CN112183009B - 一种直流gil微粒陷阱安装位置的优化方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流GIL微粒陷阱安装位置的优化方法和装置，属于电力系统高压输电线路GIL领域，该优化方法的步骤包括根据实际GIL管道模型，建立直流GIL微粒运动的简化仿真模型；对直流GIL中金属微粒的运动进行仿真，计算金属微粒在预定时间内的运动轨迹；根据金属微粒的运动轨迹，统计金属微粒的落点分布；根据金属微粒的落点分布选择微粒陷阱的安装位置。本发明能够优化微粒陷阱的安装位置，节约直流GIL的建造成本，操作简单，具有较好的工程应用价值。

Description

一种直流GIL微粒陷阱安装位置的优化方法和装置
技术领域
本发明涉及一种直流GIL微粒陷阱安装位置的优化方法和装置，属于电力系统高压输电线路GIL技术领域。
背景技术
气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated metal-enclosed transmissionline，GIL)以其输送容量大、占地面积小、传输损耗小等优点，在许多场合是替代电缆和架空线路的首选方案。但在GIL的生产、装配和运行过程中，金属微粒的产生是不可避免的，如：生产过程中因内部清理不善而残存的金属屑、运输过程中挤压摩擦产生的碎屑、运行中触头插接造成的机械摩擦、以及放电烧蚀产生的金属微粒等。而带电金属微粒在直流GIL腔体中受到了库仑力、重力、摩擦力和气体粘滞力等力的作用，将在GIL管道中往复运动，极易引发GIL绝缘的击穿，严重威胁到了电力的安全性和可靠性。
因此，在直流GIL设备内部需要采取金属微粒捕获措施，而微粒陷阱就是捕获金属微粒较为有效的措施之一。微粒陷阱的思路是构成低场强区，使得运动至此处的金属微粒由于库仑力的大大减小而无法发生起跳。由于GIL管道通常较长，全程设置金属微粒陷阱是极不经济的，因此需要对微粒陷阱的安装位置进行优化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种直流GIL微粒陷阱安装位置的优化方法和装置，能够优化微粒陷阱的安装位置，节约直流GIL的建造成本，且避免了优化所需的大量重复性实验，计算量较小，操作简单。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面：
本发明提供了一种直流GIL微粒陷阱安装位置的优化方法,包括如下步骤：
根据实际GIL管道模型，建立直流GIL微粒运动的简化仿真模型；
基于简化仿真模型对直流GIL中金属微粒的运动进行仿真，计算金属微粒在预定时间内的运动轨迹；
根据金属微粒的运动轨迹，统计金属微粒的落点分布；
根据金属微粒的落点分布选择微粒陷阱的安装位置。
进一步的，所述简化仿真模型包括直流GIL管道尺寸、气体参数、金属微粒材质、金属微粒尺寸、绝缘子模型、金属微粒的受力方程和运动状态方程。
进一步的，对直流GIL中金属微粒的运动进行仿真的方法包括如下步骤：
在简化仿真模型中对直流GIL电场进行仿真，并在盆式绝缘子凸面侧下方布置金属微粒。
进一步的，对金属微粒的运动进行仿真的方法包括如下步骤：
(a)对单个金属微粒进行运动轨迹的仿真，并判断金属微粒是否发生起跳；若金属微粒发生起跳，则判断金属微粒状态并计算金属微粒的位置，根据金属微粒的位置重新判定微粒状态；若金属微粒不发生起跳，则仿真计算结束；
(b)判断是否达到预定仿真时间；若达到预定仿真时间，则结束仿真计算；若未达到预定仿真时间，则重复步骤(a)。
进一步的，判断金属微粒状态并计算金属微粒的位置的方法包括如下步骤：
若金属微粒状态是不碰撞，则计算微粒的受力、加速度、速度和位置；若金属微粒状态是与接地外壳碰撞或与高压导杆碰撞，则需要重新计算金属微粒所携带的电荷量，根据反弹系数重新计算反弹速度，并计算金属微粒的受力、加速度、速度以及位置；
根据金属微粒的位置重新判断金属微粒状态的方法包括如下步骤：
若金属微粒处于接地外壳和高压导杆之间，则金属微粒状态设定为不碰撞；若金属微粒越过了接地外壳或高压导杆，则则对金属微粒的位置进行调整，将碰撞处的位置设定为金属微粒的位置，并将金属微粒状态设定为与接地外壳碰撞或与高压导杆碰撞；
进一步的，金属微粒的受力方程采用如下公式表示：
Figure BDA0002655401920000031
式中r为金属微粒的半径；q是球形金属微粒所携带的电荷量；ε是气体介电常数；E是金属微粒所处位置的电场强度；G是金属微粒受到的重力；ρmetal和ρgas分别是金属微粒和气体的密度；g是重力加速度；Ff是金属微粒受到的浮力；Fq是金属微粒受到的库仑力；Re是雷诺数；v是金属微粒速度；μgas是气体动力粘度；Fv是金属微粒受到的空气阻力。
进一步的，金属微粒的运动状态方程采用如下公式表示：
Figure BDA0002655401920000041
式中m为金属微粒质量；t为仿真时间；(x，y)是否为金属微粒的位置坐标，x轴正方向为直流GIL的径向，y轴正方向为直流GIL轴向；ax和ay分别是金属微粒加速度在x轴和y轴上的分量；Fqx和Fqy分别是金属微粒所受库仑力在x轴和y轴上的分量；Fvx和Fvy分别是金属微粒所受空气阻力在x轴和y轴上的分量。
进一步的，所选择的微粒陷阱至少覆盖金属微粒的第一个集中落点。
第二方面：
本发明提供了一种微粒陷阱安装位置的优化装置，包括如下模块：
模型构建模块，用于根据实际GIL管道模型，建立直流GIL微粒运动的简化仿真模型；
仿真计算模块，用于基于简化仿真模型对直流GIL中金属微粒的运动进行仿真，计算金属微粒在预定时间内的运动轨迹；
分布统计模块，用于根据金属微粒的运动轨迹，统计金属微粒的落点分布；
位置选取模块，用于根据金属微粒的落点分布，选择微粒陷阱的安装位置。
第三方面：
本发明提供了一种微粒陷阱安装位置的优化装置，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据第一方面任一项所述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明使用计算机仿真的方法有针对性地对直流GIL中的金属微粒进行落点统计，根据金属微粒的落点分布来优化微粒陷阱的安装位置，节约了直流GIL的建造成本，避免了优化所需的大量重复性实验；
在简化仿真模型中，仅在盆式绝缘子凸面侧下方放置金属微粒，此处盆式绝缘子对直流GIL轴向电场的畸变最严重，具有代表性的同时，降低了计算量，操作简单，具有较好的工程应用价值。
附图说明
图1是本发明一种实施例提供的直流GIL微粒陷阱安装位置的优化方法的流程图；
图2是图1中金属微粒运动仿真方法的流程图；
图3是本发明一种实施例提供的600KV仿真电场分布图；
图4是本发明一种实施例提供的金属微粒的落点分布统计图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一：
如图1所示，本发明实施例提供了一种直流GIL微粒陷阱安装位置的优化方法，使用计算机有针对性地对直流GIL金属微粒的落点分布进行仿真计算，根据仿真结果对微粒陷阱的安装位置进行调整，具体包括如下步骤：
步骤1：根据实际直流GIL管道模型建立直流GIL微粒运动合适的简化仿真模型，简化仿真模型具体包括：GIL管道尺寸、气体参数、金属微粒材质、金属微粒尺寸、绝缘子模型等，并根据相关参数确定金属微粒的受力方程和运动状态方程。
其中，简化仿真模型中半径为r的携带电荷的金属微粒所受到的重力、浮力、库仑力、空气阻力可通过下式计算：
Figure BDA0002655401920000061
式中q是球形金属微粒所携带的电荷量(其中：与高压导杆碰撞后具有和电压极性相同的电荷，与接地外壳碰撞后具有和电压极性相反的电荷)；ε是气体介电常数；E是金属微粒所处位置的电场强度；G是金属微粒受到的重力，方向始终垂直向下；ρmetal和ρgas分别是金属微粒和气体的密度；g是重力加速度；Ff是金属微粒受到的浮力，方向始终垂直向上；Fq是金属微粒受到的库仑力，当金属微粒所携带电荷为正极性时，方向和电场E的方向一致，否则相反；Re是雷诺数；v是金属微粒的速度；μgas是气体动力粘度；Fv是金属微粒受到的空气阻力，与其运动方向相反。
其中，金属微粒的运动状态方程采用如下公式表示：
Figure BDA0002655401920000062
式中m为金属微粒质量；t为仿真时间；(x，y)是否为金属微粒的位置坐标，x轴正方向为直流GIL的径向，y轴正方向为直流GIL轴向；ax和ay分别是金属微粒加速度在x轴和y轴上的分量；Fqx和Fqy分别是金属微粒所受库仑力在x轴和y轴上的分量；Fvx和Fvy分别是金属微粒所受空气阻力在x轴和y轴上的分量。
需要说明的是，当金属微粒和管道或绝缘子发生碰撞时，认为其碰撞是弹性碰撞，碰撞前后金属微粒速度的比值是固定的，该比值仅与材料的弹性塑性相关。
步骤2：基于简化仿真模型对直流GIL中金属微粒的运动进行计算机仿真，计算金属微粒在预定时间内的运动轨迹；其中，进行计算机仿真的具体步骤为：基于简化仿真模型对直流GIL的电场进行计算机仿真，然后在盆式绝缘子凸面侧下方根据仿真模拟的实际情况布置合适数量的金属微粒，并计算金属微粒在一定仿真时间段内的运动轨迹。
在步骤2中，相对于现有技术本发明的优化方法仅在简化仿真模型的盆式绝缘子凸面侧下方设置合适数量的金属微粒，这样的设置的原因在于盆式绝缘子对GIL轴向电场的畸变最严重，而直流GIL内金属微粒通常会向盆式绝缘子凸面侧聚集。因此，在盆式绝缘子凸面侧下方设置金属微粒更具有代表性，对这些微粒经盆式绝缘子反弹后的落点进行统计，能够降低仿真计算量并取得理想的计算结果。
如图2所示，在步骤2中，对直流GIL中金属微粒的运动进行仿真的方法具体包括如下步骤：
(a)对单个金属微粒进行运动轨迹的仿真，并判断金属微粒是否发生起跳，即判断是否发生运动；根据判断情况进行以下操作：
若金属微粒发生起跳，则判断金属微粒状态并计算金属微粒的位置，根据金属微粒的位置重新判定微粒状态；
若金属微粒不发生起跳，则仿真计算结束；
(b)判断是否达到预定的仿真结束时间；若达到预定的仿真结束时间，则结束仿真计算；若未达到预定的仿真结束时间，则重复步骤(a)；其中仿真时间的计算公式为tn+1＝tn+dtn，其中tn表示上一计算步骤的时刻，tn+1表示此计算步骤的时刻，dtn表示步长。
其中，在步骤(a)中判断金属微粒状态并计算金属微粒的位置的方法具体包括如下步骤：
若金属微粒状态是不碰撞，则计算微粒的受力、加速度、速度和位置；
若金属微粒状态是与接地外壳碰撞或与高压导杆碰撞，则需要重新计算金属微粒所携带的电荷量，根据反弹系数重新计算反弹速度，并计算金属微粒的受力、加速度、速度以及位置。
其中，在步骤(a)中根据金属微粒的位置重新判断金属微粒状态的方法包括如下步骤：
若金属微粒处于接地外壳和高压导杆之间，则金属微粒状态设定为不碰撞；
若金属微粒越过了接地外壳或高压导杆，则对金属微粒的位置进行调整，将碰撞处的位置设定为金属微粒的位置，并将金属微粒状态设定为与接地外壳碰撞或与高压导杆碰撞。
步骤3：根据金属微粒的运动轨迹对金属微粒的落点分布进行统计。
在简化仿真模型中，根据金属微粒的运动轨迹对金属微粒的落点分布进行统计，对统计结果可进行相应的图表显示，更加直观的显示金属微粒的落点分布情况，以便进行微粒陷阱安装位置的分析和选择。
步骤4：根据金属微粒的落点分布选择合适的微粒陷阱安装位置，其中，在选择安装位置时，应使微粒陷阱至少覆盖金属微粒经盆式绝缘子碰撞后的第一个集中落点，并尽量覆盖之后的几个较为集中的落点，从而优化微粒陷阱的安装位置和布设数量，降低直流GIL的建造成本，并且避免了优化所需的大量重复性实验。
下面以一个具体实验实例对本发明的优化方法进行说明。
根据步骤1的方法建立简化仿真模型，具体参数为：设定直流GIL高压导杆外半径是85mm，外壳内半径是440mm，绝缘气体是SF6，绝对气压P是0.4MPa，气体密度是24.35kg/m3，气体动力粘度是1.377×10-5Pa·s，微粒材料是铝，微粒密度是2700kg/m3，微粒与外壳碰撞的恢复系数是0.553，高压导杆的电压是600kV，微粒半径是0.2mm。
根据步骤2，如图3所示，得到600kV电场仿真的直流GIL电场分布图，然后对盆式绝缘子凸面侧下方的多个金属微粒均进行运动轨迹的仿真。
根据步骤3，由仿真结果绘制得到金属微粒落点分布统计图，如图4所示。
根据步骤4，由于在落点分布统计图中，各金属微粒经盆式绝缘子反弹后的第一次落点较为集中，约在图4中坐标的-140mm处，且之后几个落点也较为集中，因此，在微粒陷阱安装位置选取时，微粒陷阱应至少覆盖第一次落点，尽量覆盖之后的几个落点。综上可知，微粒陷阱安装时，可选择覆盖图4中坐标为-140mm至-300mm的区域。
本发明通过建立简化仿真模型，布置具有代表性的金属微粒，使用计算机仿真的方法有针对性地对直流GIL中的金属微粒进行落点统计，根据金属微粒的落点分布来优化微粒陷阱的安装位置，节约了直流GIL的建造成本，避免了优化所需的大量重复性实验，计算量较小，具有较好的工程应用价值。
实施例二：
本发明实施例提供了一种微粒陷阱安装位置的优化装置，包括如下模块：
模型构建模块，用于根据实际GIL管道模型，建立直流GIL微粒运动的简化仿真模型；
仿真计算模块，用于基于简化仿真模型对直流GIL中金属微粒的运动进行仿真，计算金属微粒在预定时间内的运动轨迹；
分布统计模块，用于根据金属微粒的运动轨迹，统计金属微粒的落点分布；
位置选取模块，用于根据金属微粒的落点分布，选择合适的微粒陷阱的安装位置。
实施例三：
本发明实施例提供了一种微粒陷阱安装位置的优化装置，其特征在于，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据实施例一中任一项优化方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种直流GIL微粒陷阱安装位置的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据实际GIL管道模型，建立直流GIL微粒运动的简化仿真模型；
基于简化仿真模型对直流GIL中金属微粒的运动进行仿真，计算金属微粒在预定时间内的运动轨迹；
根据金属微粒的运动轨迹，统计金属微粒的落点分布；
根据金属微粒的落点分布选择微粒陷阱的安装位置；
对直流GIL中金属微粒的运动进行仿真的方法包括如下步骤：
在简化仿真模型中对直流GIL电场进行仿真，并在盆式绝缘子凸面侧下方布置金属微粒；
对金属微粒的运动进行仿真的方法包括如下步骤：
(a)对单个金属微粒进行运动轨迹的仿真，并判断金属微粒是否发生起跳；若金属微粒发生起跳，则判断金属微粒状态并计算金属微粒的位置，根据金属微粒的位置重新判定金属微粒状态；若金属微粒不发生起跳，则仿真计算结束；
(b)判断是否达到预定仿真时间；若达到预定仿真时间，则结束仿真计算；若未达到预定仿真时间，则重复步骤(a)；
判断金属微粒状态并计算金属微粒的位置的方法包括如下步骤：
若金属微粒状态是不碰撞，则计算微粒的受力、加速度、速度和位置；若金属微粒状态是与接地外壳碰撞或与高压导杆碰撞，则重新计算金属微粒所携带的电荷量，根据反弹系数重新计算反弹速度，并计算金属微粒的受力、加速度、速度以及位置；
根据金属微粒的位置重新判断金属微粒状态的方法包括如下步骤：
若金属微粒处于接地外壳和高压导杆之间，则金属微粒状态设定为不碰撞；若金属微粒越过了接地外壳或高压导杆，则对金属微粒的位置进行调整，将碰撞处的位置设定为金属微粒的位置，并将金属微粒状态设定为与接地外壳碰撞或与高压导杆碰撞。
2.根据权利要求1所述的直流GIL微粒陷阱安装位置的优化方法，其特征在于，所述简化仿真模型包括直流GIL管道尺寸、气体参数、金属微粒材质、金属微粒尺寸、绝缘子模型、金属微粒的受力方程和运动状态方程。
3.根据权利要求2所述的直流GIL微粒陷阱安装位置的优化方法，其特征在于，金属微粒的受力方程采用如下公式表示：
Figure FDA0003730594450000021
式中r为金属微粒的半径；q是球形金属微粒所携带的电荷量；ε是气体介电常数；E是金属微粒所处位置的电场强度；G是金属微粒受到的重力；ρmetal和ρgas分别是金属微粒和气体的密度；g是重力加速度；Ff是金属微粒受到的浮力；Fq是金属微粒受到的库仑力；Re是雷诺数；v是金属微粒速度；μgas是气体动力粘度；Fv是金属微粒受到的空气阻力。
4.根据权利要求3所述的直流GIL微粒陷阱安装位置的优化方法，其特征在于，金属微粒的运动状态方程采用如下公式表示：
Figure FDA0003730594450000031
式中m为金属微粒质量；t为仿真时间；(x，y)为金属微粒的位置坐标，x轴正方向为直流GIL的径向，y轴正方向为直流GIL轴向；ax和ay分别是金属微粒加速度在x轴和y轴上的分量；Fqx和Fqy分别是金属微粒所受库仑力在x轴和y轴上的分量；Fvx和Fvy分别是金属微粒所受空气阻力在x轴和y轴上的分量。
5.根据权利要求1所述的直流GIL微粒陷阱安装位置的优化方法，其特征在于，所选择的微粒陷阱至少覆盖金属微粒的第一个集中落点。
6.一种微粒陷阱安装位置的优化装置，其特征在于，包括如下模块：
模型构建模块，用于根据实际GIL管道模型，建立直流GIL微粒运动的简化仿真模型；
仿真计算模块，用于基于简化仿真模型对直流GIL中金属微粒的运动进行仿真，计算金属微粒在预定时间内的运动轨迹；
分布统计模块，用于根据金属微粒的运动轨迹，统计金属微粒的落点分布；
位置选取模块，用于根据金属微粒的落点分布，选择合适的微粒陷阱的安装位置；
对直流GIL中金属微粒的运动进行仿真的方法包括如下步骤：
在简化仿真模型中对直流GIL电场进行仿真，并在盆式绝缘子凸面侧下方布置金属微粒；
对金属微粒的运动进行仿真的方法包括如下步骤：
(a)对单个金属微粒进行运动轨迹的仿真，并判断金属微粒是否发生起跳；若金属微粒发生起跳，则判断金属微粒状态并计算金属微粒的位置，根据金属微粒的位置重新判定金属微粒状态；若金属微粒不发生起跳，则仿真计算结束；
(b)判断是否达到预定仿真时间；若达到预定仿真时间，则结束仿真计算；若未达到预定仿真时间，则重复步骤(a)；
判断金属微粒状态并计算金属微粒的位置的方法包括如下步骤：
若金属微粒状态是不碰撞，则计算微粒的受力、加速度、速度和位置；若金属微粒状态是与接地外壳碰撞或与高压导杆碰撞，则重新计算金属微粒所携带的电荷量，根据反弹系数重新计算反弹速度，并计算金属微粒的受力、加速度、速度以及位置；
根据金属微粒的位置重新判断金属微粒状态的方法包括如下步骤：
若金属微粒处于接地外壳和高压导杆之间，则金属微粒状态设定为不碰撞；若金属微粒越过了接地外壳或高压导杆，则对金属微粒的位置进行调整，将碰撞处的位置设定为金属微粒的位置，并将金属微粒状态设定为与接地外壳碰撞或与高压导杆碰撞。
7.一种微粒陷阱安装位置的优化装置，其特征在于，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1～5任一项所述方法的步骤。
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