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。     

表面电荷积聚对绝缘子沿面闪络影响的研究

通过对典型绝缘子表面电荷分布特点的分析，研究了表面电荷与放电起始间的关系。研究表明在表面电荷作用下绝缘子沿面闪络起始电压会发生变化。对110kV三相共箱式GIS绝缘子的闪络实验表明，表面电荷可使绝缘子沿面闪络电压下降23．4％。对位移电流作用下的绝缘子沿面闪络先导发展模型进行改进，补充了表面电荷对该模型的影响。指出表面电荷产生的附加电场会影响流注电晕内部正负电荷的分离速度及放电的进一步发展。     

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。     

温度对直流GIL绝缘子电荷积聚特性的影响

研究直流电压下绝缘子表面电荷积聚问题对于推进直流气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal-enclosed transmission line,GIL)的发展至关重要。现有试验研究中均未考虑温度对电荷积聚的影响,难以获得用于实际工程中的直流GIL绝缘子电荷积聚情况。而仿真计算仅从理论上分析了温度对电荷积聚的影响规律,尚缺乏有效的实验验证。为了解决上述问题,该文设计了可模拟直流GIL导杆发热现象的绝缘子表面电位测量试验平台,并设计了同轴圆柱结构试验模型。研制了紧凑型静电位测量系统对不同温度下绝缘子的表面电位进行了测量,掌握了直流GIL导杆温度对绝缘子电荷积聚特性的影响。试验结果表明:当中心电极温度由室温升高至70℃时,在正极性电压作用下,绝缘子平均表面电位由278V增大至1670V(501%);在负极性电压作用下,绝缘子平均表面电位为负,绝对值由460V增大至1507V(228%)。因此,在进行绝缘优化设计时,需要考虑温度的影响,该研究可为直流GIL绝缘优化设计提供参考。     

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。     

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。     

温度梯度下直流GIL三支柱绝缘子电荷积聚对电场分布的影响分析

在直流电压和温度梯度作用下,气体绝缘输电管道的三支柱绝缘子表面及内部容易积聚电荷,引起局部电场畸变,易诱发三支柱绝缘子沿面闪络和支腿炸裂.通过建立直流三支柱绝缘子电-热-流多物理场的电荷积聚模型,研究了不同运行电流下直流三支柱绝缘子的电场畸变特征.在最大允许电流下,三支柱绝缘子的表面切向电场强度主要集中在支腿底部,最大切向电场强度可达2.87 kV/mm,而三支柱绝缘子金属嵌件-环氧界面的电场强度可达5.96 kV/mm.直流三支柱绝缘子支腿底部特别是与金属嵌件的交界面,是电场畸变的薄弱环节,在优化设计时需重点考虑温度梯度下支腿底部和金属嵌件的表面电场均匀分布.该研究结果可为高压直流气体绝缘输电管道三支柱绝缘子研发提供参考.     

直流GIL中附着导电微粒对绝缘子表面电荷积聚特性的影响分析

导电微粒污染是直流GIL绝缘强度劣化的重要影响因素,为研究其对柱式绝缘子表面电荷积聚的影响,文中搭建了考虑导电微粒情况的电荷测量平台。首先探究了绝缘子表面电荷积聚的时间效应,并在此基础上进一步研究了微粒附着位置、微粒长度、微粒直径对表面电荷积聚的影响。结果表明:附着绝缘子表面的导电微粒可引起表面电荷的积聚激增,其中与电极接触的微粒引起的电荷激增量更为显著;随微粒长度增加,微粒引起电荷积聚增强,而微粒直径对电荷积聚的影响并没有明显的线性规律;与正电荷相比,负电荷更易发生积聚。     

直流GIL中线形金属微粒对柱式绝缘子表面电荷积聚的影响

针对直流气体绝缘金属封闭输电线路中导电微粒污染问题,研究其对柱式绝缘子表面电荷积聚的影响。首先基于麦克斯韦方程组理论,对绝缘子表面电荷的积聚情况进行分析;并进一步纳入微粒污染以及气体侧空间离子的产生、复合、迁移、扩散等作用,建立了微粒污染情况下包含气体侧微观机制的绝缘子表面电荷积聚模型,利用COMSOL软件对不同极性下绝缘子表面附着微粒以及绝缘子附近存在悬浮微粒两种情况分别进行了求解分析。此外,结合前人实验研究的数据证明了仿真方法与结果的有效性和正确性。结果表明:附着绝缘子表面的导电微粒可引起表面电荷的积聚激增,其中附着在中间部位的微粒引起的电荷激增量更为显著,且微粒两端积聚电荷的电性相反;悬浮微粒对表面电荷积聚的影响较小,当悬浮微粒距绝缘子表面垂直距离超过4倍微粒直径时,其对绝缘子表面电荷的影响可以忽略。     

表面电荷积聚对冲击电压下绝缘子沿面放电的影响

绝缘子的表面缺陷会导致表面电荷积聚，使绝缘子表面的电场发生畸变，影响冲击电压下绝缘子的沿面放电。研究了表面电荷对绝缘子沿面放电进程的影响，发现表面电荷积聚可以降低绝缘子沿面放电的起始电压。外施冲击电压的极性与绝缘子表面电荷极性是否相同会影响绝缘子的电晕起始时刻、由流注向先导的转变时间间隔和流注电晕电流。表面电荷对GIS支撑绝缘子的50％冲击闪络电压和伏秒特性也有一定的影响。     

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GIL绝缘子表面电荷研究现状与展望

绝缘子表面电荷积聚是制约直流气体绝缘输电线路(DC-GIL)发展的主要因素之一。针对目前表面电荷的产生、输运、积聚和消散机理的相关研究还存在较多不足之处。本文从表面电荷积聚机制、离子流场理论模型、表面态物理化学结构及其影响因素、SF_6气体空间中的离子种类以及电场强度和环境等对气体离子输运参数的影响等方面综述了直流GIL绝缘子表面电荷积聚机理研究的局限性和对策,并从固-气界面动态分析、环境友好替代气体在直流GIL中的应用等方面对未来直流GIL绝缘子表面电荷研究的重点进行了展望。     

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绝缘子表面电荷抑制方法的研究进展

绝缘子表面电荷的积聚是造成大型输电设备如直流气体绝缘输电线路(gas insulated transmission lines,GIL)绝缘性能下降的重要因素,研究如何有效抑制绝缘子表面电荷积聚具有重要的工程意义。而通过材料改性调控和抑制表面电荷积聚是目前较为普遍和有效的思路。该文从绝缘子表面改性、掺杂改性和其他改性3个主要的改性策略入手,综述了近年来通过材料改性调控表面电荷的最新研究进展,并对每种方法的优势和不足进行分析。最后,该文对未来通过材料改性来调控表面电荷积聚的研究方向进行展望。     

高压直流海底电缆电–热–流多物理场耦合仿真

高压直流电缆运行时径向温度和电场分布是反映其运行状态的重要参数,考虑流场的海底电缆电热耦合规律研究具有重要意义。依据南澳直流工程±160 kV高压直流海底电缆,利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件,建立了海缆本体及其敷设环境的3维电–热–流耦合模型,以控制变量法研究了铺设和埋设2种敷设方式下海缆载流量、海水温度和海水流速对海缆径向温度和电场分布的影响。结果表明:载流量是海缆径向温度和电场分布的主要影响因素;在该模型下海缆导体温度和绝缘层温差与海水温度存在线性关系;很小的海水流速能显著降低海缆温度,因此提出静止海水散热的流速修正系数;海水流动有利于海缆散热,导致海缆温度分布发生变化,同时影响海缆绝缘材料电导率而导致电场分布发生改变。     

高压直流GIS 中绝缘子的表面电荷积聚的研究

研究绝缘子表面电荷积聚及其抑制措施，是开发用于直流输电的气体绝缘开关装置(GIS)的一项关键技术。文中设计了一种性能优良的新型电容探头，研究了外施直流电压极性、幅值和作用时间对表面电荷积聚的影响。研究表明，当外施电压的幅值和作用时间增加时，绝缘子表面电荷密度的平均值增加，绝缘子表面电荷分布则与外施电压的极性密切相关。文中还对绝缘子表面电荷积聚的抑制措施进行了分析、讨论。     

直流GIL内金属微粒对表面电荷积聚影响的三维仿真及实验研究

针对直流GIL中金属微粒污染问题,该文研究了其对模型绝缘子表面电荷积聚的影响。基于麦克斯韦理论,纳入微粒污染以及气体侧空间离子的产生、复合、迁移、扩散等作用,建立了微粒污染情况下包含气体侧微观机制的绝缘子表面电荷积聚模型,利用COMSOL软件对三维情况下绝缘子形状、金属微粒不同黏附形态以及不同气体环境对表面电荷积聚的影响进行了求解分析,同时搭建了考虑导电微粒情况的电荷测量平台,对仿真中典型设置进行实验,验证仿真结果的正确性。研究表明,随截面底角减小,电荷更多积聚于绝缘子表面;黏附于绝缘子表面的金属微粒会引起表面电荷大积聚激增,沿高低压电极连线黏附微粒引起积聚最明显;气体环境改变会引起表面电荷积聚发生改变,低气压时更易积聚电荷。     

对绝缘子表面电荷积聚机理的讨论

从电磁场基本方程组出发,给出非均质介质中绝缘子表面电荷积聚的规律,揭示其物理本质和关键影响因素;研究了不同绝缘介质的交界面电荷积聚的方式和特点。用本文提出的理论可以解释文献报导的三种积聚模型,为分析绝缘子表面电荷积聚状况提供了理论依据。     

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。