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直流GIL中金属微粒对绝缘子表面电荷积聚的作用机制研究

李伯涛  
【摘要】:气体绝缘金属封闭输电线路GIL (Gas Insulated Transmission)适用于传统直流架空线路受制约的区域,在未来全球能源互联网建设中具有广阔的应用前景。而对于直流GIL,金属微粒及表面电荷积聚是引起其绝缘强度劣化的主要因素,且当金属微粒与表面电荷共同作用时,将对直流绝缘体系形成巨大的威胁。本文针对直流GIL中导电微粒污染问题,研究其对绝缘子表面电荷积聚的影响:首先基于麦克斯韦方程组,对绝缘子表面电荷的积聚情况进行分析,并进-步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建立绝缘子表面电荷积聚的微观模型,分析了直流电压下绝缘子模型表面电荷积聚的时间效应及电压特性,并深入探究微粒对表面电荷积聚效应的影响;另一方面,为验证仿真分析的正确性,建立考虑金属微粒影响的旋转式电荷测量实验平台,并对应仿真分析分别针对电荷积聚的时间效应和电压特性以及微粒尺寸和微粒附着位置对电荷积聚的影响几个方面进行实验研究,从实验的角度揭示表面电荷和金属微粒对直流GIL绝缘强度的劣化作用;进一步以实体建模方式建立直流GIL中包含微粒污染的绝缘子表面电荷积聚模型,分析柱式和盆式绝缘子表面电荷的分布规律,并针对金属微粒在GIL中“附着”与“悬浮”两种主要存在形式,深入探究附着微粒和悬浮微粒对柱式绝缘子表面电荷积聚的影响。简化模型的仿真分析和实验结果表明:考虑金属微粒影响的电荷仿真模型与实验值相吻合,验证了仿真模型的可靠性。进一步,实体建模中金属微粒对绝缘子表面电荷积聚的影响主要表现为: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。本文研究结论有利于深化对直流GIL中沿面闪络故障和微粒引起气隙击穿的机理认识,并为直流GIL中绝缘子结构设计和金属微粒污染物的无害化措施提供一定的理论指导。


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