直流GIL覆膜式微粒陷阱入陷物理机制与优化设计方法

In DC GIL, the high-speed movement of charging metal particles under the unipolar non-uniform electric-field will cause the dynamic distortion of the electric field near the particle traps, complicate the trapping process of particles, and bring new challenges for particle capture and trap design. This project focuses on the dynamic entrapment process of particle for further research, which lays a foundation for the optimization design of the trap. Dynamic behavior of collision between particles and the trap surface, and the mechanism of charge interaction during the collision process of particles is also discussed. The enhancement of the dynamic trapping mode of the traps by the electrode coating material is studied, which reveals the charge inhibition mechanism of the high- dielectric-constant and corona-resistant nano-modified polyimide film, and realizes the multi-objective optimization of the physical structure of high induced and low-slip probability trap. Therefore, a new type trap with film covered is put forward and a coordinated control method of electric field control, charge characteristics and particle dynamics is established; Based on the virtual prototyping simulation method of traps which is tracked visually by particle motion trajectory, this research realizes the comprehensive optimization of trap mechanism and spatial layout, and then develops a trap experimental prototype. This research intends to solve the basic theory and key technical problems in the design of DC GIL particle traps, and has important academic significance and application value to improve the DC GIL operational reliability.

直流GIL中金属微粒在单极性非均匀电应力作用下的高速荷电运动，将引起微粒陷阱附近电场动态畸变，使得微粒入陷碰撞过程变得复杂，给微粒捕捉与陷阱设计带来新的挑战。本项目针对微粒的动态入陷过程开展研究，从而为陷阱优化设计奠定基础。研究微粒与陷阱表面发生荷电碰撞的动力学行为，探究微粒入陷碰撞过程中的电荷交互机制；研究覆膜材料对陷阱动态入陷模式的增强诱导作用，揭示高介电常数、耐电晕的纳米复合聚酰亚胺薄膜的荷电抑制机理，实现对高诱导入陷、低逃逸概率陷阱物理结构的多目标优化，从而提出新型覆膜式微粒陷阱，建立电场控制、荷电特性及微粒动力学的协同调控方法；研究基于微粒运动轨迹可视化追踪的陷阱虚拟样机仿真平台，实现陷阱机构与空间布局的综合优化，进而研制陷阱实验样机，并对其捕获效能开展评估。本研究拟解决直流GIL微粒陷阱设计中的基础理论和关键技术问题，对提高直流GIL运行可靠性具有重要的学术意义和应用价值。

直流气体绝缘输电线路(gas insulated transmission lines，GIL)因其容量大、占地面积小及环保等优点，在我国输电领域得到了广泛的关注和研究。然而自由金属微粒的存在极易引起设备的绝缘故障。目前，微粒陷阱和电极覆膜是GIL/GIS中微粒抑制的有效措施，但有别于传统的绝缘设计，微粒陷阱的设计更应考察对微粒的有效捕捉率；覆膜技术已明确基本机制，开发、制备具有强抑制作用、高耐久性的覆膜材料是未来的攻破点。. 针对综上所述问题，本项目所研究的主要工作如下：. 一、根据金属微粒的受力情况，建立了金属微粒的受力模型；利用弹性力学中的碰撞理论分析金属微粒与导体及外壳的非弹性随机碰撞，建立了同轴圆柱腔体内金属微粒的运动模型；利用该运动模型分析了金属微粒的运动行为特征，为后续研究微粒抑制措施提供了理论基础。. 二、基于金属微粒的入陷行为观测与理论分析，获得了金属微粒的碰撞入陷动力学特性；提出了楔形微粒陷阱结构，并建立了微粒碰撞反弹与微粒陷阱捕捉概率的仿真计算方法，实现了微粒陷阱结构参数的优化设计。. 三、通过溶液缩聚—热酰亚胺化法制备了高介电常数、耐电晕型聚酰亚胺薄膜；利用相关测试方法对新制薄膜结构与性能进行表征；构建了金属微粒荷电运动观测实验平台，通过该平台测试覆膜材料对金属微粒运动特性的抑制作用。. 四、利用气体电离及界面电荷积聚理论，提出了陷阱覆膜时金属微粒荷电模型；该模型解释了陷阱覆膜对微粒抑制的特性，提升了陷阱对金属微粒的抑制效果。. 五、基于运动轨迹全过程仿真，建立了参数灵活可调、人机交互便捷的覆膜式微粒陷阱仿真模型；基于蒙特卡洛思想，以楔形微粒陷阱槽口宽度和倾斜度为优化参数，覆膜式微粒陷阱捕捉概率为优化目标，场强设计基准值为边界条件，仿真计算不同参数楔形覆膜式微粒陷阱的捕捉概率。优选覆膜式微粒陷阱的最佳参数，实现了覆膜式微粒陷阱参数的定量优化；搭建了与仿真模型一致的实验平台，获得了不同结构参数多槽覆膜式微粒陷阱的捕捉概率实验值，验证了仿真计算的有效性。