JPD编辑优选:直流GIL中金属微粒诱发的盆式绝缘子表面荷电积聚现象

02 6月 2021 gabriels

本篇研究来自河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室邢云琪副教授实验室,研究介绍了:

  1. 球形和线形金属微粒在直流GIL盆式绝缘子表面的运动规律。
  2. 采用粉尘法揭示了直流电压下球形和线形金属微粒运动过程中引入的盆式绝缘子表面电荷特征:球形金属微粒在绝缘子表面引入不连续的双极性点状分布的表面电荷簇,线形金属微粒在绝缘子表面引入同心扁圆分布的双极性电荷簇。
  3. 该研究为建立直流GIL中金属微粒运动与盆式绝缘子表面电荷行为关联关系,并进一步研制直流GIL金属微粒补集装置提供了参考。

文章介绍

Metal particle induced spacer surface charging phenomena in DC GIL

Yunqi Xing(邢云琪), Xinbo Sun (孙鑫博),Yang Yang(杨洋), Giovanni Mazzanti,Davide Fabiani, Jinliang He (何金良) and Chuanyang Li(李传扬)

通讯作者:

  • 李传扬   清华大学

选用半径1mm球形金属微粒和半径0.1mm,长10mm线形金属微粒,通过高速相机记录金属微粒在GIL腔室内部绝缘子附近的运动轨迹;分别采用带有正、负、中性电荷的微米级粉尘对施加直流电压后的盆式绝缘子进行粉尘法处理,获得表面电荷分布及极性。试验平台及样品示意图如下图所示。

达到微粒启举电压后,两种微粒运动各具特征。其中,球形金属微粒运动相对简单,以较慢的初始速度沿绝缘子表面向中心导体做加速运动,接触中心导体以后,会在中心导体与外壳内表面之间往返碰撞,并逐渐远离绝缘子;对于线形金属微粒而言,其一端首先抬起,低速撞击绝缘子表面后,在绝缘子与金属外壳之间做高速往复碰撞运动,其间伴随着旋转、翻滚并逐渐远离绝缘子,而当电压进一步升高后,线形金属微粒则更容易在紧贴外壳表面区域做旋转运动。具体运动特征如下图所示。

球形金属微粒在沿绝缘子表面向高压电极爬升过程中,会对绝缘子表面引入不连续的双极性点状分布的表面电荷簇;线形金属微粒在连续起跳以及旋转过程中,会对绝缘子表面引入同心扁圆分布的双极性电荷分布图。试验结果如下图所示(a-c为无金属微粒时电荷分布,d -i为球形金属颗粒存在时的电荷分布,j -o为线形金属颗粒存在时的电荷分布)。

有趣的是,该项研究发现在球形金属微粒逼近高压导体过程中,加速度和速度都有增加的趋势,但加速度在上升过程中伴有局部加速度降低的特征(如下图所示),这主要是由在金属微粒爬升过程中感应出的异极性电荷转移导致。

研究背景

GIL中不可避免存在金属微粒,金属微粒在直流电压下运动可能影响绝缘子表面电荷积聚特征,增加盆式绝缘子沿面闪络的可能性。因此,研究金属微粒诱导的盆式绝缘表面电荷行为特征至关重要。然而,到目前为止,我们对金属微粒运动与盆式绝缘子表面电荷积聚特征的关联关系知之甚少。

该项研究表明,球形和线形金属微粒在直流电压作用下,会在盆式绝缘子表面做有规律的运动,不同的运动特征会使盆式绝缘子引入不同极性及分布的表面电荷。


作者介绍

邢云琪 副教授

河北工业大学

邢云琪,2017年博士毕业于天津大学电气工程专业,现为河北工业大学电气工程系副主任、副教授,兼任IEEE中国超导专业委员会委员、中国电工技术学会青工委委员以及等离子体及应用专委会青年委员。研究方向为极端环境绝缘及输变电设备可靠性提升技术。近三年主持国家自然科学基金等纵横向项目9项,以第一及通讯作者发表/录用SCI期刊文章13篇。

孙鑫博 研究生

河北工业大学

孙鑫博,河北工业大学电气工程专业2020级硕士研究生,研究方向为GIS/GIL中金属微粒荷电运动机理及抑制方法。

李传扬 博士

康涅迪格大学

李传扬,2018年博士毕业于清华大学电机系。现于康涅迪格大学电气学院从事博士后研究。研究方向为表面电荷行为机理及调控方法,复杂环境下绝缘材料放电特征及抑制措施。以第一及通讯作者发表SCI收录文章50余篇,多篇文章被评为Editor’s Pick,Editor’s Choice,编辑优选、Yearly Highlights、Highly Cited Paper、ESI高被引论文、ESI热点论文。多次担任知名刊物客座编辑,2020年IEEE Caixin Sun and Stan Gryzbowski青年学者成就奖获得者。


期刊介绍

Journal of Physics D: Applied Physics

2019年影响因子:3.169

Journal of Physics D: Applied PhysicsJPhysD,《物理学报D:应用物理》)发表应用物理各领域的前沿研究和综述,具体包括:应用磁学和磁性材料、半导体和光子学、低温等离子体和等离子表面相互作用、凝聚态物理、表面科学和纳米结构、生物物理以及能源等六个领域。文章类型包括原创性论文、研究路线图、通讯以及每年针对热点研究的专题综述和特刊。