气—固绝缘分界面电荷积聚模型及数值计算

气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated transmission line,GIL)绝缘子在直流电压长期作用下,会积聚表面电荷,引起绝缘子沿面闪络电压降低,导致闪络事故。因此研究绝缘子在长期直流耐受下的表面电荷积聚现象,对气—固界面在直流电压下的电荷积聚机理进行分析,建立更为完善的表面电荷积聚模型,具有重要的理论意义和工程价值。笔者基于3种已有的表面电荷积聚模型、分界面电荷弛豫方程和更为普适的稳态电荷密度方程,利用微元法对盆式绝缘子表面电荷分布进行了数值计算。结果表明:分界面电荷弛豫方程能够近似描述电荷积聚的动态过程;稳态电荷密度方程揭示了电荷积聚的必然性,且能够在不同条件下退化为已有的3种积聚模型;介质分界面的电荷分布与外加电场、气体与固体的介电常数和电导率密切相关。     

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。     

冲击电压作用下绝缘子表面电荷的积聚

试验研究冲击电压作用下绝缘子表面电荷的分布及冲击电压幅值对绝缘子表面电荷积聚影响的结果表明 :在极不均匀场中 ,绝缘子表面的电荷密度并不总是随着冲击电压幅值的增加而逐渐增加 ,在预闪络条件下表面电荷密度会由于预放电电流等离子体的中和作用而减少 ;绝缘子表面电荷积聚与电极形状有关 ;积聚在绝缘子表面的电荷主要来源于绝缘子表面气体侧的局部放电 ;在一定的条件下冲击电压作用下的表面电荷积聚与直流电压作用下的表面电荷积聚一样严重     

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。     

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。     

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。     

振动诱发金属微粒弹跳对圆盘绝缘子表面电荷积聚的影响

绝缘子上积聚的表面电荷是影响直流GIS/GIL绝缘性能的关键因素,金属微粒对表面电荷的积聚具有重要影响。在GIS/GIL的运行过程中,设备振动诱发金属微粒弹跳从而改变电荷的积聚行为,威胁设备的绝缘安全。因此,研究振动诱发的金属微粒弹跳对表面电荷积聚的影响具有重要意义。本文以126 kV圆盘绝缘子为试样,搭建了非周期振动发生装置,测量了振动条件下线形金属微粒的运动轨迹及绝缘子表面电荷的积聚情况,分析了启举方式和微粒最终位置对绝缘子表面电荷积聚的影响。结果表明：微粒以先滚动后启举的方式比直接启举的方式导致表面电荷积聚更明显,并且微粒最终静止在交界区比静止在平面区积聚更多电荷。     

基于分区涂覆的圆盘绝缘子表面电荷抑制试验分析

环氧绝缘子作为气体绝缘开关GIS(gas insulated switchgear)设备的关键部件，起到电气绝缘和机械支撑的作用。积聚在绝缘子上的表面电荷是诱发沿面闪络事故的原因之一，研究表面电荷的抑制方法对于保障GIS安全运行具有重要意义。以制备缩比尺寸圆盘绝缘子为研究对象，在负直流电压下观测表面电荷的积聚特性。选取不同种类的纳米颗粒分别制备高、低电导率和非线性电导率的环氧基纳米复合材料涂层，研究涂料电导率、涂覆方式对绝缘子表面电荷积聚特性的影响。结果表明，采用分区涂覆可以显著抑制绝缘子非平面区的电荷积聚和地电极处的电荷注入，从而使表面电荷密度降低，为抑制绝缘子表面电荷积聚提供了一种新的途径。     

聚乙烯表面形貌对其空间电荷特性的影响

随着空间电荷测量技术在最近三十年的巨大进步,固体电介质空间电荷研究成为研究热点.聚乙烯的热压冷却条件会显著影响聚乙烯的形态结构.而聚乙烯在热压过程中,其表面会由于不同的基底材料而形成不同的附生结晶层,从而具有不同的表面形貌.此附生层的形态对空间电荷特性有很大的影响.通过研究聚乙烯不同表面形貌的形成过程及其显微特征,并结合微观形态对不同表面形貌的聚乙烯进行了空间电荷测量分析,发现不同表面形貌的聚乙烯试样具有不同的空间电荷积聚特性.     

极性反转电压下非线性电导硅橡胶复合材料电荷积聚特性

直流电缆附件是直流输电系统的薄弱环节,为研究非线性电导对极性反转电压下电缆附件硅橡胶绝缘电荷积聚特性的影响,通过添加SiC颗粒制备具有非线性电导的硅橡胶复合材料试样,利用三电极法和表面电位测量系统获得试样的电导率和表面电荷特性。实验结果表明：由于试样中SiC晶粒的晶格振动引起载流子晶格散射,高温会造成试样电导率降低;试样表面电荷平面分布特性表明,电晕电压极性反转后,平板试样内部残留的原极性电荷与表面的异极性电荷提高了局部电场强度,使试样的电导率升高,加速了表面电荷向试样内部迁移和异极性电荷中和过程,抑制了表面电荷的积聚。     

极性反转电压下非线性电导硅橡胶复合材料电荷积聚特性

直流电缆附件是直流输电系统的薄弱环节,为研究非线性电导对极性反转电压下电缆附件硅橡胶绝缘电荷积聚特性的影响,通过添加SiC颗粒制备具有非线性电导的硅橡胶复合材料试样,利用三电极法和表面电位测量系统获得试样的电导率和表面电荷特性。实验结果表明：由于试样中SiC晶粒的晶格振动引起载流子晶格散射,高温会造成试样电导率降低;试样表面电荷平面分布特性表明,电晕电压极性反转后,平板试样内部残留的原极性电荷与表面的异极性电荷提高了局部电场强度,使试样的电导率升高,加速了表面电荷向试样内部迁移和异极性电荷中和过程,抑制了表面电荷的积聚。     

Insulator surface charge accumulation under impulse voltage

The surface charge distribution under impulse voltage is measured using a static capacitance probe. A probe with very small charge leakage is designed. The condition of surface charge accumulation under impulse voltage is analyzed, and it is concluded that micro discharges in the gas near the insulator surface such as the corona caused by free and fixed metal particles is usually a prerequisite condition. The dynamic equation describing the relationship between surface charge density and the applied voltage is established, and the process of surface charge accumulation under impulse voltage is analyzed. Theoretical analysis and experimental results show that the decrease of wave front time of the impulse voltage can result in an increase of surface charge accumulation. A GIS spacer is used to investigate the influence of charge accumulation on the flashover characteristics. It is shown that the 50% impulse flashover voltage can be reduced by 23.4%, and the lower limit of the V-t characteristics can be lowered drastically if the polarity of the surface charge is opposite to that of the applied voltage.     

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。     

冲击电压作用下影响表面电荷积聚过程的因素分析

建立了电压与表面电荷分布的动态方程 ,引入了电荷积聚时间常数的概念。从理论上证明了冲击电压作用下绝缘子表面可以产生一定量的电荷积聚 ,并对影响表面电荷积聚过程的因素进行了分析 ,理论分析结果得到了已往文献实验结果的证实。     

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。     

纳秒级脉冲电压作用下聚丙烯膜反极性充电现象的研究

采用针-板电极系统，对无纺聚丙烯过滤膜纳秒级脉冲电压作用下电介质膜空间电荷形成过程进行研究。发现了聚丙烯膜积累的空间电荷与所加脉冲电压极性相反的聚合物膜反极性充电现象。正极性脉冲峰值越高越容易引起聚合物膜反极性充电。峰值足够高且脉宽足够窄的负极性脉冲也导致反极性充电。脉宽大于200ns的负极性脉冲作用下，聚合物膜充电过程为同极性充电，并且电荷积累量与脉冲峰值无关，随着脉宽的增大均趋于同一个稳定值。据此，文中提出了基于强场注入和反向注入两种充电过程并存的新理论模型，强调了针-板空气间隙固有放电特性对聚合物膜充电过程的影响。     

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。