基于电–热多物理场耦合模型的直流GIL绝缘子表面电荷积聚及其对沿面电场影响的研究

表面电荷积聚是制约直流气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal-enclosed transmission line,GIL)绝缘子闪络电压提高的主要因素。由于实际测量困难,国内外学者通过建立数学模型开展仿真计算获得绝缘子表面电荷积聚特性。然而现有研究均未考虑GIL中复杂的热传递过程,所建立的电荷积聚模型难以反映实际工程中直流GIL绝缘子电荷积聚情况。为解决上述问题,该文建立了直流GIL内部热交换方程,掌握了实际工况下GIL内部温度分布规律,考虑绝缘气体电流密度与电场强度间的非线性关系以及温度对绝缘材料电学特性的影响,建立了绝缘子电荷积聚电–热多物理场耦合模型。基于此模型,研究了不同运行电流下直流GIL绝缘子电荷积聚情况及电场畸变特性,研究结果表明:当处于小电流运行状态时,直流GIL绝缘子上表面最大切向电场为4.26k V/mm;处于大电流运行状态时,最大切向电场强度为5.01k V/mm,增大了17.6%。对于绝缘子下表面,随着运行电流增大,最大切向电场强度由4.55k V/mm增至5.36k V/mm,增长了17.8%。因此,在进行绝缘优化设计时,需重点考虑直流GIL导杆在最大允许温升下的沿面电场分布,该研究成果可为直流GIL绝缘优化设计提供参考。     

SF_6中绝缘子表面电荷积聚及其对直流GIL闪络特性的影响

随着中国特高压直流输电工程建设进程的逐渐加快,直流气体绝缘输电线路(GIL)的需求日益迫切,对GIL在特高压直流下一些关键问题的研究显得至关重要。因此针对直流电压下GIL中盆式绝缘子表面电荷积聚问题展开研究,建立了一套基于静电探头法的表面电荷测量系统,研究了在SF6气体环境中,不同电压幅值和电压极性反转情况下绝缘子表面电荷的积聚规律。同时,在特高压直流GIL试验单元上进行了直流闪络试验,研究了绝缘子表面电荷积聚对直流闪络特性的影响。研究结果表明:在0.5 MPa的SF6中,绝缘子表面主要积聚与所加直流电压极性相反的电荷,这种电荷分布将增大绝缘子表面与中心电极间的局部场强,并将进一步导致绝缘子闪络;GIL中盆式绝缘子的直流耐受电压仅为交流耐受电压的64%左右。该研究为GIL中盆式绝缘子在直流电压下闪络电压下降提供了一种可能的解释。     

温度和正极性电压对直流GIL盆式绝缘子表面电荷积聚的影响

直流GIL盆式绝缘子表面电荷积聚是导致绝缘子沿面闪络电压降低的主要因素。为此基于不同温度和正极性电压研究了直流GIL盆式绝缘子的表面电荷积聚特性。在绝缘气体电流密度与场强、绝缘子固体电导率与温度的非线性关系基础上,建立了绝缘子表面电荷积聚时变数学模型;通过该模型研究了不同温度下盆式绝缘子表面电荷积聚特性,以及绝缘子表面电荷积聚在不同正极性电压下的主导机制。研究结果表明:电压和温度是表面电荷积聚中气体电导和固体电导平衡的主要影响因素之一;1 kV直流电压作用时绝缘子气体侧电导占主导地位,而且表面电荷密度随温度升高而减小;400 kV直流电压作用时绝缘子固体侧电导占主导地位,而且表面电荷密度随温度升高而增大。另外研究了在400 kV电压下表面电荷积聚对绝缘子表面切向电场的影响,结果表明绝缘子上下表面的最大切向电场强度随着表面电荷积聚从初始到稳态的过程而逐步增加,而且温度越高,稳态时的最大切向电场强度越大。因此表面电荷积聚是使绝缘子沿面电场强度增大的主要因素之一,温度加剧了表面电荷积聚的程度,从而致使表面切向电场强度进一步增大。     

直流/交流电压下GIS绝缘子表面电荷分布特性

为了研究GIS绝缘子在交流电压和直流作用下的表面电荷分布特性,针对实际220 k V GIS盆式绝缘子研制了高分辨率的表面电荷三维测量装置,可以实现绝缘子表面电荷全径向、全圆周的扫描测量,通过实测获得了直流电压和交流电压作用下GIS绝缘子表面电荷的分布特性。研究结果表明:1)直流电压作用下绝缘子表面电荷积聚呈现明显的极性效应:正极性电压下绝缘子表面主要积聚正极性电荷,负极性电压作用下只积聚负极性电荷;无论绝缘子表面积累电荷的极性如何,其密度随着电压幅值的增大而逐渐增多,并且随电压作用时间的增加逐渐增长并趋于饱和。2)在交流电压作用下绝缘子也存在表面电荷积聚的现象,但电荷密度明显小于直流电压作用下的电荷密度;随着电压幅值的增加,电荷密度先升高再减小并趋于稳定。因此,由表面电荷引起的实际设备中的绝缘问题需引起足够重视,该文所得到的直流/交流电压下GIS绝缘子表面电荷分布特性,可为GIS/GIL设备绝缘子的设计优化提供参考。     

高压直流GIL中盆式绝缘子表面电荷积聚与消散的实验研究

研究直流电压下绝缘子表面电荷积聚及其抑制措施,是开发直流气体绝缘管道输电线路(GIL)的一项关键技术。因此建立了一套盆式绝缘子表面电荷测量系统,采用静电探头法,在空气中对施加了直流电压后的环氧树脂盆式绝缘子进行了表面电位的测量,研究了不同极性、不同幅值电压以及极性反转情况下表面电荷的积聚现象,并对表面电荷的消散进行了测量。实验结果表明:绝缘子表面电荷分布与所施电压极性密切相关;在0.5 MPa空气中,随着施加电压幅值(+40~+70 kV)增加,绝缘子表面电荷急剧增加(负电位最大处从-200 V增加到-3 000 V);在0.5 MPa空气中,先后施加+70 kV及-40 kV电压,绝缘子局部表面电荷激增现象明显(正电位最大处由500 V增大到超过2 500 V);在0.1 MPa空气中施加+40 kV电压,在0~300 min内,绝缘子表面电荷消散近似指数衰减过程,时间常数约为104 s数量级。     

直流GIL中盆式绝缘子表面电荷分布特性研究

绝缘材料的表面电荷是诱发沿面闪络的重要原因。为了研究气体绝缘输电线路(gasinsulatedmetal-enclosed transmissionline,GIL)中盆式绝缘子表面电荷的积聚特性,搭建了一套高气压下绝缘材料表面电荷实验与测量系统,实现了密闭腔体内绝缘子表面电位的全自动测量。所设计的同轴圆柱电极结构模拟了实际的GIL,用静电探头法测量了直流电压下0.5MPaSF6气体中缩比型盆式绝缘子表面电位分布。根据表面电位分布,应用高分辨率的电荷反演算法计算了绝缘子表面实际的电荷密度分布,算法中考虑了静电探头的影响。实验结果表明,表面电荷分布可分为两类不同的形态,第一类为沿中心电极对称分布的同极性电荷,第二类为条纹状分布的异极性电荷以及点状分布的单极性电荷。分析认为气体电导、绝缘子表面电导以及绝缘子体积电导分别对不同形态的电荷分布起主导作用。表面粗糙处理可以抑制第二类电荷积聚,无法抑制第一类电荷积聚,研究结果可为直流GIL的设计优化提供参考依据。     

表层非线性电导盆式绝缘子表面电荷分布与沿面放电特性

盆式绝缘子表面电荷积聚是影响直流气体绝缘输电管道(direct current gas insulated transmission line,DC-GIL)电场分布与沿面闪络的重要因素,因此探究绝缘子表面电荷积聚机理并提出调控方法,进而改善绝缘子沿面电场分布具有重要意义。该文搭建缩尺直流GIL绝缘子试验平台,研究不同Si C质量分数(23.1%、37.5%、47.4%)的非线性电导涂层对直流电压、金属微粒附着和极性反转工况下盆式绝缘子表面电荷分布与沿面闪络特性的影响规律。结果表明：环氧基Al₂O₃绝缘子的表面电荷极性取决于气固侧电流密度博弈结果,具有显著的场强依赖特性;非线性电导涂层可以自适应调控直流GIL绝缘子的表面电荷与沿面电场分布,显著提高不同工况下的沿面闪络电压。该文的研究结果为高可靠性直流GIL绝缘子的研发提供了一种潜在的解决方案。     

直流GIL中温度对绝缘子表面电荷积聚时变特性影响研究

柱式绝缘子表面电荷积聚是严重影响直流GIL绝缘水平的重要因素之一。本文在综合考虑GIL内部热交换、绝缘子材料电导特性和绝缘气体中正负离子微观机制的基础上,构建了直流GIL柱式绝缘子表面电荷积聚多物理场耦合时变数学模型,仿真分析了柱式绝缘子的温度分布、空间电荷密度分布和表面电荷密度分布。结果表明:在800 kV直流电压作用下,柱式绝缘子温度由极不均匀分布向均匀分布发展,使得绝缘子电导率不断变化;柱式绝缘子内部主要积聚正电荷,随着温度朝着均匀化发展和时间的延长,绝缘子内部空间电荷密度越来越大,并且柱式绝缘子内部最大空间电荷密度位置由初始状态的中心导体附近变为接地电极附近;温度对表面电荷积聚的影响较大,随着温度朝着均匀分布发展,绝缘子表面电荷密度零点不断右移,表面电荷密度峰值越来越大,切向电场强度也越来越大。     

直流气体绝缘金属封闭输电线路中绝缘子的表面电荷积聚研究

直流气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated transmission line,GIL)在特殊环境下可替代部分架空输电线路或电缆,从而提高输电走廊选择的灵活性。严重影响直流GIL绝缘水平的关键因素之一是沿支撑绝缘子表面的电荷积聚现象。通过建立一个板板电极系统来模拟GIL中同轴圆柱结构的电场分布,研究直流下GIL中绝缘子电荷积聚的机制,绝缘子的形状、SF6的电导率对表面电荷积聚的影响,以及电荷积聚对绝缘子沿面电场分布的影响。结果表明,聚四氟乙烯绝缘子的表面电导率比体积电导率受电场的影响更大;初始时沿面法向场强小的绝缘子的电荷积聚能得到明显抑制;SF6的电导率与绝缘子表面电导率的比值影响积聚电荷的极性。     

界面电荷注入与积聚行为对直流GIS/GIL绝缘子沿面电场的影响分析

气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)和气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metalenclosed transmission line,GIL)运行电流大,设备内部存在明显的温度梯度分布,造成高压电极附近电荷的注入与迁移加剧,导致绝缘子内空间及表面电荷的积聚,畸变电场,容易诱发沿面闪络故障。为此文中建立了电—热耦合应力下直流盆式绝缘子内的电荷注入与积聚模型,研究了考虑电荷注入和迁移特性的绝缘子空间电荷及表面电荷积聚情况,并分析了不同负载电流下绝缘子沿面电场分布规律。研究结果表明:温度梯度下,导体—绝缘界面电荷注入会造成绝缘子内部同极性空间电荷的积聚,并且空间电荷积聚密度会随着负载电流的增大而增大;空间电荷的积聚会减弱高压电极附近电场强度,增强绝缘子凸侧表面法向电场强度,加剧表面电荷的积聚;空间及表面电荷的积聚会使绝缘子表面电势上升,导致接地电极附近电势差增大,电场强度显著增大,地电极三结合点处的场强由空载条件下的1.71 kV/mm增长为额定电流作用下的3.47 kV/mm,增加了103%。该研究结果有助于理解温度梯度下直流绝缘子表面电场畸变机理,并对直流绝缘子的优化设计和安全运行有一定的参考价值。     

特高压直流GIL盆式绝缘子表面电荷分布特性仿真研究

为了满足大容量长距离输电的要求,近年来,中国加快特高压直流输电工程的建设,对气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated metal-enclosed transmission lines,GIL)的需求日益迫切。限制直流GIL实际投运的关键壁垒之一是绝缘子表面积聚的电荷会增加沿面闪络电压降低的概率,故研究特高压直流GIL盆式绝缘子表面电荷分布特性存在必要性。因此,基于SF_6气体中正负离子的输运方程,利用COMSOL Multiphysics建立了真型特高压直流GIL盆式绝缘子表面电荷积聚模型,分别研究了电压幅值和电压极性对绝缘子表面电荷分布特性的影响规律以及气固界面电荷对GIL试验单元空间电场分布的影响规律。从仿真结果可知,正负电荷在盆式绝缘子内外侧均有分布,但分布特性存在一定的差异,外施电压为-800 kV时,最大正负电荷密度分别出现在绝缘子的外表面和内表面,数值分别为+19.64μC·m~(-2)和-22.93μC·m~(-2);表面电荷的积聚程度和高场强区域面积均与电压幅值呈正相关;仿真结果还表明绝缘子沿面耐受电压具有极性效应,即负极性直流耐受电压较低。     

直流电压下聚合物表面电荷测量方法及积聚特性

固体绝缘介质表面电荷积聚现象是研发高压直流气体绝缘装置的重要考虑因素,这些积聚的表面电荷会导致绝缘介质局部电场畸变,大大降低装置的绝缘水平。因此,研究直流电压下聚合物表面电荷积聚现象具有重要意义,如何实现对绝缘子表面电荷分布进行准确的测量,成为该领域一个重要的课题。针对这一问题,采用静电探头法测量缩比气体绝缘输电线路(gas-insulated line,GIL)中圆锥绝缘子的表面电位,研究针对这种"平移改变"系统的表面电荷的反演计算方法。研究采用数值模拟的方法获得了从电荷到电位的传递函数矩阵,应用了基于维纳滤波的数字图像处理技术,对传递函数矩阵的病态特性进行了改善,大大降低了系统噪声,提高了反演计算的稳定性。研究分析了测量结果的空间分辨率和计算精度,发现该系统的空间分辨率可以达到1.8mm。采用该算法,分别研究了空气和SF6中直流电压下绝缘子表面电荷的积聚情况,发现绝缘子表面电荷呈均匀分布的"基本模式"和随机分布的"电荷斑"两种模式。"基本模式"的极性与所加电压极性相同,表明固体侧体电流是电荷积聚的主要来源。     

非线性电导涂层对直流GIL绝缘子空间/表面电荷和沿面电场的调控研究

空间/表面电荷积聚是导致直流GIL绝缘子沿面闪络电压降低的潜在原因,涂敷非线性电导涂层是提升沿面绝缘性能的有效方法。本文建立了电场依赖性非线性电导涂层对绝缘子空间/表面电荷及沿面电场调控的数学模型,综合考虑了绝缘气体电流密度以及绝缘子固体电导率与电场强度的非线性关系,通过该模型研究了温度梯度分布下绝缘子内部电荷的分布规律,以及非线性电导涂层对绝缘子表面电荷积聚的影响机制。结果表明：非线性电导涂层对空间电荷消散有明显的促进作用,高压电极附近的同极性电荷主导了表面电荷分布;由于表面电荷分布和切向电场的改善,绝缘子的沿面闪络性能得到提高;在绝缘子与涂层界面之间会积聚正电荷,并从高压电极向地电极逐步递减。     

操作冲击电压下GIS绝缘子表面电荷的积聚特性

在气体绝缘变电站(gas insulated substation,GIS)的实际运行工况中,开关操作会使GIS设备承受操作冲击过电压,导致盆式绝缘子表面积聚表面电荷,表面电荷的存在不仅会使得局部电场发生畸变,更为沿面放电的发展提供了电荷,是造成绝缘子沿面闪络的重要因素。该文以实际的252k V GIS盆式绝缘子为试验模型,建立了表面电荷测量试验平台,采用静电探头法测量了SF6气体密闭环境下盆式绝缘子的表面电荷,获得了操作冲击电压作用下盆式绝缘子表面电荷积聚特性及其外施电压作用次数和电压幅值对其的影响。研究结果表明:无论在正极性或负极性操作冲击电压下,绝缘子表面均同时积聚正负极性电荷,但是负极性电荷相比于正电荷积聚量更大,且正极性电压下此现象更为明显;正极性操作冲击电压下,随着电压幅值的增加,绝缘子表面电荷平均积聚量明显增加,最高电荷幅值为-0.52μC/m~2,而负极性电压下,电荷平均积聚量表现出先增大后减小的趋势,其电荷平均密度最大为-0.16μC/m~2;表面电荷积聚量随着外施电压次数的增加逐渐增大,正极电压下表面电荷积聚量的增幅明显,而负极性电压下表面电荷增幅较小,但分布较均匀。该文研究所得到的操作冲击电压下GIS表明电荷积聚特性,进一步强调了由表面电荷引起的实际工况下设备绝缘问题的重要性,可为GIS设备绝缘子的优化设计提供参考。     

直流电压下盆式绝缘子电荷积聚与电场过渡特性

直流电压作用时,气–固绝缘系统电场由容性分布逐渐向阻性分布过渡,该过程伴随着电荷的积聚与消散,可能会引起闪络电压降低,但其变化规律仍不够明确。综合考虑了固体侧体电荷电导、气体侧正负离子电导以及界面电荷电导,建立了气–固绝缘系统电荷积聚模型,通过支柱绝缘子模型表面电位分布的测量与仿真,实现了电荷积聚模型的验证。利用该模型计算分析了直流电压下盆式绝缘子在电场过渡过程中的电荷积聚规律,研究了体积电导率对电荷积聚的影响规律。结果表明:电场过渡过程中,盆体凸面主要积聚同极性电荷,其高压侧附近场强降低约9.4%,低压侧附近场强增大约23.5%;盆体凹面大部分区域主要积聚异极性电荷,场强增大约5.5%;当体积电导率在10~(-14)～10~(-17) S/m之间时,盆体凸面积聚同极性电荷,盆体凹面主要积聚异极性电荷,随着体积电导率进一步降低,盆体表面电荷积聚机制逐渐转为由气体侧电导主导,电场畸变进一步加剧。该研究可为直流盆式绝缘子的绝缘设计提供计算分析依据。     

面向工程化的高压直流GIL绝缘子表面电荷主动消散与检测方法探讨北大核心CSCD

绝缘子表面电荷积聚是高压直流GIS/GIL需要重点关注的绝缘问题,近年来关于绝缘子表面电荷积聚机理、消散、检测等方面的研究工作取得了很大进步。论文对面向工程化的直流GIL绝缘子表面电荷主动消散和检测方法进行探讨;提出表面电荷本征积聚和外诱积聚的概念,为直流GIL在设计、运行、维护阶段减少电荷积累铺平了道路;对基于X射线辐照的绝缘子表面电荷GIS/GIL罐体外的主动消散方法进行讨论,提出基于嵌入式静电传感器的绝缘子表面电荷积聚严重程度的评估方法,为直流GIL工程化提供理论和技术支撑。     

直流下SF6中绝缘子的闪络特性

直流气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)在特殊环境下可替代部分架空输电线路或电缆,提高输电走廊选择的灵活性。严重影响GIL绝缘水平的关键因素之一是直流下沿支撑绝缘子表面的电荷积聚。为了研究该问题,建立了一个锥板电极系统来模拟GIL中同轴圆柱结构的电场分布,通过试验研究了直流下SF6中绝缘子的材料和形状对其闪络特性的影响,并利用有限元分析软件对不同形状的绝缘子进行了电场计算。结果表明,直流GIL中绝缘子的表面电导率和充电时间常数均对其表面电荷积聚和沿面闪络有重要影响。同时还提出了基于锥板电极的直流GIL的绝缘子表面电导率选取原则和外形结构优化注意事项。     

直流预电压对绝缘子外绝缘特性影响的研究

在直流预电压作用下 ,采用叠加操作电压对合成绝缘子、瓷绝缘子、支柱绝缘子外绝缘特性的变化进行了比较 ,发现由直流电晕引起的表面电荷影响绝缘子表面电场分布 ,从而影响其绝缘性能。在正极性操作电压作用下 ,正流注预电晕可降低外绝缘性能 ,负流注电晕可提高外绝缘性能     

交/直流电压下气体绝缘变电站盆式绝缘子表面电荷对闪络电压的影响

在气体绝缘变电站(GIS)中,盆式绝缘子表面电荷的存在会使局部电场发生畸变,严重时还会降低沿面闪络电压。为此,研制了一种用于实际252 k V GIS盆式绝缘子表面电荷的3维测量装置,可以对盆式绝缘子表面电荷进行全径向、全角度测量。参考实际盆式绝缘子的绝缘设计裕度及其沿面闪络特性,设计了闪络试验模型,分别针对直流、交流电压作用下绝缘子表面电荷对沿面闪络电压的影响开展了研究。结果表明:在交流电压和直流电压作用下,随着表面电荷积累量的增加,绝缘子沿面闪络电压有所减小;相比于交流电压50 k V作用1 h工况下,在53 k V交流电压作用3 h工况下,盆式绝缘子的沿面闪络电压降低了10.2%,而直流电压下,绝缘子的沿面闪络电压最大可降低23.0%,这说明了绝缘子表面电荷的存在对其沿面闪络电压具有明显的影响,在绝缘设计时需予以重视。研究结果可为GIS及气体绝缘输电线路(GIL)绝缘子的绝缘设计提供参考。     

基于X射线短时照射的高压直流GIS/GIL绝缘子表面电荷主动消散方法

直流气体绝缘开关装置及气体绝缘输电管道(GIS/GIL)绝缘子长期运行过程中会积聚大量表面电荷,易引起绝缘子异常闪络。近年来国内外学者开展了大量卓有成效的工作,深刻揭示了绝缘子表面电荷的积聚和消散机理,但GIS/GIL不打开罐体条件下,绝缘子表面电荷的快速消散问题一直没有解决。该文首次提出基于X射线短时照射的绝缘子表面电荷主动消散新方法,试验研究发现X射线照射30s即能使空气中绝缘子表面电荷几乎完全消散。对基于X射线照射的绝缘子表面电荷消散机理进行了探讨,认为X射线可能通过促进气体侧电荷沿传导及绝缘子表面电荷脱陷而实现其快速消散。由于X射线能够穿透GIS/GIL金属罐体,相关实验结果为GIS/GIL不打开罐体条件下实现绝缘子表面电荷快速消散提供了可能途径,对进一步推进直流GIS/GIL工程化具有重要意义。