两种电压模式下GIS内部异物动态特性研究

陈磊，马飞越，马波，李奇超，刘威峰

(国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏 银川 750011)

随着气体绝缘封闭开关设备(gas insulated switchgear,GIS)装用量迅速增长，GIS设备引发的故障占比逐年上升[1-3]。GIS设备内部异物可引起气室内部支柱绝缘子或盆式绝缘子表面闪络，GIS内部气体绝缘间隙击穿等故障。结合GIS设备设计、制造、安装、运行等环节分析，异物引发故障主要原因为GIS内嵌件连接部位装配过程中金属件紧固(如螺栓紧固)造成金属碎屑脱落，或设备内部部件安装及检修环节金属微粒带入到GIS腔体内部，运行交流电压下微小的异物颗粒在GIS设备内部受到电场力作用发生起举、跳跃且随机性较强，跳动过程导致绝缘强度急剧下降，从而引发GIS闪络击穿故障[4-5]。超声波局部放电检测作为GIS设备内部异物颗粒检测的有效手段，利用超声波传感器接收异物碰撞壳体的超声波信号，分析信号特征判断设备内部是否存在异物，但由于运行电压下异物运动特性随机性较强，难以判断内部异物的准确情况。因此，本文通过改变施加电压模式，研究脉冲电压条件下内部异物的受力情况，并与交流电压模式下进行比对，分析2种电压模式下GIS内部异物动态特性。

1 GIS内部异物受力分析

GIS设备母线、断路器、隔离开关等部件一般为水平布置型式，元件均封装在GIS圆柱型壳体内部，当设备内部存在异物时受本身重力影响，颗粒静止时主要分布在GIS壳体底部。运行电压下内部导体为交变电压，由于静电感应效应，异物颗粒会带有相应的电荷，在电场中库仑力的作用下，颗粒会从GIS壳体底部浮起，并发生跳跃现象。异物颗粒在GIS罐体内导体与壳体间的气体间隙运动时，主要受到重力、库仑力、电镜像力、介电泳力、气体浮力、电场梯度力和粘滞阻力作用，由于其他作用力较小，一般仅考虑受到库伦力、重力、电场梯度力、浮力以及粘滞阻力等力的综合作用发生运动[6-8]。由于GIS设备内部异物主要以线性颗粒为主，本文以线性异物颗粒作为研究对象，分析其在GIS设备内部受力情况，如图1所示，各作用力的类型、受力方向及大小如表1所示。

图1 线性异物在GIS设备内部受力情况

表1 异物微粒在电场中的受力情况

如表1所示，当异物在交变电场中发生起跃并开始运动时，粘滞阻力Fv便开始作用在异物缺陷，粘滞阻力的大小与速度的大小成正相关，方向与速度的方向相反；异物颗粒在不均匀的电场中还受到电场梯度力Fgrad；由于颗粒“沉浸”在具有一定压力的SF6气体中,所以在运动过程中受到气体浮力的作用。当异物颗粒从壳体向上起跳时，则库仑力与电场梯度力的总和大于粘滞阻力与重力的总和,相对于重力及库仑力的影响，粘滞阻力及电场梯度力的影响较小。因此，为对比不同电压模式下GIS设备内部异物颗粒动态特性，简化受力模型，仅对异物颗粒的库仑力及重力进行分析。

当异物颗粒在电场中静止时，颗粒的运动行为是影响GIS绝缘强度的主要方式。图1中GIS母线中心导体施加工频交流电压U0，则等效模型电场强度可表示为

(1)

式中：U0—工频电压峰值，V；

R0—同轴结构腔体外壳内径，m；

r0—为高压导体半径，m；

D—GIS腔体内径，m；

z—距离金属外壳内壁的高度，m。

当异物颗粒与外壳碰撞时，颗粒所带的电荷量与此时刻所处的电场强度的瞬时值有关，由于异物颗粒在悬浮状态时不放电或者放出少量的电荷，因此可近似看成颗粒在悬浮状态时不放电[9-10]。线形颗粒方向与电场强度Y分量平行时的带电量可以表示为

(2)

式中：q2—颗粒竖立时的带电量，C；

ε0—真空介电常数，8.85×10-12F/m；

a—线形颗粒半径，m；

L—线形颗粒长度，m。

导电微粒受到的库仑力Fq可以表示为

Fq=-kq2E(t)

(3)

式中：q2—颗粒竖立时的带电量，C；

k—由电镜像力引起的修正系数;

E(t)—异物所处位置的瞬时电场强度的大小。

当带有一定电荷的微粒在电极表面附近时，会在电极表面引起镜像电荷。镜像电荷会对微粒产生电镜像力，使得微粒受到的库伦力发生变化，当微粒距离电极较远时k=1，微粒与电极接触或与同极性电极接近时k=0.832。

2 交流电压下异物动态特性仿真分析

对于126 kV、252 kV GIS设备，母线气室一般采用三相共箱布置型式，典型的倒三角布置方式，如图2所示，其中下部为A相导体，上部为B、C相导体，三相导体布置位置表现为正三角形。126 kV GIS设备内部异物在母线三相交变电场作用下，发生跳动。通过异物颗粒力学分析可知，异物颗粒跳动特性与颗粒位置的电场强度有关，因此采用电场等效原理将该三相交流电场等效为单相交流电场，当中心导体达电压峰值时其电势分布如图3所示。

图2 126 kV GIS母线布置型式

图3 126 kV GIS等效单相模型

图2为126 kV GIS三相共箱式布置结构，其中高压导体直径为84 mm，壳体直径为468 mm，利用等效电场的方法，将其等效为图3中高压中心导体直径308 mm，导体与外壳间距80 mm的GIS模型。为保证等效单相模型与实际结构对腔体底部行程的电场强度具有等效性，当实际施加在三相导体中的电压为126 kV GIS设备额定电压时，图3中等效单相模型导体电压为峰值88.46 kV的交流电压，通过电场仿真单相模型与三相模型在同一位置处的电场强度基本一致，如图4所示，可以用单相等效模型代替三相模型进行动态特性分析。

图4 两种模型中的电场强度值比较

当GIS设备底部存在线性异物颗粒时，会发生对应的跳跃现象，根据图3中126 kV等效模型，在腔体底部布置长5 mm、半径为0.15 mm的线性颗粒时，采用COMSOL多物理场仿真软件进行颗粒动态特性仿真。仿真时当异物颗粒在跳动过程中碰触到中心导体及外壳默认发生电荷中和，颗粒电荷量瞬时变为0；异物颗粒与导杆或外壳碰撞为非弹性碰撞，碰撞后按照相反方向反弹，将颗粒碰撞恢复系数定义为碰撞后与碰撞前的速度之比，则线性微粒的恢复系数介于0与1之间[11]，仿真设定碰撞后恢复系数为0.4。交流电压下仿真异物颗粒的动态轨迹如图5所示，仿真粒子运动时长为200 ms。

图5 交流电压下线性颗粒动态轨迹

如图5可以看出，在200 ms仿真时长过程中，GIS内部异物颗粒的轨迹无明显规律，在交变电场下颗粒感应的电荷与瞬时场强有关，当颗粒受到的库仑力大于重力时则会发生跳动，一方面颗粒起跳感应的电荷不同，另一方面异物颗粒在跳动后其受到库仑力的大小仍按交流正弦的规律变化，因此在交变电场下异物颗粒跳动呈现出随机的特性。

3 脉冲电压下异物动态特性仿真分析

交流电压下GIS设备内部跳动表现出随机特性，因此现场局部放电带电检测难以根据传感器接收的信号特征对异物的特征进行判断，GIS内部异物颗粒简化模型下跳动的轨迹主要受感应电荷的大小及电场强度的大小影响，但直流电压作用下异物颗粒感应到相应电荷后受到持续的电场力作用，只有与高压电极发生碰撞后才会发生轨迹的改变。因此，如能控制异物颗粒的感应电荷的大小，并且仅在颗粒跳动后给起始的冲击力，则异物颗粒的跳动轨迹会呈现规律的抛物线特征。

在图3等效模型中施加峰值为126 kV GIS设备额定电压最大值的脉冲电压，脉冲电压的重复周期为0.06 s,脉冲电压波形如图6所示。按图6电压施加图3中等效导体，由于脉冲电压持续时间宽度为0.002 s，在此时间宽度电压作用下腔体底部感应出对应的电荷，对应库仑力大小持续时间为2 ms，则异物颗粒在电压为0时刻仅受重力作用做自由落体运动，仿真轨迹如图7所示。图7可以看出，在脉冲电压作用下异物颗粒跳动具有较强的规律性，其2次碰撞壳体的时间间隔基本一致，约为60 ms，并且颗粒跳动的高度约为3.7 mm，颗粒跳动高度基本一致,可以看出脉冲电压下GIS设备内部异物颗粒呈现规律的抛物线。

图6 等效单相模型施加的脉冲电压波形

图7 脉冲电压下线性颗粒动态轨迹

4 结 论

(1)依据126 kV GIS设备典型倒三角结构建立GIS等效模型，当施加0.86倍额定相电压水平时，其对GIS腔体底部异物的电场强度与运行电压真实结构电场强度一致。

(2)通过开展GIS设备内部异物颗粒的受力分析，并采用多物理场仿真交流电压下GIS内部异物颗粒的动态特性，仿真结果表明在交变电场下因颗粒起跳感应的电荷不同且受交流正弦电压影响，交流电压作用下异物颗粒跳动呈现出随机的特性。

(3)对GIS设备等效模型施加特定的脉冲电压时，GIS内部异物颗粒的感应电荷的大小及受力大小恒定，仿真结果表明脉冲电压下异物颗粒的跳动高度及时间间隔基本一致，跳动轨迹会呈现规律的抛物线特征。