直流GIL中盆式绝缘子表面电荷分布特性研究

绝缘材料的表面电荷是诱发沿面闪络的重要原因。为了研究气体绝缘输电线路(gasinsulatedmetal-enclosed transmissionline,GIL)中盆式绝缘子表面电荷的积聚特性,搭建了一套高气压下绝缘材料表面电荷实验与测量系统,实现了密闭腔体内绝缘子表面电位的全自动测量。所设计的同轴圆柱电极结构模拟了实际的GIL,用静电探头法测量了直流电压下0.5MPaSF6气体中缩比型盆式绝缘子表面电位分布。根据表面电位分布,应用高分辨率的电荷反演算法计算了绝缘子表面实际的电荷密度分布,算法中考虑了静电探头的影响。实验结果表明,表面电荷分布可分为两类不同的形态,第一类为沿中心电极对称分布的同极性电荷,第二类为条纹状分布的异极性电荷以及点状分布的单极性电荷。分析认为气体电导、绝缘子表面电导以及绝缘子体积电导分别对不同形态的电荷分布起主导作用。表面粗糙处理可以抑制第二类电荷积聚,无法抑制第一类电荷积聚,研究结果可为直流GIL的设计优化提供参考依据。     

特高压直流GIL盆式绝缘子表面电荷分布特性仿真研究

为了满足大容量长距离输电的要求,近年来,中国加快特高压直流输电工程的建设,对气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated metal-enclosed transmission lines,GIL)的需求日益迫切。限制直流GIL实际投运的关键壁垒之一是绝缘子表面积聚的电荷会增加沿面闪络电压降低的概率,故研究特高压直流GIL盆式绝缘子表面电荷分布特性存在必要性。因此,基于SF_6气体中正负离子的输运方程,利用COMSOL Multiphysics建立了真型特高压直流GIL盆式绝缘子表面电荷积聚模型,分别研究了电压幅值和电压极性对绝缘子表面电荷分布特性的影响规律以及气固界面电荷对GIL试验单元空间电场分布的影响规律。从仿真结果可知,正负电荷在盆式绝缘子内外侧均有分布,但分布特性存在一定的差异,外施电压为-800 kV时,最大正负电荷密度分别出现在绝缘子的外表面和内表面,数值分别为+19.64μC·m~(-2)和-22.93μC·m~(-2);表面电荷的积聚程度和高场强区域面积均与电压幅值呈正相关;仿真结果还表明绝缘子沿面耐受电压具有极性效应,即负极性直流耐受电压较低。     

高压直流GIL盆式绝缘子非线性电导参数优化

直流气体绝缘输电管道(direct current gas insulated lines,DC-GIL)电场分布受温度梯度、运行电压、金属微粒等诸多因素影响,具有非常大的不确定性,给绝缘设计和运行稳定性带来挑战。非线性电导材料能够自适应地调控直流设备电场分布,有望突破DC-GIL绝缘子设计瓶颈。为了兼顾电场调节作用和损耗特性,建立100 kV直流GIL仿真模型,对比研究运行工况下传统绝缘子、表层电导非线性(surface nonlinear conductivity,SNC)绝缘子和体电导非线性(bulk nonlinear conductivity,BNC)绝缘子的电场分布及损耗功率。通过分析非线性电导(nonlinear conductivity,NC)参数对气固沿面电场调控作用和损耗特性的影响规律,发现SNC绝缘子的电场畸变率先随着欧姆区电导率和非线性系数的增大而快速下降,而后趋于平稳。理想情况下,SNC绝缘子的NC参数应处于电场调节作用的"饱和临界线",且欧姆区电导率最低。而BNC绝缘子的电场调节作用仅依赖于非线性系数,降低欧姆区电导率可降低绝缘子功率损耗。缩比绝缘子实验结果证实了SNC绝缘子非线性参数直接影响DC-GIL沿面闪络电压。     

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。     

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。     

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。     

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。     

直流/交流电压下GIS绝缘子表面电荷分布特性

为了研究GIS绝缘子在交流电压和直流作用下的表面电荷分布特性,针对实际220 k V GIS盆式绝缘子研制了高分辨率的表面电荷三维测量装置,可以实现绝缘子表面电荷全径向、全圆周的扫描测量,通过实测获得了直流电压和交流电压作用下GIS绝缘子表面电荷的分布特性。研究结果表明:1)直流电压作用下绝缘子表面电荷积聚呈现明显的极性效应:正极性电压下绝缘子表面主要积聚正极性电荷,负极性电压作用下只积聚负极性电荷;无论绝缘子表面积累电荷的极性如何,其密度随着电压幅值的增大而逐渐增多,并且随电压作用时间的增加逐渐增长并趋于饱和。2)在交流电压作用下绝缘子也存在表面电荷积聚的现象,但电荷密度明显小于直流电压作用下的电荷密度;随着电压幅值的增加,电荷密度先升高再减小并趋于稳定。因此,由表面电荷引起的实际设备中的绝缘问题需引起足够重视,该文所得到的直流/交流电压下GIS绝缘子表面电荷分布特性,可为GIS/GIL设备绝缘子的设计优化提供参考。     

550 kV GIL盆式绝缘子及其组件结构优化设计

为均匀气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal enclosed tranmission line,GIL)内盆式绝缘子附近气体区域及绝缘子沿面的场强分布,提高GIL整体的工作性能及运行可靠性,采用非均匀有理B样条曲线拟合方法,重构盆式绝缘子结构形状,利用有限元分析方法,进行电场及应力场的仿真计...     

时变温差工况下直流GIL/GIS盆式绝缘子动态电场畸变抑制

为了优化时变温差工况下直流GIL/GIS盆式绝缘子的沿面电场分布,基于表层电导梯度材料(σ-SFGM)设计了以室温（RT）电场均化为目标的RT-SFGM绝缘子与兼顾不同温度梯度（GT）条件的GT-SFGM绝缘子。迭代优化后,RT-SFGM绝缘子的涂层厚度从导体到外壳梯度减小,而GT-SFGM绝缘子的凸面涂层厚度则呈现U型梯度分布。室温条件下,均匀绝缘子的凹面高压三结合点处电场畸变严重,相同位置处的RT-SFGM绝缘子与GT-SFGM绝缘子电场强度分别下降了53.3%和49.5%。随着高压导体温度的上升,绝缘子最大电场位置逐渐向接地外壳附近转移。在40℃温差条件下,GT-SFGM绝缘子的电场畸变抑制效果明显优于RT-SFGM绝缘子,最大电场强度下降59.2%。在负荷加载与负荷波动工况下,GT-SFGM绝缘子的电场变化率分别仅为7%与13.1%,可实现时变温差工况下绝缘子直流电场分布的稳定控制。     

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。     

±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.     

真空中绝缘子表面电荷分布的测量

介绍静电场探头测量电介质表面电荷的原理 ,并研制了一套在线测量真空中绝缘子表面电荷分布的测量系统 ,经校验和实用表明它线性特性很好 ,完全满足真空中绝缘子表面带电测量的要求 ,还能研究通常情况下绝缘材料 (器件 )的表面带电状况。     

材料电导率对盆式绝缘子沿面电场与电荷分布的影响

在直流电压作用下,气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated transmission line,GIL)盆式绝缘子表面容易积聚电荷;切断电压后,绝缘子表面电荷消散较慢,母线常存有残压。残余电荷的存在会威胁设备的安全运行,因此抑制表面电荷积聚,改善绝缘子沿面电场分布,具有重要意义。为此建立了恒定电场下200 kV盆式绝缘子仿真模型,提出了绝缘材料表面电导率与体电导率的比值α,计算了不同α值下绝缘子沿面电场、电荷分布以及电荷消散时间常数,最后确定了α的合理取值范围。结果表明,α值在1～10[m]之间时,直流电场分布比较均匀,绝缘子表面电荷积聚较少;该范围内表面电荷消散时间常数为数百秒,沿面是电荷消散的主要途径。该研究结果对合理选择绝缘子表面电导率与体电导率比值、优化沿面电场分布、加快表面电荷消散等方面有一定的工程参考价值。     

GIS盆式绝缘子表面电阻率测试方法及应用

GIS设备长期运行会导致盆式绝缘子材料老化,表面电阻率是表征绝缘子老化状态的一个重要参量。文中提出了一种测试GIS盆式绝缘子表面电阻率的方法,设计了一套盆式绝缘子导体临近区域曲面表面电阻率的测试装置。该装置包含两个圆环形电极,分别作为被保护电极和不保护电极,盆式绝缘子的中心导体作为保护电极,三者构成三电极结构。两个圆环形电极间距为2 mm,基于盆式绝缘子的设计尺寸,计算两电极间绝缘沿面的弧长。根据外施电压和稳态电流,最终得到绝缘子表面电阻率。通过126 kV新旧盆式绝缘子表面电阻率测试,结果表明该方法在一定程度上可评价其绝缘老化状态。     

GIS中盆式绝缘子表面放电特性研究

气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)在电力系统中占有重要地位,盆式绝缘子是GIS内部重要的部件,文章主要对其表面的放电特性进行了研究和探索。主要采用紫外成像技术、超声波检测技术和脉冲电流法对其整个放电过程进行了检测,通过对所得数据进行分析,得到了如下结论:①紫外光子数表现出了"饱和"特性,当电压增加到68 kV之后,继续增加电压,紫外光子数增加不明显;②在盆式绝缘子缺陷处,随着放电的加剧,带电粒子的碰撞更加激烈,发热增加,导致局部区域的体积急剧膨胀,压力增大导致超声信号不断增强。整个研究为后续GIS局部放电方面的研究提供了一定的参考。     

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。     

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。