CN116542119B - 一种使用介电功能梯度绝缘子主动驱离金属微粒的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种使用介电功能梯度绝缘子主动驱离金属微粒的方法，通过设计叠层式介电功能梯度绝缘子，计算使用叠层式介电功能梯度绝缘子的电场分布；根据电场分布情况，建立金属微粒运动模型，考虑库仑力、重力、浮力、电场梯度力以及气体阻力的作用，在GIS外壳内表面的不同位置释放金属微粒，并观察ε L ‑FGM绝缘子驱离金属微粒的效果，相较于传统的均匀绝缘子，叠层式ε L ‑FGM绝缘子具有主动驱离金属微粒的能力，在绝缘子的凹面和凸面侧均有良好的抑制效果。本发明的方法能够有效驱离GIS中绝缘子附近的金属微粒，防止绝缘失效事故的发生，提高高压电工装备的可靠性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统中的高压输电线路领域，更具体的说，是涉及一种基于介电功能梯度绝缘子的金属微粒主动驱离方法。
背景技术
气体绝缘金属封闭开关(GIS)具有占地面积小、运行可靠性高、维护周期长、无电磁环境效应等显著优势，已广泛应用于国内外各电压等级的输变电工程，这些特点使得GIS成为电力系统和工业领域中的理想选择，能够提供可靠、高效和安全的电力分配。然而，在GIS生产、装配和运行过程中，不可避免会因为震动、摩擦等因素产生金属微粒污染物，金属微粒加剧GIS电场畸变，使六氟化硫（SF6）气体的绝缘强度显著下降，是威胁GIS工程安全的重要隐患。
目前，常见的金属微粒抑制方法主要包括微粒捕捉器和电极覆膜两种方式。由于微粒运动具有随机性，金属微粒捕捉器只能被动等待其掉入陷阱，无法主动收集金属微粒，并且金属微粒逃逸现象频发。此外，陷阱边缘产生的电场畸变也可能会削弱腔体内部的气体绝缘强度。对于电极涂覆PET薄膜抑制金属微粒活性的方法，仍有明显弊端，覆膜抗热性差，极易遭到破坏。PET薄膜粘覆在电极表面会存在难以控制的气隙，影响其使用效果。
发明内容
基于上述提出的问题，针对交流GIS中的金属微粒污染物，本发明提出了一种基于介电功能梯度（εL-FGM）绝缘子的金属微粒主动驱离方法，为实现GIS金属微粒主动控制提供了全新思路。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种使用介电功能梯度（εL-FGM）绝缘子主动驱离金属微粒的方法，包括以下步骤：
步骤一：设计叠层式介电功能梯度（εL-FGM）绝缘子相对介电常数，通过优化相对介电材料的分布，改变绝缘子附近电场分布；
步骤二：将叠层式介电功能梯度（εL-FGM）绝缘子安装在气体绝缘金属封闭开关（GIS）中，搭建GIS电场仿真计算模型；使用GIS电场仿真计算模型计算GIS管道电场分布；
步骤三：结合步骤二中得到的GIS管道电场分布，建立金属微粒的运动模型；
步骤四：在GIS外壳内表面的不同位置释放金属微粒，并观察叠层式功能梯度（εL-FGM）绝缘子对金属微粒的驱离效果。
进一步，步骤一中叠层式介电功能梯度（εL-FGM）绝缘子介电材料的分布包括：绝缘子沿轴向划分为8个区域，相对介电常数沿轴向逐渐降低，导杆附近介电常数最高为12，外壳附近介电常数最低为2。
进一步，上述导杆与外壳同轴布置，其材料均为铝。
进一步，步骤二中，GIS电场仿真计算模型初始化参数包括：GIS模型导体半径、外壳内半径、管道长度。
进一步，步骤三中，金属微粒的运动模型初始化参数包括：金属微粒材料、金属微粒半径。
进一步，步骤三中，金属微粒的运动模型仅考虑金属微粒所受的库仑力、重力、浮力、电场梯度力以及气体阻力的作用。
进一步，步骤四中，所述的在GIS外壳内表面不同位置释放金属微粒是指距绝缘子凹面以及凸面远近距离不同位置释放金属微粒。
进一步，本发明所指GIS电场仿真计算模型包括导杆施加220kV交流电压，外壳接地。
与现有技术相比，本发明所带来的有益效果是：能够主动驱离GIS中绝缘子附近金属微粒，防止因金属微粒吸附在绝缘子表面引起的绝缘失效事故，对解决高压电工装备金属微粒污染问题、提升设备运行可靠性具有重要意义。
附图说明
图1为均匀绝缘子相对介电常数分布示意图；
图2为叠层式介电功能梯度（εL-FGM）绝缘子相对介电常数分布示意图；
图3为GIS电场仿真计算模型示意图；
图4为在距离均匀绝缘子凹面13mm释放金属微粒的运动轨迹；
图5为在距离均匀绝缘子凹面43mm释放金属微粒的运动轨迹；
图6为在距离叠层式功能梯度（εL-FGM）绝缘子凹面13mm释放金属微粒的运动轨迹；
图7为在距离叠层式功能梯度（εL-FGM）绝缘子凹面43mm释放金属微粒的运动轨迹；
图8为在距离均匀绝缘子凸面20mm释放金属微粒的运动轨迹；
图9为在距离均匀绝缘子凸面40mm释放金属微粒的运动轨迹；
图10为在距离叠层式功能梯度（εL-FGM）绝缘子凸面25mm释放金属微粒的运动轨迹；
图11为在距离叠层式功能梯度（εL-FGM）绝缘子凸面45mm释放金属微粒的运动轨迹。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明是如何实现的。
一种使用介电功能梯度（εL-FGM）绝缘子主动驱离金属微粒的方法，包括以下步骤：
步骤一：设计叠层式介电功能梯度（εL-FGM）绝缘子相对介电常数，通过优化介电材料的分布，改变绝缘子附近电场分布，以驱离金属微粒；如图1和图2所示，与均匀绝缘子不同的是，将叠层式介电功能梯度（εL-FGM）绝缘子沿轴向划分为8个区域，相对介电常数沿轴向逐渐降低，导杆附近相对介电常数最高为12，外壳附近相对介电常数最低为2。其中，导杆与外壳同轴布置，其材料均为铝。
步骤二：将叠层式介电功能梯度（εL-FGM）绝缘子安装在气体绝缘金属封闭开关（GIS）中，搭建GIS电场仿真计算模型如图3所示，包括导杆、外壳和叠层式功能梯度（εL-FGM）绝缘子，设置GIS电场仿真计算模型导体外径为40mm、外壳内径160mm、设置导杆及外壳材料、设置绝缘子材料；使用GIS电场仿真计算模型计算工频电压下GIS管道电场分布。
步骤三：结合步骤二中得到的GIS管道电场分布，建立金属微粒的运动模型，考虑金属微粒在电场作用下的运动轨迹和速度；设置金属微粒材料、金属微粒半径、金属微粒释放位置，本发明仅考虑金属微粒所受库仑力、重力、浮力、电场梯度力以及气体阻力的作用。
参照图3，以O为圆柱坐标系原点，任意空间位置n（r，z）处，电场强度E随时间的变化可以表示为：
；
式中Ep为在任意空间位置n（r，z）处最大电场强度，r为径向距离，z为轴向高度，f为电压频率，50Hz，为初始相位，t为时间。
金属微粒与外壳内表面和导杆碰撞时带电量为：
；
式中，ε0为真空介电常数，εr为相对介电常数，rAl为金属微粒半径；
金属微粒所受电场力、重力、电场梯度力、以及气体阻力表达式为：
；
式中，Fq为金属微粒所受电场力，q为金属微粒带电量；G为金属微粒所受重力，rAl为金属微粒半径，ρAl为金属微粒密度，ρg为SF6气体密度，g为重力加速度；Fgrad为金属微粒所受电场梯度力，Fv为金属微粒所受气体阻力，Re为雷诺数，vg为SF6气体流速，vp为金属微粒运动速度。
金属微粒动力学过程表示为：
；
步骤四：在GIS外壳内表面的不同位置释放金属微粒，并观察叠层式功能梯度（εL-FGM）绝缘子对金属微粒的驱离效果。
在叠层式功能梯度（εL-FGM）绝缘子凹面附近释放金属微粒与均匀绝缘子在凹面侧释放金属微粒的运动轨迹对比，如图4-图7所示。图4和图5显示了使用均匀绝缘子时，分别在距离绝缘子凹面13mm、43mm处释放金属微粒的运动轨迹，微粒初始位置，终止位置以及运动方向已在图4和图5中标注，当使用均匀绝缘子时，不同位置释放的金属微粒均朝向绝缘子运动。图6和图7显示了使用叠层式功能梯度（εL-FGM）绝缘子时，分别在距离层式功能梯度（εL-FGM）绝缘子凹面13mm、43mm处释放金属微粒的运动轨迹，使用叠层式功能梯度（εL-FGM）绝缘子后，任意位置释放的金属微粒均远离绝缘子，与均匀绝缘子附近的微粒运动趋势完全相反，达到了主动驱离金属微粒的目的。
叠层式功能梯度（εL-FGM）绝缘子凸面附近释放金属微粒与传统均匀绝缘子在凸面侧释放金属微粒的运动轨迹对比，如图8-图11所示。图8和图9显示了使用均匀绝缘子时，分别在均匀距离绝缘子凸面25mm、45mm处释放金属微粒的运动轨迹，微粒初始位置，终止位置以及运动方向已在图8和图9中标注，当使用均匀绝缘子时，金属微粒存在两个运动方向相反的区域，在距离绝缘子较近的区域（Ⅰ区），金属微粒朝向绝缘子运动，而在远离绝缘子的区域（Ⅱ区），金属微粒远离绝缘子运动，Ⅰ区和Ⅱ区的分界线在z=-25mm处。图10和图11显示了使用叠层式功能梯度（εL-FGM）绝缘子时，分别在距离叠层式功能梯度绝缘子凸面25mm、45mm处释放金属微粒的运动轨迹，使用叠层式功能梯度（εL-FGM）绝缘子后，在凸面的任何区域释放金属微粒，微粒总是远离绝缘子运动，并且金属微粒的运动速度较快，能够迅速驱离金属微粒。
Claims (8)
1.一种使用介电功能梯度绝缘子主动驱离金属微粒的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：设计叠层式介电功能梯度绝缘子相对介电常数，通过优化介电材料的分布，改变绝缘子附近电场分布；
步骤二：将叠层式介电功能梯度绝缘子安装在GIS中，GIS代表气体绝缘金属封闭开关，搭建GIS电场仿真计算模型；使用GIS电场仿真计算模型计算GIS管道电场分布；
步骤三：结合步骤二中得到的GIS管道电场分布，建立金属微粒的运动模型；
步骤四：在GIS外壳内表面的不同位置释放金属微粒，并观察叠层式功能梯度绝缘子对金属微粒的驱离效果。
2.根据权利要求1所述的使用介电功能梯度绝缘子主动驱离金属微粒的方法，其特征在于，叠层式介电功能梯度绝缘子介电材料的分布包括：绝缘子沿轴向划分为8个区域，相对介电常数沿轴向逐渐降低，导杆附近介电常数最高为12，外壳附近介电常数最低为2。
3.根据权利要求2所述的使用介电功能梯度绝缘子主动驱离金属微粒的方法，其特征在于，导杆与外壳同轴布置，其材料均为铝。
4.根据权利要求1所述的使用介电功能梯度绝缘子主动驱离金属微粒的方法，其特征在于，步骤二中GIS电场仿真计算模型初始化参数包括：GIS模型导体半径、外壳内半径、管道长度。
5.根据权利要求1所述的使用介电功能梯度绝缘子主动驱离金属微粒的方法，其特征在于，步骤三中金属微粒的运动模型初始化参数包括：金属微粒材料、金属微粒半径。
6.根据权利要求1所述的使用介电功能梯度绝缘子主动驱离金属微粒的方法，其特征在于，步骤三中金属微粒的运动模型仅考虑金属微粒所受的库仑力、重力、浮力、电场梯度力以及气体阻力的作用。
7.根据权利要求1所述的使用介电功能梯度绝缘子主动驱离金属微粒的方法，其特征在于，步骤四中所述在GIS外壳内表面不同位置释放金属微粒是指距绝缘子凹面以及凸面远近距离不同位置释放金属微粒。
8.根据权利要求2所述的使用介电功能梯度绝缘子主动驱离金属微粒的方法，其特征在于，GIS电场仿真计算模型，导杆施加220kV交流电压，外壳接地。
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