GIL中金屬顆粒污染物運動行為與放電特性研究

馬宏忠， 王立憲， 戴鋒

(1.河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 211100；2.國網江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 211102)

0 引 言

氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas insulated transmission line，GIL)作為我國能源電力互聯網建設中的重要新基建設備，在許多大型輸電項目中都得到了廣泛的應用，其中于江蘇省投運的GIL蘇通管廊更是創下了多項世界紀錄[1-4]。但隨著GIL的廣泛應用，由金屬顆粒污染物造成的內部絕緣裂化問題也日益突出，在GIL設備生產、運輸、裝配以及運行的過程中會不可避免的產生金屬顆粒污染物[5-6]，文獻[7]表明金屬顆粒污染物的存在會使GIL內部絕緣性能降低50%以上，所以對GIL內部金屬顆粒污染物進行運動行為與放電特性研究，對提升GIL設備內部絕緣性能，保護輸電網的穩定運行具有重大意義。

GIL內部金屬顆粒發生運動的基本條件是其表面累積的足夠的電荷，當能量聚集到某一程度金屬顆粒才會發生運動。目前，針對GIS與GIL中顆粒運動行為與放電特性，國內外做了如下研究：

文獻[8]以同軸圓柱模型對金屬顆粒進行了受力分析并對其運動行為進行了理論研究，并沒有對金屬顆粒運動過程中伴隨的放電特性進行分析；

文獻[9]以楔形電極板為模型，對金屬顆粒的運動與放電現象進行了數值建模與實驗觀測，但楔形電極板屬于不均勻電場，在電場環境、電場梯度力等方面與實際GIL內部的稍不均勻電場存在差別，這將對金屬顆粒的受力運動與放電特性產生影響；

文獻[10]在考慮非彈性碰撞的前提下分析了不同絕緣氣體混合比對GIL內部金屬顆粒運動的影響；文獻[11]通過對顆粒運動位置與吸附特性的研究，分析了不同形狀的金屬顆粒對GIS內部的危害程度。但以上研究對象均為單個金屬顆粒，在實際工程應用中，較少出現單個顆粒運動與放電的情況，金屬污染物常以多個顆粒甚至“顆粒群”形式出現，單個顆粒的運動行為與放電特性研究難以對多顆粒運動時的顆粒間碰撞與放電形成借鑒意義。

同時，GIL設備內部雖然為同軸圓柱結構，但在盆式絕緣子、三支柱絕緣子以及導電桿末端球頭處，高壓點(高壓導電桿)與接地點(絕緣子附近或GIL接地殼體)的之間的距離會發生變化，即“極-地”距離發生變化，這種變化會改變局部電場結構，除此之外“極-地”距離變短也更易形成放電通道，而對于極-地距離變化對金屬顆粒污染物運動與放電的影響，國內外并未有研究。

針對現有研究中存在的不足，文中首先以同軸圓為模型對依附于殼體上的金屬顆粒進行數學建模，對其運動行為進行分析；其次建立GIL金屬顆粒運動與放電實驗平臺，對金屬顆粒的運動行為與放電現象進行觀測，對極-地距離變化對金屬顆粒運動特性與放電行為的影響以及多顆粒在GIL內部的運動特性與放電行為進行了分析；最后，結合文中研究結論對實際工程中如何抑制金屬顆粒運行與放電提出理論性建議。

1 GIL內金屬顆粒受力運動分析

基于文獻[12-17]的研究，文中以同軸圓柱為模型，對于依附于殼體上的鋁制金屬顆粒進行分析，其中：導電桿半徑為R1；殼體內直徑為R2；導電桿施加電壓為U；金屬顆粒半徑為a；金屬顆粒中心與導電桿中心距離為r；金屬顆粒受力模型如圖1所示。

圖1 金屬顆粒受力模型

金屬顆粒主要受力如表1所示。表中：ρal為鋁球密度；ρgas為絕緣氣體密度；g為重力加速度；ε0為真空介電常數；ε1絕緣氣體相對介電常數；▽E為電勢梯度；q為電荷帶電量；k為鏡像修正系數；C為氣體阻力系數；S為金屬顆粒迎風面積；b為金屬顆粒運動與氣體的相對速度。

表1 金屬顆粒主要受力

文中基于實驗室GIL設備尺寸進行建模分析，高壓導電桿外半徑為20 mm，外殼內半徑為240 mm，殼體厚度10 mm。金屬顆粒半徑1.5 mm，材質為鋁，密度2 700 kg/m3，設備運行溫度設定20 ℃，氣壓為0.1 MPa，絕緣氣體為SF6，密度為6.1 kg/m3，高壓導體隨機變化角5°、外殼隨機變化角度10°，導電桿設置邊界電壓幅值20、25、30和35 kV，仿真時長20 s，金屬顆粒運動仿真結果如圖2所示，4幅運動軌跡圖順時針角度分別為0°、90°、180°和270°，省略非必要參量，圖中以第一個運動軌跡圖為例，標注了0°和90°，θ為金屬顆粒在殼體內部運動范圍對應的角度。

圖2 不同施加電壓下金屬顆粒運動軌跡

由圖2可以看出，金屬顆粒的運動狀態主要分為3個階段：1)沿GIL外殼“打水漂”式跳動：此時外加電壓較低，金屬顆粒累積的電荷能量無法支持其克服摩擦力、粘滯力等外界阻力發生大幅度起跳動作，金屬顆粒的運動角范圍較大；2)啟舉：隨著外加電壓升高，金屬顆粒受電場梯度力增大，在低幅度的跳躍過程中不斷進行電荷累積，最終發生啟舉與高壓導電桿發生撞擊，此時金屬顆粒的運動角范圍開始減?。?)高頻“諧振”：在外加電壓30 kV和35 kV時，金屬顆粒已經完全克服了環境阻力，開始與高壓導電桿和GIL殼體之間發生高頻撞擊，類似于“諧振”現象。隨著外加電壓幅值的增大，金屬顆粒的運動角范圍越小，與高壓導電桿和殼體的碰撞頻率越高。

2 實驗設計

2.1 金屬顆粒實驗平臺

為驗證文中建模結論的準確性并對金屬顆粒帶電運動進行觀測和定量分析，文中以100 kV GIL實驗腔體為實驗平臺，高壓導電桿外半徑為20 mm，外殼內半徑為240 mm，殼體厚度10 mm，腔體端部及左右設有石英玻璃窗便于觀測，實驗平臺如圖3所示，文中選取鋁制1.5、1.0和0.5 mm直徑金屬顆粒分別進行試驗，如圖4所示。在每次實驗前均用乙醇對顆粒和GIL實驗設備進行擦拭，等乙醇揮發完畢后進行實驗，避免污物影響實驗效果。

圖3 金屬顆粒運動與放電實驗平臺

圖4 金屬顆粒實物圖

2.2 監測系統

整個監測系統分為供變電單元、GIL金屬顆粒實驗單元和信號檢測單元三部分，如圖5所示：

圖5 檢測系統示意圖

1)供變電單元：MLZC-100kV調壓器、GDLB-5KVA隔離濾波裝置、YDJ-5/100無局放變壓器，額定電壓110 kV，額定功率5 kVA，110 kV下局部放電量小于10 pC，在變壓器與GIL實驗腔體之間串聯阻值為5 000 Ω的保護電阻，耦合電容500 pF，檢測阻抗70 Ω。

2)信號檢測單元：HCPD-9104局放綜合分析儀，檢測頻帶10 kHz～1 MHz(±3 dB)，測量范圍0.1 pC～100 000 pC(靈敏度0.1 pC)，記錄放電PRPD譜圖，配套HCCS-2A超聲傳感器對金屬顆粒撞擊產生的超聲信號進行采集；Fastec-HiSpec5高速相機對顆粒運行進行觀測。

3 金屬顆粒運動行為與放電特性分析

3.1 單個顆粒運動行為與放電特性分析

文中對3種直徑的金屬顆粒污染物進行了加壓放電試驗，得到的PRPD放電譜圖趨勢一致，故采用趨勢最明顯的直徑1.5 mm金屬顆粒污染物放電譜圖進行分析，起始放電電壓為22.5 kV，升壓步長0.5 kV，PRPD譜圖隨外加電壓變化情況如圖6所示。

圖6(a)為金屬顆粒起始放電電壓下的PRPD圖譜，雖然并未形成完整的正弦包絡帶，但此時放電相位已經遍布整個正弦周期，放電現象多集中于工頻周期的過零點處，在工頻周期正負半周峰值的放電現象也存在，但幅值較低，故在正弦峰值包絡帶處多有空白。在此電壓下的金屬顆粒運動多為在GIL殼體上“打水漂”式的左右移動，極少出現大幅度跳躍，與圖2(a)相似。

圖6 單個金屬顆粒放電PRPD譜圖

圖6(b)為加壓至26.5 kV時的PRPD放電譜圖，此時已經有形成完整包絡帶的趨勢，但放電現象集中的位置仍清晰可見，整體分布趨勢與圖6(a)相近，但最大放電幅值增加了50 mV。相比于22.5 kV下的運動情況，此電壓下的金屬顆粒運動高度有所增加，偶有高度跳躍與碰撞現象，與圖2(b)相似。

圖6(c)與圖6(d)為金屬顆粒在30.5 kV與34.5 kV下的PRPD放電譜圖，兩者整體的放電趨勢分布相似，均已形成較為完整的包絡帶，且隨著外加電壓的增大，放電幅值也有所增加。在30.5 kV下，金屬顆粒左右移動的范圍明顯減少，運動的高度與頻率大幅增加，已經出現撞擊導電桿的情況；在34.5 kV下，金屬顆?？焖侔l生啟舉現象，與導電桿的撞擊更為劇烈，甚至出現超越導電桿的跳躍高度，與圖2(c)和圖2(d)相似。

通過外加電壓與放電相位和幅值的變化關系可以看出，隨著外加電壓的增加，金屬顆粒的運動頻率與放電程度均有所增加。通過高速相機觀測到的單個金屬顆粒運動軌跡如圖7所示。

圖7 金屬顆粒運動軌跡

3.2 顆粒尺寸對放電的影響

為研究金屬顆粒尺寸對其放電的影響，文中統計了3種不同直徑的顆粒在不同電壓等級下的放電平均值與放電最大值，如圖8所示。

由圖8可以看出，隨著顆粒半徑的增大，其放電的平均值與最大放電幅值均有所增加，所以在GIL內部大顆粒的金屬污染物的運動與放電行為會對其絕緣性能造成更大的影響。

圖8 各尺寸顆粒放電幅值對比

3.3 極-地距離影響因素分析

為研究高壓電極與GIL接地殼體對金屬顆粒污染物運動與放電的影響，設計了U型接地殼來控制極-地距離。U型接地殼長20 cm，寬10 cm，以導電桿中心為圓心，弧度140°，伸縮距離可在0～8 cm調節，如圖9所示，其中調節部位已用框線標出，通過對于螺絲的松旋操作可以實現 對U型接地殼高度的調節，U型接地殼與GIL外殼共地。圖10為安裝示意圖，為方便讀者理解在拍攝時將導電桿末端球頭拆下。

圖9 U型接地殼實物圖

圖10 安裝示意圖

文獻[18-20]表明利用超聲波信號可以有效實現對金屬顆粒運動及放電信號進行監測。為研究金屬顆粒運動頻率與極-地距離變化之間的關系，文中提出一種新的微觀角度統計方法：超聲間隔頻率(ultrasonic interval frequency, UIF)，定義若待測超聲信號數量大于2，則相鄰兩次超聲信號的時間間隔倒數則為超聲間隔頻率

(1)

式中p為相鄰兩次超聲信號的時間間隔數。

基于UIF，文中定義平均超聲間隔頻率(average ultrasonic interval frequency, AUIF)，即兩個UIF之間的平均值

(2)

式中n為沖擊信號個數。

在32kV電壓等級下，文中分別設置了不同的極-地距離，并對3種不同直徑的金屬顆粒的運動情況進行了統計，統計分布圖如圖11所示。

圖11 金屬顆粒運動頻率統計圖

由圖11可以發現，在顆粒半徑相同的情況下，隨著極-地距離的減小，金屬顆粒的運動頻率越大，這是由于當極-地距離件減小時，高壓導電桿與顆粒之間的徑向絕緣距離變得更短，金屬顆粒越易感應電荷，進而在電荷累積的情況下發生運動行為；在極-地距離相同的情況下，顆粒半徑越大其運動頻率越大，這是由于大直徑的金屬顆粒其累積的電荷更高，同時其能量密度更大，在與高壓導電桿與殼體碰撞時，非彈性碰撞造成的能量損失比較小，在高壓導電桿的高電壓加持下，大直徑的金屬顆粒運動的頻率更快。為研究極-地距離變化對金屬顆粒放電行為的影響，在32kV電壓等級，不同極-地距離情況下，對1.5 mm直徑的金屬顆粒進行了放電試驗模擬，并統計了其放電次數與相位分布情況，如圖12所示。

圖12 放電次數統計圖

從圖12的整體趨勢來看，由于極-地距離的減小，金屬顆粒的放電次數均有所增加。其次，在極-地距離逐漸減小的過程中，金屬顆粒的放電相位也發生了變化，在極-地距離18 cm時，金屬顆粒放電次數出現峰值，放電相位集中在0°、180°以及360°這些過零點處；在極-地距離14 cm時，金屬顆粒的放電相位集中位置雖與18 cm保持一致，但在90°和270°相位的放電次數也有所增加；極-地距離10 cm時，金屬顆粒在5種放電相位處的放電次數已經近乎一致；在極-地距離6 cm時，金屬顆粒在90°和270°相位的放電次數已經超越在0°、180°以及360°處的放電次數。當極-地距離減小時，金屬顆粒的放電次數集中位置從正弦過零點處逐漸向正弦峰值處轉移，放電次數特征變化可概括為“W”型向“M”型的轉化。

此種特征的形成與極-地距離密切相關，原因在于當極-地距離較大時，金屬顆粒運動時常處于懸浮電位，此時金屬顆粒發生的放電多為在不均勻電場下的電暈放電，放電相位發生在外加電壓過零點處；而當極-地距離減小時，金屬顆粒徑向運動距離減小，常與高壓導電桿或GIL殼體發生碰撞，并伴隨荷轉現象發生，此時多發生極端放電現象，放電相位發生在外加電壓正負半周的峰值處。

3.4 多個金屬顆粒放電特征

在實際工程中，GIL內部出現單個金屬顆粒污染物的現象十分少見，金屬顆粒污染物常多個出現，且在GIL設備運行過程中振動影響以及在電荷相互吸引的作用下，金屬顆粒污染物甚至會形成“顆粒群”。為研究GIL內部多個金屬顆粒污染物的放電特征，文中在32 kV電壓等級下，在GIL設備內部放置了單個金屬顆粒(直徑為1.0 mm)、3個金屬顆粒(直徑為0.5、1.0、1.5 mm各一個)、6個金屬(直徑=0.5、1.0、1.5 mm各兩個)、12個金屬(直徑=0.5、1.0、1.5 mm各4個)進行實驗，研究隨著金屬顆粒的增加其放電特征的變化，放電PRPD譜圖如圖13所示。

從圖13可以發現，多個金屬顆粒的放電趨勢與單個顆粒的放電趨勢基本相似，但隨著顆粒數量的增加，多個金屬顆粒的放電情況出現了新特征：單個金屬顆粒的PRPD放電譜圖包絡帶明顯，在圖像中沒有額外的放電點，但隨著金屬顆粒的增加，PRPD放電譜圖逐漸出現正弦包絡帶外的放電散點；通過PRPD放電譜圖也可以發現隨著金屬顆粒數量的增加其整體的放電幅值也有所增加。同時，在實驗過程中發現，隨著金屬顆粒數量的增加，其起始放電電壓也發生了變化：單個金屬顆粒放電起始電壓22.7 kV，3個金屬顆粒放電起始電壓20.3 kV，6個金屬顆粒放電起始電壓18.8 kV，6個金屬顆粒放電起始電壓18.6 kV，產生此現象的原因是在同一電場下，金屬顆粒會感應帶電，當金屬顆粒數量增多時，金屬顆粒會相互吸引，這會使局部電荷密度增加，更易發生放電現象。為進一步研究多顆粒的放電幅值與散點特征，文中利用放電幅值置信區間對單個與多個金屬顆粒的PRPD放電譜圖包絡帶信號幅值進行統計，其變化趨勢如圖14所示。其中：Vmax為最大幅值，Vmax90%為放電幅值置信區間90%內最大幅值，Vmax為最小幅值。

圖13 不同數量顆粒放電PRPD譜圖

圖14 放電幅值隨顆粒個數變化的趨勢

從圖中折現變化趨勢可以發現：1)隨著金屬顆粒數量的增加Vmax數值不斷增大，這也對應了在多個金屬顆粒PRPD放電圖譜中放電散點隨金屬顆粒數量增加而增多的趨勢；2)單個金屬顆粒的Vmax90%與Vmin均大于多個金屬顆粒的Vmax90%與Vmin，這是由于在多個金屬顆粒之間存在微觀放電現象，但此種放電要比高壓導電桿與金屬顆粒之間的局部放電小很多。

3.5 多個金屬顆粒運動行為分析

多個顆粒放電幅值的增加的原因除上述統計結果之外，還與金屬顆粒之間的電荷轉移進而形成“極化”現象有關，由于多個金屬顆粒之間的“極化”現象屬于微觀現象，通過高速相機難以直觀觀察，故文中從微觀機理角度分兩種情況行分析：

1)帶電金屬顆粒感應非帶電金屬顆粒。

在多金屬顆粒污染物的情況下，由于位置與尺寸的不同，其運動過程也不是同一時間的，所以會發生帶電金屬顆粒運動撞擊非帶電金屬顆粒的現象，在此過程中，帶電金屬顆粒上的電荷發生荷轉現象，吸附非帶電金屬顆粒并使非帶電金屬顆粒帶電，如圖15所示，兩個金屬顆粒吸附在一起形成一個小“尖端”體，相較于單個金屬顆粒其電荷集聚面積更大，帶電量更多，更易造成放電現象。

圖15 金屬顆粒感應帶電

2)帶電金屬顆粒在運動過程中碰撞。

如圖16所示，帶電金屬顆粒撞擊在運動過程主要分成3個階段。在階段1，顆粒A與顆粒B表面受電場效應感應出不同種電荷；在階段2，兩帶電顆粒發生碰撞，致使帶異種電荷的交界面發生中和；在階段3，由于碰撞過程中電荷的中和與轉移，致使同種電荷量增加，故而兩個顆粒帶電量增大。

圖16 金屬顆粒撞擊帶電

總體來看，由于單個金屬顆粒的帶電量有限，且數量較少不會發生同質化的荷轉與極化現象，所以其運動與放電現象都具有一定的局限性與規律性，在實際工程中較容易判別與診斷；而由于電荷的荷轉與中和，多個金屬顆粒更易發生感應帶電造成無規則、高頻率的碰撞與運動，在GIL內部造成的危害性更大。

4 結 論

1)隨著電壓等級的增加，金屬顆粒運動先是呈“打水漂”式在GIL殼體上小幅度跳躍，后變為“諧振”式與導電桿和殼體發生高頻撞擊；電壓等級越高金屬顆粒的運動與放電行為越劇烈，金屬顆粒的尺寸越大其放電均值與最大值越大，更易對GIL內部絕緣造成破壞。

2)極-地距離的變化對金屬顆粒的運動與放電行為有顯著影響，隨著極-地距離的減小，金屬顆粒運動的頻率越高，同時由于運動距離的減小與放電模式的變化，其放電從電暈放電模式逐漸過渡為尖端放電模式，放電次數與相位呈現“W-M”特征變化。

3)由于多個金屬顆粒在電場中的運動無序性明顯且電荷交換頻繁，故隨著顆粒數目的增加，其放電PRPD譜圖出現了越多的離散放電點，單個金屬顆粒的放電則呈現明顯的包絡，二者放電特征區別明顯。

4)相較于單個金屬顆粒，多個金屬顆粒的放電起始電壓更低，放電幅值更大，故多個顆粒引起的聚集性放電將對GIL內部絕緣系統造成更大的破壞。

5)實際工程建議：由于極-地效應的影響，在GIL內部三支柱絕緣子、盆式絕緣子以及末端球頭的位置應格外注意金屬陷阱的設置與優化，避免金屬顆粒在絕緣子和導電桿末端附近聚集形成聚集性放電；由于單個金屬顆粒與顆粒群的PRPD放電譜圖區別明顯，故在實際工程中可以通過PRPD放電譜圖的變化特征(起始電壓、放電幅值、放電散點分布)結合其他實地監測數據對單個金屬顆粒放電與多個金屬顆粒聚集性放電情況進行判別。