離變化對金屬顆粒放電行為的影響，在32kV電壓等級，不同極-地距離情況下，對1.5 mm直徑的金屬顆粒進行了放電試驗?zāi)M，并統(tǒng)計了其放電次數(shù)與相位分布情況，如圖12所示。

圖12 放電次數(shù)統(tǒng)計圖

從圖12的整體趨勢來看，由于極-地距離的減小，金屬顆粒的放電次數(shù)均有所增加。其次，在極-地距離逐漸減小的過程中，金屬顆粒的放電相位也發(fā)生了變化，在極-地距離18 cm時，金屬顆粒放電次數(shù)出現(xiàn)峰值，放電相位集中在0°、180°以及360°這些過零點處；在極-地距離14 cm時，金屬顆粒的放電相位集中位置雖與18 cm保持一致，但在90°和270°相位的放電次數(shù)也有所增加；極-地距離10 cm時，金屬顆粒在5種放電相位處的放電次數(shù)已經(jīng)近乎一致；在極-地距離6 cm時，金屬顆粒在90°和270°相位的放電次數(shù)已經(jīng)超越在0°、180°以及360°處的放電次數(shù)。當(dāng)極-地距離減小時，金屬顆粒的放電次數(shù)集中位置從正弦過零點處逐漸向正弦峰值處轉(zhuǎn)移，放電次數(shù)特征變化可概括為“W”型向“M”型的轉(zhuǎn)化。

此種特征的形成與極-地距離密切相關(guān)，原因在于當(dāng)極-地距離較大時，金屬顆粒運動時常處于懸浮電位，此時金屬顆粒發(fā)生的放電多為在不均勻電場下的電暈放電，放電相位發(fā)生在外加電壓過零點處；而當(dāng)極-地距離減小時，金屬顆粒徑向運動距離減小，常與高壓導(dǎo)電桿或GIL殼體發(fā)生碰撞，并伴隨荷轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生，此時多發(fā)生極端放電現(xiàn)象，放電相位發(fā)生在外加電壓正負半周的峰值處。

3.4 多個金屬顆粒放電特征

在實際工程中，GIL內(nèi)部出現(xiàn)單個金屬顆粒污染物的現(xiàn)象十分少見，金屬顆粒污染物常多個出現(xiàn)，且在GIL設(shè)備運行過程中振動影響以及在電荷相互吸引的作用下，金屬顆粒污染物甚至?xí)纬伞邦w粒群”。為研究GIL內(nèi)部多個金屬顆粒污染物的放電特征，文中在32 kV電壓等級下，在GIL設(shè)備內(nèi)部放置了單個金屬顆粒(直徑為1.0 mm)、3個金屬顆粒(直徑為0.5、1.0、1.5 mm各一個)、6個金屬(直徑=0.5、1.0、1.5 mm各兩個)、12個金屬(直徑=0.5、1.0、1.5 mm各4個)進行實驗，研究隨著金屬顆粒的增加其放電特征的變化，放電PRPD譜圖如圖13所示。

從圖13可以發(fā)現(xiàn)，多個金屬顆粒的放電趨勢與單個顆粒的放電趨勢基本相似，但隨著顆粒數(shù)量的增加，多個金屬顆粒的放電情況出現(xiàn)了新特征：單個金屬顆粒的PRPD放電譜圖包絡(luò)帶明顯，在圖像中沒有額外的放電點，但隨著金屬顆粒的增加，PRPD放電譜圖逐漸出現(xiàn)正弦包絡(luò)帶外的放電散點；通過PRPD放電譜圖也可以發(fā)現(xiàn)隨著金屬顆粒數(shù)量的增加其整體的放電幅值也有所增加。同時，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，隨著金屬顆粒數(shù)量的增加，其起始放電電壓也發(fā)生了變化：單個金屬顆粒放電起始電壓22.7 kV，3個金屬顆粒放電起始電壓20.3 kV，6個金屬顆粒放電起始電壓18.8 kV，6個金屬顆粒放電起始電壓18.6 kV，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是在同一電場下，金屬顆粒會感應(yīng)帶電，當(dāng)金屬顆粒數(shù)量增多時，金屬顆粒會相互吸引，這會使局部電荷密度增加，更易發(fā)生放電現(xiàn)象。為進一步研究多顆粒的放電幅值與散點特征，文中利用放電幅值置信區(qū)間對單個與多個金屬顆粒的PRPD放電譜圖包絡(luò)帶信號幅值進行統(tǒng)計，其變化趨勢如圖14所示。其中：Vmax為最大幅值，Vmax90%為放電幅值置信區(qū)間90%內(nèi)最大幅值，Vmax為最小幅值。

圖13 不同數(shù)量顆粒放電PRPD譜圖

圖14 放電幅值隨顆粒個數(shù)變化的趨勢

從圖中折現(xiàn)變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)：1)隨著金屬顆粒數(shù)量的增加Vmax數(shù)值不斷增大，這也對應(yīng)了在多個金屬顆粒PRPD放電圖譜中放電散點隨金屬顆粒數(shù)量增加而增多的趨勢；2)單個金屬顆粒的Vmax90%與Vmin均大于多個金屬顆粒的Vmax90%與Vmin，這是由于在多個金屬顆粒之間存在微觀放電現(xiàn)象，但此種放電要比高壓導(dǎo)電桿與金屬顆粒之間的局部放電小很多。

3.5 多個金屬顆粒運動行為分析

多個顆粒放電幅值的增加的原因除上述統(tǒng)計結(jié)果之外，還與金屬顆粒之間的電荷轉(zhuǎn)移進而形成“極化”現(xiàn)象有關(guān)，由于多個金屬顆粒之間的“極化”現(xiàn)象屬于微觀現(xiàn)象，通過高速相機難以直觀觀察，故文中從微觀機理角度分兩種情況行分析：

1)帶電金屬顆粒感應(yīng)非帶電金屬顆粒。

在多金屬顆粒污染物的情況下，由于位置與尺寸的不同，其運動過程也不是同一時間的，所以會發(fā)生帶電金屬顆粒運動撞擊非帶電金屬顆粒的現(xiàn)象，在此過程中，帶電金屬顆粒上的電荷發(fā)生荷轉(zhuǎn)現(xiàn)象，吸附非帶電金屬顆粒并使非帶電金屬顆粒帶電，如圖15所示，兩個金屬顆粒吸附在一起形成一個小“尖端”體，相較于單個金屬顆粒其電荷集聚面積更大，帶電量更多，更易造成放電現(xiàn)象。

圖15 金屬顆粒感應(yīng)帶電

2)帶電金屬顆粒在運動過程中碰撞。

如圖16所示，帶電金屬顆粒撞擊在運動過程主要分成3個階段。在階段1，顆粒A與顆粒B表面受電場效應(yīng)感應(yīng)出不同種電荷；在階段2，兩帶電顆粒發(fā)生碰撞，致使帶異種電荷的交界面發(fā)生中和；在階段3，由于碰撞過程中電荷的中和與轉(zhuǎn)移，致使同種電荷量增加，故而兩個顆粒帶電量增大。

圖16 金屬顆粒撞擊帶電

總體來看，由于單個金屬顆粒的帶電量有限，且數(shù)量較少不會發(fā)生同質(zhì)化的荷轉(zhuǎn)與極化現(xiàn)象，所以其運動與放電現(xiàn)象都具有一定的局限性與規(guī)律性，在實際工程中較容易判別與診斷；而由于電荷的荷轉(zhuǎn)與中和，多個金屬顆粒更易發(fā)生感應(yīng)帶電造成無規(guī)則、高頻率的碰撞與運動，在GIL內(nèi)部造成的危害性更大。

4 結(jié) 論

1)隨著電壓等級的增加，金屬顆粒運動先是呈“打水漂”式在GIL殼體上小幅度跳躍，后變?yōu)椤爸C振”式與導(dǎo)電桿和殼體發(fā)生高頻撞擊；電壓等級越高金屬顆粒的運動與放電行為越劇烈，金屬顆粒的尺寸越大其放電均值與最大值越大，更易對GIL內(nèi)部絕緣造成破壞。

2)極-地距離的變化對金屬顆粒的運動與放電行為有顯著影響，隨著極-地距離的減小，金屬顆粒運動的頻率越高，同時由于運動距離的減小與放電模式的變化，其放電從電暈放電模式逐漸過渡為尖端放電模式，放電次數(shù)與相位呈現(xiàn)“W-M”特征變化。

3)由于多個金屬顆粒在電場中的運動無序性明顯且電荷交換頻繁，故隨著顆粒數(shù)目的增加，其放電PRPD譜圖出現(xiàn)了越多的離散放電點，單個金屬顆粒的放電則呈現(xiàn)明顯的包絡(luò)，二者放電特征區(qū)別明顯。

4)相較于單個金屬顆粒，多個金屬顆粒的放電起始電壓更低，放電幅值更大，故多個顆粒引起的聚集性放電將對GIL內(nèi)部絕緣系統(tǒng)造成更大的破壞。

5)實際工程建議：由于極-地效應(yīng)的影響，在GIL內(nèi)部三支柱絕緣子、盆式絕緣子以及末端球頭的位置應(yīng)格外注意金屬陷阱的設(shè)置與優(yōu)化，避免金屬顆粒在絕緣子和導(dǎo)電桿末端附近聚集形成聚集性放電；由于單個金屬顆粒與顆粒群的PRPD放電譜圖區(qū)別明顯，故在實際工程中可以通過PRPD放電譜圖的變化特征(起始電壓、放電幅值、放電散點分布)結(jié)合其他實地監(jiān)測數(shù)據(jù)對單個金屬顆粒放電與多個金屬顆粒聚集性放電情況進行判別。