表面金属异物引起盆式绝缘子局部放电的研究

为探究盆式绝缘子表面积聚的金属异物对其绝缘性能的影响,在正常盆式绝缘子表面沿电场方向附上细长的金属丝模拟缺陷,通过改变金属丝的长度、半径和位置,模拟不同程度或不同位置的金属颗粒积聚现象,同时进行试验和电场仿真分析。研究结果表明:绝缘子表面金属颗粒会使局部电场发生严重畸变,显著降低绝缘子表面击穿电压,最终造成绝缘子沿面放电和绝缘破坏;仿真和试验得到的结果很接近,在试验条件不充分的情况下可以通过仿真计算预测盆式绝缘子的绝缘状态;金属异物积聚越多或位置越靠近高压端导体,对绝缘子的危害越大。     

直流GIL盆式绝缘子的表面电荷分布

直流气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated metal-enclosed transmission line,GIL)盆式绝缘子的稳态电场按介质电导率分布,在长期直流电压作用下,绝缘子表面会积聚电荷,引起局部电场畸变,威胁设备的安全运行。因此有必要对直流盆式绝缘子表面电荷积聚现象进行研究,掌握准确的电荷测量技术、电荷反演计算方法和绝缘子表面电荷积聚特性,为提高盆式绝缘子的绝缘水平提供参考。文中研制了一套新型盆式绝缘子表面电荷测量装置,能够控制探头以等距垂直姿态对绝缘子曲面进行扫描式测量;采用同心圆环电极对静电容探头进行了标度,获得其空间响应函数,并基于矩阵的Cholesky分解法对绝缘子表面电荷分布进行了反演计算。实验研究了不同直流电压作用下,±200 kV直流盆式绝缘子表面电荷积聚和消散特性,并根据实验和仿真计算结果,提出了不同条件下适用的表面电荷分布模型。文中对深入认识直流盆式绝缘子的表面电荷积聚现象、完善电荷积聚机理具有重要意义。     

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。     

材料电导率对盆式绝缘子沿面电场与电荷分布的影响

在直流电压作用下,气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated transmission line,GIL)盆式绝缘子表面容易积聚电荷;切断电压后,绝缘子表面电荷消散较慢,母线常存有残压。残余电荷的存在会威胁设备的安全运行,因此抑制表面电荷积聚,改善绝缘子沿面电场分布,具有重要意义。为此建立了恒定电场下200 kV盆式绝缘子仿真模型,提出了绝缘材料表面电导率与体电导率的比值α,计算了不同α值下绝缘子沿面电场、电荷分布以及电荷消散时间常数,最后确定了α的合理取值范围。结果表明,α值在1～10[m]之间时,直流电场分布比较均匀,绝缘子表面电荷积聚较少;该范围内表面电荷消散时间常数为数百秒,沿面是电荷消散的主要途径。该研究结果对合理选择绝缘子表面电导率与体电导率比值、优化沿面电场分布、加快表面电荷消散等方面有一定的工程参考价值。     

高压直流盆式绝缘子气–固界面电荷行为研究综述

直流电压作用下盆式绝缘子表面的电荷积聚导致盆式绝缘子表面局部电场畸变,降低盆式绝缘子沿面耐电强度,诱发沿面闪络。因此,表面电荷积聚成为制约直流GIS和直流管道输电系统发展的重要因素。该文首先总结了近40年内围绕盆式绝缘子表面电荷行为的重要研究成果,并对电荷积聚模型中存在的问题进行评述。基于场效应理论对现有表面电荷积聚谱图及形成机制进行解释,结合盆式绝缘子气-固界面载流子迁移理论,对表面电势测量结果分散性较大的现象进行解释。最后,对直流盆式绝缘子气-固界面电荷行为的研究方向给出工作展望,并针对电荷抑制方法给出建议。     

直流电压下复合绝缘子表面电荷积聚的仿真研究

随着特高压电网的建设,复合绝缘子以其优异的性能已被大量采用,然而表面电荷积聚将导致其沿面闪络电压下降,影响电网运行的稳定性。为了研究表面电荷的积聚效应,建立了复合绝缘子二维轴对称模型,并使用COMSOL软件对该模型进行了研究。研究表明:伞群表面是电荷积聚的主要位置,当其积聚电荷的极性不同时,对原电场分布的影响也不同。分析认为,负极性电荷积聚为电子越过伞群向前发展创造了有利条件,缩短了爬电距离,这可能是导致复合绝缘子闪络电压下降的原因;又对表面电荷积聚情况进行了实验测量,结果表明表面电荷积聚将改变电子的积聚位置,确实可能缩短爬电距离。     

直流电场下盆式绝缘子体积电导率对其表面电荷积聚特性的影响

综合考虑直流GIL内部的传热及电荷积聚过程,研究建立了直流GIL电-热多物理场耦合模型.基于该模型,仿真计算了直流电应力和热应力耦合作用下,绝缘材料体积电导率对盆式绝缘子表面电荷积聚特性的影响规律.结果表明:将现有交流盆式绝缘子典型绝缘材料的体积电导率减小两个数量级,可以有效抑制绝缘子表面电荷积聚,但若过度减小绝缘材料的体积电导率反而会加剧盆式绝缘子的表面电荷积聚.     

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。     

GIS盆式绝缘子表面缺陷及其诊断方法研究综述

盆式绝缘子作为气体绝缘组合电器（GIS）最薄弱的绝缘环节,其表面缺陷是提高GIS设备绝缘强度研究中的关键问题。本文首先介绍了气泡缺陷、异物缺陷、表面脏污以及裂纹缺陷等盆式绝缘子常见表面缺陷的产生和发展机理;其次分析总结了盆式绝缘子表面缺陷诱发闪络的发生机制,明确了盆式绝缘子表面电场分布及表面电荷积聚是影响绝缘子沿面闪络...     

Corona power loss determination on multi-phase power transmission lines

This paper presents a method to calculate the corona power loss and the ground-level electric field values for three- and six-phase power transmission lines. The charge simulation technique is applied in which the surface charge on the stressed conductors as well as the space charge around each conductor are represented by two discrete sets of unknown infinite line charges. Satisfying properly chosen boundary conditions at the transmission-line conductor surfaces results in a system of linear algebraic equations whose solution evaluates the unknown line charges. The emission of ions from a conductor surface is assumed to take place when the magnitude of the charge simulating its surface charge exceeds an onset value based on a pre-defined corona onset field value for both positive and negative half cycles. The simulation space line charges are displaced back and forth to the conductor by the action of the electric field whose magnitude and direction depend on the simulation charges in the conductor and in the surrounding space. Recombination process takes place whenever charges of opposite polarities meet together. The calculated corona power loss for three-phase power transmission lines agreed satisfactorily with those reported earlier, and for the first time, the six-phase corona power loss will be presented.     

基于表面电荷法的输电线路表面电场强度计算

三相输电线路导线表面电荷的分布是不均匀的,各点电场强度的大小也不同.文中采用表面电荷法计算导线表面的电荷密度,然后求出导线表面各点的最大电场强度值.计算方法能够反映出电荷密度及电场强度沿导线圆周分布的情况,根据计算结果优化高压输电线路的布置.     

优化模拟电荷法计算特高压直流导线表面电场(英文)

The choice of the UHV lines depends on surface electric field of the bundle conductors.Based on existing calculation methods,the optimized charge simulation method is used to calculate the conductors’ surface electrical field of±800 kV UHVDC transmission lines in this paper.During calculation,the offset distance is set as the variance of the objective function,the position and the quantity of the simulation charges are optimized with the gold section method,and the surface electrical field is calculated when the charge is in the optimal position.The result shows that the distribution of the surface electrical field and its maximal value can be calculated accurately with this method,although less number of simulation charges is used in this proposed method and the calculation is simple.     

The influence of surface charge on lightning impulse breakdown ofspacers in SF6

We have investigated the influence of surface charges on the discharge development across particle contaminated spacer surfaces under SF₆ for lightning impulse (LI) voltages (1.2/50 μs). Surface charges may be generated by dc, ac or lightning impulse stress. The discharge characteristic shows a strong reduction of the insulation strength if the applied voltage and the surface charge have opposite polarities. The investigations were performed with a needle protrusion attached to the bottom electrode to give severe field distortion. The bottom electrode was biased positively. The influence on the discharge process is observed by measuring the surface charge distribution and predischarge currents. The results reveal changes in streamer onset voltage, streamer to leader transition, and leader development     

分裂导线表面场强的一种较准确计算方法

对于特高压输电线路的设计而言,分裂导线表面电场强度的计算是一个主要问题。基于模拟电荷法,提出了一种计算分裂导线表面电场强度的较准确方法。它采用自适应方法确定模拟电荷的位置,并给出了求取各相导线最大场强的计算公式,可直接计算任意导线表面和空间任意点的最大场强。该方法所用的模拟电荷数较少,计算简单,计算准确度较高。实例计算结果验证了该方法的正确性和准确性。     

高压直流绝缘材料表面电荷积聚研究进展

随着直流输电技术的发展,直流气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)因其具有占地面积小、可靠性高、维护少等优点已得到越来越多的关注。相比交流GIS,直流GIS盆式绝缘子存在严重的表面电荷积聚问题,导致其沿面闪络特性下降,制约着直流GIS的工程应用。目前关于高压直流下绝缘材料表面电荷积聚特性及抑制措施的研究已成为国际上的热点,本文对此进行系统性的综述,包括:表面电荷测试的常用技术和电荷反演算法,表面电荷的积聚途径及相应来源,表面电荷积聚的仿真模型,表面电荷积聚的影响因素及调控措施。最后,对表面电荷积聚下一步的研究工作给出了建议。     

基于模拟电荷法的绝缘子电场非接触式测量法

根据模拟电荷法的基本原理和绝缘子片的实际形状,采用环线形离散模拟电荷等效分布在绝缘子表面的束缚电荷,使模拟电荷产生的空间场的边界条件满足绝缘子的束缚电荷产生的空间场.测量绝缘子串附近一定距离范围内的几点(对于110 kV,可只测量3点)的电场强度,根据测量点的实际电场强度和采用模拟电荷法建立的等效模型,结合一定的搜索方法,可计算出绝缘子串的实际分布电压值.将绝缘子串的实际电压分布值与国家标准给定的电压分布值相比较,可判断出有无劣质绝缘子片及其位置,从而完成绝缘子的预防性检测,避免电力事故发生.与目前国内的电场测量法相比,这种方法采用程序计算来代替部分测量工作,可以带电检测,测量点少,操作方便,实现了一定距离的非接触式测量,避免测量装置直接与高压绝缘子接触,降低了操作的危险性.     

Phenomena and mechanism of electric charges on spacers in gas insulated switchgears

The phenomenon of accumulated charges on solid insulator surfaces is one of the critical parameters to consider at the insulation design stage, for AC electric power equipment as well as for DC equipment, so it is important to investigate the characteristics and predominant factors underlying various charging mechanisms. Several researches related to this theme have been reported, but independently, and cross-sectional comparison and evaluation from a unified viewpoint are meaningful. In this paper, the resistance of solid insulator is first discussed, showing that the resistances found by diverse measurements are in a fairly good agreement under similar conditions of the temperature and electric field. Next, three kinds of electric charging mechanisms, i.e. volume conduction, surface conduction and electric field emission are characterized in terms of the time constant, applied voltage and charge distribution. Then, eight cases of recent measurements on the charging time are investigated and their charging mechanisms are classified. Electric field emissions are likely to occur with model spacers made in routine GIS manufacturing process at the electric field level used. Further, three examples in cases with metallic particles are introduced, of simulating charge from edge on the tank, spacer surface charging phenomena, and influence of charge on spacer surface flashover. It is expected that this paper wilt be helpful for understanding charging phenomena e.g. on insulation spacers in gas insulated switchgears     

非接触式电场测量法中杆塔影响的分析

根据模拟电荷法(CSM)建立三相高压绝缘子与杆塔的等效模型,在每相绝缘子串附近一定距离设置几个测量点(110kV,每相3个点),根据杆塔塔架对测量点影响的大小简化杆塔结构。采用PMM8053_EHP50B型工频电磁场测量探头测量各测量点的电场强度,逆向应用CSM并结合遍历的搜索方法搜索计算各相绝缘子片的实际电位分布值。将其与绝缘子串正常电位分布值比较,可判断是否存在劣质绝缘子及其位置。该法的优点是可实现一定距离的非接触式测量,对110kV三相猫头型铁塔系统,测量最大距离可达2.5m。     

存在固定导电微粒时SF_6中绝缘界面在陡波下的闪络特性

研究了SF_6气体中绝缘子表面具有固定金属导电微粒时,在不同短波头冲击电压作用下的闪络特性,同时研究了电晕起始电压和SF_6气压对闪络电压的影响。研究表明,极不均匀场中SF_6绝缘固体介质表面在陡波作用下的闪络特性不同于气体间隙,其原因可能是位移电流的作用。