陳磊，馬飛越，馬波，李奇超，劉威峰

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011)

隨著氣體絕緣封閉開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear,GIS)裝用量迅速增長，GIS設(shè)備引發(fā)的故障占比逐年上升[1-3]。GIS設(shè)備內(nèi)部異物可引起氣室內(nèi)部支柱絕緣子或盆式絕緣子表面閃絡(luò)，GIS內(nèi)部氣體絕緣間隙擊穿等故障。結(jié)合GIS設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行等環(huán)節(jié)分析，異物引發(fā)故障主要原因?yàn)镚IS內(nèi)嵌件連接部位裝配過程中金屬件緊固(如螺栓緊固)造成金屬碎屑脫落，或設(shè)備內(nèi)部部件安裝及檢修環(huán)節(jié)金屬微粒帶入到GIS腔體內(nèi)部，運(yùn)行交流電壓下微小的異物顆粒在GIS設(shè)備內(nèi)部受到電場力作用發(fā)生起舉、跳躍且隨機(jī)性較強(qiáng)，跳動(dòng)過程導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度急劇下降，從而引發(fā)GIS閃絡(luò)擊穿故障[4-5]。超聲波局部放電檢測作為GIS設(shè)備內(nèi)部異物顆粒檢測的有效手段，利用超聲波傳感器接收異物碰撞殼體的超聲波信號(hào)，分析信號(hào)特征判斷設(shè)備內(nèi)部是否存在異物，但由于運(yùn)行電壓下異物運(yùn)動(dòng)特性隨機(jī)性較強(qiáng)，難以判斷內(nèi)部異物的準(zhǔn)確情況。因此，本文通過改變施加電壓模式，研究脈沖電壓條件下內(nèi)部異物的受力情況，并與交流電壓模式下進(jìn)行比對(duì)，分析2種電壓模式下GIS內(nèi)部異物動(dòng)態(tài)特性。

1 GIS內(nèi)部異物受力分析

GIS設(shè)備母線、斷路器、隔離開關(guān)等部件一般為水平布置型式，元件均封裝在GIS圓柱型殼體內(nèi)部，當(dāng)設(shè)備內(nèi)部存在異物時(shí)受本身重力影響，顆粒靜止時(shí)主要分布在GIS殼體底部。運(yùn)行電壓下內(nèi)部導(dǎo)體為交變電壓，由于靜電感應(yīng)效應(yīng)，異物顆粒會(huì)帶有相應(yīng)的電荷，在電場中庫侖力的作用下，顆粒會(huì)從GIS殼體底部浮起，并發(fā)生跳躍現(xiàn)象。異物顆粒在GIS罐體內(nèi)導(dǎo)體與殼體間的氣體間隙運(yùn)動(dòng)時(shí)，主要受到重力、庫侖力、電鏡像力、介電泳力、氣體浮力、電場梯度力和粘滯阻力作用，由于其他作用力較小，一般僅考慮受到庫倫力、重力、電場梯度力、浮力以及粘滯阻力等力的綜合作用發(fā)生運(yùn)動(dòng)[6-8]。由于GIS設(shè)備內(nèi)部異物主要以線性顆粒為主，本文以線性異物顆粒作為研究對(duì)象，分析其在GIS設(shè)備內(nèi)部受力情況，如圖1所示，各作用力的類型、受力方向及大小如表1所示。

圖1 線性異物在GIS設(shè)備內(nèi)部受力情況

表1 異物微粒在電場中的受力情況

如表1所示，當(dāng)異物在交變電場中發(fā)生起躍并開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，粘滯阻力Fv便開始作用在異物缺陷，粘滯阻力的大小與速度的大小成正相關(guān)，方向與速度的方向相反；異物顆粒在不均勻的電場中還受到電場梯度力Fgrad；由于顆粒“沉浸”在具有一定壓力的SF6氣體中,所以在運(yùn)動(dòng)過程中受到氣體浮力的作用。當(dāng)異物顆粒從殼體向上起跳時(shí)，則庫侖力與電場梯度力的總和大于粘滯阻力與重力的總和,相對(duì)于重力及庫侖力的影響，粘滯阻力及電場梯度力的影響較小。因此，為對(duì)比不同電壓模式下GIS設(shè)備內(nèi)部異物顆粒動(dòng)態(tài)特性，簡化受力模型，僅對(duì)異物顆粒的庫侖力及重力進(jìn)行分析。

當(dāng)異物顆粒在電場中靜止時(shí)，顆粒的運(yùn)動(dòng)行為是影響GIS絕緣強(qiáng)度的主要方式。圖1中GIS母線中心導(dǎo)體施加工頻交流電壓U0，則等效模型電場強(qiáng)度可表示為

(1)

式中：U0—工頻電壓峰值，V；

R0—同軸結(jié)構(gòu)腔體外殼內(nèi)徑，m；

r0—為高壓導(dǎo)體半徑，m；

D—GIS腔體內(nèi)徑，m；

z—距離金屬外殼內(nèi)壁的高度，m。

當(dāng)異物顆粒與外殼碰撞時(shí)，顆粒所帶的電荷量與此時(shí)刻所處的電場強(qiáng)度的瞬時(shí)值有關(guān)，由于異物顆粒在懸浮狀態(tài)時(shí)不放電或者放出少量的電荷，因此可近似看成顆粒在懸浮狀態(tài)時(shí)不放電[9-10]。線形顆粒方向與電場強(qiáng)度Y分量平行時(shí)的帶電量可以表示為

(2)

式中：q2—顆粒豎立時(shí)的帶電量，C；

ε0—真空介電常數(shù)，8.85×10-12F/m；

a—線形顆粒半徑，m；

L—線形顆粒長度，m。

導(dǎo)電微粒受到的庫侖力Fq可以表示為

Fq=-kq2E(t)

(3)

式中：q2—顆粒豎立時(shí)的帶電量，C；

k—由電鏡像力引起的修正系數(shù);

E(t)—異物所處位置的瞬時(shí)電場強(qiáng)度的大小。

當(dāng)帶有一定電荷的微粒在電極表面附近時(shí)，會(huì)在電極表面引起鏡像電荷。鏡像電荷會(huì)對(duì)微粒產(chǎn)生電鏡像力，使得微粒受到的庫倫力發(fā)生變化，當(dāng)微粒距離電極較遠(yuǎn)時(shí)k=1，微粒與電極接觸或與同極性電極接近時(shí)k=0.832。

2 交流電壓下異物動(dòng)態(tài)特性仿真分析

對(duì)于126 kV、252 kV GIS設(shè)備，母線氣室一般采用三相共箱布置型式，典型的倒三角布置方式，如圖2所示，其中下部為A相導(dǎo)體，上部為B、C相導(dǎo)體，三相導(dǎo)體布置位置表現(xiàn)為正三角形。126 kV GIS設(shè)備內(nèi)部異物在母線三相交變電場作用下，發(fā)生跳動(dòng)。通過異物顆粒力學(xué)分析可知，異物顆粒跳動(dòng)特性與顆粒位置的電場強(qiáng)度有關(guān)，因此采用電場等效原理將該三相交流電場等效為單相交流電場，當(dāng)中心導(dǎo)體達(dá)電壓峰值時(shí)其電勢分布如圖3所示。

圖2 126 kV GIS母線布置型式

圖3 126 kV GIS等效單相模型

圖2為126 kV GIS三相共箱式布置結(jié)構(gòu)，其中高壓導(dǎo)體直徑為84 mm，殼體直徑為468 mm，利用等效電場的方法，將其等效為圖3中高壓中心導(dǎo)體直徑308 mm，導(dǎo)體與外殼間距80 mm的GIS模型。為保證等效單相模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)對(duì)腔體底部行程的電場強(qiáng)度具有等效性，當(dāng)實(shí)際施加在三相導(dǎo)體中的電壓為126 kV GIS設(shè)備額定電壓時(shí)，圖3中等效單相模型導(dǎo)體電壓為峰值88.46 kV的交流電壓，通過電場仿真單相模型與三相模型在同一位置處的電場強(qiáng)度基本一致，如圖4所示，可以用單相等效模型代替三相模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析。

圖4 兩種模型中的電場強(qiáng)度值比較

當(dāng)GIS設(shè)備底部存在線性異物顆粒時(shí)，會(huì)發(fā)生對(duì)應(yīng)的跳躍現(xiàn)象，根據(jù)圖3中126 kV等效模型，在腔體底部布置長5 mm、半徑為0.15 mm的線性顆粒時(shí)，采用COMSOL多物理場仿真軟件進(jìn)行顆粒動(dòng)態(tài)特性仿真。仿真時(shí)當(dāng)異物顆粒在跳動(dòng)過程中碰觸到中心導(dǎo)體及外殼默認(rèn)發(fā)生電荷中和，顆粒電荷量瞬時(shí)變?yōu)?；異物顆粒與導(dǎo)桿或外殼碰撞為非彈性碰撞，碰撞后按照相反方向反彈，將顆粒碰撞恢復(fù)系數(shù)定義為碰撞后與碰撞前的速度之比，則線性微粒的恢復(fù)系數(shù)介于0與1之間[11]，仿真設(shè)定碰撞后恢復(fù)系數(shù)為0.4。交流電壓下仿真異物顆粒的動(dòng)態(tài)軌跡如圖5所示，仿真粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)長為200 ms。

圖5 交流電壓下線性顆粒動(dòng)態(tài)軌跡

如圖5可以看出，在200 ms仿真時(shí)長過程中，GIS內(nèi)部異物顆粒的軌跡無明顯規(guī)律，在交變電場下顆粒感應(yīng)的電荷與瞬時(shí)場強(qiáng)有關(guān)，當(dāng)顆粒受到的庫侖力大于重力時(shí)則會(huì)發(fā)生跳動(dòng)，一方面顆粒起跳感應(yīng)的電荷不同，另一方面異物顆粒在跳動(dòng)后其受到庫侖力的大小仍按交流正弦的規(guī)律變化，因此在交變電場下異物顆粒跳動(dòng)呈現(xiàn)出隨機(jī)的特性。

3 脈沖電壓下異物動(dòng)態(tài)特性仿真分析

交流電壓下GIS設(shè)備內(nèi)部跳動(dòng)表現(xiàn)出隨機(jī)特性，因此現(xiàn)場局部放電帶電檢測難以根據(jù)傳感器接收的信號(hào)特征對(duì)異物的特征進(jìn)行判斷，GIS內(nèi)部異物顆粒簡化模型下跳動(dòng)的軌跡主要受感應(yīng)電荷的大小及電場強(qiáng)度的大小影響，但直流電壓作用下異物顆粒感應(yīng)到相應(yīng)電荷后受到持續(xù)的電場力作用，只有與高壓電極發(fā)生碰撞后才會(huì)發(fā)生軌跡的改變。因此，如能控制異物顆粒的感應(yīng)電荷的大小，并且僅在顆粒跳動(dòng)后給起始的沖擊力，則異物顆粒的跳動(dòng)軌跡會(huì)呈現(xiàn)規(guī)律的拋物線特征。

在圖3等效模型中施加峰值為126 kV GIS設(shè)備額定電壓最大值的脈沖電壓，脈沖電壓的重復(fù)周期為0.06 s,脈沖電壓波形如圖6所示。按圖6電壓施加圖3中等效導(dǎo)體，由于脈沖電壓持續(xù)時(shí)間寬度為0.002 s，在此時(shí)間寬度電壓作用下腔體底部感應(yīng)出對(duì)應(yīng)的電荷，對(duì)應(yīng)庫侖力大小持續(xù)時(shí)間為2 ms，則異物顆粒在電壓為0時(shí)刻僅受重力作用做自由落體運(yùn)動(dòng)，仿真軌跡如圖7所示。圖7可以看出，在脈沖電壓作用下異物顆粒跳動(dòng)具有較強(qiáng)的規(guī)律性，其2次碰撞殼體的時(shí)間間隔基本一致，約為60 ms，并且顆粒跳動(dòng)的高度約為3.7 mm，顆粒跳動(dòng)高度基本一致,可以看出脈沖電壓下GIS設(shè)備內(nèi)部異物顆粒呈現(xiàn)規(guī)律的拋物線。

圖6 等效單相模型施加的脈沖電壓波形

圖7 脈沖電壓下線性顆粒動(dòng)態(tài)軌跡

4 結(jié) 論

(1)依據(jù)126 kV GIS設(shè)備典型倒三角結(jié)構(gòu)建立GIS等效模型，當(dāng)施加0.86倍額定相電壓水平時(shí)，其對(duì)GIS腔體底部異物的電場強(qiáng)度與運(yùn)行電壓真實(shí)結(jié)構(gòu)電場強(qiáng)度一致。

(2)通過開展GIS設(shè)備內(nèi)部異物顆粒的受力分析，并采用多物理場仿真交流電壓下GIS內(nèi)部異物顆粒的動(dòng)態(tài)特性，仿真結(jié)果表明在交變電場下因顆粒起跳感應(yīng)的電荷不同且受交流正弦電壓影響，交流電壓作用下異物顆粒跳動(dòng)呈現(xiàn)出隨機(jī)的特性。

(3)對(duì)GIS設(shè)備等效模型施加特定的脈沖電壓時(shí)，GIS內(nèi)部異物顆粒的感應(yīng)電荷的大小及受力大小恒定，仿真結(jié)果表明脈沖電壓下異物顆粒的跳動(dòng)高度及時(shí)間間隔基本一致，跳動(dòng)軌跡會(huì)呈現(xiàn)規(guī)律的拋物線特征。