GIL中金属颗粒污染物运动行为与放电特性研究

马宏忠， 王立宪， 戴锋

(1.河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 211100；2.国网江苏省电力有限公司检修分公司，江苏 南京 211102)

0 引 言

气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated transmission line，GIL)作为我国能源电力互联网建设中的重要新基建设备，在许多大型输电项目中都得到了广泛的应用，其中于江苏省投运的GIL苏通管廊更是创下了多项世界纪录[1-4]。但随着GIL的广泛应用，由金属颗粒污染物造成的内部绝缘裂化问题也日益突出，在GIL设备生产、运输、装配以及运行的过程中会不可避免的产生金属颗粒污染物[5-6]，文献[7]表明金属颗粒污染物的存在会使GIL内部绝缘性能降低50%以上，所以对GIL内部金属颗粒污染物进行运动行为与放电特性研究，对提升GIL设备内部绝缘性能，保护输电网的稳定运行具有重大意义。

GIL内部金属颗粒发生运动的基本条件是其表面累积的足够的电荷，当能量聚集到某一程度金属颗粒才会发生运动。目前，针对GIS与GIL中颗粒运动行为与放电特性，国内外做了如下研究：

文献[8]以同轴圆柱模型对金属颗粒进行了受力分析并对其运动行为进行了理论研究，并没有对金属颗粒运动过程中伴随的放电特性进行分析；

文献[9]以楔形电极板为模型，对金属颗粒的运动与放电现象进行了数值建模与实验观测，但楔形电极板属于不均匀电场，在电场环境、电场梯度力等方面与实际GIL内部的稍不均匀电场存在差别，这将对金属颗粒的受力运动与放电特性产生影响；

文献[10]在考虑非弹性碰撞的前提下分析了不同绝缘气体混合比对GIL内部金属颗粒运动的影响；文献[11]通过对颗粒运动位置与吸附特性的研究，分析了不同形状的金属颗粒对GIS内部的危害程度。但以上研究对象均为单个金属颗粒，在实际工程应用中，较少出现单个颗粒运动与放电的情况，金属污染物常以多个颗粒甚至“颗粒群”形式出现，单个颗粒的运动行为与放电特性研究难以对多颗粒运动时的颗粒间碰撞与放电形成借鉴意义。

同时，GIL设备内部虽然为同轴圆柱结构，但在盆式绝缘子、三支柱绝缘子以及导电杆末端球头处，高压点(高压导电杆)与接地点(绝缘子附近或GIL接地壳体)的之间的距离会发生变化，即“极-地”距离发生变化，这种变化会改变局部电场结构，除此之外“极-地”距离变短也更易形成放电通道，而对于极-地距离变化对金属颗粒污染物运动与放电的影响，国内外并未有研究。

针对现有研究中存在的不足，文中首先以同轴圆为模型对依附于壳体上的金属颗粒进行数学建模，对其运动行为进行分析；其次建立GIL金属颗粒运动与放电实验平台，对金属颗粒的运动行为与放电现象进行观测，对极-地距离变化对金属颗粒运动特性与放电行为的影响以及多颗粒在GIL内部的运动特性与放电行为进行了分析；最后，结合文中研究结论对实际工程中如何抑制金属颗粒运行与放电提出理论性建议。

1 GIL内金属颗粒受力运动分析

基于文献[12-17]的研究，文中以同轴圆柱为模型，对于依附于壳体上的铝制金属颗粒进行分析，其中：导电杆半径为R1；壳体内直径为R2；导电杆施加电压为U；金属颗粒半径为a；金属颗粒中心与导电杆中心距离为r；金属颗粒受力模型如图1所示。

图1 金属颗粒受力模型

金属颗粒主要受力如表1所示。表中：ρal为铝球密度；ρgas为绝缘气体密度；g为重力加速度；ε0为真空介电常数；ε1绝缘气体相对介电常数；▽E为电势梯度；q为电荷带电量；k为镜像修正系数；C为气体阻力系数；S为金属颗粒迎风面积；b为金属颗粒运动与气体的相对速度。

表1 金属颗粒主要受力

文中基于实验室GIL设备尺寸进行建模分析，高压导电杆外半径为20 mm，外壳内半径为240 mm，壳体厚度10 mm。金属颗粒半径1.5 mm，材质为铝，密度2 700 kg/m3，设备运行温度设定20 ℃，气压为0.1 MPa，绝缘气体为SF6，密度为6.1 kg/m3，高压导体随机变化角5°、外壳随机变化角度10°，导电杆设置边界电压幅值20、25、30和35 kV，仿真时长20 s，金属颗粒运动仿真结果如图2所示，4幅运动轨迹图顺时针角度分别为0°、90°、180°和270°，省略非必要参量，图中以第一个运动轨迹图为例，标注了0°和90°，θ为金属颗粒在壳体内部运动范围对应的角度。

图2 不同施加电压下金属颗粒运动轨迹

由图2可以看出，金属颗粒的运动状态主要分为3个阶段：1)沿GIL外壳“打水漂”式跳动：此时外加电压较低，金属颗粒累积的电荷能量无法支持其克服摩擦力、粘滞力等外界阻力发生大幅度起跳动作，金属颗粒的运动角范围较大；2)启举：随着外加电压升高，金属颗粒受电场梯度力增大，在低幅度的跳跃过程中不断进行电荷累积，最终发生启举与高压导电杆发生撞击，此时金属颗粒的运动角范围开始减小；3)高频“谐振”：在外加电压30 kV和35 kV时，金属颗粒已经完全克服了环境阻力，开始与高压导电杆和GIL壳体之间发生高频撞击，类似于“谐振”现象。随着外加电压幅值的增大，金属颗粒的运动角范围越小，与高压导电杆和壳体的碰撞频率越高。

2 实验设计

2.1 金属颗粒实验平台

为验证文中建模结论的准确性并对金属颗粒带电运动进行观测和定量分析，文中以100 kV GIL实验腔体为实验平台，高压导电杆外半径为20 mm，外壳内半径为240 mm，壳体厚度10 mm，腔体端部及左右设有石英玻璃窗便于观测，实验平台如图3所示，文中选取铝制1.5、1.0和0.5 mm直径金属颗粒分别进行试验，如图4所示。在每次实验前均用乙醇对颗粒和GIL实验设备进行擦拭，等乙醇挥发完毕后进行实验，避免污物影响实验效果。

图3 金属颗粒运动与放电实验平台

图4 金属颗粒实物图

2.2 监测系统

整个监测系统分为供变电单元、GIL金属颗粒实验单元和信号检测单元三部分，如图5所示：

图5 检测系统示意图

1)供变电单元：MLZC-100kV调压器、GDLB-5KVA隔离滤波装置、YDJ-5/100无局放变压器，额定电压110 kV，额定功率5 kVA，110 kV下局部放电量小于10 pC，在变压器与GIL实验腔体之间串联阻值为5 000 Ω的保护电阻，耦合电容500 pF，检测阻抗70 Ω。

2)信号检测单元：HCPD-9104局放综合分析仪，检测频带10 kHz～1 MHz(±3 dB)，测量范围0.1 pC～100 000 pC(灵敏度0.1 pC)，记录放电PRPD谱图，配套HCCS-2A超声传感器对金属颗粒撞击产生的超声信号进行采集；Fastec-HiSpec5高速相机对颗粒运行进行观测。

3 金属颗粒运动行为与放电特性分析

3.1 单个颗粒运动行为与放电特性分析

文中对3种直径的金属颗粒污染物进行了加压放电试验，得到的PRPD放电谱图趋势一致，故采用趋势最明显的直径1.5 mm金属颗粒污染物放电谱图进行分析，起始放电电压为22.5 kV，升压步长0.5 kV，PRPD谱图随外加电压变化情况如图6所示。

图6(a)为金属颗粒起始放电电压下的PRPD图谱，虽然并未形成完整的正弦包络带，但此时放电相位已经遍布整个正弦周期，放电现象多集中于工频周期的过零点处，在工频周期正负半周峰值的放电现象也存在，但幅值较低，故在正弦峰值包络带处多有空白。在此电压下的金属颗粒运动多为在GIL壳体上“打水漂”式的左右移动，极少出现大幅度跳跃，与图2(a)相似。

图6 单个金属颗粒放电PRPD谱图

图6(b)为加压至26.5 kV时的PRPD放电谱图，此时已经有形成完整包络带的趋势，但放电现象集中的位置仍清晰可见，整体分布趋势与图6(a)相近，但最大放电幅值增加了50 mV。相比于22.5 kV下的运动情况，此电压下的金属颗粒运动高度有所增加，偶有高度跳跃与碰撞现象，与图2(b)相似。

图6(c)与图6(d)为金属颗粒在30.5 kV与34.5 kV下的PRPD放电谱图，两者整体的放电趋势分布相似，均已形成较为完整的包络带，且随着外加电压的增大，放电幅值也有所增加。在30.5 kV下，金属颗粒左右移动的范围明显减少，运动的高度与频率大幅增加，已经出现撞击导电杆的情况；在34.5 kV下，金属颗粒快速发生启举现象，与导电杆的撞击更为剧烈，甚至出现超越导电杆的跳跃高度，与图2(c)和图2(d)相似。

通过外加电压与放电相位和幅值的变化关系可以看出，随着外加电压的增加，金属颗粒的运动频率与放电程度均有所增加。通过高速相机观测到的单个金属颗粒运动轨迹如图7所示。

图7 金属颗粒运动轨迹

3.2 颗粒尺寸对放电的影响

为研究金属颗粒尺寸对其放电的影响，文中统计了3种不同直径的颗粒在不同电压等级下的放电平均值与放电最大值，如图8所示。

由图8可以看出，随着颗粒半径的增大，其放电的平均值与最大放电幅值均有所增加，所以在GIL内部大颗粒的金属污染物的运动与放电行为会对其绝缘性能造成更大的影响。

图8 各尺寸颗粒放电幅值对比

3.3 极-地距离影响因素分析

为研究高压电极与GIL接地壳体对金属颗粒污染物运动与放电的影响，设计了U型接地壳来控制极-地距离。U型接地壳长20 cm，宽10 cm，以导电杆中心为圆心，弧度140°，伸缩距离可在0～8 cm调节，如图9所示，其中调节部位已用框线标出，通过对于螺丝的松旋操作可以实现 对U型接地壳高度的调节，U型接地壳与GIL外壳共地。图10为安装示意图，为方便读者理解在拍摄时将导电杆末端球头拆下。

图9 U型接地壳实物图

图10 安装示意图

文献[18-20]表明利用超声波信号可以有效实现对金属颗粒运动及放电信号进行监测。为研究金属颗粒运动频率与极-地距离变化之间的关系，文中提出一种新的微观角度统计方法：超声间隔频率(ultrasonic interval frequency, UIF)，定义若待测超声信号数量大于2，则相邻两次超声信号的时间间隔倒数则为超声间隔频率

(1)

式中p为相邻两次超声信号的时间间隔数。

基于UIF，文中定义平均超声间隔频率(average ultrasonic interval frequency, AUIF)，即两个UIF之间的平均值

(2)

式中n为冲击信号个数。

在32kV电压等级下，文中分别设置了不同的极-地距离，并对3种不同直径的金属颗粒的运动情况进行了统计，统计分布图如图11所示。

图11 金属颗粒运动频率统计图

由图11可以发现，在颗粒半径相同的情况下，随着极-地距离的减小，金属颗粒的运动频率越大，这是由于当极-地距离件减小时，高压导电杆与颗粒之间的径向绝缘距离变得更短，金属颗粒越易感应电荷，进而在电荷累积的情况下发生运动行为；在极-地距离相同的情况下，颗粒半径越大其运动频率越大，这是由于大直径的金属颗粒其累积的电荷更高，同时其能量密度更大，在与高压导电杆与壳体碰撞时，非弹性碰撞造成的能量损失比较小，在高压导电杆的高电压加持下，大直径的金属颗粒运动的频率更快。为研究极-地距离变化对金属颗粒放电行为的影响，在32kV电压等级，不同极-地距离情况下，对1.5 mm直径的金属颗粒进行了放电试验模拟，并统计了其放电次数与相位分布情况，如图12所示。

图12 放电次数统计图

从图12的整体趋势来看，由于极-地距离的减小，金属颗粒的放电次数均有所增加。其次，在极-地距离逐渐减小的过程中，金属颗粒的放电相位也发生了变化，在极-地距离18 cm时，金属颗粒放电次数出现峰值，放电相位集中在0°、180°以及360°这些过零点处；在极-地距离14 cm时，金属颗粒的放电相位集中位置虽与18 cm保持一致，但在90°和270°相位的放电次数也有所增加；极-地距离10 cm时，金属颗粒在5种放电相位处的放电次数已经近乎一致；在极-地距离6 cm时，金属颗粒在90°和270°相位的放电次数已经超越在0°、180°以及360°处的放电次数。当极-地距离减小时，金属颗粒的放电次数集中位置从正弦过零点处逐渐向正弦峰值处转移，放电次数特征变化可概括为“W”型向“M”型的转化。

此种特征的形成与极-地距离密切相关，原因在于当极-地距离较大时，金属颗粒运动时常处于悬浮电位，此时金属颗粒发生的放电多为在不均匀电场下的电晕放电，放电相位发生在外加电压过零点处；而当极-地距离减小时，金属颗粒径向运动距离减小，常与高压导电杆或GIL壳体发生碰撞，并伴随荷转现象发生，此时多发生极端放电现象，放电相位发生在外加电压正负半周的峰值处。

3.4 多个金属颗粒放电特征

在实际工程中，GIL内部出现单个金属颗粒污染物的现象十分少见，金属颗粒污染物常多个出现，且在GIL设备运行过程中振动影响以及在电荷相互吸引的作用下，金属颗粒污染物甚至会形成“颗粒群”。为研究GIL内部多个金属颗粒污染物的放电特征，文中在32 kV电压等级下，在GIL设备内部放置了单个金属颗粒(直径为1.0 mm)、3个金属颗粒(直径为0.5、1.0、1.5 mm各一个)、6个金属(直径=0.5、1.0、1.5 mm各两个)、12个金属(直径=0.5、1.0、1.5 mm各4个)进行实验，研究随着金属颗粒的增加其放电特征的变化，放电PRPD谱图如图13所示。

从图13可以发现，多个金属颗粒的放电趋势与单个颗粒的放电趋势基本相似，但随着颗粒数量的增加，多个金属颗粒的放电情况出现了新特征：单个金属颗粒的PRPD放电谱图包络带明显，在图像中没有额外的放电点，但随着金属颗粒的增加，PRPD放电谱图逐渐出现正弦包络带外的放电散点；通过PRPD放电谱图也可以发现随着金属颗粒数量的增加其整体的放电幅值也有所增加。同时，在实验过程中发现，随着金属颗粒数量的增加，其起始放电电压也发生了变化：单个金属颗粒放电起始电压22.7 kV，3个金属颗粒放电起始电压20.3 kV，6个金属颗粒放电起始电压18.8 kV，6个金属颗粒放电起始电压18.6 kV，产生此现象的原因是在同一电场下，金属颗粒会感应带电，当金属颗粒数量增多时，金属颗粒会相互吸引，这会使局部电荷密度增加，更易发生放电现象。为进一步研究多颗粒的放电幅值与散点特征，文中利用放电幅值置信区间对单个与多个金属颗粒的PRPD放电谱图包络带信号幅值进行统计，其变化趋势如图14所示。其中：Vmax为最大幅值，Vmax90%为放电幅值置信区间90%内最大幅值，Vmax为最小幅值。

图13 不同数量颗粒放电PRPD谱图

图14 放电幅值随颗粒个数变化的趋势

从图中折现变化趋势可以发现：1)随着金属颗粒数量的增加Vmax数值不断增大，这也对应了在多个金属颗粒PRPD放电图谱中放电散点随金属颗粒数量增加而增多的趋势；2)单个金属颗粒的Vmax90%与Vmin均大于多个金属颗粒的Vmax90%与Vmin，这是由于在多个金属颗粒之间存在微观放电现象，但此种放电要比高压导电杆与金属颗粒之间的局部放电小很多。

3.5 多个金属颗粒运动行为分析

多个颗粒放电幅值的增加的原因除上述统计结果之外，还与金属颗粒之间的电荷转移进而形成“极化”现象有关，由于多个金属颗粒之间的“极化”现象属于微观现象，通过高速相机难以直观观察，故文中从微观机理角度分两种情况行分析：

1)带电金属颗粒感应非带电金属颗粒。

在多金属颗粒污染物的情况下，由于位置与尺寸的不同，其运动过程也不是同一时间的，所以会发生带电金属颗粒运动撞击非带电金属颗粒的现象，在此过程中，带电金属颗粒上的电荷发生荷转现象，吸附非带电金属颗粒并使非带电金属颗粒带电，如图15所示，两个金属颗粒吸附在一起形成一个小“尖端”体，相较于单个金属颗粒其电荷集聚面积更大，带电量更多，更易造成放电现象。

图15 金属颗粒感应带电

2)带电金属颗粒在运动过程中碰撞。

如图16所示，带电金属颗粒撞击在运动过程主要分成3个阶段。在阶段1，颗粒A与颗粒B表面受电场效应感应出不同种电荷；在阶段2，两带电颗粒发生碰撞，致使带异种电荷的交界面发生中和；在阶段3，由于碰撞过程中电荷的中和与转移，致使同种电荷量增加，故而两个颗粒带电量增大。

图16 金属颗粒撞击带电

总体来看，由于单个金属颗粒的带电量有限，且数量较少不会发生同质化的荷转与极化现象，所以其运动与放电现象都具有一定的局限性与规律性，在实际工程中较容易判别与诊断；而由于电荷的荷转与中和，多个金属颗粒更易发生感应带电造成无规则、高频率的碰撞与运动，在GIL内部造成的危害性更大。

4 结 论

1)随着电压等级的增加，金属颗粒运动先是呈“打水漂”式在GIL壳体上小幅度跳跃，后变为“谐振”式与导电杆和壳体发生高频撞击；电压等级越高金属颗粒的运动与放电行为越剧烈，金属颗粒的尺寸越大其放电均值与最大值越大，更易对GIL内部绝缘造成破坏。

2)极-地距离的变化对金属颗粒的运动与放电行为有显著影响，随着极-地距离的减小，金属颗粒运动的频率越高，同时由于运动距离的减小与放电模式的变化，其放电从电晕放电模式逐渐过渡为尖端放电模式，放电次数与相位呈现“W-M”特征变化。

3)由于多个金属颗粒在电场中的运动无序性明显且电荷交换频繁，故随着颗粒数目的增加，其放电PRPD谱图出现了越多的离散放电点，单个金属颗粒的放电则呈现明显的包络，二者放电特征区别明显。

4)相较于单个金属颗粒，多个金属颗粒的放电起始电压更低，放电幅值更大，故多个颗粒引起的聚集性放电将对GIL内部绝缘系统造成更大的破坏。

5)实际工程建议：由于极-地效应的影响，在GIL内部三支柱绝缘子、盆式绝缘子以及末端球头的位置应格外注意金属陷阱的设置与优化，避免金属颗粒在绝缘子和导电杆末端附近聚集形成聚集性放电；由于单个金属颗粒与颗粒群的PRPD放电谱图区别明显，故在实际工程中可以通过PRPD放电谱图的变化特征(起始电压、放电幅值、放电散点分布)结合其他实地监测数据对单个金属颗粒放电与多个金属颗粒聚集性放电情况进行判别。