特高压交流GIS/GIL拔孔型陷阱优化设计与协同布置方法

耿秋钰 胡智莹 李庆民 庄添鑫 刘 焱

特高压交流GIS/GIL拔孔型陷阱优化设计与协同布置方法

耿秋钰1胡智莹1李庆民1庄添鑫2刘 焱3

（1. 新能源电力系统全国重点实验室（华北电力大学） 北京 102206 2. 江苏电力科学研究院 南京 210036 3. 中国电力科学研究院有限公司 北京 100192）

交流气体绝缘组合电器（GIS）和气体绝缘输电管道（GIL）内的运动金属微粒是诱发设备绝缘故障的重要因素，且特高压下的运动金属微粒引发设备绝缘故障的概率更大，而微粒陷阱可抑制金属微粒的运动，但实际工程中的微粒陷阱仍缺乏主动捕获微粒的能力。该文首先基于GIS/GIL内金属微粒动力学模型，分析了拔孔型陷阱的微粒主动捕获机制，进而根据金属微粒荷电运动与碰撞动力学特性，建立了拔孔型陷阱捕获概率计算模型，考虑陷阱的捕获能力对拔孔型陷阱的结构参数进行优化设计。具体结果表明，针对苏通工程中的特高压交流GIL，当陷阱直径为60 cm、深度为30 cm时，拔孔型陷阱抑制微粒效果达到最佳。进一步考虑微粒碰撞反射角的随机性，将拔孔型陷阱附近捕获率大于90%的区域定义为有效捕获范围，优化的拔孔型陷阱的有效捕获范围为32 cm。最后，通过分析栅格型陷阱与拔孔型陷阱轴向电场分布，表明栅格型陷阱能够增强拔孔型陷阱的有效捕获范围，并以提高绝缘子附近的微粒抑制效果为目标，提出了绝缘子附近栅格型与拔孔型陷阱的协同布置方法。

特高压 GIS/GIL 拔孔型陷阱 栅格型陷阱 优化设计 协同布置方法

0 引言

交流气体绝缘组合电器（Gas Insulated Switchgear, GIS）和气体绝缘输电管道（Gas Insulated transmission Lines, GIL）凭借其传输量大、可靠性高、占地面积小、环保等独特优势[1-3]，自20世纪70年代起被广泛投入实际工程。在GIS/GIL生产或安装过程中，会不可避免地产生金属微粒污染物，而微粒会在带电设备内荷电运动，引起周围电场畸变，同时微粒容易附着在绝缘子表面，导致GIS/GIL绝缘子或气体间隙击穿。据统计，交流GIS/GIL中由运动金属微粒引起的绝缘故障占比高达20%[4-6]。

随着交流气体绝缘设备电压等级的提高以及直流气体绝缘设备逐渐投入工程运行，特别是在特高压下微粒带电量更高、运动高度更大、电极间碰撞频率更快，更易引起极间气隙击穿或绝缘子沿面闪络。相较于低电压等级GIS，特高压GIS中由金属微粒引发的绝缘故障占比进一步增加[7]。而在GIS/GIL内加设微粒陷阱是抑制运动金属微粒的有效措施，同时，统计发现随着电压等级的提高，多种微粒陷阱对金属微粒的抑制能力均有所减弱，因此，为保证特高压气体绝缘设备的运行稳定性，亟须探索特高压气体绝缘设备中微粒陷阱抑制能力的提升方法[8]。

自发现金属微粒会引发GIS/GIL绝缘故障起，国内外学者与工程师提出了多种微粒陷阱设计方案，包括栅格型陷阱、波纹管结构、卡槽式陷阱、楔型陷阱、条形陷阱等[9-11]。微粒陷阱经历了从孔式、带式到栅格型陷阱的发展过程[12]，美国学者J. G. Trump最早设计了栅格式微粒陷阱结构[13]，进而美国西屋电气基于G. K. Bowman等学者提出的微粒抑制原理优化了栅格型陷阱参数[14]。研究表明，栅格型陷阱较于条形陷阱与卡槽式陷阱，具有更好的微粒捕获效果，因此，目前栅格型陷阱已广泛投入工程应用[15-16]。虽然栅格型陷阱对入陷微粒有较好的抑制效果[17-18]，但实际工程中微粒常停滞于陷阱外边缘，这些微粒在外壳振动或过电压下仍可能重新启举，从而引发绝缘故障[19]。笔者所在课题组指出，实际工程中的交流微粒陷阱产生的轴向电场使微粒远离陷阱方向，不利于抑制金属微粒的运动，所以亟须突破交流陷阱主动抑制微粒运动的技术手段[20]。

在GIS/GIL外壳处常设置观察窗或便于外界安装、拆卸及检修设备内部装置的手孔，此类外凸型结构有利于设置拔孔型陷阱，而拔孔型陷阱附近的轴向电场使微粒受到靠近陷阱方向的电场力，因而拔孔型陷阱具有主动捕获微粒的能力，即使在特高压下也能有效地抑制金属微粒。拔孔型陷阱空间几何结构如图1所示，但目前针对该陷阱的定量设计方法尚不清晰，缺乏对该陷阱捕获机制的理论分析与行之有效的陷阱设计指导原则。

图1 拔孔型陷阱空间几何结构

当拔孔型陷阱单独布置在绝缘子附近时，绝缘子周围轴向电场与陷阱附近轴向电场呈现“竞争关系”，具体表现为拔孔型陷阱的捕获能力被抑制。而考虑栅格型陷阱附近的金属微粒运动特性，通过分析栅格型陷阱轴向电场分布，可明确栅格型陷阱能够提高拔孔型陷阱的捕获范围。为实现微粒陷阱对绝缘子的全面保护，本文提出栅格型与拔孔型陷阱的协同布置方法。

综上所述，国内外研究者提出了不同类型的微粒陷阱设计方案，并已投入应用，但微粒陷阱尚难以对微粒进行主动式捕获，使得实际工程中由运动金属微粒引起的故障占比仍居高不下[12]，而拔孔型陷阱具有主动抑制微粒的能力，但目前尚缺乏对其抑制机制的理论分析与定量优化设计方法。因此，为实现微粒陷阱对绝缘子的全面保护，提出了栅格型与拔孔型陷阱的协同布置方法。

鉴于上述讨论，本文首先分析拔孔型陷阱对金属微粒的主动捕获机制；进一步，根据金属微粒荷电运动与碰撞动力学特性，建立拔孔型陷阱捕获概率计算模型，在此基础上优化拔孔型陷阱的结构参数，获得优化后的拔孔型陷阱的有效捕获范围，并搭建缩比实验平台验证陷阱优化设计方案的可靠性；最后，考虑栅格型陷阱能够增强拔孔型陷阱的有效捕获范围，提出绝缘子附近栅格型与拔孔型陷阱的协同布置方法。

1 拔孔型陷阱主动捕获微粒机制

与其他交流微粒陷阱相比，拔孔型陷阱可主动捕获金属微粒，避免了由微粒运动随机性导致自身无法入陷的问题。但目前针对拔孔型陷阱的相关研究较少，本文将基于GIS/GIL内金属微粒动力学模型，分析其主动捕获机制。

1.1 微粒荷电与受力分析

GIS/GIL内金属微粒受力情况复杂[21]，设备内部金属微粒的受力具体包括重力、电场力、气体阻力及电场梯度力等。但目前针对拔孔型陷阱主动捕获机制的研究不足，为明确拔孔型陷阱的微粒主动捕获机制，需对GIS/GIL内金属微粒进行受力分析，且为后续建立拔孔型陷阱捕获金属微粒计算模型提供理论基础。

金属微粒在电场中会荷电运动，因此，明确微粒的荷电机理是受力分析的前提。当球形微粒碰撞GIS/GIL腔体内壁或陷阱外壁时，由于静电感应，微粒极性与碰撞表面极性相同。文献[22]指出球形金属微粒带电量为

式中，0为真空介电常数；r为气体相对介电常数；q为球形微粒半径；q为碰撞外壳时微粒所在位置电场强度。

而线形微粒较球形微粒有所不同[23]，本文认为由于线形微粒的特殊结构，不同受力的作用点不统一，因此，分析线形微粒受力需设定线形微粒重心，作为受力的作用点。文献[24]指出未启举时的线形微粒带电量如式（2）所示，启举后的线形微粒带电量如式（3）所示。

仿真初始状态设置为线形微粒平躺在电极表面，此时微粒带电量计算公式即为式（2）。考虑线形微粒由平躺到竖直站立的动态过程十分复杂，为此，在本文仿真中，当线形微粒发生启举后，设置微粒姿态由平躺迅速转变为竖直站立在电极表面，进而远离地电极向高压电极方向运动。微粒启举后的带电量计算公式即为式（3）。

球形微粒与线形微粒在设备内的受力主要有：自身重力、库仑力、运动过程中的气体阻力。球形微粒与线形微粒的受力分析见表1。表中，sphere和line分别为球形、线形微粒重力；为铝制微粒密度；qsphere和qline分别为球形、线形微粒所受电场力；f为微粒所受气体阻力；为气体阻力系数；为微粒运动速度；grad为微粒所受电场梯度力。

表1 球形微粒与线形微粒受力分析

Tab.1 Forces of spherical particles and linear particles

以球形微粒为例，微粒受力情况与碰撞随机特性如图2所示。图中，μ、qy、qx分别为微粒所受摩擦力、径向电场力、轴向电场力；r和c分别为运动微粒入射角度和反射角度。通过受力分析可知，金属微粒的轴向受力情况简单，因此，主要考虑轴向电场力对金属微粒轴向运动的影响。本文认为微粒轴向受力情况是判断微粒能否主动入陷的基础。

由于交流电压随时间变化，微粒带电量与受力呈现与时间相关的动态特性。同时，微粒频繁碰撞设备内壁，考虑内壁表面粗糙，碰撞后微粒运动速度的方向与大小具有强随机性，致使微粒运动轨迹难以预测[25-26]，且难以保证微粒进入陷阱。因此，有必要研究拔孔型陷阱的微粒主动捕获机制。

1.2 微粒主动入陷机制

为明确拔孔型陷阱的微粒主动捕获机制，首先分析拔孔型陷阱轴向电场分布，由于施加交流电压，本文以施加峰值电压为示例，分析陷阱附近电场分布。针对电压等级为1 100 kV的GIS/ GIL，仿真时施加有效值为635 kV的单相交流电压，利用多物理场仿真软件计算施加峰值电压时拔孔型陷阱附近电场分布，结果如图3所示。由图3可知，陷阱左侧轴向电场方向向左，陷阱右侧轴向电场方向向右。

图3 拔孔型陷阱附近电场分布

由微粒受力分析可知，轴向电场力是影响微粒能否主动入陷的关键因素，由于在交流电压下球形微粒最大运动高度仅距离地电极2 cm。因此，本文主要考虑地电极表面轴向电场对金属微粒轴向运动的影响。

通过分析微粒受力情况与拔孔型陷阱轴向电场分布，本文认为拔孔型陷阱的微粒主动捕获机制如图4所示，在GIS/GIL腔体外壳内壁布置一个拔孔型陷阱，外施电压至启举电压。考虑外施电压为交流电压，需设定时刻为初始时刻，由于静电感应，金属微粒带负电，陷阱两侧金属微粒均朝陷阱方向运动，同时，由于交流电压下入陷微粒最大运动高度为2～8 cm，因此入陷微粒无法逃逸陷阱。

由于交流电场随时间动态变化，在微粒运动过程中，存在微粒极性不变但外壳极性反转的时刻。此时微粒会受到远离陷阱方向的电场力，因此，微粒运动速度降低，但微粒运动方向未发生改变，忽略微粒运动过程中碰撞反射角的影响，仅分析轴向电场对金属微粒运动的影响，微粒仍朝陷阱方向运动。为验证上述讨论，计算GIS/GIL腔体内部金属微粒的轴向运动速度，结果如图5所示。

图4 拔孔型陷阱主动捕获机制

图5 微粒轴向运动速度

综上所述，拔孔型陷阱附近金属微粒受到靠近陷阱方向的电场力，因此拔孔型陷阱能够主动捕获金属微粒，且拔孔型陷阱的独特结构能够有效限制入陷微粒逃逸。但由于实际运动过程中微粒碰撞反射角存在随机性，导致陷阱附近少数微粒不能入陷。拔孔型陷阱附近轴向电场分布是陷阱能够主动捕获微粒的基础，加之拔孔型陷阱尺寸是影响轴向电场分布的主要因素，因此，为保证特高压下的拔孔型陷阱能够有效抑制金属微粒，本文下一步将通过改变拔孔型陷阱的宽度与深度以明确特高压下拔孔型陷阱的最优设计方案。

2 拔孔型陷阱参数的优化设计

首先本节为验证拔孔型陷阱主动捕获机制的理论分析的准确性，以及明确陷阱附近的微粒运动情况，计算陷阱附近不同尺寸金属微粒的运动特性；进一步地，计算拔孔型陷阱针对不同尺寸微粒的最大捕获范围，以此参数为优化目标，提出拔孔型陷阱最优设计方案，并基于该设计方案，计算特定尺寸下的拔孔型陷阱针对不同尺寸微粒的捕获范围。

2.1 拔孔型陷阱附近微粒运动与入陷特性

为验证第1节对拔孔型陷阱的主动捕获机制的理论分析，以及检验碰撞反射随机角是拔孔型陷阱附近微粒未入陷的主要原因，有必要对拔孔型陷阱附近金属微粒的运动与入陷特性有清晰的认知。

使用数学软件仿真计算微粒运动情况，其中仿真几何模型具体包括高压导体、接地外壳和拔孔型陷阱，而拔孔型陷阱尺寸有待优化。外壳设计参考苏通工程GIL标准尺寸，设置外壳半径为44 cm，导体为半径为9 cm、长度为2.91 m的圆柱体，综合考虑陷阱附近电场畸变程度与加工成本，本文认为采用圆柱形外壳的拔孔型陷阱更加合理。为避免设备内电场过度不均匀，陷阱与外壳交界处须作圆角处理。将拔孔型陷阱布置于腔体中心，仿真时可将金属微粒放置在陷阱两侧。由于针对苏通工程1 100 kV GIL，仿真施加有效值为635 kV的单相交流电压，同时计算模型考虑了时间特性。该仿真主要呈现微粒陷阱附近金属微粒的运动特性。同时，设置铝制微粒密度为2 700 kg/m3，气体环境温度k=300 K，SF6气体密度SF6=0.116 3 kg/m3，Sutherland常数=110.56 K，N2、SF6的气体粘滞系数分别为N2=1.677×10-5Pa∙s、SF6=1.377×10-5Pa∙s。

拔孔型陷阱附近球形金属微粒的运动仿真结果如图6所示，其中球形金属微粒碰撞地电极频率高达9.21 Hz，表明碰撞反射随机角会影响微粒的入陷概率；而微粒最大运动高度为2～4 cm，因此微粒无法碰撞导体；同时，入陷微粒运动高度远低于陷阱深度，表明拔孔型陷阱可有效限制入陷微粒。由图6可知，陷阱附近球形微粒的运动情况分为两种：①微粒顺利入陷；②微粒初始向陷阱运动，但最终没有入陷。仿真结果表明，由于拔孔型陷阱附近微粒碰撞反射角的随机性，虽然陷阱对附近微粒具有捕获效果，但少量微粒仍会无法入陷。该仿真结果验证了上述拔孔型陷阱主动捕获机制的准确性。

线形微粒入陷轨迹如图7所示，图中线形微粒活跃度较球形微粒更大，其最大运动高度是球形微粒的6～10倍。由于线形微粒活跃度更大以及碰撞反射角的随机性，抑制线形微粒的难度更大。微粒陷阱对微粒的捕获效果，基本不受微粒翻转、摆动过程的影响，为此，本文在仿真中将线形微粒进行了等效计算，并开展了真型GIS/GIL拔孔型陷阱捕获不同尺寸线形微粒的实验研究，验证了仿真模型的有效性。

图7 线形微粒入陷轨迹

通过改变金属微粒的尺寸参数，得到不同尺寸球形微粒与线形微粒的最大运动高度如图8所示。由图8可知，球形微粒的最大运动高度随着半径的增大而减小；而相同长度的线形微粒的最大运动高度随着半径的增大而减小，相同半径的线形微粒最大运动高度随着微粒长度的增大而减小。与球形微粒相比，线形微粒运动高度增加，可能导致GIS/GIL气隙击穿，危害性更大[27-28]。因此，检验拔孔型陷阱对线形微粒的抑制能力至关重要。

图8 微粒最大运动高度

通过分析球形微粒与线形微粒的运动特性，验证了对拔孔型陷阱主动捕获微粒机制的理论分析的准确性，同时，明确陷阱对线形微粒的抑制能力对于提高系统绝缘稳定性更加重要。本文下一步将基于微粒运动模型计算拔孔型陷阱针对不同尺寸金属微粒的捕获范围，着重分析拔孔型陷阱对线形微粒的抑制能力，进而提出特高压GIS/GIL拔孔型陷阱的最优设计方案，并获得陷阱的有效捕获范围。

2.2 拔孔型陷阱优化设计方案

在有效值为635 kV的单相交流电压下，陷阱内的各尺寸金属微粒最大运动高度为2～8 cm。为防止入陷微粒逃逸陷阱，陷阱深度应大于入陷微粒最大运动高度，因此陷阱深度至少取10 cm。而拔孔型陷阱的主要参数包括陷阱深度与直径，因此，设计交流电压下的拔孔型陷阱，除考虑陷阱深度大于入陷微粒的运动高度外，还需考虑拔孔型陷阱的参数对陷阱捕获能力的影响，即综合分析陷阱的参数对拔孔型陷阱捕获微粒范围与陷阱附近轴向电场分布的影响。

以陷阱对不同位置金属微粒的捕获率为判据，计算拔孔型陷阱的捕获范围，陷阱的微粒捕获率计算仿真设置如图9所示。为计算陷阱的微粒捕获率，将仿真分成图9中的两部分：A表示微粒与腔体外壳碰撞过程；B表示微粒入陷后碰撞过程。

每0.000 1 s记录一次金属微粒坐标。当金属微粒的坐标小于等于边界坐标时判定为碰撞；当微粒轴向坐标小于仿真A中红色边界设定值时，判定微粒无法被陷阱捕获；当微粒轴向坐标与径向坐标大于陷阱边界坐标时，仿真A判定微粒入陷，进入仿真B。入陷微粒径向坐标小于陷阱上边界坐标时，仿真B判定微粒逃逸，令逃逸次数esc＝esc+1。当入陷微粒径向速度小于0.3 m/s时，本文认为在重力与电场力的作用下，微粒无法逃逸陷阱，仿真B以该速度为判据，判定微粒被陷阱捕获，令陷阱捕获次数cap＝cap+1。为提高计算准确性，仿真共循环3 000次。

图9 仿真设置示意图

考虑微粒随机碰撞运动与轴向电场分布的拔孔型陷阱结构参数优化模型，其目标函数满足

式中，和分别为拔孔型陷阱深度与半径；为考虑微粒随机碰撞运动及拔孔型陷阱附近轴向电场分布的目标函数；cap为拔孔型陷阱微粒捕获率，其值为cap与循环次数比值，逃逸微粒不算入捕获微粒，具体计算式为

考虑绝缘子对拔孔型陷阱的影响具有统一性、单调性，为明确陷阱尺寸对自身捕获能力的影响程度，计算模型中未在拔孔型陷阱附近放置绝缘子，本文优先明确拔孔型陷阱最优设计方案，后续将进一步讨论在绝缘子附近的布置方法。由于实际工程中设备的可靠性至关重要，但微粒碰撞反射角具有强随机性，无法保证陷阱附近的金属微粒100%入陷，设定捕获率阈值需考虑随机误差。参考楔形陷阱微粒捕获率最高达90%[27]，因此，本文将捕获率90%及以上的区域认定为有效捕获范围，将捕获率90%的距离认定为临界捕获距离，认定陷阱边界至临界捕获距离之间的区域为有效捕获范围。不同尺寸的拔孔型陷阱捕获半径为0.1 mm、长度为2 mm的线形微粒的有效捕获临界距离如图10所示。拔孔型陷阱捕获相同尺寸微粒的范围与陷阱尺寸呈正相关特性。考虑拔孔型陷阱是一种能够主动捕获金属微粒的陷阱，因此，将拔孔型陷阱的有效捕获范围作为优化陷阱尺寸的重要依据。

图10 不同尺寸拔孔型陷阱针对线形微粒的捕获临界距离

同时，利用多物理场仿真软件计算仿真模型电场，设置了不同尺寸的拔孔型陷阱，比较陷阱附近轴向电场强度均值。施加交流电压为635 kV，拔孔型陷阱直径取20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm，深度取10 cm、15 cm、20 cm、25 cm、30 cm，结果如图11所示，拔孔型陷阱规定范围内轴向电场强度均值与陷阱尺寸呈正相关特性。

图11 不同尺寸拔孔型陷阱附近轴向电场强度

通过分析陷阱捕获范围与陷阱附近轴向电场分布，明确其与陷阱尺寸呈正相关特性，同时考虑拔孔型陷阱需布置在GIS/GIL外壳，而GIS/GIL腔体半径为44 cm，因此，拔孔型陷阱尺寸存在上限。综合考虑各方面因素，最终确定拔孔型陷阱最优设计方案为直径60 cm、深度30 cm。通过改变计算模型中的设备外施电压，即可实现对不同电压等级GIS/GIL中拔孔型陷阱参数的优化设计。

为了解该尺寸拔孔型陷阱的微粒捕获效果，计算拔孔型陷阱针对不同尺寸金属微粒的捕获概率。文中仿真针对球形微粒与线形微粒，计算得到拔孔型陷阱针对不同尺寸微粒的有效捕获临界距离，如图12所示。结果表明，拔孔型陷阱对距离陷阱边界10 cm范围内的金属微粒均能有效捕获，对32 cm以外的金属微粒捕获率均低于90%，因此，拔孔型陷阱的有效捕获范围最大为32 cm。

图12 不同尺寸微粒有效捕获临界距离

长度为2 mm的线形微粒是实际GIS/GIL中的常见线形微粒，长度为5 mm、10 mm的线形微粒在实际工程中较为少见。而拔孔型陷阱对长度为2 mm的线形微粒的有效捕获临界距离达32 cm，表明拔孔型陷阱能够有效地抑制实际工程中的线形微粒。因此，拔孔型陷阱能提高GIS/GIL的绝缘稳定性。

2.3 实验验证

为验证优化的拔孔型陷阱的有效捕获范围，本文搭建了缩比拔孔型陷阱微粒捕获实验平台，如图13所示。图中拔孔型陷阱直径为15 cm、深度为8 cm，GIS导体半径为3 cm、外壳内壁半径为12 cm。在腔体观察窗处放置高速摄像机记录微粒运动轨迹，使用LED灯对高速摄像机进行补光。

图13 拔孔型陷阱微粒捕获实验平台

同轴圆柱电极的外壳内表面电场强度可由式（6）计算，实验平台施加151 kV电压时，与苏通工程中特高压 GIL外壳内表面电场强度一致。

式中，1为同轴圆柱电极外壳内表面电场强度；为外施电压；1、2分别为导体半径与外壳内径。

本文将不同尺寸的球形微粒或线形微粒放置在仿真结果中对应的临界距离处，验证仿真结果。实验金属微粒尺寸包括：半径为0.1、0.3、0.5 mm的球形微粒，以及半径为0.5、0.3、0.1 mm，长度为2 mm的线形微粒。每次放置5颗微粒，微粒摆放情况如图14所示。加压至启举电压，观察拔孔型陷阱捕获效果，每种尺寸微粒重复实验20次，记录拔孔型陷阱针对各尺寸微粒的捕获率大于90%的临界距离，实验结果与仿真结果对比如图15所示。

图14 球形与线形金属微粒摆放情况

图15 微粒捕获范围实验与仿真结果对比

由图15可知，通过对照拔孔型陷阱针对不同尺寸金属微粒捕获率大于90%的临界距离的实验与仿真结果，表明实验结果与计算得到的陷阱有效捕获范围基本一致，验证了仿真的准确性。

3 栅格型与拔孔型陷阱协同布置方法

金属微粒会在交流电场的作用下跳跃或飞舞，可能会落在绝缘子附近或附着在绝缘件表面，使绝缘子沿面闪络电压显著下降，从而引起绝缘子表面闪络，降低GIS/GIL的绝缘水平，威胁系统安全[29]。在绝缘子附近布置微粒陷阱是提高系统稳定性的重要举措，但布置在盆式绝缘子凸面处的拔孔型陷阱的捕获能力被抑制，本文以增加拔孔型陷阱有效捕获范围进而优化微粒陷阱对盆式绝缘子的保护能力为目的，提出了栅格型与拔孔型陷阱的协同布置方法。

3.1 盆式绝缘子附近拔孔型陷阱的捕获范围

为明确布置在盆式绝缘子凸面处拔孔型陷阱的有效捕获范围，利用多物理场仿真软件计算绝缘子与陷阱之间的轴向电场，分析拔孔型陷阱捕获范围。仿真模型设计方案参考标准GIS/GIL尺寸。

基于拔孔型陷阱有效捕获范围计算模型，盆式绝缘子与陷阱之间的距离和陷阱有效捕获范围的关联特性如图16所示。模型中拔孔型陷阱直径为60、55、50、45、40 cm，其深度固定为30 cm，当盆式绝缘子凸面与陷阱相距10 cm时，所有拔孔型陷阱均仅能有效抑制距离边界6 cm范围内的金属微粒，随着陷阱与盆式绝缘子凸面之间的距离逐渐增大，盆式绝缘子凸面对拔孔型陷阱的捕获能力抑制效果减弱，由图16可知，盆式绝缘子凸面对30 cm范围内的拔孔型陷阱捕获能力抑制效果最为明显。以直径为60 cm的拔孔型陷阱为例，当陷阱与盆式绝缘子凸面距离大于100 cm时，拔孔型陷阱的有效捕获范围达32 cm，且不随距离增大而改变，此时，拔孔型陷阱捕获范围与附近无绝缘子的陷阱捕获范围一致。通过分析轴向电场分布，本文认为当拔孔型陷阱布置在绝缘子附近时，盆式绝缘子凸面与拔孔型陷阱对微粒运动的影响呈现“竞争关系”，当金属微粒靠近盆式绝缘子凸面时，微粒会朝着绝缘子方向运动，因此，盆式绝缘子凸面附近的拔孔型陷阱的有效捕获范围减小。综上所述，当拔孔型陷阱单独布置在盆式绝缘子凸面处时，其捕获能力被抑制。

图16 与绝缘子不同间距拔孔型陷阱的有效捕获范围

陷阱与盆式绝缘子凸面距离100 cm时的捕获范围如图17所示，图中拔孔型陷阱尺寸为直径60 cm、深度30 cm。当陷阱与盆式绝缘子凸面相距100 cm时，拔孔型陷阱捕获范围恢复至32 cm。由图16、图17可知，盆式绝缘子凸面对拔孔型陷阱的抑制范围有限，标准尺寸盆式绝缘子对拔孔型陷阱抑制范围最大距离为70 cm。该尺寸下，陷阱与盆式绝缘子凸面相距至少达100 cm才能保证拔孔型陷阱的正常捕获范围。但此时微粒陷阱无法抑制绝缘子附近金属微粒。当栅格型陷阱单独布置在绝缘子下方时，常有微粒停滞在陷阱外边缘处，并未真正被陷阱捕获，存在重新启举的风险，或微粒会远离栅格型陷阱。总之，在绝缘子凸面附近单独布置拔孔型陷阱或栅格型陷阱均无法有效保护绝缘子的绝缘稳定性。

图17 陷阱与盆式绝缘子凸面距离100 cm时的捕获范围

在实验中发现当金属微粒运动至栅格型陷阱附近时，常常会朝远离陷阱方向运动，与拔孔型陷阱效果相反。基于该现象，为实现微粒陷阱对绝缘子的全面保护，降低绝缘子与拔孔型陷阱“竞争关系”的影响，本文下一步将分析栅格型陷阱驱赶附近金属微粒原因，并制定绝缘子凸面处附近多微粒陷阱的协同布置方法。

当拔孔型陷阱布置在盆式绝缘子凹面处时，通过计算陷阱与盆式绝缘子凹面处之间的轴向电场分布可知，绝缘子凹面处不会抑制拔孔型陷阱的捕获能力，反而增大了陷阱的有效捕获范围。拔孔型陷阱布置在盆式绝缘子凹面时的有效捕获范围如图18所示，此时可有效捕获距离盆式绝缘子凹面1.2 m范围内的金属微粒。结果表明，当拔孔型陷阱单独布置在盆式绝缘子凹面处时能够有效保护绝缘子的绝缘稳定性，此时不需要与栅格型陷阱协同配合。

图18 单独布置在绝缘子凹面处的拔孔型陷阱有效捕获范围

3.2 盆式绝缘子凸面处栅格型与拔孔型陷阱的协同布置

栅格型陷阱是一种可以直接放置在外壳内表面的微粒陷阱[30]，通过仿真分析栅格型陷阱轴向电场分布。仿真模型的设计参考栅格型陷阱标准参数，其槽数为10、高度为4 mm、长度为10 cm。栅格型陷阱附近轴向电场对微粒的影响如图19所示，由于静电感应，金属微粒带负电，陷阱左侧金属微粒将受到水平向左的库仑力；同理，陷阱右侧金属微粒将受到水平向右的库仑力，与拔孔型陷阱两侧轴向电场方向相反。通过分析两陷阱轴向电场分布，明确两陷阱对微粒轴向运动的影响呈现“合作关系”，表明栅格型陷阱能够提高拔孔型陷阱的捕获范围。

图19 栅格型陷阱附近轴向电场对微粒的影响

由于布置在盆式绝缘子凸面处的拔孔型陷阱捕获效果被抑制，为判断栅格型陷阱在绝缘子附近能否提高拔孔型陷阱的捕获范围，将栅格型陷阱单独布置在绝缘子下方，分析陷阱附近轴向电场分布，如图20所示。结果表明，当栅格型陷阱单独布置在绝缘子下方时，在陷阱右侧一定范围内的轴向电场仍指向右侧，因此，栅格型陷阱依然可提高拔孔型陷阱的捕获范围。

图20 绝缘子附近栅格型陷阱轴向电场分布

综上所述，栅格型陷阱附近金属微粒朝远离陷阱方向运动，放置在拔孔型陷阱附近的栅格型陷阱能够提高拔孔型陷阱的有效捕获范围，因此，将栅格型与拔孔型陷阱协同布置在盆式绝缘子凸面处，可实现微粒陷阱对盆式绝缘子的有效保护。

栅格型与拔孔型陷阱协同布置原理如图21所示。栅格型陷阱能够有效抑制绝缘子正下方的金属微粒，而拔孔型陷阱能够主动抑制两陷阱之间区域的金属微粒。其中拔孔型陷阱深度为30 cm，栅格型陷阱高度为4 mm、槽宽为5 mm、长度待优化，同时，栅格型陷阱一侧需固定布置在绝缘子正下方。本文下一步将提出拔孔型陷阱与不同尺寸栅格型陷阱的最优布置方案。

图21 陷阱协同布置原理

盆式绝缘子凸面对微粒陷阱轴向电场的影响程度随陷阱与绝缘子距离的增大而减小，因此，拔孔型陷阱与不同尺寸的栅格型陷阱的最优间距有所不同。将两陷阱边界距离设为优化参量、拔孔型陷阱针对两陷阱之间区域的微粒的捕获率设为优化目标，其目标函数满足

式中，Dconvex、Lgrid、Ldistance分别为拔孔型陷阱直径、栅格型陷阱长度、栅格型陷阱与拔孔型陷阱边界距离；pcapture为绝缘子附近微粒陷阱组合的微粒捕获率，其计算原理与pcap相同。基于此优化思路，提出了拔孔型陷阱与不同尺寸栅格型陷阱的协同布置方法，如图22所示。

由于绝缘子对远处微粒陷阱的抑制效果较弱，拔孔型陷阱的有效捕获范围与栅格型陷阱长度在一定程度内呈正相关特性。根据仿真结果，本文以微粒陷阱组合对绝缘子保护能力最大化为依据，提出了不同尺寸拔孔型陷阱与栅格型陷阱的协同布置方案，其中采用直径为60 cm、深度为30 cm的拔孔型陷阱与栅格型陷阱协同配合能够实现对绝缘子的有效保护范围最大化。由图22可知，当栅格型陷阱长度达40 cm时，直径为60 cm的拔孔型陷阱有效捕获范围最大为65 cm。且各尺寸拔孔型陷阱的最大有效捕获范围随栅格型陷阱长度的增加均呈现饱和特性，表明由于栅格型陷阱能够增强拔孔型陷阱捕获范围，拔孔型陷阱有效捕获范围达到极值。由图22可知，针对不同尺寸的拔孔型陷阱，当栅格型陷阱至少长35 cm时，绝缘子无法抑制拔孔型陷阱的有效捕获范围。

因此，为实现栅格型陷阱对拔孔型陷阱的增益最大化，绝缘子下方栅格型陷阱的长度不能小于35 cm。本文提出的微粒陷阱协同布置方法实现了微粒陷阱对盆式绝缘子的全面保护，利用两种微粒陷阱附近的轴向电场实现了两陷阱的协同配合，从而提高了盆式绝缘子的绝缘水平。通过分析方法的机理可知，该协同布置方法也可用于保护三支柱绝缘子。因此该方法对于保护实际工程中的绝缘子具有指导意义。

4 结论

1）分析了交流电压下拔孔型陷阱对金属微粒的捕获机制。基于金属微粒受力分析，获得了拔孔型陷阱附近金属微粒的入陷过程及微粒的受力模值与方向。明确了拔孔型陷阱的主动捕获机制——拔孔型陷阱附近的轴向电场分布使金属微粒朝陷阱方向运动，同时也为后续建立拔孔型陷阱捕获金属微粒的计算模型提供了理论依据。

2）提出了一种针对拔孔型陷阱的通用型优化设计方法及特高压拔孔型陷阱的最优设计方案。通过建立拔孔型陷阱捕获范围的计算模型，获得了不同尺寸拔孔型陷阱的有效捕获范围。据此对拔孔型陷阱参数进行优化设计，结果表明直径为60 cm、深度为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中验证了仿真结果的有效性。

3）提出了栅格型与拔孔型陷阱在盆式绝缘子凸面处的协同布置方法。当拔孔型陷阱单独布置在盆式绝缘子凸面处时，其捕获能力被抑制，通过分析栅格型陷阱轴向电场分布，认为栅格型陷阱能够增强拔孔型陷阱的捕获能力。本文以两陷阱边界距离为优化参量、微粒捕获率为优化目标，提出了一种有效保护范围最远可达225 cm的陷阱协同布置方法。

4）本文提出的陷阱协同布置方法同样适用于保护三支柱绝缘子，因此，该方法为后续抑制特高压GIS/GIL中绝缘子附近运动金属微粒提供了一种可靠的技术手段。此外，仅靠微粒陷阱抑制措施存在抑制对象单一等问题，为避免金属微粒、粉尘及非金属杂质破坏GIS/GIL绝缘稳定性，未来将进一步研究微粒陷阱、电极覆膜、驱赶电极等多种抑制措施协同布置方法。

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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

国家电网有限公司科技项目资助（5500-202155109A-0-0-00）。

2022-09-01

2022-11-03

耿秋钰 男，1998年生，硕士研究生，研究方向为气体绝缘输电管道微粒运动、放电与抑制。E-mail：gengqiuyu19981123@163.com

李庆民 男，1968年生，教授，博士生导师，研究方向为高电压与绝缘技术、放电物理等。E-mail：lqmeee@ncepu.edu.cn（通信作者）

（编辑 李冰）