直流电压下SF_6气体中球形金属微粒的运动及抑制研究

直流电压下SF_6气体中球形金属微粒的运动及抑制研究

GIS/GIL在生产、运输、安装、运行过程中将不可避免产生金属微粒,由于电场力的作用,金属微粒会在GIS/GIL腔体内部运动,甚至粘附在绝缘子表面,使得场强发生畸变,引发气体间隙击穿或绝缘子沿面闪络,降低了 GIS/GIL的绝缘性能。相对于交流电压,金属微粒在直流电压下从电极浮起后所受电场力的方向不发生改变,微粒运动会更加剧烈,金属微粒污染问题也更为严重。论文针对GIS/GIL中金属微粒污染问题,以机理研究为主,对实际工程中的金属微粒形状进行了一定理想化,研究直流电压下SF6气体中球形金属微粒的运动及抑制,主要内容如下:搭建了微粒运动实验平台,提出了微粒运动关键参数获取方法。以SF6气体封闭罐体为主体,配置了高速相机、超声传感器、特高频传感器等设备,分别采集微粒运动过程中的运动图像、超声信号和特高频信号。

对超声信号和特高频信号联合分析,表明超声信号主要由微粒与电极碰撞引起,实验过程中微粒与电极间的微放电对超声信号的影响可忽略。提出了微粒运动图像处理方法,能够精确得到微粒运动的瞬时位移。提出了微粒与电极碰撞时恢复系数的计算方法,得到了恢复系数的具体取值。研究了微粒在同轴圆柱电极中运动时微粒表面的电场畸变特性。

计算了微粒在同轴圆柱电极中的电场分布,分析了微粒的受力情况,建立了微粒运动的力学方程。将微粒运动当作有限元网格运动,在COMSOL Multiphysics 软件中实现了微粒运动的电学、力学多物理场耦合求解,得到了微粒运动过程中表面的电场畸变。探究了电压、微粒位置对电场畸变的影响规律。在得到电场畸变的基础上,基于流注起始判据、气体间隙击穿判据,揭示了微粒运动引发的微放电和间隙击穿机理。

研究了微粒在同轴圆柱电极中与外腔体碰撞时的超声特性。基于弹塑性碰撞理论,分析了微粒与外腔体碰撞时的3个物理阶段:弹性压缩、弹塑性压缩和恢复阶段,建立了微粒与电极碰撞时的接触力模型,计算了碰撞过程中的接触力变化,得到了接触力最大值。采用相关系数方法分析了接触力最大值与实验得到的超声信号幅值之间的关系,得到了接触力最大值与碰撞速度、微粒直径的拟合公式。对拟合公式进一步进行无量纲分析,揭示了电压、微粒直径对超声信号幅值的影响规律。

研究了低压电极涂覆电介质薄膜(覆膜)提高微粒起举场强的原因。实验得到了不同SF6气体压力、薄膜材质及厚度下1mm铝微粒的起举场强,以及微粒起举后的运动图像。提出了覆膜后微粒起举时带电量的计算方法,得到了微粒起举时的带电量。分析了 Parekh起举场强计算模型的不足并进行改进,从微粒带电量和受力的角度揭示了低压电极覆膜提高微粒起举场强的原因。