直流GIL中球形金屬顆粒運動特性研究

戴 鋒，陳 軒，王立憲，車 凱，朱 超，馬宏忠

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 211000；2.河海大學能源與電氣學院，江蘇 南京 211000)

氣體絕緣封閉輸電線路(gas insulated transmission lines，GIL)在20世紀70年代開始進入工程應用，具有輸送電壓等級高、能量損耗小、故障檢修率低、鋪設方式靈活等優(yōu)點，將成為未來全球電力輸送的重要手段之一[1-3]。直流GIL在生產(chǎn)、運輸、裝配及運行過程中，會不可避免地產(chǎn)生以球形、線形為主的自由金屬顆粒。這些顆粒在電場中頻繁運動，導致電場嚴重不均勻，進而造成氣隙擊穿、絕緣子沿面閃絡，甚至大面積停電等嚴重后果[4-6]。研究直流GIL中球形金屬顆粒的運動特性具有十分重要的現(xiàn)實意義。

目前國內(nèi)外的研究成果都是在分析直流GIL中金屬顆粒受力情況的基礎上，通過金屬顆粒的運動模型對顆粒的運動特性進行仿真模擬，搭建平板、楔形、同軸圓柱等典型實驗平臺，觀察顆粒的運動軌跡。文獻[7]搭建直流楔形電極實驗平臺，通過改變楔形極板傾斜角度和電極覆膜厚度，對球形顆粒的動力學行為進行研究，觀察和記錄金屬顆粒的諧振現(xiàn)象和振動信號，但研究過程中并沒有驗證楔形極板電場和同軸圓柱電場的等效性。文獻[8-9]在考慮球形顆粒非彈性碰撞的前提下，搭建封閉式同軸圓柱電極實驗平臺，利用實驗結果驗證運動模型的準確性；發(fā)現(xiàn)顆粒運動的諧振頻率與顆粒半徑、絕緣介質(zhì)成分有關，顆粒在腔體內(nèi)的活躍度隨著隨機反射角、電壓幅值的增大而增大；實驗中顆粒僅放置于腔體中部，沒有考慮絕緣子側電場分布對顆粒運動行為的影響。通過上述總結發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究中搭建的實驗平臺與實際GIL腔體結構不同，兩者的電場分布具有一定差異性[10-13]。研究球形顆粒運動行為時，顆粒起始位置基本都是處于遠離絕緣子或腔體終端，始終忽略軸向不均勻電場，缺乏顆粒數(shù)量和盆式絕緣子對金屬顆粒運動特性影響的研究。

針對上述問題，搭建等比例縮放GIL實驗平臺，拍攝和記錄球形金屬顆粒在腔體中部和絕緣子附近的運動軌跡，對比分析顆粒半徑、數(shù)量、氣壓、起始位置和電壓極性對球形顆粒運動特性的影響，為球形顆粒故障診斷和防治提供有效的研究依據(jù)。

1 球形金屬顆粒受力分析

特高壓GIL設備由高壓導體、外殼、絕緣子、連接組件等組成，標準單元段的長度達到10 m以上，球形顆粒在標準單元段內(nèi)的受力如圖1所示，GIL腔體為同軸圓柱體，R0為高壓導體半徑，R1為腔體半徑，內(nèi)部電場為稍不均勻電場。忽略球形金屬顆粒自旋效應和虛假質(zhì)量力，顆粒在GIL腔體內(nèi)帶電后主要受到庫侖力、梯度力、重力和氣體粘滯阻力的影響[14-16]，這些力的瞬態(tài)耦合決定了顆粒的運動狀態(tài)。

圖1 金屬顆粒受力模型Figure 1 Mechanical model of metal particle

當高壓導體施加直流電壓U時，GIL腔體內(nèi)的電場強度可以表示為

(1)

式中d為球形顆粒距離高壓導體軸心的距離。

忽略顆粒在運動時產(chǎn)生的微放電和電場畸變情況，球形顆粒與腔體外殼接觸時的帶電量為

(2)

式中r為球形顆粒半徑；ε0為真空介電常數(shù)，取8.85×10-12F/m[17-19]；ε1為絕緣氣體相對介電常數(shù)，當氣體為SF6時，ε1=1.002。

球形顆粒與高壓導體接觸時的帶電量為

(3)

顆粒帶電后受到的庫侖力為

Fq=k|qE|

(4)

式中k為鏡像電荷下的修正系數(shù)，當顆粒距電極較近或接觸電極時，k=0.832，其余情況下k=1[20-22]；q為顆粒所帶電荷量。

由于GIL腔體電場為稍不均勻電場，顆粒會受到與電荷量無關的電場梯度力，即

Fg=2πr3ε0ε1|?E2|

(5)

顆粒在直流電場運動時，速度大于0.2 m/s，顆粒受到的氣體粘滯阻力已經(jīng)不能忽略[23-24]。計算氣體粘滯阻力時，首先需要估算雷諾數(shù)。流體力學中，雷諾數(shù)是一個無量綱數(shù)，用以表征流體流動情況，即

Re=2vrρs/μs

(6)

式中rs為氣體密度；μs為氣體粘滯系數(shù)；v為顆粒運動速度。

將腔體內(nèi)部等效為恒溫、靜止和不可壓縮的流體場，流體與顆粒的相對速度可以等效為顆粒的運動速度，顆粒受到的氣體粘滯阻力為

(7)

顆粒在腔體內(nèi)受到的重力為

(8)

式中r1為顆粒密度，當顆粒為鋁球時，r1=2 700 kg/m3；g為萬有引力常量，取9.81 m/s2。

顆粒在起跳階段時，電場梯度力和氣體粘滯阻力的影響可以忽略不計，只要滿足Fq≥G，顆粒即可起跳，結合式(2)、(4)、(8)，得到顆粒的起跳場強為

(9)

2 實驗方法

2.1 實驗平臺

為了準確監(jiān)測球形顆粒的起跳場強和運動軌跡，搭建如圖2所示的金屬顆粒運動測試實驗平臺，包括無局放高壓直流系統(tǒng)(無局放高壓試驗變壓器、無局放整流硅堆、耦合電容器等)、GIL實驗腔體、高速相機、計算機等設備。

圖2 顆粒運動測試實驗平臺Figure 2 Experiment platform of particle motion

GIL實驗腔體以實際GIL設備為原型等比例縮放制成，由高壓絕緣套管、直行腔體、T型腔體和盆式絕緣子等部件組成。實驗顆粒所在的腔體為直筒狀，開設3個觀察窗口，用以保證高速相機拍攝時需要的進光量，內(nèi)部高壓導體直徑為30 mm。高速相機型號為Phantom VEO710L，能以7 400幀/s速度拍攝1 280×800的高質(zhì)量運動圖片，標準模式下最高拍攝速率為680 000幀/s，最小曝光率為1 μs，可配置18、36、72 G存儲器，能夠拍攝滿足實驗需求的顆粒起跳瞬間和運動軌跡，相關設備實物如圖3所示。

圖3 設備實物Figure 3 Physical drawing of equipment

為了驗證開窗后腔體內(nèi)的電場分布不會影響實驗顆粒的運動軌跡，使用Comsol軟件對腔體內(nèi)電場分布進行有限元分析，腔體內(nèi)氣壓設置為0.1 MPa，絕緣介質(zhì)為SF6氣體，直流運行電壓幅值為120 kV,仿真對比結果如圖4所示。由圖4可知，開有觀察窗口的實驗腔體內(nèi)電場分布與同尺寸的全封閉腔體基本相同，實驗腔體觀察窗處的電場發(fā)生畸變，但畸變程度較小。根據(jù)文獻[24]描述的實驗顆粒運動分布特性，對比2種腔體內(nèi)高壓導體下部空間的電場分布，證明球形顆粒在實驗腔體內(nèi)的運動可以等效為在全封閉腔體內(nèi)的運動。

圖4 腔體內(nèi)電場分布Figure 4 Electric field distribution in cavity

2.2 實驗步驟

顆粒運動特性實驗在室溫下進行，腔體內(nèi)絕緣介質(zhì)為純凈度99.99%的SF6氣體，選取半徑為0.5、0.8、1.0、1.2 mm的鋁球顆粒作為研究對象。球形顆粒和實驗腔體為廠家專業(yè)加工制成，保證了表面打磨的光滑度，最大程度降低金屬顆粒和腔體內(nèi)壁表面粗糙度對實驗的影響。具體實驗步驟如下。

1)每次實驗前先用接地棒連接實驗腔體，清除上次實驗后腔體附帶的殘余電荷，保障實驗人員人身安全；然后用干凈并沾有酒精的絲綢布依次擦拭高壓導體、絕緣子和腔體內(nèi)壁，減少金屬顆粒放電后可能產(chǎn)生的雜質(zhì)、水分等外在因素對實驗的影響；最后待酒精蒸發(fā)后，在相應位置放入金屬顆粒進行實驗。

2)向腔體內(nèi)充入滿足實驗氣壓環(huán)境需求的SF6絕緣氣體，為了保障絕緣氣體的純凈度，首次實驗需要多次充入絕緣氣體進行洗氣。

3)實驗升壓方式為電壓從0 kV開始加壓到實驗顆粒開始起跳的電壓，通過高速相機觀察到顆粒起跳后立即停止加壓，記錄電壓幅值，結合式(1)、(4)求得顆粒的起跳場強，利用高速相機拍攝顆粒的運動軌跡并進行存儲，單個和3個1.0 mm球形顆粒在腔體內(nèi)的運動圖片如圖5所示，框內(nèi)為實驗顆粒。

圖5 顆粒運動Figure 5 Particle motion diagram

為了避免單次實驗數(shù)據(jù)可能造成的隨機性干擾，每組實驗重復10次，使用起跳場強的平均值和顆粒運動軌跡的整體趨勢作為實驗研究依據(jù)。

3 實驗現(xiàn)象

3.1 球形顆粒的起跳場強

為了研究影響球形顆粒起跳場強的的相關因素，將顆粒的初始位置放置在高壓導體中部的正下端(距離絕緣子200 mm)，半徑為1.0 mm球形顆粒在腔體底部時周邊電場分布的仿真結果如圖6所示。由圖6可知，球形顆粒平躺在腔體時，周邊電場均發(fā)生畸變，靠近高壓導體一端的場強畸變最大。

圖6 球形顆粒電場仿真結果Figure 6 Simulation results of the spherical particle

由式(9)可知，當球形顆粒材質(zhì)一定的情況下，顆粒的起跳場強主要受顆粒半徑的影響，不同半徑的球形顆粒在0.1 MPa氣壓下起跳場強理論值和實驗值的對比結果如圖7所示。由圖7可知，不同半徑球形顆粒的起跳場強理論計算值和實驗值最大誤差不超過2%，兩者的數(shù)值基本相符。球形顆粒的半徑越大，顆粒的起跳場強越大。

圖7 實驗與仿真結果對比Figure 7 Comparison between the experiment and simulation results

為研究球形顆粒在不同氣壓環(huán)境下起跳場強的變化情況，選用不同半徑的球形顆粒作為研究對象，起跳場強的變化結果如圖8所示。

圖8 氣體壓強對起跳場強的影響Figure 8 Effect of gas pressure on the jumping field

根據(jù)圖8的實驗結果可知，球形顆粒起跳場強隨著氣壓增大出現(xiàn)無規(guī)律的輕微波動，氣壓變化對起跳場強無明顯影響，氣體壓強不是起跳場強的主要影響因素。因此，后續(xù)實驗都在0.1 MPa腔體氣壓下進行研究分析。

為研究顆粒數(shù)量對起跳場強的影響，選取同尺寸，不同數(shù)量的球形顆粒水平緊貼放置在腔體底部，起跳場強隨顆粒數(shù)量的變化曲線如圖9所示。

圖9中，球形顆粒的起跳場強隨著顆粒數(shù)量的增多而降低，這是因為多個同尺寸的球形顆粒緊貼放置在一起時，整體可以等效為表面有凹凸狀的片狀顆粒，造成的場強畸變程度比單個顆粒時更高。實驗加壓后，顆粒不僅會受到向上的庫侖力，還會受到周邊帶電顆粒對其的斥力，造成顆粒的起跳場強降低。隨著顆粒數(shù)量的增加，起跳場強降低的幅度逐漸減少。

將不同半徑的球形顆粒放置在不同電壓極性的實驗環(huán)境下，研究電壓極性對球形顆粒起跳場強的影響，結果如圖10所示。由圖10可知，球形顆粒的起跳場強幾乎不受電壓極性的影響，正負極性下的起跳場強實驗值和理論計算值基本相符。

圖10 電壓極性對起跳場強的影響Figure 10 Effect of voltage polarity on the jumping field

3.2 球形顆粒運動軌跡

根據(jù)實驗結果統(tǒng)計，球形顆粒起跳后的運動行為主要受到電壓極性、起跳初始位置、顆粒數(shù)量的影響，顆粒在直流電場下的運動軌跡如圖11所示。

1)正極性電壓。

當運行電壓為正極性電壓時，球形顆粒首先放置在高壓導體中部正下端(距離絕緣子200 mm)，顆粒起跳后立即在腔體內(nèi)做“外殼—導體—外殼”的貫穿性跳動，起跳初始階段會向絕緣子方向輕微移動，隨著運動時間的增加，顆粒向絕緣子方向運動趨勢增大。與絕緣子碰撞后不會立即遠離強電場區(qū)域，而是在強電場區(qū)域反復碰撞后向弱電場區(qū)域運動，由于球形顆粒與絕緣子的面接觸近似等效為點接觸，接觸面的靜摩擦力始終小于重力，因此不會出現(xiàn)球形顆粒吸附在絕緣子表面的現(xiàn)象。在顆粒向弱電場區(qū)域跳動的過程中，如果顆粒在某一位置上軸向受力平衡，則顆粒會保持橫向位置不變，在極板中做時間很短的諧振運動，如圖11(a)所示。這種諧振運動出現(xiàn)的位置和運動時間都具有很大的隨機性，因此可以稱之為“偽諧振現(xiàn)象”。運動到弱電場區(qū)域后，可能出現(xiàn)顆粒圍繞外殼徘徊運動的“飛螢現(xiàn)象”，顆粒半徑越大，出現(xiàn)飛螢現(xiàn)象的概率就越大?！皞沃C振現(xiàn)象”和“飛螢現(xiàn)象”之間不存在必然聯(lián)系，沒有先后發(fā)生順序，都是顆粒在運動時可能發(fā)生的運動現(xiàn)象。

當顆粒初始位置在絕緣子附近時(距離絕緣子20 mm)，運動軌跡如圖11(b)所示。對比式(4)、(5)可知，電場強度是影響顆粒受力及運動的重要因素之一，絕緣子附近的電場強度比高壓導體中部更大，結合高速相機拍攝的運動圖片可以看出：顆粒起跳后會立即向絕緣子方向跳動，起跳速度比在高壓導體中部時更快，向弱電場區(qū)域運動后可能出現(xiàn)“偽諧振現(xiàn)象”和“飛螢現(xiàn)象”。

圖11 球形顆粒運動軌跡Figure 11 Movement locus of the spherical particle

2)負極性電壓。

當運行電壓為負極性電壓時，在高壓導體中部的球形顆粒的運動軌跡如圖11(c)所示。顆粒的運動軌跡和正極性時相似，貫穿性跳動并與絕緣子碰撞后向弱電場運動，運動期間可能出現(xiàn)“偽諧振現(xiàn)象”和圍繞負極性導體徘徊運動的“飛螢現(xiàn)象”(圖中僅標注出“飛螢現(xiàn)象”)。顆粒的半徑越大，出現(xiàn)飛螢現(xiàn)象的概率就越大。顆粒的初始位置在絕緣子附近時，運動軌跡見圖11(d)，顆粒起跳后立即向絕緣子運動，顆粒的起跳速度更快，與絕緣子反復碰撞并徘徊運動的概率增大。

3)多個顆粒。

當腔體內(nèi)存在多個球形顆粒時，會出現(xiàn)某個顆粒優(yōu)先起跳，其他顆粒間隔起跳的分時起跳現(xiàn)象，電壓極性和起跳初始位置不會影響分時起跳現(xiàn)象的發(fā)生，多個球形顆粒的整體運動軌跡與單個顆粒的運動軌跡基本相似。

4 結語

1)在腔體尺寸和絕緣介質(zhì)確定的情況下，球形顆粒起跳場強的理論值和計算值基本相符，顆粒的半徑越大，起跳場強越大。氣體壓強和電壓極性對起跳場強幾乎沒有影響，隨著顆粒數(shù)量的增加，起跳場強逐漸降低。

2)球形顆粒在直流GIL腔體內(nèi)運動時可能出現(xiàn)“偽諧振現(xiàn)象”和圍繞負電極徘徊運動的“飛螢現(xiàn)象”，顆粒半徑越大，飛螢現(xiàn)象的概率就越高?？拷^緣子的顆粒起跳速度比在高壓導體中部時更快。在負極性電壓下，初始位置越靠近絕緣子，顆粒與絕緣子反復碰撞的概率越大，造成絕緣子沿面放電的可能性越高。

3)存在多個顆粒時，會出現(xiàn)某個顆粒優(yōu)先起跳，其他顆粒間隔起跳的分時起跳現(xiàn)象，電壓極性和起跳初始位置不會影響分時起跳現(xiàn)象的發(fā)生，多個顆粒的整體運動軌跡和單個顆粒的運動軌跡基本相似。