發(fā)布時間：2019-08-28 17:35

【摘要】：鑒于當前超特高壓輸電走廊緊缺、分布式能源就地輸送、線路跨越江河的特殊需求等問題,以及未來直流電網(wǎng)規(guī)劃發(fā)展需要,使得直流氣體絕緣輸電線路(Gas insulated transmission lines,GIL)愈加受到學術界和工業(yè)界的普遍重視。在直流GIL絕緣體系中,由于生產、運輸、組裝、運行等階段的機械碰撞、設備振動以及熱伸縮摩擦,都會不可避免地產生金屬微粒污染物,而金屬微粒將在電場作用下帶電、運動并引發(fā)腔體內的氣隙擊穿和絕緣子沿面閃絡,進而造成GIL設備絕緣耐受能力顯著下降,嚴重影響到直流輸電系統(tǒng)的安全可靠運行。本文重點針對直流GIL中金屬微粒的荷電運動機制及治理方法開展研究,所取得的成果主要包括:利用流體力學理論分析微粒運動過程中混合氣體阻力的影響,并結合彈性碰撞理論分析金屬微粒與導體及外殼的非彈性隨機碰撞過程,建立了球形金屬微粒的運動模型。仿真和實驗結果表明:相比于交流情況,直流GIL中的微粒存在貫穿電極間隙的運動,分布范圍更大,危險程度更高;盡管微粒運動有很大隨機性,但在封閉腔體內的運動分布仍呈現(xiàn)一定規(guī)律;微�；钴S度與隨機反射角、電壓幅值呈正相關,且隨著微粒半徑變化存在極大值。掌握微粒的動力學行為特征,可為微粒的危險程度評價及抑制措施研究提供重要的理論基礎和技術依據(jù)。自由金屬微粒運動將進一步引發(fā)直流GIL腔體內部的局部放電,而嚴重的放電甚至會導致整個氣隙擊穿。基于微粒局部放電實驗平臺,針對電壓極性、幅值、SF6氣壓、微粒長度、微粒半徑、微粒個數(shù)等影響因素開展實驗研究,探究各因素對金屬微粒運動特性以及放電特性的影響,并分析獲得不同因素下微粒污染物的危險程度。進一步使用高速相機觀測自由金屬微粒誘導的氣隙擊穿過程,通過分析球形微粒啟舉后的電場畸變現(xiàn)象,并基于流注理論的微放電判據(jù)得到運動微粒與極板間的微放電特征間距,根據(jù)實驗現(xiàn)象將直流勻場中金屬微粒引起的擊穿分為3種類型——靜止直接擊穿、微放電擊穿、啟舉電壓擊穿。對于跳躍的自由線形微粒,其引起的微放電擊穿間距隨著微粒長度的增加而增加,擊穿電壓則隨著微粒長度的增加而降低。除了誘發(fā)氣隙擊穿,附著金屬微粒還對絕緣子表面電荷積聚具有嚴重影響。納入微粒污染以及氣體側空間離子的產生、復合、遷移、擴散等作用,利用多物理場仿真軟件COMSOL建立了絕緣子表面電荷積聚的微觀模型,同時搭建考慮金屬微粒影響的旋轉式電荷測量平臺進行測試,仿真分析和實驗結果均表明:絕緣子表面電荷積聚與絕緣子表面場強的法向分量具有一致性;附著絕緣子表面的導電微粒能引起表面電荷積聚激增,其中附著在中間部位的微粒引起的電荷激增量更為顯著,且微粒兩端積聚電荷的電性相反,并與微粒尖端所對電極極性相反;懸浮微粒對表面電荷積聚的影響較小,當懸浮微粒距絕緣子表面垂直距離超過4倍微粒直徑時,其對絕緣子表面電荷的影響可以忽略。針對直流GIL中自由金屬微粒污染物的治理,一方面,研究電極表面覆膜對金屬微粒啟舉特性的抑制機理,并利用氣體電離及界面電荷積聚理論提出直流電極覆膜時金屬微粒的帶電與啟舉模型,發(fā)現(xiàn)直流應力下覆膜產生的靜電吸附力可顯著提高微粒的啟舉電壓,覆膜介電常數(shù)及體電導率對微粒充電時間均有顯著影響,從而明確了介電常數(shù)大、體電導率小這一覆膜材料遴選原則;另一方面,基于電場分析以及捕捉實驗,提出了可用于直流GIL柵格式微粒陷阱設計的特征厚寬比參數(shù),同時對絕緣子附近金屬微粒的運動行為進行了研究,并在金屬微粒落點集中區(qū)域進行陷阱布置,取得較好的抑制效果,可指導工程應用設計。
【圖文】：

目前我國的能源基地大都遠離負荷中心，如何科學解決大容量遠程電力輸送通道問題，是我國電力發(fā)展面臨的重大課題之一。高壓直流輸電（HVDC）具有運行損耗小、輸電調節(jié)快、輸送容量大等優(yōu)異特性，其在遠距離能源輸送方面的獨特優(yōu)勢，為上述問題的解決提供了技術途徑。但與此同時，由于土地資源的日益稀缺，加之來自生態(tài)環(huán)境保護的巨大壓力以及特殊地理區(qū)域的空間限制，以架空線路為主的傳統(tǒng)電力傳輸通道面臨嚴峻的現(xiàn)實挑戰(zhàn)。為支撐我國當前和未來的大規(guī)模電能輸送需求，在輸電通道方面亟需解決三個關鍵問題：1）當前超特高壓輸電線路的走廊緊缺與空間限制問題，如復雜地理環(huán)境的大容量水電送出，大都市的電力集中接入，以及線路愈加頻繁地跨江跨河等；2）解決分布式能源的就地輸送問題，如將離岸大規(guī)模風電送出，以及向孤立的島嶼及海上平臺供電等；3）面向 十三五 電力規(guī)劃以及未來直流電網(wǎng)發(fā)展藍圖，須構建大容量、高可靠性、環(huán)境協(xié)調友好的電能傳輸通道。直流輸電迫切需要建立一種新的電能傳輸模式，以突破容量、可靠性、占地、走廊、環(huán)保等多種瓶頸束縛，為此，直流 GIL（Gas insulated transmission lines，氣體絕緣輸電線路）應運而生，并愈加受到學術界和工業(yè)界的普遍重視[1]。

c) 550kV 盆式絕緣子沿面閃絡 d) 800kV 柱式絕緣子沿面閃絡c) Flashover of 550kV basin-type insulator d) Flashover of 800kV Post insulator圖 1-2 微粒引發(fā)的氣隙擊穿與絕緣子沿面閃絡故障Fig.1-2 Particle-induced air gap breakdown and flashover along the insulator surface交流 GIL 遇到的上述絕緣問題，直流 GIL 不僅同樣存在，而且情況更為復雜嚴峻。高壓直流輸電和直流電網(wǎng)的大規(guī)模發(fā)展呼喚直流 GIL 的設計與制造，但目前直流 GIL 尚未能推廣應用，究其根源，除了設備本體與材料造價高等暫時性原因之外，還有影響設備可靠性的制約瓶頸：1）相較于交流 GIL，直流GIL 中金屬微粒的活躍程度更高，絕緣子表面電荷積聚更加嚴重。受單極性電場應力作用，自由電荷極易發(fā)生定向移動而積聚，金屬微粒運動也呈現(xiàn)空間非均勻的隨機分布特征[4]。2）金屬微粒與空間電荷兩大問題交互混疊，形成突出的耦合效應。更加活躍的金屬微粒，，將與空間電荷、界面電荷發(fā)生更頻繁的交互作用，使得空間電荷也會因為微粒的存在而富集，而界面電荷積聚機制也會產生特殊變異。當金屬微粒污染物在電場中荷電并在電極間運動時，將造成嚴重的電場畸變及動態(tài)變化，甚至直接導致主氣隙擊穿，而其一旦出現(xiàn)在絕緣子附近或附著在絕緣子表面，將顯著降低氣固組合絕緣耐電強度，進而引發(fā)絕緣
【學位授予單位】：華北電力大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TM75

【參考文獻】

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本文編號：2530285