华北电力大学耿秋钰、胡智莹 等：特高压交流GIS/GIL拔孔型陷阱优化设计与协同布置方法

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华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室研究人员耿秋钰、李庆民等，在《电工技术学报》上撰写了题目为《特高压交流GIS/GIL拔孔型陷阱优化设计与协同布置方法研究》的学术论文。该文针对特高压GIS拔孔型陷阱的捕获机理与优化设计开展研究，由于拔孔型陷阱具有主动捕获金属微粒的能力，本文基于电场仿真分析与微粒捕获效果，提出了金属微粒有效捕获范围作为拔孔型陷阱的有效性评估依据，最终提出了拔孔型陷阱与栅格陷阱在绝缘子凸侧的协同配置方案，进一步优化对GIS关键部件的绝缘保护。

研究背景

气体绝缘开关/气体绝缘输电线路（GIS/GIL）设备在特高压输电及跨江跨河大规模远距离电能输送领域发挥了重要作用，但金属颗粒与粉尘污染引发的绝缘故障是影响 GIS/GIL 安全可靠运行的关键因素。

对于传统微粒抑制手段的相关研究较多，但当前工程应用的微粒陷阱主要表现为“被动捕获”，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，而拔孔型陷阱具有主动抑制微粒的能力，但目前针对拔孔型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，为进一步提升微粒陷阱对GIS的保护效果，亟需对上述问题开展相应研究。

论文所解决的问题及意义

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。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。

论文方法及创新点

本文首先基于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，针对苏通工程中交流1000kV的GIL，当陷阱直径为60cm、深度为30cm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32cm。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。

结论

本文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60cm，深度30cm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；同时，还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。

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。但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。

团队介绍

华北电力大学电气与电子工程学院李庆民教授，任高电压与电磁兼容北京市重点实验室主任，担任国家重点研发计划项目负责人（首席）。科研团队依托华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室、高电压与电磁兼容北京市重点实验室，现有专职教师4人，其中教授1人，副教授2人，讲师1人，博士研究生9人，研究生80余人。

长期从事高电压与绝缘技术领域的科学研究工作，重点涉及交直流管道输电技术、交通自洽能源系统多能变换装备、柔性输电装备与高频绝缘、绝缘监测与故障诊断等方面，先后主持国家自然科学基金18项（其中重大和重点4项），国家重大专项课题1项，973计划和863计划子课题4项，以及各类科研课题70余项，获省部级科技奖励6项。发表论文400余篇（SCI收录100余篇），著作6部，授权发明专利40余项，制定标准3项。

本工作成果发表在2023年第23期《电工技术学报》，论文标题为“特高压交流GIS/GIL拔孔型陷阱优化设计与协同布置方法”。本课题得到国家电网有限公司科技项目的支持。

引用本文

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[J]. 电工技术学报, 2023, 38(23): 6539-6552. Geng Qiuyu, Hu Zhiying, Li Qingmin, Zhuang Tianxin, Liu Yan. Optimal Design and Synergism Arrangement Methodology of Convex-Shaped Traps for Ultra High Voltage AC GIS/GIL Applications. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(23): 6539-6552.

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