CN110212480B - 直流气体绝缘输电线路微粒陷阱及参数优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种直流气体绝缘输电线路(GIL)微粒陷阱，包括陷阱基体、微粒捕捉槽以及绝缘电介质薄膜，其中陷阱基体布置于直流GIL外壳内壁并于内壁严密贴合；微粒捕捉槽为连续相同楔形穿透形槽孔，布置于陷阱基体内，用于形成低电场区域对微粒进行捕捉，并抑制微粒逃逸；绝缘电介质薄膜分别位于陷阱基体上表面和微粒捕捉槽底部，抑制微粒带电。该微粒陷阱针对直流GIL中金属微粒运动活性强的特点，设置了楔形捕捉槽和绝缘电介质薄膜，可分别抑制微粒的运动和带电，从而有效捕捉直流GIL中运动的金属微粒，避免金属微粒对直流GIL设备产生绝缘损坏。同时本发明还针对性地提出了一种直流气体绝缘输电线路(GIL)微粒陷阱参数优化方法。
Description
技术领域
本发明属于电力系统中的高压输电线路领域，尤其涉及一种直流气体绝缘输电线路微粒陷阱及参数优化方法。
背景技术
以SF6或SF6/N2混合气体作为绝缘气体的直流绝缘输电线路(GIL)因其具有输送容量大、损耗低、环境友好且维护成本低的优点，目前在高落差、征地困难、交叉跨越复杂的输电场合具有广阔的应用前景。在直流GIL生产制造环节以及设备运行等过程中会不可避免的产生一定数量的金属微粒，而金属微粒受到电场力的作用会在设备中运动或附着在电极或绝缘子表面上而导致导体、外壳间的气隙击穿或绝缘子的沿面闪络，从而降低设备的绝缘性能。所以在直流GIL设备内部需要安装一些抑制金属微粒运动的结构，其中金属微粒捕捉器就是其中之一。微粒捕捉器的主要思路是构造腔体底部的低电场区，从而使得掉落在此区域的金属微粒无法受到足够的电场力从而限制微粒的起举，而起到抑制金属微粒的作用。
与交流GIL相比，在直流GIL内部是单极性的直流电场，运动的金属微粒将贯穿整个气隙并碰撞导体，且具有更快的运动速度和运动频率，因此需要针对直流GIL进行微粒捕捉器的特殊设计。基于以上存在的问题，本发明借鉴交流GIL微粒捕捉器，提出一种直流气体绝缘输电线路(GIL)用金属微粒捕捉器，并且对其参数进行优化。
发明内容
本发明的目的是针对直流GIL中的金属微粒污染物，提出一种可以充分捕捉微粒并防止其逃逸的直流GIL微粒陷阱以及微粒陷阱的参数优化方法。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种直流气体绝缘输电线路微粒陷阱，包括：陷阱基体、微粒捕捉槽以及绝缘电介质薄膜，所述陷阱基体布置于直流气体绝缘输电线路外壳内壁并与内壁严密贴合；所述微粒捕捉槽为多个连续相同楔形穿透形槽孔，布置于所述陷阱基体内，用于形成低电场区域对微粒进行捕捉，并抑制微粒逃逸；所述绝缘电介质薄膜分别位于所述陷阱基体上表面和所述微粒捕捉槽底部，抑制微粒带电。
进一步，所述陷阱基体和所述直流气体绝缘输电线路外壳同轴设置。
进一步，所述陷阱基体材质为铝合金。
进一步，所述微粒捕捉槽的多个相同楔形穿透性槽孔之间具有间隔，避免形成尖端。
进一步，所述微粒捕捉槽侧面与底面所呈角度大于等于30°，小于90°。
进一步，所述绝缘电介质薄膜为高介电常数、低体电导率的绝缘薄膜。
本发明还提出一种直流气体绝缘输电线路微粒陷阱参数优化方法，所述微粒陷阱参数优化方法包括以下步骤：
步骤1、建立考虑微粒运动随机性的微粒陷阱仿真模型，具体包括：与真实气体绝缘输电线路尺寸相同的同轴圆柱电极，与所述微粒陷阱相同的微粒陷阱模型，并建立碰撞时刻微粒运动状态方程和非碰撞时刻微粒运动状态方程；
步骤2、在仿真模型中随机释放100000个互不干扰的自由金属微粒，计算微粒10min内的运动状态参数；
步骤3、统计被捕捉的金属微粒数目Ncap并计算陷阱捕捉概率pcap，
步骤4、改变微粒陷阱参数，重复步骤1-3；
步骤5、比较不同参数微粒陷阱对金属微粒捕捉概率，获得微粒陷阱最优参数。
进一步，所述碰撞时刻微粒运动状态方程为：
式中v1为碰撞前速度，v2为碰撞后速度，e为恢复系数，σs为碰撞材料的屈服极限，R,E,ν,m分别为微粒半径、材料弹性模量、材料泊松比、微粒质量；
式中θr表示反射角，S(θr)表示反射角分布，vi为入射速度，θi为入射角度。
进一步，所述非碰撞时刻微粒运动状态方程为：
式中：m为微粒质量，(x，y)为微粒坐标，
为微粒运动方向与腔体轴向的夹角，Fv为微粒所受空气阻力，Fq为微粒所受库仑力，G为微粒所受重力，Fg为微粒所受梯度力。
本发明的有益效果在于：整个装置针对直流GIL进行专门设计，对从两方面对微粒进行充分抑制：利用微粒捕捉槽形成低电场区域抑制金属微粒运动，并设计楔形捕捉槽孔，其侧壁与底面所呈角度可以减小微粒碰撞逃逸的概率；在陷阱基体表面和捕捉槽底面设置绝缘电介质薄膜，抑制微粒带电，从而抑制金属微粒活性；参数优化方法采用仿真手段，有效避免了参数优化所需的大量重复性实验，同时可以模拟微粒运动的强随机性。
附图说明
图1为安装了本发明直流GIL用金属微粒陷阱的管道结构示意图；
图2为本发明的微粒陷阱结构图；
图3为本发明装置微粒陷阱的结构剖面图；
图4示出了本发明实施例的金属微粒陷阱中的金属微粒的运动轨迹与传统金属微粒陷阱中微粒运动轨迹对比；
图5示出了本发明实施例的金属微粒陷阱中的楔形穿透性槽孔对槽内电场的屏蔽作用；
图6为利用本发明的金属微粒陷阱对微粒进行捕捉的效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示，为安装了本发明的一种直流GIL用金属微粒陷阱的管道结构示意图。微粒陷阱4布置在直流GIL腔体绝缘子3附近，腔体包括半径为60mm 的铝合金导体1，内径为180mm的铝合金外壳2，以及柱式绝缘子3，且整体结构可承受腔室内最高可达0.7MPa的气压。
微粒陷阱4具体结构如图2、3所示。
本发明提供的一种直流气体绝缘输电线路(GIL)微粒陷阱4的实施例，其包括陷阱基体41、微粒捕捉槽42以及绝缘电介质薄膜43，其中陷阱基体41布置于直流GIL外壳内壁并与内壁严密贴合，微粒捕捉槽42为多个连续相同楔形穿透形槽孔，布置于陷阱基体41内，用于形成低电场区域对微粒进行捕捉，并抑制微粒逃逸，绝缘电介质薄膜43分别位于陷阱基体41上表面和微粒捕捉槽 42底部，抑制微粒带电。
陷阱基体41采用铝合金材质，与直流GIL外壳同轴设置，布置在直流GIL 腔体绝缘子附近。本实施方式中，陷阱基体41通过柱式绝缘子3固定在铝合金外壳2内表面，陷阱基体高度具体为5mm，长度具体为80mm，弧度具体为90°。
微粒捕捉槽42由多个相同楔形穿透性槽孔构成，槽孔之间具有一定间隔，避免形成尖端。本实施方式中，楔形穿透性槽孔数目具体为7个，槽孔之间的间隔具体为2mm，槽孔上宽度具体为4mm。
微粒捕捉槽侧面与底面所呈角度大于等于30°，小于90°，本实施方式中，角度具体为55°。
绝缘电介质薄膜为高介电常数、低体电导率的绝缘薄膜。本实施方式中具体为聚酰亚胺薄膜。
加入整个微粒陷阱后，金属微粒在直流GIL腔体中受到单极性同轴梯度电场的作用，会在导体与外壳间往复运动，当运动到捕捉槽覆盖的区域后，若碰撞陷阱基体上表面，布置于上表面的聚酰亚胺薄膜会有效地降低金属微粒所带电荷量，降低金属微粒的活跃程度；若碰撞微粒捕捉槽，一方面楔形穿透性槽孔会阻碍金属微粒运动，防止金属微粒逃逸，如图3所示，另一方面楔形穿透性槽孔对槽内电场有显著的屏蔽作用，如图4所示。综合以上功能模块的共同作用，在直流GIL微粒陷阱的作用下，金属微粒会被有效的捕捉，同时难以再逃逸到高电场区域。
为了验证本发明的微粒陷阱对微粒限制的有效性，进行直流GIL微粒陷阱的有效性实验。实验中采用各100粒，半径分别为0.1mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm、 1mm的球形金属微粒，施加110kV直流电压10min，对于不同尺寸的金属微粒，各进行10次实验，得到10次实验的捕捉成功率平均值。如图5所示，对于不同尺寸的金属微粒，捕捉成功率都达到了90％以上，并且无逃逸现象。实验结果充分证明了本发明的捕捉成功率高，微粒逃逸率低的特点，证明本发明可以有效的抑制直流GIL内金属微粒污染物。
为了能够设计出对微粒捕捉效果更佳的微粒陷阱，有必要对微粒陷阱的参数进行优化。基于此，本发明提出一种对所述直流GIL微粒陷阱参数进行优化的方法，包括如下步骤：
步骤1：建立考虑微粒运动随机性的微粒陷阱仿真模型。
首先建立与真实气体绝缘输电线路尺寸相同的同轴圆柱电极，与所述微粒陷阱相同的微粒陷阱模型，并建立碰撞时刻微粒运动状态方程为：
式中v1为碰撞前速度，v2为碰撞后速度，e为恢复系数，σs为碰撞材料的屈服极限，R,E,ν,m分别为微粒半径、材料弹性模量、材料泊松比、微粒质量。
式中θr表示反射角，S(θr)表示反射角分布，vi为入射速度，θi为入射角度。
非碰撞时刻微粒运动状态方程为：
式中：m为微粒质量，(x，y)为微粒坐标，
为微粒运动方向与腔体轴向的夹角，Fv为微粒所受空气阻力，Fq为微粒所受库仑力，G为微粒所受重力，Fg为微粒所受梯度力。
步骤2：在仿真模型中随机释放100000个互不干扰的自由金属微粒，计算微粒10min内的运动状态参数。
步骤3：计被捕捉的金属微粒数目Ncap并计算陷阱捕捉概率。
陷阱捕捉概率pcap为：
步骤4：改变微粒陷阱参数，重复步：1-3。
步骤5：比较不同参数微粒陷阱对金属微粒捕捉概率，获得微粒陷阱最优参数。
下面以一个实施例进行说明本发明的该方法。
陷阱仿真模型包括：与真实GIL尺寸相同的同轴圆柱电极，具体为半径为60mm的铝合金导体1，内径为180mm的铝合金外壳；与所述微粒陷阱相同的微粒陷阱模型，初始参数具体为基体高度5mm，长度80mm，弧度90°，楔形穿透性槽孔数目7个，槽孔之间的间隔2mm，槽孔上宽度4mm，微粒捕捉槽侧面与底面角度55°。
设置仿真条件为GIL中充满0.5MPa的纯SF6，其中放置半径为0.3mm的铝球，施加电压50kV电压持续10min，改变微粒陷阱槽口宽度和微粒捕捉槽侧面与底面倾斜角度，共选取13(倾斜角)×9(槽口宽度)种不同参数，倾斜角取值范围为90～30°，槽口宽度的取值范围为1.5～5.5mm。
对不同参数微粒陷阱的捕捉概率进行比较，得出陷阱槽口宽度为4mm，倾斜角为50°时具有最佳捕捉概率。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种直流气体绝缘输电线路微粒陷阱参数优化方法，其特征在于，所述微粒陷阱包括陷阱基体、微粒捕捉槽以及绝缘电介质薄膜，所述陷阱基体布置于直流气体绝缘输电线路外壳内壁并与内壁严密贴合；所述微粒捕捉槽为多个连续相同楔形穿透形槽孔，布置于所述陷阱基体内，用于形成低电场区域对微粒进行捕捉，并抑制微粒逃逸；所述绝缘电介质薄膜分别位于所述陷阱基体上表面和所述微粒捕捉槽底部，抑制微粒带电；所述微粒陷阱参数优化方法包括以下步骤：
步骤1、建立考虑微粒运动随机性的微粒陷阱仿真模型，具体包括：与真实气体绝缘输电线路尺寸相同的同轴圆柱电极，与所述微粒陷阱相同的微粒陷阱模型，并建立碰撞时刻微粒运动状态方程和非碰撞时刻微粒运动状态方程；所述碰撞时刻微粒运动状态方程为：
式中v1为碰撞前速度，v2为碰撞后速度，e为恢复系数，σs为碰撞材料的屈服极限，R,E,ν,m分别为微粒半径、材料弹性模量、材料泊松比、微粒质量；
式中θr表示反射角，S(θr)表示反射角分布，vi为入射速度，θi为入射角度；
步骤2、在仿真模型中随机释放100000个互不干扰的自由金属微粒，计算微粒10min内的运动状态参数；
步骤3、统计被捕捉的金属微粒数目Ncap并计算陷阱捕捉概率pcap，
步骤4、改变微粒陷阱参数，重复步骤1-3；
步骤5、比较不同参数微粒陷阱对金属微粒捕捉概率，获得微粒陷阱最优参数。
2.如权利要求1所述的一种直流气体绝缘输电线路微粒陷阱参数优化方法，其特征在于，所述非碰撞时刻微粒运动状态方程为：
式中：m为微粒质量，(x，y)为微粒坐标，
为微粒运动方向与腔体轴向的夹角，Fv为微粒所受空气阻力，Fq为微粒所受库仑力，G为微粒所受重力，Fg为微粒所受梯度力。
3.如权利要求1-2任一项所述的一种直流气体绝缘输电线路微粒陷阱参数优化方法，其特征在于，所述陷阱基体和所述直流气体绝缘输电线路外壳同轴设置。
4.如权利要求1-2任一项所述的一种直流气体绝缘输电线路微粒陷阱参数优化方法，其特征在于，所述陷阱基体材质为铝合金。
5.如权利要求1-2任一项所述的一种直流气体绝缘输电线路微粒陷阱参数优化方法，其特征在于，所述微粒捕捉槽的多个相同楔形穿透性槽孔之间具有间隔，避免形成尖端。
6.如权利要求1-2任一项所述的一种直流气体绝缘输电线路微粒陷阱参数优化方法，其特征在于，所述微粒捕捉槽侧面与底面所呈角度为大于等于30°，小于90°。
7.如权利要求1-2任一项所述的一种直流气体绝缘输电线路微粒陷阱参数优化方法，其特征在于，所述绝缘电介质薄膜为高介电常数、低体电导率的绝缘薄膜。
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