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。     

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。     

基于表面电位测量的表面电荷反演计算

目前无法直接测量得到表面电荷分布,而必须根据测量结果进行复杂的表面电荷反演计算。为此,对表面电荷反演计算方法进行了研究。基于绝缘子表面电位测量,对日本学者Ootera等人提出的表面电荷反演计算方法进行了改进,将原先的对关联矩阵2次求逆简化为1次求逆。使用改进后算法,以直流电压下空气和SF6气体中盆式绝缘子表面电位的测量结果为算例,计算得到的自由电荷面密度空间分布与改进前算法的结果一致。与改进前算法相比,改进后算法进一步得到了绝缘子表面视在电荷与极化电荷的面密度分布,并发现同一气体环境下自由电荷与视在电荷面密度峰值有明显差异,空气中相差370pC/cm2,SF6气体中相差530pC/cm2。     

GIS中绝缘子表面电荷积聚的观测与分析

在高电压绝缘研究领域,绝缘子表面电荷的测量属于静电测量的范畴,不能用常规的仪器仪表进行测量,特别是在真空或SF6气体等特殊环境中。为了能准确地反映绝缘子表面的带电情况,采用反馈式静电计及其相应的静电探头,对积聚在绝缘子表面的电荷进行了研究,发现电荷量随着施加电压幅值的不同而不同。利用有限元分析软件对相同结构的绝缘子进行了电场计算,与测量结果对比分析表明,绝缘子表面的法向场强分量是气-固交界面处引起表面电荷积聚的根本原因。     

圆台形绝缘子的表面电荷密度反演算法

直流气体绝缘输电线路(GIL)中盆式绝缘子的表面电荷是诱发沿面闪络的重要原因,如何准确地测量和计算表面电荷分布仍然是一个重要的研究课题。基于多点测量技术,研究了绝缘子表面电荷密度和电场分布的反演计算方法,评估了测量系统的空间分辨率,并在计算中考虑了静电探头的影响。采用信噪比(SNR)和峰值均方根误差(PMSE)估计了该反演方法的准确度。在0.1 MPa SF6气体中,采用静电探头法测量了直流电压下金属微粒附着的缩比盆式绝缘子的表面电位分布,并计算得到了绝缘子表面电荷密度分布。结果表明,电荷密度分布图中可以清晰地发现金属微粒的位置,算法的空间分辨率和电荷分辨率分别为2.0mm和0.95p C/(mm~2·mV)。电荷密度分布和电位分布存在较大差异,电位分布不能用来代替实际的电荷密度分布。该算法可应用于旋转对称结构绝缘材料的表面电荷密度计算,可为直流GIL绝缘子表面电荷分布特性研究提供理论指导。     

直流电压下气固交界面表面电荷积聚现象的实验分析

为了研究直流电压下气体绝缘设备中气固交界面的表面电荷积聚现象,采用电容探头法对施加了直流电压后的盆式绝缘子进行了表面电位的测量,并通过数值计算得到了不同电压幅值和电压极性下的表面电荷分布.实验结果表明,整个系统中的最大场强未达到空气的起始放电场强时,绝缘子表面没有明显的电荷积聚.而当最大场强超过空气的起始放电场强时,电...     

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GIS盆式绝缘子表面电荷及电场分布特性仿真研究

GIS中盆式绝缘子表面在外施直流电压时会积聚大量电荷使得沿面闪络电压大幅降低,从而引发一系列电气设备故障。基于上述问题,文中分析了盆式绝缘子表面电荷的来源与传导途径,采用有限元仿真计算方法构建了二维轴对称仿真模型以及设定相关参数,研究了电压极性、不同电压幅值以及电压极性反转对盆式绝缘子表面电荷分布的影响。结果表明,在直流电压下,凹面主要积聚与外施直流电压极性相反的电荷,凸面主要积聚与直流电压极性相同的电荷,且凹面积聚的电荷密度更大;在极性反转后-100 kV直流电压下,盆式绝缘子表面原先积聚的电荷密度呈现先增大后逐渐减小的趋势,随后转换极性并达到饱和,电场在靠近高压端以及盆式绝缘子沿面0～20 mm处的畸变程度较为明显。电场在盆式绝缘子表面电荷极性发生变化前出现峰值,相比较电荷达到饱和状态,此时盆式绝缘子凹面最大场强增加46%,凸面最大场强增加5.4%。该研究可为直流电压下盆式绝缘子表面电荷分布特性提供指导。     

表面电荷对SF6中绝缘子沿面放电的影响

通过直流电晕放电将正、负极性电荷附到绝缘子表面 ,然后将电压从直流快速切换成雷电波或陡波 ,研究 SF6气体中绝缘子沿面闪络特性。实验结果表明 ,绝缘子表面电荷极性对冲击电压下的闪络电压有极大的影响     

直流电压下盆式绝缘子表面电荷积聚效应的仿真

为了研究直流电压下盆式绝缘子表面电荷的积聚效应,建立了GIL线路中所应用的盆式绝缘子的仿真模型,采用有限元分析法,应用Maxwell 2D软件进行仿真分析:分析了处于直流高压作用下的盆式绝缘子在表面不同位置产生不同性质、不同量的电荷时电场发生的改变。从仿真结果可知,盆式绝缘子内表面不同位置积聚电荷时,对原电场的影响不同;积聚电荷的极性不同时,对原电场的影响也不同,且电荷积聚到一定程度时,可能导致绝缘性能的下降。通过在仿真中逐渐减小所加电荷量的方法,可以找到不影响原电场分布的电荷极限值。     

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.     

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。     

伽玛线辐射对环氧树脂表面电荷消散特性的影响

应用在核电站、宇宙航天器等辐射环境中的环氧树脂绝缘材料因表面电荷积聚而易于引发沿面放电事故,研究高能辐射对材料表面电荷动态特性的影响对保障电气设备的绝缘安全具有重要意义。为此,选取厚1.5mm的环氧树脂薄板为试样,采用60 Co伽玛射线源以10kGy/h的辐射率辐射试样,总辐射量为100和1 000kGy。通过直流电晕向试样表面注入电荷,采用静电电位计测量不同时刻的表面电荷分布,分析伽玛线辐射对电荷消散特性的影响。结果表明:表面电荷呈双指数规律消散;随着总辐射量从0增大至1 000kGy,表面电荷的消散速度加快。伽玛线辐射引发的化学反应使试样表层的羰基和羟基数量增加,表面陷阱能级变浅,因而提高了电荷的消散速度。     

500 kV直流GIL支撑绝缘子的电场优化

随着电网建设的日益深入,直流气体绝缘金属封闭输电管道(GIL)由于可用在高电压、大容量的场合,用作经济的长距离输电线路而被提上研究日程。直流GIL支撑绝缘子的沿面闪络很大程度上是由表面电荷积聚引起的。直流下GIL的内部稳态电场分布主要受环氧树脂固体绝缘的电导率和形状控制。以500 kV直流GIL为计算模型,借助COMSOL软件,研究了GIL中支撑绝缘子的形状、体积电导率和表面电导率对电场分布的影响。研究认为,半圆锥式绝缘子的电场分布是最优化的,绝缘子的体积电导率对其电场分布影响不大,通过控制绝缘子表面电导率,可以控制和优化直流GIL中绝缘子沿面电场分布。     

真空中绝缘子闪络前表面带电现象的仿真研究

真空中绝缘子发生沿面闪络之前存在绝缘子表面的带电现象,该现象对闪络的发展具有重要影响,到目前为止对该现象进行实时测量还存在很大的难度。基于二次电子发射雪崩(secondary electron emission avalanche,SEEA)模型,利用Monte Carlo法研究了真空中圆柱型和圆台型绝缘子在闪络前表面电荷密度的二维分布。仿真中采用了氧化铝陶瓷、聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰亚胺(PI)以及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等不同绝缘材料。考察了绝缘材料、施加电压以及圆锥绝缘子不同锥角对表面电荷密度和分布的影响。仿真结果表明,在靠近阴极处的绝缘子表面存在小区域的负电荷区,而后变为较大区域的正电荷区;二次电子发射系数较小的绝缘子表面的正电荷密度较小;随外施电压升高,负电荷的密度及区域减小,而正电荷的密度及区域增大,且正电荷区域的峰值向靠近阴极方向移动;圆台绝缘子的锥角为负时其表面正电荷密度大于锥角为正时的情况,当锥角在-22.5°~-30°之间时表面正电荷密度达到最大,而此时对应的闪络电压最低。仿真结果与实验结果有较好的对应关系。     

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。     

Faraday cage profiles giving self-similar charge drift andconduction in insulator samples

The well-known Faraday cage method for measuring drift and conduction of charges on the surface and inside insulators, consists of enclosing the charged specimen in an insulated metal cage, and measuring the current induced to the cage as the charge leaks away from the specimen into its grounded supports. However, for Faraday cages shaped for workshop convenience, it has proven very difficult to analyze the measured current decay curves to get the desired information about drift and conduction mechanisms. The present work employs a different strategy, namely to find Faraday cage shapes that lead to self-similar charge decay and simple, analytical formulas for the current decay in terms of charge mobility and conduction. For plane film specimens these shapes are hyperboloids, with a 90° corner as simple and very practical limit. In the axially symmetric cylindrical case, the sample is a straight cylinder, the cage profile follows a formula derived in the present work, and end effects are avoided     

Influence of surface roughness on the charging of insulating spacers in vacuum

This paper describes the charging phenomena of cylindrical insulators made of PMMA, PTFE, or Al₂O₃ under ramped and stepped dc voltage. It is primarily concerned with the influence of surface roughness on the formation of charging for various insulating spacers. By using an electrostatic probe located on the cathode, we conducted real‐time observations of the electric field induced by the surface charge. It was found that the surface roughness positively affects the charging, which becomes more pronounced in insulators polished to a higher degree. Furthermore, polished insulators are characterized by a shorter time lag. These results show the importance of surface treatment for insulating spacers in vacuum. © 2001 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 135(3): 16–25, 2001     

多层油纸绝缘介质不同局放阶段的陷阱参数演变规律

陷阱是影响绝缘介质中电荷输运特性的重要因素,研究不同局放阶段绝缘介质陷阱参数演变规律对深入研究放电机理具有重要意义。为此,考虑车载变压器的匝间绝缘结构特点,设计了3层油纸绝缘缺陷模型,进行局部放电试验,选取起始到击穿不同放电阶段的试样,采用等温表面电位衰减方法研究不同放电阶段3层绝缘纸试样的表面电荷衰减特性,据此计算相应阶段试样表面电荷的陷阱分布规律,探究陷阱分布对局部放电的影响。研究结果表明:Nomex纸以深陷阱为主,随着放电的发展,第1层绝缘纸陷阱能级增加,第2、3层绝缘纸陷阱能级下降;陷阱能级和陷阱密度降低导致绝缘纸中自由电荷变化率增加,自由电荷数量增多,放电的剧烈程度增加;电荷的传输特性是局部放电过程中不同层绝缘纸陷阱参数演变规律不同的重要原因。