体/表面介电功能梯度绝缘子的电场仿真及优化效果对比

介电功能梯度绝缘可以在不增加绝缘子几何结构复杂度的前提下,有效改善其电场分布,进而提升其沿面闪络电压。目前,介电功能梯度绝缘子(dielectric functionally graded insulator, d-FGI)的设计、制造及应用已经成为电气绝缘领域的热点问题。随着研究的深入,研究者们提出了两种不同类型的d-FGI:体介电梯度绝缘子和表面介电梯度绝缘子。为比较两种梯度分布形式的电场调控效果,基于有限元迭代算法,分别对这两类绝缘子的介电常数分布进行了优化设计。优化结果表明,相比于未优化的匀质绝缘子,体梯度和表面梯度绝缘子的沿面最大场强均可降低70%以上,优化效果显著。通过考察介电常数上限、分层数等影响因素,对两类梯度绝缘子的优化效果进行了对比分析,结果表明表面梯度绝缘子的表面层厚度是影响其与体梯度绝缘子之间优化效果差别的关键因素。     

550kV GIS盆式绝缘子小型化设计(二)——介电分布优化

为缩小气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）的体积、简化生产制造工艺、降低原材料与SF₆气体消耗,在《550kV GIS盆式绝缘子小型化设计（一）——几何形状优化》（简称论文1）的基础上,引入介电功能梯度材料的理念,开展盆式绝缘子材料介电分布优化设计。针对接地法兰附近盆体表面电场畸变严重的问题,以均化接地法兰处电场为目标,基于拓扑优化方法构建了盆式绝缘子材料介电常数空间分布优化模型,并讨论了密度函数因子、梯度惩罚权重、介电常数上限等算法参数对于介电梯度形式及电场优化效果的影响。仿真结果表明,优化后绝缘子外法兰附近凸面一侧出现高介电常数区域,呈近似菱形的几何轮廓。此时,即使绝缘距离较原始结构减小15%,接地法兰处的电场集中现象仍可得到大幅改善。因此,该文提出的介电梯度材料,有望代替外壳倒角处的“R弧”形金属屏蔽以及绝缘子内嵌金属屏蔽环等方法进行电场分布调控,在GIS小型化改造、减少材料用量、优化工艺流程方面具有广阔前景。此外,提出了3D打印+浇注固化的小型化介电梯度盆式绝缘子制造方案,为后续研究与应用提供支撑。     

高压气体绝缘输电设备用功能梯度材料研究进展

环氧树脂绝缘子作为高压气体绝缘输电设备的关键部件,其沿面电场分布的均匀度直接影响整个设备乃至电力系统的绝缘水平。为此在传统功能梯度绝缘子研究基础上,提出利用表层功能梯度材料(surface functionally gradedmaterials,SFGM)绝缘子来调控气固界面电场分布,达到提升气固绝缘系统耐电强度的目的。首先对FGM绝缘子的经典制备工艺(如离心法、3D打印和柔性浇注)及其电场调控效果进行简要汇总,然后重点介绍了应用于交直流系统的SFGM绝缘子的工作原理、制备工艺和电场调控效果。利用梯度磁控溅射、梯度氟化、涂覆和离心的手段在绝缘子表层构造介电参数梯度分布,相比于FGM绝缘子,SFGM绝缘子无需改变绝缘子原有的生产工艺和机械性能,方便构造任意表层介电梯度分布。在未来特高压输电工程中,SFGM绝缘子可以进一步提高气体绝缘输电设备的可靠性,且实现推广应用所需的成本更低。     

表层介电功能梯度绝缘子的介电常数分布优化

电场分布是决定复合绝缘系统耐电性能的关键因素之一,为改善气体绝缘开关设备(GIS)绝缘子的沿面电场分布进而提升其闪络电压,提出了表层介电功能梯度绝缘子(SFGM)的设计概念及其介电参数分布优化方法。针对盆式绝缘子,以分别提升绝缘子凹面和凸面的沿面电场分布均匀度为优化目标,利用迭代算法自适应调整各表层的介电常数,以获得最优的介电常数分布。对比研究了介电常数分布取值无约束及有约束条件下,绝缘子的沿面电场及表层介电常数分布。结果表明:无约束条件下经过5次迭代,绝缘子凹面沿面电场不均匀系数由4.26下降到1.12,场强集中区域从高压三结合点处转移至地电极侧绝缘子内部,整体耐电性能提升;有约束条件下,表层介电常数最大值被钳制,绝缘子凹面沿面电场不均匀系数由4.26下降到1.84。交流闪络实验结果表明,优化后的SFGM圆台绝缘子的放电起始电压和闪络电压分别提升了20%和21%,进一步验证了基于迭代法的SFGM绝缘子设计具有优异的电场分布调控效果。     

特高压GIS用单支撑绝缘子绝缘结构优化设计

单支撑绝缘子是气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）中重要的绝缘支撑结构，其性能优劣影响着GIS运行的可靠性和稳定性。该文开展了1 100kV GIS用单支撑绝缘子的结构优化研究，选取绝缘子表面合成电场强度、绝缘子表面切向电场强度、金属嵌件表面合成电场强度作为性能指标，分析绝缘子伞裙和金属嵌件各自的关键结构参数对性能指标的影响规律，采用自适应变异的粒子群算法进行整体优化。在此基础上，提出了基于贝塞尔曲线的绝缘子表面轮廓描述方法，选取整体优化后电场畸变严重的绝缘子伞裙底部圆角结构开展局部精细化优化。优化结果与原始结构相比，金属嵌件表面电场强度下降24.2%，绝缘子表面合成电场强度下降25.6%，绝缘子表面切向电场强度下降22.6%。该文提出的参数整体优化和贝塞尔曲线局部精细化优化的分步优化方法，使特高压GIS用单支撑绝缘子的绝缘性能得到了显著提高，优化结果能够为GIS单支撑绝缘子的结构设计提供参考。     

介电功能梯度绝缘子设计中的电场优化方法对比

将介电功能梯度绝缘(d-FGI)应用在绝缘件上,可以显著改善绝缘件的电场分布,进而有效提升其绝缘性能.在d-FGI绝缘件的设计中,如何选取最佳的介电参数(电导率/介电常数)分布,是该领域研究的关键问题.文中分别采用3种不同类型的算法,对圆台绝缘子模型进行不同形式的介电参数分布优化:基于智能优化算法,对绝缘子进行双层式介...     

谐波电场法带电检测直流绝缘子

挂网运行的直流绝缘子数量越来越多，其检测问题日益突出。分析认为，合成绝缘子内导通性故障及零值瓷绝缘子是最难发现、最危险的故障。文中研究了这类故障直流绝缘子的带电检测问题，提出利用直流绝缘子串周围谐波电场带电检测直流绝缘子的新方法，即谐波电场法，并进行了可行性试验与灵敏度分析。现场与实验室可行性试验表明，谐波电场法能够对直流绝缘子进行在线检测。理论分析表明，该方法灵敏度较高，能有效地给出低于一定阻值的零值瓷绝缘子和合成绝缘子内绝缘导通性故障信息。谐波电场法的提出为直流绝缘子带电检测提供了有力手段。     

±500kV直流合成绝缘子首次挂网运行

±５００ｋＶ直流合成绝缘子首次挂网运行３月１３日，我国的直流合成绝缘子，首次在士５００ｋＶ葛上直流输电线路的宜昌和武汉两地同时挂网试运行，共２４支。填补了我国直流合成绝缘于应用的空白，标志着我国合成绝缘子生产和应用达到了一个新的水平。这批产品由合成绝...     

550 kV GIS盆式绝缘子小型化设计（三）——缩比结构验证

为制造经小型化设计的550 kV盆式绝缘子并验证其电气性能,采用3D打印结合环氧树脂浇注工艺制备了1:10缩比绝缘子。首先,将氧化铝填料与光敏树脂复合作为低相对介电常数（3.98～4.20）3D打印浆料,根据光固化与流变特性确定填料含量及打印参数后,利用立体光固化3D打印机制备低介电常数的绝缘子主体。随后,将二氧化钛填料与环氧树脂复合作为高相对介电常数（11.32～14.58）真空浇注浆料,浇注至3D打印绝缘子预留的高介电常数区域内,加热固化完成缩比绝缘子的制造。0.2 MPa下SF6氛围中的工频耐压实验结果表明,优化后的绝缘结构具有更优的绝缘强度。相同绝缘距离下,几何形状优化绝缘子闪络电压较常规绝缘子提高13.6%,几何形状/介电分布联合优化的绝缘子提高13.8%;绝缘距离减少15%后,联合优化绝缘子耐电强度与常规绝缘子相当;当法兰侧“楔形”气隙内存在金属丝时,相同绝缘距离下,仅进行形状优化的绝缘子耐电强度提升幅度降低至6.7%,而联合优化绝缘子由于在法兰侧形成低电场区域,闪络电压仍可提高13.1%。结果表明,几何形状/介电分布联合优化绝缘子具有显著的绝缘优势。     

SF6沿面绝缘的工程计算

随着采用SF6绝缘的高压输变电装置在工程中的广泛应用,如GIS和GIL,其内部支撑绝缘子的介电性能成了维持设备安全稳定运行的重要因素.文中建立了锥板电极系统来模拟GIS/GIL中同轴圆柱结构的电场分布,并选择一个考虑了7种影响因素的SF6沿面闪络电压的计算公式,对环氧树脂绝缘子进行了直流下不同SF6气压中沿面绝缘的工程...     

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.     

谐波电场法带电检测直流绝缘子

挂网运行的直流绝缘子数量越来越多,其检测问题日益突出。分析认为,合成绝缘子内导通性故障及零值瓷绝缘子是最难发现、最危险的故障。文中研究了这类故障直流绝缘子的带电检测问题,提出利用直流绝缘子串周围谐波电场带电检测直流绝缘子的新方法,即谐波电场法,并进行了可行性试验与灵敏度分析。现场与实验室可行性试验表明,谐波电场法能够对直流绝缘子进行在线检测。理论分析表明,该方法灵敏度较高,能有效地给出低于一定阻值的零值瓷绝缘子和合成绝缘子内绝缘导通性故障信息。谐波电场法的提出为直流绝缘子带电检测提供了有力手段。     

直流GIL表层功能梯度绝缘子参数设计与电场优化

为调控直流稳态与极性反转工况下直流气体绝缘输电线路（HVDC GIL）绝缘子的沿面电场分布，分别设计了稳态梯度（ST-SFGM）绝缘子与极反梯度（PR-SFGM）绝缘子。迭代优化后的SFGM绝缘子涂层电导率恒定，厚度沿r坐标方向减小。电场仿真结果表明，直流稳态工况下均匀绝缘子的最大电场出现在高压三结合点附近，强度为4.25 kV/mm。ST-SFGM绝缘子与PR-SFGM绝缘子的直流电场分布较为均匀，最大电场强度分别下降54.6%与62.1%。极性反转工况下，均匀绝缘子与ST-SFGM绝缘子的电场畸变加剧，最大电场强度分别提升1.09和3.44倍，而PR-SFGM绝缘子的最大电场强度则基本保持不变。     

±200 kV直流盆式绝缘子的研制

盆式绝缘子是气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)设备研制的核心元件,直流电压下绝缘子长期承受单极性直流电场作用,其表面会积聚大量电荷,导致固-气界面处局部电场畸变,极易引发绝缘子沿面闪络,降低设备的绝缘水平.本研究借鉴直流绝缘子的相关研究成果,通过合理控制绝缘子表面场强及提高绝缘材料的电阻率实现对表面电荷积聚的抑制,借助仿真手段指导结构优化设计,完成了绝缘子浇注并通过交直流应力下的介电试验及力学性能试验,验证了设计的正确性.     

温度对GIS绝缘子表面金属异物局部放电及闪络特性的影响

表面金属异物是造成气体绝缘全封闭组合电器(gas-insulated switchgear,GIS)绝缘子故障失效的重要原因。运行中的绝缘子不仅承受强电场作用,还承受温度场的作用,研究电–热耦合下绝缘子表面金属异物的局部放电和闪络特性,具有重要的实际意义。鉴于此,该文建立GIS绝缘子电场和温度场耦合试验平台,开展不同温度作用下绝缘子表面金属异物缺陷的局部放电和闪络特性研究。结果发现,绝缘子表面最高温度从25℃升高至75℃时,绝缘子表面2.5cm长金属异物缺陷的局部放电起始电压降低约16%;平均放电量从0.55pC增加至1.45pC;最大放电量从9.1pC增加至11.5pC;放电频次也从不足200次/s增加至近400次/s。不同电压下,不同尺寸金属异物局部放电特性随温度变化的规律基本一致;而温度对绝缘子表面金属异物缺陷的工频闪络电压的影响不显著。研究结果有助于进一步认识实际运行中在电–热耦合作用下,温度变化对绝缘子表面金属异物缺陷的局部放电和闪络特性的影响规律。     

介电功能梯度材料在电气绝缘领域的研究进展

介电功能梯度材料(dielectric functionally graded materials,d-FGM)是一种具有空间非均匀介电参数分布的新型绝缘材料。在电气绝缘领域,d-FGM可通过调节材料介电常数或电导率的空间分布,实现电场分布的有效调控,进而显著提升绝缘结构的耐电强度。相对于传统绝缘设计中结构优化与材料改性相对分离的情况,d-FGM创新性地将两者有机结合起来,有望带来绝缘设计理念的变革。该文分析了d-FGM在电气绝缘领域的应用原理,综述了其研究进展,并进一步从d-FGM设计、制备、性能评价(包含介电特性无损检测、放电起始及发展物理机制探索)等方面,阐述了d-FGM研究中的关键科学问题及解决思路,以期对电气绝缘d-FGM的学术研究及工程应用起到指导和促进作用。     

动车组车顶绝缘子电场分布特性研究

动车组车顶绝缘子作为车顶的主要绝缘设备,其可靠性直接影响动车组的正常运行。文中基于ANSYS有限元软件分析了车顶绝缘子结构对其电场分布的影响,通过分析洁净状态下和水滴附着状态下绝缘子的电位和电场,得到伞裙结构对绝缘子电场分布特性的影响。结果表明,绝缘子顶部大小伞裙结构的不同配合方式会影响绝缘子的电场分布,尤其水滴附着状态下,绝缘子顶部采用大伞裙结构的会增加绝缘子电场强度,随着电场强度的增加,增加了绝缘子顶部发生局部放电的可能性。     

典型表面状态下的绝缘子空间电场特性研究

实时监测绝缘子运行状态，可以有效地保证输配电外绝缘的安全稳定运行。目前通常依靠监测绝缘子表面泄漏电流来实现污闪预警，作为一种接触式在线监测手段，其在可靠性、便捷性等方面仍有很大的提升空间。而已有研究指出，不同运行状态下污秽绝缘子其空间电场分布会发生变化，电场作为重要的电气参量之一，可通过非接触的方式有效获取。因此，本文研究典型表面状态下染污绝缘子空间电场分布特性，首先利用有限元仿真软件建立了普通支柱绝缘子的静电场仿真模型，对比分析了干燥、湿润、放电情况下的绝缘子周围空间电场的幅值大小及变化规律；最后利用人工污秽试验，对污闪放电过程中的绝缘子空间电场进行测试，并与仿真结果进行对比分析。研究结果表明，不同表面状态下的绝缘子空间电场所反映的幅值大小差异明显，在表面湿润及有电弧爬电的情况下，空间电场垂直分量分别增长近50%和20%。研究结果可为输配电外绝缘的状态监测提供新思路。     

具有防雷功能的500kV防冰闪绝缘子结构设计及电场仿真研究

雷击和覆冰是输电线路面临的两大自然灾害,严重威胁电网的稳定运行。文中将避雷器和绝缘子结合,通过绝缘段雷电冲击和工频闪络试验,设计出一种新的500kV防冰防雷复合绝缘子,并利用有限元法对该500kV防冰防雷复合绝缘子电场分布进行仿真计算,研究了清洁和覆冰工况。结果表明:局部高场强区域集中在高压段、绝缘段和避雷段交界处,最大场强为18.1kV/cm,满足现场运行要求;结合间隙雷电冲击试验,采用带1.8 m均压环间隙的绝缘段和避雷器串联具有较好的防雷保护效果。     

真空中典型沿面绝缘结构的电场分析

在高电压作用下,由复合绝缘介质构成的沿面绝缘结构的耐电强度远低于其绝缘材料自身的击穿场强,这一现象与其电场的分布特点密切相关。笔者针对真空中平行平板、平面和棒-板电极系统等多种典型沿面绝缘结构的电场分布进行了仿真计算,探讨了电极-介质结合处的间隙、圆台形绝缘子的圆锥角角度、平面电极的高度以及绝缘子介电常数等因素对电场分布的影响。仿真结果表明,接触间隙的存在导致局部电场的加强和电场方向的变化,间隙宽度越大、高度越小,间隙处电场畸变越大;圆锥角越大,绝缘子的介电常数越大,场强畸变也越大。该分析结果有利于真空中沿面绝缘结构的设计。