耿秋鈺 胡智瑩 李慶民 莊添鑫 劉 焱

特高壓交流GIS/GIL拔孔型陷阱優(yōu)化設(shè)計(jì)與協(xié)同布置方法

耿秋鈺1胡智瑩1李慶民1莊添鑫2劉 焱3

（1. 新能源電力系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)） 北京 102206 2. 江蘇電力科學(xué)研究院 南京 210036 3. 中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司 北京 100192）

交流氣體絕緣組合電器（GIS）和氣體絕緣輸電管道（GIL）內(nèi)的運(yùn)動(dòng)金屬微粒是誘發(fā)設(shè)備絕緣故障的重要因素，且特高壓下的運(yùn)動(dòng)金屬微粒引發(fā)設(shè)備絕緣故障的概率更大，而微粒陷阱可抑制金屬微粒的運(yùn)動(dòng)，但實(shí)際工程中的微粒陷阱仍缺乏主動(dòng)捕獲微粒的能力。該文首先基于GIS/GIL內(nèi)金屬微粒動(dòng)力學(xué)模型，分析了拔孔型陷阱的微粒主動(dòng)捕獲機(jī)制，進(jìn)而根據(jù)金屬微粒荷電運(yùn)動(dòng)與碰撞動(dòng)力學(xué)特性，建立了拔孔型陷阱捕獲概率計(jì)算模型，考慮陷阱的捕獲能力對(duì)拔孔型陷阱的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體結(jié)果表明，針對(duì)蘇通工程中的特高壓交流GIL，當(dāng)陷阱直徑為60 cm、深度為30 cm時(shí)，拔孔型陷阱抑制微粒效果達(dá)到最佳。進(jìn)一步考慮微粒碰撞反射角的隨機(jī)性，將拔孔型陷阱附近捕獲率大于90%的區(qū)域定義為有效捕獲范圍，優(yōu)化的拔孔型陷阱的有效捕獲范圍為32 cm。最后，通過(guò)分析柵格型陷阱與拔孔型陷阱軸向電場(chǎng)分布，表明柵格型陷阱能夠增強(qiáng)拔孔型陷阱的有效捕獲范圍，并以提高絕緣子附近的微粒抑制效果為目標(biāo)，提出了絕緣子附近柵格型與拔孔型陷阱的協(xié)同布置方法。

特高壓 GIS/GIL 拔孔型陷阱 柵格型陷阱 優(yōu)化設(shè)計(jì) 協(xié)同布置方法

0 引言

交流氣體絕緣組合電器（Gas Insulated Switchgear, GIS）和氣體絕緣輸電管道（Gas Insulated transmission Lines, GIL）憑借其傳輸量大、可靠性高、占地面積小、環(huán)保等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[1-3]，自20世紀(jì)70年代起被廣泛投入實(shí)際工程。在GIS/GIL生產(chǎn)或安裝過(guò)程中，會(huì)不可避免地產(chǎn)生金屬微粒污染物，而微粒會(huì)在帶電設(shè)備內(nèi)荷電運(yùn)動(dòng)，引起周?chē)妶?chǎng)畸變，同時(shí)微粒容易附著在絕緣子表面，導(dǎo)致GIS/GIL絕緣子或氣體間隙擊穿。據(jù)統(tǒng)計(jì)，交流GIS/GIL中由運(yùn)動(dòng)金屬微粒引起的絕緣故障占比高達(dá)20%[4-6]。

隨著交流氣體絕緣設(shè)備電壓等級(jí)的提高以及直流氣體絕緣設(shè)備逐漸投入工程運(yùn)行，特別是在特高壓下微粒帶電量更高、運(yùn)動(dòng)高度更大、電極間碰撞頻率更快，更易引起極間氣隙擊穿或絕緣子沿面閃絡(luò)。相較于低電壓等級(jí)GIS，特高壓GIS中由金屬微粒引發(fā)的絕緣故障占比進(jìn)一步增加[7]。而在GIS/GIL內(nèi)加設(shè)微粒陷阱是抑制運(yùn)動(dòng)金屬微粒的有效措施，同時(shí)，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)隨著電壓等級(jí)的提高，多種微粒陷阱對(duì)金屬微粒的抑制能力均有所減弱，因此，為保證特高壓氣體絕緣設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性，亟須探索特高壓氣體絕緣設(shè)備中微粒陷阱抑制能力的提升方法[8]。

自發(fā)現(xiàn)金屬微粒會(huì)引發(fā)GIS/GIL絕緣故障起，國(guó)內(nèi)外學(xué)者與工程師提出了多種微粒陷阱設(shè)計(jì)方案，包括柵格型陷阱、波紋管結(jié)構(gòu)、卡槽式陷阱、楔型陷阱、條形陷阱等[9-11]。微粒陷阱經(jīng)歷了從孔式、帶式到柵格型陷阱的發(fā)展過(guò)程[12]，美國(guó)學(xué)者J. G. Trump最早設(shè)計(jì)了柵格式微粒陷阱結(jié)構(gòu)[13]，進(jìn)而美國(guó)西屋電氣基于G. K. Bowman等學(xué)者提出的微粒抑制原理優(yōu)化了柵格型陷阱參數(shù)[14]。研究表明，柵格型陷阱較于條形陷阱與卡槽式陷阱，具有更好的微粒捕獲效果，因此，目前柵格型陷阱已廣泛投入工程應(yīng)用[15-16]。雖然柵格型陷阱對(duì)入陷微粒有較好的抑制效果[17-18]，但實(shí)際工程中微粒常停滯于陷阱外邊緣，這些微粒在外殼振動(dòng)或過(guò)電壓下仍可能重新啟舉，從而引發(fā)絕緣故障[19]。筆者所在課題組指出，實(shí)際工程中的交流微粒陷阱產(chǎn)生的軸向電場(chǎng)使微粒遠(yuǎn)離陷阱方向，不利于抑制金屬微粒的運(yùn)動(dòng)，所以亟須突破交流陷阱主動(dòng)抑制微粒運(yùn)動(dòng)的技術(shù)手段[20]。

在GIS/GIL外殼處常設(shè)置觀察窗或便于外界安裝、拆卸及檢修設(shè)備內(nèi)部裝置的手孔，此類(lèi)外凸型結(jié)構(gòu)有利于設(shè)置拔孔型陷阱，而拔孔型陷阱附近的軸向電場(chǎng)使微粒受到靠近陷阱方向的電場(chǎng)力，因而拔孔型陷阱具有主動(dòng)捕獲微粒的能力，即使在特高壓下也能有效地抑制金屬微粒。拔孔型陷阱空間幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，但目前針對(duì)該陷阱的定量設(shè)計(jì)方法尚不清晰，缺乏對(duì)該陷阱捕獲機(jī)制的理論分析與行之有效的陷阱設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則。

圖1 拔孔型陷阱空間幾何結(jié)構(gòu)

當(dāng)拔孔型陷阱單獨(dú)布置在絕緣子附近時(shí)，絕緣子周?chē)S向電場(chǎng)與陷阱附近軸向電場(chǎng)呈現(xiàn)“競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系”，具體表現(xiàn)為拔孔型陷阱的捕獲能力被抑制。而考慮柵格型陷阱附近的金屬微粒運(yùn)動(dòng)特性，通過(guò)分析柵格型陷阱軸向電場(chǎng)分布，可明確柵格型陷阱能夠提高拔孔型陷阱的捕獲范圍。為實(shí)現(xiàn)微粒陷阱對(duì)絕緣子的全面保護(hù)，本文提出柵格型與拔孔型陷阱的協(xié)同布置方法。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外研究者提出了不同類(lèi)型的微粒陷阱設(shè)計(jì)方案，并已投入應(yīng)用，但微粒陷阱尚難以對(duì)微粒進(jìn)行主動(dòng)式捕獲，使得實(shí)際工程中由運(yùn)動(dòng)金屬微粒引起的故障占比仍居高不下[12]，而拔孔型陷阱具有主動(dòng)抑制微粒的能力，但目前尚缺乏對(duì)其抑制機(jī)制的理論分析與定量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)方法。因此，為實(shí)現(xiàn)微粒陷阱對(duì)絕緣子的全面保護(hù)，提出了柵格型與拔孔型陷阱的協(xié)同布置方法。

鑒于上述討論，本文首先分析拔孔型陷阱對(duì)金屬微粒的主動(dòng)捕獲機(jī)制；進(jìn)一步，根據(jù)金屬微粒荷電運(yùn)動(dòng)與碰撞動(dòng)力學(xué)特性，建立拔孔型陷阱捕獲概率計(jì)算模型，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化拔孔型陷阱的結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得優(yōu)化后的拔孔型陷阱的有效捕獲范圍，并搭建縮比實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證陷阱優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可靠性；最后，考慮柵格型陷阱能夠增強(qiáng)拔孔型陷阱的有效捕獲范圍，提出絕緣子附近柵格型與拔孔型陷阱的協(xié)同布置方法。

1 拔孔型陷阱主動(dòng)捕獲微粒機(jī)制

與其他交流微粒陷阱相比，拔孔型陷阱可主動(dòng)捕獲金屬微粒，避免了由微粒運(yùn)動(dòng)隨機(jī)性導(dǎo)致自身無(wú)法入陷的問(wèn)題。但目前針對(duì)拔孔型陷阱的相關(guān)研究較少，本文將基于GIS/GIL內(nèi)金屬微粒動(dòng)力學(xué)模型，分析其主動(dòng)捕獲機(jī)制。

1.1 微粒荷電與受力分析

GIS/GIL內(nèi)金屬微粒受力情況復(fù)雜[21]，設(shè)備內(nèi)部金屬微粒的受力具體包括重力、電場(chǎng)力、氣體阻力及電場(chǎng)梯度力等。但目前針對(duì)拔孔型陷阱主動(dòng)捕獲機(jī)制的研究不足，為明確拔孔型陷阱的微粒主動(dòng)捕獲機(jī)制，需對(duì)GIS/GIL內(nèi)金屬微粒進(jìn)行受力分析，且為后續(xù)建立拔孔型陷阱捕獲金屬微粒計(jì)算模型提供理論基礎(chǔ)。

金屬微粒在電場(chǎng)中會(huì)荷電運(yùn)動(dòng)，因此，明確微粒的荷電機(jī)理是受力分析的前提。當(dāng)球形微粒碰撞GIS/GIL腔體內(nèi)壁或陷阱外壁時(shí)，由于靜電感應(yīng)，微粒極性與碰撞表面極性相同。文獻(xiàn)[22]指出球形金屬微粒帶電量為

式中，0為真空介電常數(shù)；r為氣體相對(duì)介電常數(shù)；q為球形微粒半徑；q為碰撞外殼時(shí)微粒所在位置電場(chǎng)強(qiáng)度。

而線(xiàn)形微粒較球形微粒有所不同[23]，本文認(rèn)為由于線(xiàn)形微粒的特殊結(jié)構(gòu)，不同受力的作用點(diǎn)不統(tǒng)一，因此，分析線(xiàn)形微粒受力需設(shè)定線(xiàn)形微粒重心，作為受力的作用點(diǎn)。文獻(xiàn)[24]指出未啟舉時(shí)的線(xiàn)形微粒帶電量如式（2）所示，啟舉后的線(xiàn)形微粒帶電量如式（3）所示。

仿真初始狀態(tài)設(shè)置為線(xiàn)形微粒平躺在電極表面，此時(shí)微粒帶電量計(jì)算公式即為式（2）?？紤]線(xiàn)形微粒由平躺到豎直站立的動(dòng)態(tài)過(guò)程十分復(fù)雜，為此，在本文仿真中，當(dāng)線(xiàn)形微粒發(fā)生啟舉后，設(shè)置微粒姿態(tài)由平躺迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直站立在電極表面，進(jìn)而遠(yuǎn)離地電極向高壓電極方向運(yùn)動(dòng)。微粒啟舉后的帶電量計(jì)算公式即為式（3）。

球形微粒與線(xiàn)形微粒在設(shè)備內(nèi)的受力主要有：自身重力、庫(kù)侖力、運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的氣體阻力。球形微粒與線(xiàn)形微粒的受力分析見(jiàn)表1。表中，sphere和line分別為球形、線(xiàn)形微粒重力；為鋁制微粒密度；qsphere和qline分別為球形、線(xiàn)形微粒所受電場(chǎng)力；f為微粒所受氣體阻力；為氣體阻力系數(shù)；為微粒運(yùn)動(dòng)速度；grad為微粒所受電場(chǎng)梯度力。

表1 球形微粒與線(xiàn)形微粒受力分析

Tab.1 Forces of spherical particles and linear particles

以球形微粒為例，微粒受力情況與碰撞隨機(jī)特性如圖2所示。圖中，μ、qy、qx分別為微粒所受摩擦力、徑向電場(chǎng)力、軸向電場(chǎng)力；r和c分別為運(yùn)動(dòng)微粒入射角度和反射角度。通過(guò)受力分析可知，金屬微粒的軸向受力情況簡(jiǎn)單，因此，主要考慮軸向電場(chǎng)力對(duì)金屬微粒軸向運(yùn)動(dòng)的影響。本文認(rèn)為微粒軸向受力情況是判斷微粒能否主動(dòng)入陷的基礎(chǔ)。

由于交流電壓隨時(shí)間變化，微粒帶電量與受力呈現(xiàn)與時(shí)間相關(guān)的動(dòng)態(tài)特性。同時(shí)，微粒頻繁碰撞設(shè)備內(nèi)壁，考慮內(nèi)壁表面粗糙，碰撞后微粒運(yùn)動(dòng)速度的方向與大小具有強(qiáng)隨機(jī)性，致使微粒運(yùn)動(dòng)軌跡難以預(yù)測(cè)[25-26]，且難以保證微粒進(jìn)入陷阱。因此，有必要研究拔孔型陷阱的微粒主動(dòng)捕獲機(jī)制。

1.2 微粒主動(dòng)入陷機(jī)制

為明確拔孔型陷阱的微粒主動(dòng)捕獲機(jī)制，首先分析拔孔型陷阱軸向電場(chǎng)分布，由于施加交流電壓，本文以施加峰值電壓為示例，分析陷阱附近電場(chǎng)分布。針對(duì)電壓等級(jí)為1 100 kV的GIS/ GIL，仿真時(shí)施加有效值為635 kV的單相交流電壓，利用多物理場(chǎng)仿真軟件計(jì)算施加峰值電壓時(shí)拔孔型陷阱附近電場(chǎng)分布，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，陷阱左側(cè)軸向電場(chǎng)方向向左，陷阱右側(cè)軸向電場(chǎng)方向向右。

圖3 拔孔型陷阱附近電場(chǎng)分布

由微粒受力分析可知，軸向電場(chǎng)力是影響微粒能否主動(dòng)入陷的關(guān)鍵因素，由于在交流電壓下球形微粒最大運(yùn)動(dòng)高度僅距離地電極2 cm。因此，本文主要考慮地電極表面軸向電場(chǎng)對(duì)金屬微粒軸向運(yùn)動(dòng)的影響。

通過(guò)分析微粒受力情況與拔孔型陷阱軸向電場(chǎng)分布，本文認(rèn)為拔孔型陷阱的微粒主動(dòng)捕獲機(jī)制如圖4所示，在GIS/GIL腔體外殼內(nèi)壁布置一個(gè)拔孔型陷阱，外施電壓至啟舉電壓?？紤]外施電壓為交流電壓，需設(shè)定時(shí)刻為初始時(shí)刻，由于靜電感應(yīng)，金屬微粒帶負(fù)電，陷阱兩側(cè)金屬微粒均朝陷阱方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，由于交流電壓下入陷微粒最大運(yùn)動(dòng)高度為2～8 cm，因此入陷微粒無(wú)法逃逸陷阱。

由于交流電場(chǎng)隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，在微粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，存在微粒極性不變但外殼極性反轉(zhuǎn)的時(shí)刻。此時(shí)微粒會(huì)受到遠(yuǎn)離陷阱方向的電場(chǎng)力，因此，微粒運(yùn)動(dòng)速度降低，但微粒運(yùn)動(dòng)方向未發(fā)生改變，忽略微粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中碰撞反射角的影響，僅分析軸向電場(chǎng)對(duì)金屬微粒運(yùn)動(dòng)的影響，微粒仍朝陷阱方向運(yùn)動(dòng)。為驗(yàn)證上述討論，計(jì)算GIS/GIL腔體內(nèi)部金屬微粒的軸向運(yùn)動(dòng)速度，結(jié)果如圖5所示。

圖4 拔孔型陷阱主動(dòng)捕獲機(jī)制

圖5 微粒軸向運(yùn)動(dòng)速度

綜上所述，拔孔型陷阱附近金屬微粒受到靠近陷阱方向的電場(chǎng)力，因此拔孔型陷阱能夠主動(dòng)捕獲金屬微粒，且拔孔型陷阱的獨(dú)特結(jié)構(gòu)能夠有效限制入陷微粒逃逸。但由于實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中微粒碰撞反射角存在隨機(jī)性，導(dǎo)致陷阱附近少數(shù)微粒不能入陷。拔孔型陷阱附近軸向電場(chǎng)分布是陷阱能夠主動(dòng)捕獲微粒的基礎(chǔ)，加之拔孔型陷阱尺寸是影響軸向電場(chǎng)分布的主要因素，因此，為保證特高壓下的拔孔型陷阱能夠有效抑制金屬微粒，本文下一步將通過(guò)改變拔孔型陷阱的寬度與深度以明確特高壓下拔孔型陷阱的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

2 拔孔型陷阱參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

首先本節(jié)為驗(yàn)證拔孔型陷阱主動(dòng)捕獲機(jī)制的理論分析的準(zhǔn)確性，以及明確陷阱附近的微粒運(yùn)動(dòng)情況，計(jì)算陷阱附近不同尺寸金屬微粒的運(yùn)動(dòng)特性；進(jìn)一步地，計(jì)算拔孔型陷阱針對(duì)不同尺寸微粒的最大捕獲范圍，以此參數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，提出拔孔型陷阱最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，并基于該設(shè)計(jì)方案，計(jì)算特定尺寸下的拔孔型陷阱針對(duì)不同尺寸微粒的捕獲范圍。

2.1 拔孔型陷阱附近微粒運(yùn)動(dòng)與入陷特性

為驗(yàn)證第1節(jié)對(duì)拔孔型陷阱的主動(dòng)捕獲機(jī)制的理論分析，以及檢驗(yàn)碰撞反射隨機(jī)角是拔孔型陷阱附近微粒未入陷的主要原因，有必要對(duì)拔孔型陷阱附近金屬微粒的運(yùn)動(dòng)與入陷特性有清晰的認(rèn)知。

使用數(shù)學(xué)軟件仿真計(jì)算微粒運(yùn)動(dòng)情況，其中仿真幾何模型具體包括高壓導(dǎo)體、接地外殼和拔孔型陷阱，而拔孔型陷阱尺寸有待優(yōu)化。外殼設(shè)計(jì)參考蘇通工程GIL標(biāo)準(zhǔn)尺寸，設(shè)置外殼半徑為44 cm，導(dǎo)體為半徑為9 cm、長(zhǎng)度為2.91 m的圓柱體，綜合考慮陷阱附近電場(chǎng)畸變程度與加工成本，本文認(rèn)為采用圓柱形外殼的拔孔型陷阱更加合理。為避免設(shè)備內(nèi)電場(chǎng)過(guò)度不均勻，陷阱與外殼交界處須作圓角處理。將拔孔型陷阱布置于腔體中心，仿真時(shí)可將金屬微粒放置在陷阱兩側(cè)。由于針對(duì)蘇通工程1 100 kV GIL，仿真施加有效值為635 kV的單相交流電壓，同時(shí)計(jì)算模型考慮了時(shí)間特性。該仿真主要呈現(xiàn)微粒陷阱附近金屬微粒的運(yùn)動(dòng)特性。同時(shí)，設(shè)置鋁制微粒密度為2 700 kg/m3，氣體環(huán)境溫度k=300 K，SF6氣體密度SF6=0.116 3 kg/m3，Sutherland常數(shù)=110.56 K，N2、SF6的氣體粘滯系數(shù)分別為N2=1.677×10-5Pa?s、SF6=1.377×10-5Pa?s。

拔孔型陷阱附近球形金屬微粒的運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果如圖6所示，其中球形金屬微粒碰撞地電極頻率高達(dá)9.21 Hz，表明碰撞反射隨機(jī)角會(huì)影響微粒的入陷概率；而微粒最大運(yùn)動(dòng)高度為2～4 cm，因此微粒無(wú)法碰撞導(dǎo)體；同時(shí)，入陷微粒運(yùn)動(dòng)高度遠(yuǎn)低于陷阱深度，表明拔孔型陷阱可有效限制入陷微粒。由圖6可知，陷阱附近球形微粒的運(yùn)動(dòng)情況分為兩種：①微粒順利入陷；②微粒初始向陷阱運(yùn)動(dòng)，但最終沒(méi)有入陷。仿真結(jié)果表明，由于拔孔型陷阱附近微粒碰撞反射角的隨機(jī)性，雖然陷阱對(duì)附近微粒具有捕獲效果，但少量微粒仍會(huì)無(wú)法入陷。該仿真結(jié)果驗(yàn)證了上述拔孔型陷阱主動(dòng)捕獲機(jī)制的準(zhǔn)確性。

線(xiàn)形微粒入陷軌跡如圖7所示，圖中線(xiàn)形微?；钴S度較球形微粒更大，其最大運(yùn)動(dòng)高度是球形微粒的6～10倍。由于線(xiàn)形微粒活躍度更大以及碰撞反射角的隨機(jī)性，抑制線(xiàn)形微粒的難度更大。微粒陷阱對(duì)微粒的捕獲效果，基本不受微粒翻轉(zhuǎn)、擺動(dòng)過(guò)程的影響，為此，本文在仿真中將線(xiàn)形微粒進(jìn)行了等效計(jì)算，并開(kāi)展了真型GIS/GIL拔孔型陷阱捕獲不同尺寸線(xiàn)形微粒的實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了仿真模型的有效性。

圖7 線(xiàn)形微粒入陷軌跡

通過(guò)改變金屬微粒的尺寸參數(shù)，得到不同尺寸球形微粒與線(xiàn)形微粒的最大運(yùn)動(dòng)高度如圖8所示。由圖8可知，球形微粒的最大運(yùn)動(dòng)高度隨著半徑的增大而減??；而相同長(zhǎng)度的線(xiàn)形微粒的最大運(yùn)動(dòng)高度隨著半徑的增大而減小，相同半徑的線(xiàn)形微粒最大運(yùn)動(dòng)高度隨著微粒長(zhǎng)度的增大而減小。與球形微粒相比，線(xiàn)形微粒運(yùn)動(dòng)高度增加，可能導(dǎo)致GIS/GIL氣隙擊穿，危害性更大[27-28]。因此，檢驗(yàn)拔孔型陷阱對(duì)線(xiàn)形微粒的抑制能力至關(guān)重要。

圖8 微粒最大運(yùn)動(dòng)高度

通過(guò)分析球形微粒與線(xiàn)形微粒的運(yùn)動(dòng)特性，驗(yàn)證了對(duì)拔孔型陷阱主動(dòng)捕獲微粒機(jī)制的理論分析的準(zhǔn)確性，同時(shí)，明確陷阱對(duì)線(xiàn)形微粒的抑制能力對(duì)于提高系統(tǒng)絕緣穩(wěn)定性更加重要。本文下一步將基于微粒運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算拔孔型陷阱針對(duì)不同尺寸金屬微粒的捕獲范圍，著重分析拔孔型陷阱對(duì)線(xiàn)形微粒的抑制能力，進(jìn)而提出特高壓GIS/GIL拔孔型陷阱的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，并獲得陷阱的有效捕獲范圍。

2.2 拔孔型陷阱優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

在有效值為635 kV的單相交流電壓下，陷阱內(nèi)的各尺寸金屬微粒最大運(yùn)動(dòng)高度為2～8 cm。為防止入陷微粒逃逸陷阱，陷阱深度應(yīng)大于入陷微粒最大運(yùn)動(dòng)高度，因此陷阱深度至少取10 cm。而拔孔型陷阱的主要參數(shù)包括陷阱深度與直徑，因此，設(shè)計(jì)交流電壓下的拔孔型陷阱，除考慮陷阱深度大于入陷微粒的運(yùn)動(dòng)高度外，還需考慮拔孔型陷阱的參數(shù)對(duì)陷阱捕獲能力的影響，即綜合分析陷阱的參數(shù)對(duì)拔孔型陷阱捕獲微粒范圍與陷阱附近軸向電場(chǎng)分布的影響。

以陷阱對(duì)不同位置金屬微粒的捕獲率為判據(jù)，計(jì)算拔孔型陷阱的捕獲范圍，陷阱的微粒捕獲率計(jì)算仿真設(shè)置如圖9所示。為計(jì)算陷阱的微粒捕獲率，將仿真分成圖9中的兩部分：A表示微粒與腔體外殼碰撞過(guò)程；B表示微粒入陷后碰撞過(guò)程。

每0.000 1 s記錄一次金屬微粒坐標(biāo)。當(dāng)金屬微粒的坐標(biāo)小于等于邊界坐標(biāo)時(shí)判定為碰撞；當(dāng)微粒軸向坐標(biāo)小于仿真A中紅色邊界設(shè)定值時(shí)，判定微粒無(wú)法被陷阱捕獲；當(dāng)微粒軸向坐標(biāo)與徑向坐標(biāo)大于陷阱邊界坐標(biāo)時(shí)，仿真A判定微粒入陷，進(jìn)入仿真B。入陷微粒徑向坐標(biāo)小于陷阱上邊界坐標(biāo)時(shí)，仿真B判定微粒逃逸，令逃逸次數(shù)esc＝esc+1。當(dāng)入陷微粒徑向速度小于0.3 m/s時(shí)，本文認(rèn)為在重力與電場(chǎng)力的作用下，微粒無(wú)法逃逸陷阱，仿真B以該速度為判據(jù)，判定微粒被陷阱捕獲，令陷阱捕獲次數(shù)cap＝cap+1。為提高計(jì)算準(zhǔn)確性，仿真共循環(huán)3 000次。

圖9 仿真設(shè)置示意圖

考慮微粒隨機(jī)碰撞運(yùn)動(dòng)與軸向電場(chǎng)分布的拔孔型陷阱結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化模型，其目標(biāo)函數(shù)滿(mǎn)足

式中，和分別為拔孔型陷阱深度與半徑；為考慮微粒隨機(jī)碰撞運(yùn)動(dòng)及拔孔型陷阱附近軸向電場(chǎng)分布的目標(biāo)函數(shù)；cap為拔孔型陷阱微粒捕獲率，其值為cap與循環(huán)次數(shù)比值，逃逸微粒不算入捕獲微粒，具體計(jì)算式為

考慮絕緣子對(duì)拔孔型陷阱的影響具有統(tǒng)一性、單調(diào)性，為明確陷阱尺寸對(duì)自身捕獲能力的影響程度，計(jì)算模型中未在拔孔型陷阱附近放置絕緣子，本文優(yōu)先明確拔孔型陷阱最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，后續(xù)將進(jìn)一步討論在絕緣子附近的布置方法。由于實(shí)際工程中設(shè)備的可靠性至關(guān)重要，但微粒碰撞反射角具有強(qiáng)隨機(jī)性，無(wú)法保證陷阱附近的金屬微粒100%入陷，設(shè)定捕獲率閾值需考慮隨機(jī)誤差。參考楔形陷阱微粒捕獲率最高達(dá)90%[27]，因此，本文將捕獲率90%及以上的區(qū)域認(rèn)定為有效捕獲范圍，將捕獲率90%的距離認(rèn)定為臨界捕獲距離，認(rèn)定陷阱邊界至臨界捕獲距離之間的區(qū)域?yàn)橛行Р东@范圍。不同尺寸的拔孔型陷阱捕獲半徑為0.1 mm、長(zhǎng)度為2 mm的線(xiàn)形微粒的有效捕獲臨界距離如圖10所示。拔孔型陷阱捕獲相同尺寸微粒的范圍與陷阱尺寸呈正相關(guān)特性。考慮拔孔型陷阱是一種能夠主動(dòng)捕獲金屬微粒的陷阱，因此，將拔孔型陷阱的有效捕獲范圍作為優(yōu)化陷阱尺寸的重要依據(jù)。

圖10 不同尺寸拔孔型陷阱針對(duì)線(xiàn)形微粒的捕獲臨界距離

同時(shí)，利用多物理場(chǎng)仿真軟件計(jì)算仿真模型電場(chǎng)，設(shè)置了不同尺寸的拔孔型陷阱，比較陷阱附近軸向電場(chǎng)強(qiáng)度均值。施加交流電壓為635 kV，拔孔型陷阱直徑取20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm，深度取10 cm、15 cm、20 cm、25 cm、30 cm，結(jié)果如圖11所示，拔孔型陷阱規(guī)定范圍內(nèi)軸向電場(chǎng)強(qiáng)度均值與陷阱尺寸呈正相關(guān)特性。

圖11 不同尺寸拔孔型陷阱附近軸向電場(chǎng)強(qiáng)度

通過(guò)分析陷阱捕獲范圍與陷阱附近軸向電場(chǎng)分布，明確其與陷阱尺寸呈正相關(guān)特性，同時(shí)考慮拔孔型陷阱需布置在GIS/GIL外殼，而GIS/GIL腔體半徑為44 cm，因此，拔孔型陷阱尺寸存在上限。綜合考慮各方面因素，最終確定拔孔型陷阱最優(yōu)設(shè)計(jì)方案為直徑60 cm、深度30 cm。通過(guò)改變計(jì)算模型中的設(shè)備外施電壓，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同電壓等級(jí)GIS/GIL中拔孔型陷阱參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

為了解該尺寸拔孔型陷阱的微粒捕獲效果，計(jì)算拔孔型陷阱針對(duì)不同尺寸金屬微粒的捕獲概率。文中仿真針對(duì)球形微粒與線(xiàn)形微粒，計(jì)算得到拔孔型陷阱針對(duì)不同尺寸微粒的有效捕獲臨界距離，如圖12所示。結(jié)果表明，拔孔型陷阱對(duì)距離陷阱邊界10 cm范圍內(nèi)的金屬微粒均能有效捕獲，對(duì)32 cm以外的金屬微粒捕獲率均低于90%，因此，拔孔型陷阱的有效捕獲范圍最大為32 cm。

圖12 不同尺寸微粒有效捕獲臨界距離

長(zhǎng)度為2 mm的線(xiàn)形微粒是實(shí)際GIS/GIL中的常見(jiàn)線(xiàn)形微粒，長(zhǎng)度為5 mm、10 mm的線(xiàn)形微粒在實(shí)際工程中較為少見(jiàn)。而拔孔型陷阱對(duì)長(zhǎng)度為2 mm的線(xiàn)形微粒的有效捕獲臨界距離達(dá)32 cm，表明拔孔型陷阱能夠有效地抑制實(shí)際工程中的線(xiàn)形微粒。因此，拔孔型陷阱能提高GIS/GIL的絕緣穩(wěn)定性。

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化的拔孔型陷阱的有效捕獲范圍，本文搭建了縮比拔孔型陷阱微粒捕獲實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖13所示。圖中拔孔型陷阱直徑為15 cm、深度為8 cm，GIS導(dǎo)體半徑為3 cm、外殼內(nèi)壁半徑為12 cm。在腔體觀察窗處放置高速攝像機(jī)記錄微粒運(yùn)動(dòng)軌跡，使用LED燈對(duì)高速攝像機(jī)進(jìn)行補(bǔ)光。

圖13 拔孔型陷阱微粒捕獲實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

同軸圓柱電極的外殼內(nèi)表面電場(chǎng)強(qiáng)度可由式（6）計(jì)算，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)施加151 kV電壓時(shí)，與蘇通工程中特高壓 GIL外殼內(nèi)表面電場(chǎng)強(qiáng)度一致。

式中，1為同軸圓柱電極外殼內(nèi)表面電場(chǎng)強(qiáng)度；為外施電壓；1、2分別為導(dǎo)體半徑與外殼內(nèi)徑。

本文將不同尺寸的球形微?；蚓€(xiàn)形微粒放置在仿真結(jié)果中對(duì)應(yīng)的臨界距離處，驗(yàn)證仿真結(jié)果。實(shí)驗(yàn)金屬微粒尺寸包括：半徑為0.1、0.3、0.5 mm的球形微粒，以及半徑為0.5、0.3、0.1 mm，長(zhǎng)度為2 mm的線(xiàn)形微粒。每次放置5顆微粒，微粒擺放情況如圖14所示。加壓至啟舉電壓，觀察拔孔型陷阱捕獲效果，每種尺寸微粒重復(fù)實(shí)驗(yàn)20次，記錄拔孔型陷阱針對(duì)各尺寸微粒的捕獲率大于90%的臨界距離，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如圖15所示。

圖14 球形與線(xiàn)形金屬微粒擺放情況

圖15 微粒捕獲范圍實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

由圖15可知，通過(guò)對(duì)照拔孔型陷阱針對(duì)不同尺寸金屬微粒捕獲率大于90%的臨界距離的實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果，表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算得到的陷阱有效捕獲范圍基本一致，驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性。

3 柵格型與拔孔型陷阱協(xié)同布置方法

金屬微粒會(huì)在交流電場(chǎng)的作用下跳躍或飛舞，可能會(huì)落在絕緣子附近或附著在絕緣件表面，使絕緣子沿面閃絡(luò)電壓顯著下降，從而引起絕緣子表面閃絡(luò)，降低GIS/GIL的絕緣水平，威脅系統(tǒng)安全[29]。在絕緣子附近布置微粒陷阱是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要舉措，但布置在盆式絕緣子凸面處的拔孔型陷阱的捕獲能力被抑制，本文以增加拔孔型陷阱有效捕獲范圍進(jìn)而優(yōu)化微粒陷阱對(duì)盆式絕緣子的保護(hù)能力為目的，提出了柵格型與拔孔型陷阱的協(xié)同布置方法。

3.1 盆式絕緣子附近拔孔型陷阱的捕獲范圍

為明確布置在盆式絕緣子凸面處拔孔型陷阱的有效捕獲范圍，利用多物理場(chǎng)仿真軟件計(jì)算絕緣子與陷阱之間的軸向電場(chǎng)，分析拔孔型陷阱捕獲范圍。仿真模型設(shè)計(jì)方案參考標(biāo)準(zhǔn)GIS/GIL尺寸。

基于拔孔型陷阱有效捕獲范圍計(jì)算模型，盆式絕緣子與陷阱之間的距離和陷阱有效捕獲范圍的關(guān)聯(lián)特性如圖16所示。模型中拔孔型陷阱直徑為60、55、50、45、40 cm，其深度固定為30 cm，當(dāng)盆式絕緣子凸面與陷阱相距10 cm時(shí)，所有拔孔型陷阱均僅能有效抑制距離邊界6 cm范圍內(nèi)的金屬微粒，隨著陷阱與盆式絕緣子凸面之間的距離逐漸增大，盆式絕緣子凸面對(duì)拔孔型陷阱的捕獲能力抑制效果減弱，由圖16可知，盆式絕緣子凸面對(duì)30 cm范圍內(nèi)的拔孔型陷阱捕獲能力抑制效果最為明顯。以直徑為60 cm的拔孔型陷阱為例，當(dāng)陷阱與盆式絕緣子凸面距離大于100 cm時(shí)，拔孔型陷阱的有效捕獲范圍達(dá)32 cm，且不隨距離增大而改變，此時(shí)，拔孔型陷阱捕獲范圍與附近無(wú)絕緣子的陷阱捕獲范圍一致。通過(guò)分析軸向電場(chǎng)分布，本文認(rèn)為當(dāng)拔孔型陷阱布置在絕緣子附近時(shí)，盆式絕緣子凸面與拔孔型陷阱對(duì)微粒運(yùn)動(dòng)的影響呈現(xiàn)“競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系”，當(dāng)金屬微?？拷枋浇^緣子凸面時(shí)，微粒會(huì)朝著絕緣子方向運(yùn)動(dòng)，因此，盆式絕緣子凸面附近的拔孔型陷阱的有效捕獲范圍減小。綜上所述，當(dāng)拔孔型陷阱單獨(dú)布置在盆式絕緣子凸面處時(shí)，其捕獲能力被抑制。

圖16 與絕緣子不同間距拔孔型陷阱的有效捕獲范圍

陷阱與盆式絕緣子凸面距離100 cm時(shí)的捕獲范圍如圖17所示，圖中拔孔型陷阱尺寸為直徑60 cm、深度30 cm。當(dāng)陷阱與盆式絕緣子凸面相距100 cm時(shí)，拔孔型陷阱捕獲范圍恢復(fù)至32 cm。由圖16、圖17可知，盆式絕緣子凸面對(duì)拔孔型陷阱的抑制范圍有限，標(biāo)準(zhǔn)尺寸盆式絕緣子對(duì)拔孔型陷阱抑制范圍最大距離為70 cm。該尺寸下，陷阱與盆式絕緣子凸面相距至少達(dá)100 cm才能保證拔孔型陷阱的正常捕獲范圍。但此時(shí)微粒陷阱無(wú)法抑制絕緣子附近金屬微粒。當(dāng)柵格型陷阱單獨(dú)布置在絕緣子下方時(shí)，常有微粒停滯在陷阱外邊緣處，并未真正被陷阱捕獲，存在重新啟舉的風(fēng)險(xiǎn)，或微粒會(huì)遠(yuǎn)離柵格型陷阱。總之，在絕緣子凸面附近單獨(dú)布置拔孔型陷阱或柵格型陷阱均無(wú)法有效保護(hù)絕緣子的絕緣穩(wěn)定性。

圖17 陷阱與盆式絕緣子凸面距離100 cm時(shí)的捕獲范圍

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)金屬微粒運(yùn)動(dòng)至柵格型陷阱附近時(shí)，常常會(huì)朝遠(yuǎn)離陷阱方向運(yùn)動(dòng)，與拔孔型陷阱效果相反。基于該現(xiàn)象，為實(shí)現(xiàn)微粒陷阱對(duì)絕緣子的全面保護(hù)，降低絕緣子與拔孔型陷阱“競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系”的影響，本文下一步將分析柵格型陷阱驅(qū)趕附近金屬微粒原因，并制定絕緣子凸面處附近多微粒陷阱的協(xié)同布置方法。

當(dāng)拔孔型陷阱布置在盆式絕緣子凹面處時(shí)，通過(guò)計(jì)算陷阱與盆式絕緣子凹面處之間的軸向電場(chǎng)分布可知，絕緣子凹面處不會(huì)抑制拔孔型陷阱的捕獲能力，反而增大了陷阱的有效捕獲范圍。拔孔型陷阱布置在盆式絕緣子凹面時(shí)的有效捕獲范圍如圖18所示，此時(shí)可有效捕獲距離盆式絕緣子凹面1.2 m范圍內(nèi)的金屬微粒。結(jié)果表明，當(dāng)拔孔型陷阱單獨(dú)布置在盆式絕緣子凹面處時(shí)能夠有效保護(hù)絕緣子的絕緣穩(wěn)定性，此時(shí)不需要與柵格型陷阱協(xié)同配合。

圖18 單獨(dú)布置在絕緣子凹面處的拔孔型陷阱有效捕獲范圍

3.2 盆式絕緣子凸面處柵格型與拔孔型陷阱的協(xié)同布置

柵格型陷阱是一種可以直接放置在外殼內(nèi)表面的微粒陷阱[30]，通過(guò)仿真分析柵格型陷阱軸向電場(chǎng)分布。仿真模型的設(shè)計(jì)參考柵格型陷阱標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，其槽數(shù)為10、高度為4 mm、長(zhǎng)度為10 cm。柵格型陷阱附近軸向電場(chǎng)對(duì)微粒的影響如圖19所示，由于靜電感應(yīng)，金屬微粒帶負(fù)電，陷阱左側(cè)金屬微粒將受到水平向左的庫(kù)侖力；同理，陷阱右側(cè)金屬微粒將受到水平向右的庫(kù)侖力，與拔孔型陷阱兩側(cè)軸向電場(chǎng)方向相反。通過(guò)分析兩陷阱軸向電場(chǎng)分布，明確兩陷阱對(duì)微粒軸向運(yùn)動(dòng)的影響呈現(xiàn)“合作關(guān)系”，表明柵格型陷阱能夠提高拔孔型陷阱的捕獲范圍。

圖19 柵格型陷阱附近軸向電場(chǎng)對(duì)微粒的影響

由于布置在盆式絕緣子凸面處的拔孔型陷阱捕獲效果被抑制，為判斷柵格型陷阱在絕緣子附近能否提高拔孔型陷阱的捕獲范圍，將柵格型陷阱單獨(dú)布置在絕緣子下方，分析陷阱附近軸向電場(chǎng)分布，如圖20所示。結(jié)果表明，當(dāng)柵格型陷阱單獨(dú)布置在絕緣子下方時(shí)，在陷阱右側(cè)一定范圍內(nèi)的軸向電場(chǎng)仍指向右側(cè)，因此，柵格型陷阱依然可提高拔孔型陷阱的捕獲范圍。

圖20 絕緣子附近柵格型陷阱軸向電場(chǎng)分布

綜上所述，柵格型陷阱附近金屬微粒朝遠(yuǎn)離陷阱方向運(yùn)動(dòng)，放置在拔孔型陷阱附近的柵格型陷阱能夠提高拔孔型陷阱的有效捕獲范圍，因此，將柵格型與拔孔型陷阱協(xié)同布置在盆式絕緣子凸面處，可實(shí)現(xiàn)微粒陷阱對(duì)盆式絕緣子的有效保護(hù)。

柵格型與拔孔型陷阱協(xié)同布置原理如圖21所示。柵格型陷阱能夠有效抑制絕緣子正下方的金屬微粒，而拔孔型陷阱能夠主動(dòng)抑制兩陷阱之間區(qū)域的金屬微粒。其中拔孔型陷阱深度為30 cm，柵格型陷阱高度為4 mm、槽寬為5 mm、長(zhǎng)度待優(yōu)化，同時(shí)，柵格型陷阱一側(cè)需固定布置在絕緣子正下方。本文下一步將提出拔孔型陷阱與不同尺寸柵格型陷阱的最優(yōu)布置方案。

圖21 陷阱協(xié)同布置原理

盆式絕緣子凸面對(duì)微粒陷阱軸向電場(chǎng)的影響程度隨陷阱與絕緣子距離的增大而減小，因此，拔孔型陷阱與不同尺寸的柵格型陷阱的最優(yōu)間距有所不同。將兩陷阱邊界距離設(shè)為優(yōu)化參量、拔孔型陷阱針對(duì)兩陷阱之間區(qū)域的微粒的捕獲率設(shè)為優(yōu)化目標(biāo)，其目標(biāo)函數(shù)滿(mǎn)足

式中，Dconvex、Lgrid、Ldistance分別為拔孔型陷阱直徑、柵格型陷阱長(zhǎng)度、柵格型陷阱與拔孔型陷阱邊界距離；pcapture為絕緣子附近微粒陷阱組合的微粒捕獲率，其計(jì)算原理與pcap相同。基于此優(yōu)化思路，提出了拔孔型陷阱與不同尺寸柵格型陷阱的協(xié)同布置方法，如圖22所示。

由于絕緣子對(duì)遠(yuǎn)處微粒陷阱的抑制效果較弱，拔孔型陷阱的有效捕獲范圍與柵格型陷阱長(zhǎng)度在一定程度內(nèi)呈正相關(guān)特性。根據(jù)仿真結(jié)果，本文以微粒陷阱組合對(duì)絕緣子保護(hù)能力最大化為依據(jù)，提出了不同尺寸拔孔型陷阱與柵格型陷阱的協(xié)同布置方案，其中采用直徑為60 cm、深度為30 cm的拔孔型陷阱與柵格型陷阱協(xié)同配合能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)絕緣子的有效保護(hù)范圍最大化。由圖22可知，當(dāng)柵格型陷阱長(zhǎng)度達(dá)40 cm時(shí)，直徑為60 cm的拔孔型陷阱有效捕獲范圍最大為65 cm。且各尺寸拔孔型陷阱的最大有效捕獲范圍隨柵格型陷阱長(zhǎng)度的增加均呈現(xiàn)飽和特性，表明由于柵格型陷阱能夠增強(qiáng)拔孔型陷阱捕獲范圍，拔孔型陷阱有效捕獲范圍達(dá)到極值。由圖22可知，針對(duì)不同尺寸的拔孔型陷阱，當(dāng)柵格型陷阱至少長(zhǎng)35 cm時(shí)，絕緣子無(wú)法抑制拔孔型陷阱的有效捕獲范圍。

因此，為實(shí)現(xiàn)柵格型陷阱對(duì)拔孔型陷阱的增益最大化，絕緣子下方柵格型陷阱的長(zhǎng)度不能小于35 cm。本文提出的微粒陷阱協(xié)同布置方法實(shí)現(xiàn)了微粒陷阱對(duì)盆式絕緣子的全面保護(hù)，利用兩種微粒陷阱附近的軸向電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了兩陷阱的協(xié)同配合，從而提高了盆式絕緣子的絕緣水平。通過(guò)分析方法的機(jī)理可知，該協(xié)同布置方法也可用于保護(hù)三支柱絕緣子。因此該方法對(duì)于保護(hù)實(shí)際工程中的絕緣子具有指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

1）分析了交流電壓下拔孔型陷阱對(duì)金屬微粒的捕獲機(jī)制。基于金屬微粒受力分析，獲得了拔孔型陷阱附近金屬微粒的入陷過(guò)程及微粒的受力模值與方向。明確了拔孔型陷阱的主動(dòng)捕獲機(jī)制——拔孔型陷阱附近的軸向電場(chǎng)分布使金屬微粒朝陷阱方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也為后續(xù)建立拔孔型陷阱捕獲金屬微粒的計(jì)算模型提供了理論依據(jù)。

2）提出了一種針對(duì)拔孔型陷阱的通用型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及特高壓拔孔型陷阱的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。通過(guò)建立拔孔型陷阱捕獲范圍的計(jì)算模型，獲得了不同尺寸拔孔型陷阱的有效捕獲范圍。據(jù)此對(duì)拔孔型陷阱參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明直徑為60 cm、深度為30 cm的拔孔型陷阱具有最佳的微粒抑制效果，并在真型GIS/GIL中驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性。

3）提出了柵格型與拔孔型陷阱在盆式絕緣子凸面處的協(xié)同布置方法。當(dāng)拔孔型陷阱單獨(dú)布置在盆式絕緣子凸面處時(shí)，其捕獲能力被抑制，通過(guò)分析柵格型陷阱軸向電場(chǎng)分布，認(rèn)為柵格型陷阱能夠增強(qiáng)拔孔型陷阱的捕獲能力。本文以?xún)上葳暹吔缇嚯x為優(yōu)化參量、微粒捕獲率為優(yōu)化目標(biāo)，提出了一種有效保護(hù)范圍最遠(yuǎn)可達(dá)225 cm的陷阱協(xié)同布置方法。

4）本文提出的陷阱協(xié)同布置方法同樣適用于保護(hù)三支柱絕緣子，因此，該方法為后續(xù)抑制特高壓GIS/GIL中絕緣子附近運(yùn)動(dòng)金屬微粒提供了一種可靠的技術(shù)手段。此外，僅靠微粒陷阱抑制措施存在抑制對(duì)象單一等問(wèn)題，為避免金屬微粒、粉塵及非金屬雜質(zhì)破壞GIS/GIL絕緣穩(wěn)定性，未來(lái)將進(jìn)一步研究微粒陷阱、電極覆膜、驅(qū)趕電極等多種抑制措施協(xié)同布置方法。

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Optimal Design and Synergism Arrangement Methodology of Convex-Shaped Traps for Ultra High Voltage AC GIS/GIL Applications

Geng Qiuyu1Hu Zhiying1Li Qingmin1Zhuang Tianxin2Liu Yan3

（1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University Beijing 102206 China 2. Jiangsu Electric Power Research Institute Nanjing 210036 China 3. China Electric Power Research Institute Beijing 100192 China）

AC gas insulated switchgear and transmission lines faces critical insulation failure challenges caused by metal particles inside, and the probability of insulation failure caused by metal particles under UHV increases. However, the particle traps in practical engineering, the key devices available to inhibit the movement of particles, lack the ability to proactively capture particles. Firstly, this paper analyzes the mechanism of active particle capture by convex-shaped trap based on the dynamic model of metal particles in GIS/GIL.

By analyzing the force of particles and the axial electric field distribution of the convex-shaped trap, this paper considers that the axial electric field distribution near the convex-shaped traps is an important factor leading to the active trapping of metal particles. The external voltage is applied to the starting voltage. Considering the applied voltage is AC voltage, the initial time should be set. Due to the electrostatic induction, the metal particles are negatively charged, and the metal particles on both sides of the trap move towards the trap direction. At the same time, the maximum moving height of the trapped particles under AC voltage is 2～8 cm, so the particles in the trap cannot escape from the trap.Based on the force analysis of particles, it can not only analyze the active capture mechanism of the convex-shaped trap, but also provide a theoretical basis for the subsequent establishment of the capture range calculation model of the convex-shaped trap. On this basis, this paper realizes the performance test and optimization design of the convex-shaped trap.

According to the charged motion and collision dynamics characteristics of metal particles, the model for calculating the capture probability of the convex-shaped trap is established, and the structural parameters of the convex-shaped trap should be optimized considering the capture ability of trap. The results illustrate when the diameter of trap is 60 cm and the depth of trap is 30 cm in the UHV GIS/GIL of Sutong GIL Comprehensive Pipe Corridor, the particle suppression effect of the convex-shaped trap is optimal. Further, the area near the convex-shaped trap with capture rate over 90% is defined as the effective capture range considering the randomness of particle collision reflection angle, and the effective capture range of the convex-shaped trap reaches 32 cm. In this paper, a general optimization design method for convex-shaped traps is proposed, which is also applicable to the optimization of other voltage levels for convex-shaped traps.

Finally, by analyzing the axial electric field distribution of the grid trap and the convex-shaped trap, it is shown that the grid trap can enhance the effective capture range of the convex-shaped trap. To improve the particle suppression effect near the insulator, a synergism arrangement methodology of the grid trap and the convex-shaped trap near the convex surface of basin insulator is proposed.

The grid trap can effectively suppress the metal particles below the insulator. Since the grid trap can increase the capture range of the convex-shaped trap, the convex-shaped trap can be arranged far from the insulator. The optimal arrangement is determined by optimizing the synergism arrangement of two traps. Length of the grid trap arranged near the insulator cannot be less than 40 cm, and the effective capture range of the convex-shaped trap matched with it reaches up to 65 cm. The protection range of the trap combination for insulators can reach up to 225 cm.Based on the theoretical analysis, the trap combination can not only effectively protect the basin insulator, but also improve the insulation level of the three-pillar insulator.

In this paper, the theoretical analysis about the active capture mechanism of the convex-shaped traps, the design scheme of the convex-shaped traps for UHV GIS/GIL and the synergism arrangement methodology of the grid and convex-shaped traps are proposed. This methodology provides a reliable technical mean for capturing the metal particles in UHV GIS / GIL.

Ultra high voltage, GIS/GIL, convex-shaped trap, grid trap, optimal design, synergism arrangement methodology

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221680

TM85

國(guó)家電網(wǎng)有限公司科技項(xiàng)目資助（5500-202155109A-0-0-00）。

2022-09-01

2022-11-03

耿秋鈺 男，1998年生，碩士研究生，研究方向?yàn)闅怏w絕緣輸電管道微粒運(yùn)動(dòng)、放電與抑制。E-mail：gengqiuyu19981123@163.com

李慶民 男，1968年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)、放電物理等。E-mail：lqmeee@ncepu.edu.cn（通信作者）

（編輯 李冰）