水分在环氧浸纸材料中的迁移特性及其对沿面绝缘特性的影响EI北大核心CSCD

目前,国内高压直流工程中的穿墙套管和换流变压器套管多采用环氧浸纸干式套管,环氧浸纸材料具有一定的吸水性,故亟需研究环氧浸纸材料受潮过程中的水分迁移规律以及受潮前后的直流沿面绝缘性能。该文通过交直流沿面闪络测试,获取表面涂漆与未涂漆的环氧浸纸试样受潮前后的沿面绝缘强度,通过微水含量测量分析环氧浸纸的水分迁移特性。结果表明:受潮前后涂漆试样交直流沿面闪络场强较无漆试样均至少提高2.9%;相对于无漆试样,涂漆后环氧浸纸材料吸水速率降低22.1%;由于聚酰胺的吸水性导致表面层湿度同样较高,较长时间受潮后涂漆试样沿面绝缘性能依旧明显下降。结果可为环氧浸纸芯体防潮及提升其沿面绝缘性能提供理论支撑。     

SF_(6)直流穿墙套管金属微粒产生过程模拟及沿面闪络特性研究EI北大核心CSCD

穿墙套管是特高压直流输电工程中不可替代的关键装备。在SF_(6)气体绝缘直流穿墙套管内,部件间的相互摩擦会产生大量金属微粒,这是引发其内绝缘失效的主要原因之一。因此,研究金属微粒的产生过程和形貌特征,进而研究其对闪络的影响具有重要意义。该文计算某特高压工程中昼夜温差与风致振动工况下触指的振动幅值和频率,开展触指磨损实验,基于磨损产物进行金属微粒吸附实验以及闪络电压测量实验。结果表明:脉动风作用下的触指磨损程度较大,是金属微粒的主要来源;在粘着磨损以及磨粒磨损的耦合作用下,产生的微粒基本处于微米级,材料包括铝、银、锌和铜,大微粒多为片状,小微粒多为椭球状;在库仑力的作用下,微粒主要在绝缘支柱法向电场较大的表面吸附;附着微米级金属微粒可以使得环氧闪络电压下降20%。该研究结果可为金属微粒对绝缘特性影响的研究提供选型参考。     

±1100 kV直流纯SF_6气体绝缘穿墙套管关键技术研究

±1100 k V直流纯SF_6气体绝缘穿墙套管(以下简称±1100 k V直流穿墙套管)为目前世界电压等级最高的直流设备,也是直流输电系统中的关键设备。依托昌吉至古泉±1100 k V特高压直流输电工程,以±1100 k V直流穿墙套管为研究对象,建立了套管的三维物理模型,从直流绝缘材料、电场强度、机械强度及温度场等方面进行优化设计,并制造了±1100 k V直流穿墙套管样机。该样机顺利通过了全套型式试验验证,其各项性能指标均满足工程要求。通过该套管的研制,掌握了特高压直流SF_6气体穿墙套管的关键技术,并可以推广应用到其他电压等级产品中。     

SF_6气体绝缘直流穿墙套管污秽闪络特性

为研究不同污秽条件下直流穿墙套管的污闪特性、空心复合绝缘子不同伞形结构对直流穿墙套管污闪特性的影响规律、直流穿墙套管内部导体和屏蔽结构对其污闪特性的影响规律,利用大型人工环境气候实验室开展了±400 kV SF_6气体绝缘直流穿墙套管人工污秽试验,获得了不同伞形穿墙套管和空心复合绝缘子50%污秽耐受电压与附盐密度(SDD)间的负幂指数关系式。研究表明:伞形结构为1大1小伞的空心复合绝缘子单位爬距闪络电压值要高于1大2小伞的空心复合绝缘子,有内部导体和屏蔽层的直流套管较没有内部导体和屏蔽层的直流空心复合绝缘子的U50%在SDD为0.08、0.15、0.20 mg/cm~2时分别提高5.3%、4.2%、5.3%,根据研究结论建议±1 100kV SF_6气体绝缘特高压直流穿墙套管外绝缘伞形结构设计可采用爬电距离利用率较高的伞形配置,且爬电比距不低于48 mm/kV。     

环氧基碳纳米管纳米电介质的直流真空沿面闪络特性

气-固界面的沿面闪络电压低于同等条件下同种气体的击穿电压,从而制约着特高压电力设备的发展。对固体绝缘材料进行改性可以提高气-固绝缘系统的沿面闪络性能。为此,制备了8种不同的多壁碳纳米管(MWCNTS)掺杂环氧树脂,即掺杂质量分数分别为0%、0.02%、0.05%、0.1%、0.125%、0.15%、0.2%和0.5%的8种试样,并对试样进行了显微形貌、玻璃化转变温度、介电常数、表面粗糙度、电阻率、表面电位衰减特性(SPD)、直流真空沿面闪络特性的测试。试验结果表明:随着掺杂质量分数的提高,环氧复合材料的沿面闪络电压先上升后下降,并且在掺杂质量分数为0.1%时达到极大值,环氧复合材料的闪络电压比纯环氧树脂的提升了23.1%。通过分析发现,掺杂质量分数较低时,沿面闪络电压的上升与陷阱深度的增加及介电常数的下降有关;而掺杂质量分数较高时,沿面闪络的下降与浅陷阱密度的增加及介电常数上升有关。通过分析得到,介电常数会引起电场畸变,陷阱的深度和密度会影响载流子迁移过程,二者均对沿面闪络电压产生影响。     

不同电场下环氧树脂直流沿面闪络特性及其闪络电压分析

研究绝缘材料在不同条件下的沿面闪络特性对掌握绝缘子的电气强度及保证电气设备安全稳定运行具有重要意义。为此,研制了具有不同电场分布形式的沿面放电电极,通过实验研究了环氧树脂在真空及空气环境中的直流沿面闪络特性,并采用韦伯分布分析了闪络电压的变化规律。结果表明,环氧树脂在极不均匀电场下的闪络电压比稍不均匀电场下低,真空中闪络通道和闪络电压的分散性比空气中大,真空闪络受固体绝缘介质的影响大于空气闪络。不对称电场下沿面闪络电压具有明显极性效应,并且真空与空气中的极性效应相反。此外,环氧树脂直流闪络电压服从韦伯分布,可借助该方法定量评估绝缘系统对外加电压变化的敏感性。位置参数的引入有效提升了闪络电压数据的拟合效果,通过特征闪络电压、0.1%闪络概率的闪络电压进一步完善了对绝缘材料沿面电气性能的评价方法。     

特高压直流穿墙套管导体支撑结构研究

特高压直流穿墙套管是连接换流站直流场和阀厅的关键设备,目前,直流穿墙套管结构主要有胶浸纸电容式结构、环氧芯体SF6气体复合绝缘结构、SF6气体绝缘结构。在研究以上几种穿墙套管结构的基础上,提出一种SF6气体绝缘结构穿墙套管的导体支撑结构。该支撑结构中导体不需要绝缘支撑,通过几个有效措施减小导体挠度影响,同时也避免了直流电压下绝缘件表面电荷累积效应引发的电场畸变对绝缘件使用寿命的影响,使直流穿墙套管的运行可靠性更好。     

SF_6/CF_4混合气体中聚四氟乙烯绝缘表面直流闪络特性

文中对电极间距为5 mm的指形电极下SF_6/CF_4混合气体中聚四氟乙烯绝缘表面直流闪络特性展开研究,分别测量了当SF_6/CF_4混合气体中SF_6混合比为0%~100%、压强为0.1~0.4 MPa时绝缘试样的直流沿面闪络电压,研究压强、混合比、电压极性等因素对绝缘试样直流沿面闪络特性的影响。实验结果表明:混合气体中SF_6混合比一定时,在0.1~0.4 MPa气压范围内,绝缘试样的直流闪络电压随气压升高而呈线性增加;0.3 MPa的20%SF_6/80%CF_4气体中绝缘试样的负极性直流闪络电压为52.34 kV,是相同气压下纯SF_6气体中的61.4%;在较低气压下SF_6/CF_4混合气体中绝缘试样的负极性直流闪络电压比正极性低,而当气压高于某临界值时,负极性直流闪络电压比正极性高,沿面闪络电压出现极性效应反转现象;40%SF_6/60%CF_4中负极性闪络电压达到纯SF_6中的65%,该研究可以为SF_6/CF_4混合气体替代SF_6应用于高压直流气体绝缘电气设备中提供参考。     

环氧复合绝缘材料表面处理方法对高气压下闪络特性的影响

分别采用放电等离子体、离子注入、表面直接氟化的方法对环氧复合绝缘样品进行处理。研究不同处理方法对绝缘材料表面状况及高气压c-C_4F_8/N_2混合气体中的负直流高压下闪络特性的影响。实验结果显示等离子体和离子注入方法对绝缘样品表面改性无法提高样品在高气压c-C_4F_8/N_2混合气体中的沿面闪络电压,并且放电会直接破坏表面结构,导致绝缘失效;采用表面直接氟化处理的环氧绝缘样品,闪络电压有所提高。测量表明,表面氟化引起环氧复合绝缘材料表面电位降低,电位衰减加快,表面陷阱能级下降,陷阱密度随氟化时间加长而增加。通过研究认为,目前放电等离子体和离子注入方法处理绝缘材料表面,在技术上还需要完善。表面直接氟化处理环氧材料表面可以提高其在高气压下闪络特性,但是耐受放电次数的减少将制约它的应用。     

有限元数值计算技术应用于特高压穿墙套管三维电场模拟分析

800kV特高压直流穿墙套管是我国±800kV特高压直流输电工程中的重要设备,亟需应用有限元数值计算技术对其关键部位进行三维电场模拟分析,确定传统结构设计的合理性并提供优化方案。为此在环氧浸纸电容式和金属屏蔽式2种技术路线下,分别讨论了特高压直流穿墙套管的结构特点和绝缘性能。应用有限元法仿真计算了金属屏蔽结构下穿墙套管的三维电场分布,重点分析了穿墙套管金属屏蔽表面及其相关附件电场分布特点,进一步对套管中间连接结构及支撑绝缘子的实际尺寸进行三维实体模型电场分析,并优化支撑绝缘子结构型式和尺寸。计算结果表明:对于金属屏蔽式芯体结构,高场强区域集中在金属屏蔽翻边位置及外部均压环表面,双层金属屏蔽芯体结构下穿墙套管复合绝缘子沿面电位及电场分布相对均匀,可实现套管紧凑型结构设计。该研究结果可为特高压穿墙套管的设计、研制及运行提供理论依据。     

特高压直流SF6气体绝缘穿墙套管绝缘结构设计研究进展

特高压直流穿墙套管作为换流站中连接阀厅和直流场的唯一通道,是承载系统全电压、全电流的核心设备。本文综述了特高压直流SF_6气体绝缘穿墙套管的研发和应用进展,讨论了该类套管的绝缘特性和绝缘结构设计方法,以及国产套管的组成、外绝缘设计和结构形式,并提出了当前绝缘结构设计中需要解决的问题。     

SF_6分解产物测试在高压直流套管状态诊断与分析中的应用

文中完善了带电状态下的SF_6气体监测手段,在设备带电状态下开展SF_6气体的现场分解物测试,并结合离线气相色谱检测手段对SF_6高压直流套管开展长期的运行监测。在电气试验未发现套管缺陷的情况下,文中通过SF_6气体分解物监测手段及时地发现了内部缺陷并发出预警。套管在更换后返厂解体,发现套管内表面分布有大量固体粉末并存在明显的高温过热痕迹,验证了SF_6分解产物监测手段在设备状态诊断中的有效性及可靠性。     

±800kV特高压直流输电工程直流穿墙套管设计缺陷及其改进方法

2011～2016年期间,运用在±800kV直流输电工程中的某类型直流穿墙套管先后6次发生故障,暴露出其在电气连接方面的一系列设计缺陷:均压罩等电位接触不良、表带触指接触电阻过大等。结合直流穿墙套管SF6分解产物超标、内部闪络、回路电阻超标、接头发热案例深入分析了直流穿墙套管故障的原因,总结了增加防松螺钉、等电位线、O型密封圈、接头镀银等改进措施,提出了增加等电位连接可靠性、保证通流裕度的直流穿墙套管设计建议,并提出重视SF6分解产物测试、增加回路电阻测试的运维建议。     

纳米TiO2-MWCNTs掺杂提升环氧绝缘材料真空直流沿面闪络性能

选用两种纳米填料:纳米氧化钛(TiO2)和多壁羟基碳纳米管(MWCNTS),向环氧树脂中单独或同时加入两种粒子,制备16种不同的环氧纳米复合电介质.通过体积电阻率测试、表面电位衰减试验与真空直流沿面闪络试验,探究纳米粒子对环氧纳米复合电介质沿面闪络特性的影响.结果表明:环氧纳米复合电介质的沿面闪络电压与填料的质量分数有关,适量的纳米填料会提升复合电介质的沿面闪络电压.单独加入纳米TiO2与MWCNTS分别将闪络电压提升了14.49％和23.11％,同时加入两种填料可进一步将闪络电压提升至44.99 kV,提升幅度高达36.06％.通过表面电位衰减曲线计算了材料的表面陷阱特性.分析深陷阱与沿面闪络电压的关系发现,闪络电压与深陷阱能级线性相关,陷阱能级越深,闪络电压越高.同时添加两种纳米粒子可以提高材料的深陷阱深度,从而抑制材料表面电子发射和电荷输运过程,提高沿面闪络电压.     

均匀场内压缩二元混合气体中环氧树脂的表面闪络特性

本文指出研究压缩混合气体内固体支撑物表面闪络特性的必要性,研究了均匀场内,压力在100—400kPa 的 SF_6/N_2、SF_6/CO_2、SF_6/Ar 中环氧树脂的表面闪络特性。实验结果表明:均匀电场内为了取得接近纯 SF_6沿面闪络电压,SF_6/CO_2中SF_6含量少于 SF_6/N_2中的 SF_6含量。实验数据和结论能用于确定二元压缩混合气体的成分、浓度及压力。     

聚合物绝缘材料直流闪络特性及表面形貌实验研究

研究绝缘材料沿面闪络特性及闪络过程中材料表面形貌的变化,可以为提高绝缘材料沿面耐压性能及材料表面改性处理提供参考。文中采用正极性直流电压源,对大气环境下聚四氟乙烯(PTFE)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的沿面闪络特性及闪络前后表面形貌进行了实验研究。结果表明:绝缘材料直流闪络电压近似服从韦伯分布,可借助韦伯分布统计方法求出任意概率下的闪络电压。采用三维显微镜及原子力显微镜观测了闪络前后材料的表面形貌,发现材料表面的放电痕迹均在阴极附近更为严重,并且闪络后材料表面出现连续状沟壑,表面起伏变大、粗糙度变大。文中分析表明,绝缘材料的沿面闪络电压受电场畸变程度及材料表面形貌特性的影响,可为提高聚合物绝缘材料的沿面耐压性能提供一定的参考。     

SF_6电气设备中微水对固体绝缘材料闪络电压的影响

SF_6气体中过量的水分一定条件下会凝露在固体绝缘材料表面,严重降低材料绝缘强度,甚至导致绝缘故障。研究微水量对绝缘材料闪络电压的影响对于科学制订SF_6电气设备中微水量控制标准具有重要意义。为此通过实验研究了不同温度条件下SF_6气体中微水量的变化规律及微水对固体绝缘材料闪络电压的影响规律。结果显示:环境温度不变时,微水几乎不影响绝缘材料的闪络电压。当环境温度骤变时,SF_6气体的相对湿度会出现升高,甚至可以达到100%。微水量在一定范围内对绝缘材料闪络电压没有影响,随着微水量逐渐增大,绝缘材料闪络电压出现降低,且降低程度随微水量的增多而增大。环境温度骤升时绝缘材料闪络电压更易受微水影响,且温度变化范围也对微水的威胁有很大影响,低温范围内温度变化更易使水蒸气凝露。此外,实验结果显示对于大温差地区,现行的水分控制标准过于宽松,对不同温差的地区可以考虑制订不同的微水量控制标准。     

微/纳米复合涂层对环氧树脂直流电场下闪络电压的影响

环氧树脂材料因其在电、力、热等方面的优良性能被广泛应用于高压输电设备中。然而在直流高压条件下,环氧树脂绝缘材料表面易积聚电荷,使附近电场畸变造成沿面闪络。文中采用涂覆技术,分别将微米SiO_2/EP、纳米SiO_2/EP和纳米TiO_2/EP涂层涂覆在环氧树脂基体表面,分别在0.1 MPa下的空气和SF_6中进行了直流闪络试验,并在0.1 MPa下SF_6中进行了预置电压后试样表面有电荷积聚时的直流闪络试验。试验结果表明,在空气中各环氧树脂试样的短时闪络电压相差不大,而在SF_6气体中各试样闪络电压差异明显,其中含微米SiO_2涂层的试样中,微粒质量分数为3 wt%的试样的短时闪络电压最高,含有纳米SiO_2和纳米TiO_2涂层的试样中,均为微粒质量分数为1 wt%的试样的短时闪络电压最高。预置电压后,基体的闪络电压下降了16.7%,对于含有涂层的试样,其预压后闪络电压比预压前高且均大于未涂覆的基体。含有微米SiO_2/EP、纳米SiO_2/EP和纳米TiO_2/EP涂层的试样均在微粒质量分数为3 wt%时预压后闪络电压达到最大值,其中涂层中含微米SiO_2粒子的试样的闪络电压最高。     

铜微粒对环氧树脂直流沿面闪络特性的影响

高压直流断路器的触头在频繁分合闸过程中会由于电弧烧蚀和机械磨损等原因而产生铜微粒,铜微粒会沉积在断路器断口环氧树脂表面,并显著降低其沿面绝缘性能。针对上述问题,搭建了试验平台,研究了直流电场下铜微粒粒径和位置对环氧树脂沿面闪络电压的影响规律;基于COMSOL Multiphysics建立了环氧树脂非平衡态等离子体沿面闪络模型,分析了铜微粒粒径和位置对沿面闪络电压的影响机制。研究结果表明:附着铜微粒会显著降低环氧树脂沿面闪络电压,铜微粒紧贴高压电极表面时,沿面闪络电压随铜微粒粒径的增加而下降;铜微粒位置亦会对环氧树脂沿面闪络电压产生影响,铜微粒与电极间距越小,沿面闪络电压下降就越明显;铜微粒粒径和位置的变化改变了初始放电发生过程和正负流注头部最大电场强度,进而改变了环氧树脂沿面闪络电压。上述研究结果可为解决高压直流断路器中铜微粒引起的沿面闪络问题提供参考。     

SF_6气体中氧化铝掺杂环氧树脂直流沿面闪络中的虫孔效应

为深入探讨Al_2O_3掺杂环氧树脂这种重要绝缘材料在SF_6气体中的直流沿面闪络特性,搭建了直流闪络电压测试系统,测量了0.4 MPa SF_6气体中不同Al_2O_3含量环氧树脂(Al_2O_3和环氧树脂的质量比为2.5~4.0)试样的短时和长时耐受电压及作用时间,对比分析了短时和长时电压作用下的伏秒(U–t)特征,通过闪络通道痕迹和材料微观结构分析研究了放电对Al_2O_3掺杂环氧树脂的损伤破坏,并讨论分析了沿面放电中虫孔的形成及其对闪络过程的影响。研究结果显示:特定Al_2O_3含量环氧树脂的耐受电压随电压作用时间的增加呈指数下降,且长时耐受电压比短时耐受电压低20%~30%,Al_2O_3和环氧树脂的质量比为3.5时,环氧树脂短时耐受和长时耐受电压最低,且炭化痕迹最为显著。在环氧树脂表面闪络通道中存在明显的虫孔,且随Al_2O_3含量增加,浅表层虫孔逐步转变为深层虫孔,表明随着Al_2O_3含量增加闪络路径逐步由沿面放电形式过渡为体击穿形式,二者之间Al_2O_3和环氧树脂的质量比临界值约为3.0~3.5。