气体绝缘母线管道中粒子轨迹的随机运动

Swarnalatha。Nattava¹, J.Amaranath²

副教授，电子电气，斯瓦米·维韦卡南达理工学院，帕特尼中心，Sec-Bad,AP，印度。
教授，电子电气，JNT大学，海德拉巴，a.p.，印度。

摘要

本工作主要处理运动方程，并利用蒙特卡罗技术引入了沿轴向随机运动的概念。粒子在一个随机的方向移动，这是由于粒子的横截面不规则性。提出了一种基于粒子运动的气体绝缘母线管道中粒子运动轨迹的确定方法。为了比较三相母线管道中的运动，推导了相应的电场和电荷计算方程。并对其他参数组的结果进行了分析。本文还介绍了径向和轴向运动。

关键字

轴向运动，横移，运动，粒子运动，径向运动

介绍

GIS的各个模块都是工厂组装的，在压力为0.3 - 0.6Mpa的SF6气体下运行。这种变电站结构紧凑，可以方便地安装在多层建筑物的任何一层或地下变电站中。

A.这项研究的必要性

SF6极高的介电性能早已为人们所认识。压缩SF6在各种电压范围内作为绝缘介质和灭弧介质应用于电气设备中。由于设备的高可靠性，气体绝缘变电站(GIS)可以使用更长的时间，而无需定期检查。然而，导电污染(即铝、铜和银颗粒)会严重降低气体绝缘系统的介电强度。了解同轴电极系统中金属颗粒的动力学特性，对于确定气体绝缘变电站设计和运行中污染的影响具有重要意义。几个作者讨论了粒子获得的电荷、运动方程、弹跳和阻力等问题。本文还提出了一种基于粒子运动的方法来确定三相共用外壳中粒子的运动轨迹。铝、铜和银线被认为存在于外壳表面。利用粒子获得的电荷、粒子所在位置的宏观场、阻力系数、雷诺数和恢复系数对粒子的运动进行了模拟。用上述参数模拟粒子的运动。 In order to determine the movement of particle in a single phase GIB, an inner electrode radius of 55 mm and outer enclosure radius of 152 mm was considered. For the movement of the particle in a 3- Phase GIB, an outer enclosure of diameter 500 mm and inner conductors of diameters 64 mm spaced equilaterally are considered. The distance traveled by the particle, calculated using appropriate equations, is found to be in good agreement with the published work for a given set of parameters.

B.这些粒子的起源

GIS中的金属颗粒主要来自制造过程，也可能来自系统的活动部件，如断路器和断开器。它们也可能是由运输和使用过程中的机械振动或接缝的热收缩/膨胀引起的

金属颗粒可以在GIS中自由移动，也可以粘在通电电极或绝缘体表面(间隔片、衬套等)上。如果金属颗粒穿过间隙与内电极接触，或者金属颗粒粘附在内导体上，则该颗粒将在电极表面起突出作用，则GIS击穿所雷竞技网页版需的电压将大大降低。在GIS中，粘在绝缘体表面的金属颗粒也会导致击穿电压的显著降低。

了解同轴电极系统中金属粒子的动力学特性对提高气体绝缘系统的耐压能力具有重要意义。如果金属粒子的运动模式是已知的，那么粒子穿过同轴间隙引起闪络的概率就可以估计出来。

与电极接触的金属颗粒雷竞技网页版

a . 1相GIB的建模技术

在目前的工作中，颗粒在外壳表面，外壳接地。典型的压缩气体绝缘导管示意图如图1所示。当颗粒周围的电场增大时，停留在裸露电极上的未带电金属颗粒将逐渐获得净电荷。粒子上的电荷是局部电场和粒子的形状、方向和大小的函数。当静电力超过重力时，粒子就会抬起[1-5]。粒子的起飞场可估计为[6-8]。为了把一个质点从静止的位置提起来，作用在质点上的静电力应该与质点的重量相平衡。因此,

在水平线粒子上获得的电荷:

式中，l为线粒子长度。

起飞场由[9]给出

一旦粒子从水平位置上升到垂直位置，电荷就会显著增加。电荷的突然增加很可能将微粒从电极上提起。

置于均匀交流电场中的导电粒子在一定电压下升空。当电压升高时，粒子呈现弹跳状态，达到由施加电压决定的高度。随着电压的进一步增加，反弹高度和电晕电流增加，直到击穿发生。

本文还研究了金属颗粒在三相共罩气体绝缘管道中的运动。为了确定封闭系统的轴向运动，结合运动方程，采用蒙特卡罗方法。给出了一组给定参数下，用笛卡尔坐标计算粒子的运动距离。为了确定运动粒子的随机行为，采用矩形随机数在每个时间步进行轴向和径向运动的计算。本文研究了三相共罩GIB中粒子运动的计算机模拟。所报道的具体工作涉及粒子由于粒子尖端的宏观场而获得的电荷，场对粒子施加的力，气体粘度引起的阻力以及运动过程中的随机行为。考虑了固定几何形状的铝和铜在三相和单相管道中的线状颗粒，并对结果进行了比较。得到了较高电压等级的运动规律。采用蒙特卡罗技术测定了颗粒的轴向运动。假设在每一个时间步，粒子可以从垂直方向有10到40的最大运动。

B.三相GIB建模技术

图2和图3显示了一个典型的水平三相导管。外壳在高压下充满SF6气体。假设一个粒子在外壳表面处于静止状态，就在母线A下面，直到施加足够的电压来提升粒子并在电场中移动。在电场中获得适当的电荷后，粒子抬起并开始向电场方向移动，克服了由于自身重量和空气阻力造成的力。该模拟考虑了几个参数，例如粒子表面的宏观场，其重量，雷诺数，其对外壳和气体粘度影响的恢复系数。在返回飞行过程中，粒子上的新电荷是根据瞬时电场分配的。

C.理论研究

许多作者[1-4]已经提出了在孤立的管道系统中球体或线状金属颗粒运动的解决方案。粒子电荷和粒子上的静电力的理论在其他地方讨论过。运动方程由

式中，y为运动方向，Fd为阻力。阻力的方向总是与运动的方向相反。对于层流，颗粒半球形两端周围的阻力分量是由于激波和表面摩擦。关于三相导管中粒子运动的文献非常有限，但其运动方程被认为与孤立相导管的运动方程相同。

D.三相管道电场模拟

垂直线粒子和水平线粒子在接触裸外壳和涂覆外壳时所获得的电荷可以用Srivastava和Anis[2]表示。雷竞技网页版

三相共罩GIB电极体系在粒子位置处的电场可表示为

式中，E(t)为围合处粒子表面上三导体的场在垂直方向上的合成场。E1(t)， E2(t)， E3(t)为垂直方向电场分量。重力和阻力被认为是由几个作者所描述的。

运动方程由

方程7是一个非线性二阶微分方程。为求其解，一般采用迭代法。用龙格-库塔四阶方法求解上述方程。采用C语言进行仿真。

结果与讨论

研究地理信息系统中运动金属粒子的运动需要对粒子的电荷有很好的了解。在此仿真中，给出了运动粒子在单相隔离导体GIB和三相共罩导体GIB中的充电过程以及粒子的运动。

表1给出了施加100kV、145kV和245kV电压时铝、铜和银粒子的运动模拟结果。图4至图10显示了工频电压下铝、铜和银粒子的运动规律。

由表1可知，铝粒子在径向上的移动峰值高于铜和银粒子。这种行为是预期的，因为铜和银粒子比相同尺寸的铝粒子重。还观察到，对于给定粒子和给定电压条件。

表我

铝、铜、银颗粒的移动(mm)，适用于100KV、145KV、245KV，半径0.25mm，长度10mm

图11为施加400KV rms电压时铝颗粒径向运动情况。在它的运动过程中，它与外壳产生了几次冲击。模拟其上升过程中径向最大位移为65mm。随着施加电压的增加，最大径向运动也增加，如表2所示。然而，值得注意的是，即使达到100kv的电压，粒子也不能弥合间隙。进一步的计算可以揭示使粒子到达高压导体的极限电压。

用蒙特卡罗技术给出了径向运动与轴向运动的图形表示，如图12所示。在与上述参数相似的400kv条件下，测定了铜颗粒的运动，在径向上的最大运动为18mm，如图13所示。其他电压下的运动也会被计算。

铜颗粒的运动情况也如表二所示。注意到铜颗粒的运动远远小于相同尺寸的铝颗粒。由于铜颗粒的密度较高，这是预期的。采用蒙特卡罗技术计算了铝和铜颗粒在245kv、300kv和400kv三种电压下的轴向和径向运动，立体角为10。值得注意的是，对于所考虑的所有情况，即使应用蒙特卡罗方法，最大径向运动也没有变化。当随机角度为10时，轴向移动的值相对较高。正如预期的那样，铜颗粒的轴向运动小于铝颗粒

表二世

三相共罩中铝和铜颗粒的轴向和径向运动

结论

本文利用蒙特卡罗技术对粒子的随机运动进行了模拟和描述。本文介绍了其径向和轴向运动。可以观察到，在单相隔离导体GIB中，粒子在气隙中行进的距离比三相共封闭导体GIB大，这是由于单相GIB中产生的电场比三相GIB大。利用蒙特卡罗技术模拟了在任意角度下每个时间步的实际运动。可以观察到，对于较低的随机角，轴向距离比较高的随机角要小。由于母线槽长度为2米或3米，建议随机角度小于20的效果比随机角度大的效果更好。

致谢

作者感谢印度西肯德拉巴德的Vivikananda理工学院的管理人员。以及海德拉巴的JNT大学。美联社，印度的财政援助和允许发表这篇文章。

参考文献

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