不同电场下硅橡胶直流沿面闪络特性实验研究

为进一步探究聚合物绝缘材料的沿面闪络特性,搭建了沿面闪络实验平台,在不同电场下对硅橡胶(Si R)进行沿面闪络实验。通过图像处理技术及数值计算方法对沿面闪络光、电特性进行分析,探索并建立了沿面闪络光、电特性间的关联。结果表明:沿面闪络的光、电特性与电场分布有关。与稍不均匀电场相比,极不均匀电场下沿面闪络发光强度较低、放电通道分形维数较小;并且极不均匀电场下闪络电压较低,放电能量较小。沿面闪络的光、电特性存在一定关联。通常地,闪络电压、电流较大时,闪络通道的亮度较大且分布范围较广,沿面放电能量较高。因此,沿面闪络的光、电特性参数能够有效反映绝缘材料的沿面绝缘强度。     

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。     

GIS绝缘子在冲击电压下沿面闪络的分析

利用计算和试验两种方法,对在SF_6气体中的绝缘子施加冲击电压下的电场及其引起的沿面闪络原因进行了剖析,指出在冲击电压作用下,增加屏蔽罩是减弱电极结构所引起的电场垂直分量的一条行之有效的途径;沿面闪络主要取决于电场分布的均匀度和绝缘子表面受周围环境导电微粒污染这两个基本因素;电极形状导致的局部场强增大,靠增加绝缘子沿面闪络距离不能明显提高沿面闪络电压。     

液氮中绝缘体表面形状对沿面闪络电压的影响

液氮环境下绝缘材料沿面闪络特性的研究是低温高压绝缘技术的重要内容,为得出有效增大爬电距离的方法,研究了液氮环境下绝缘材料的不同表面形状对沿面闪络电压的影响。通过实验测量了爬电距离均为10 mm的不同直径的圆柱形试品、不同斜面倾角的圆台形试品和折线形侧面试品在液氮中的沿面冲击闪络电压,并对试品的电场进行了仿真。实验结果表明:液氮环境中,圆柱型绝缘体直径增加,沿面闪络电压略有下降;不同形状的绝缘体沿面闪络电压有较大差异,其原因是表面形状改变了电场分布,三结合点处场强愈小,绝缘表面电位梯度愈均匀,沿面闪络电压愈高。     

氮气气压和电场分布变化下的绝缘子沿面闪络特性

文中采用实际电力运行中使用的支柱型绝缘子,研究了不同氮气气压、不同电场形式下绝缘子的雷电冲击沿面闪络特性的影响并得到了绝缘子的沿面特性随气压的变化曲线。接着通过机加工等技术手段,在原有绝缘子上进行加工设计了无伞裙直筒型绝缘子、双伞裙型绝缘子以及四伞裙型绝缘子,利用仿真手段得到了绝缘子表面的电场分布,研究了N_2下绝缘子伞裙形状和电场分布对其沿面闪络特性的影响。结果表明,正、负极性下绝缘子的平均50%闪络电压随着气压的增大而增大,且变化趋势均呈现良好的线性变化关系。由于沿面放电视造成设备击穿的重要因素,文中工作为低压力N_2绝缘柜式金属封闭开关设备的结构设计提供了有益的指导。     

交/直流电压下气体绝缘变电站盆式绝缘子表面电荷对闪络电压的影响

在气体绝缘变电站(GIS)中,盆式绝缘子表面电荷的存在会使局部电场发生畸变,严重时还会降低沿面闪络电压。为此,研制了一种用于实际252 k V GIS盆式绝缘子表面电荷的3维测量装置,可以对盆式绝缘子表面电荷进行全径向、全角度测量。参考实际盆式绝缘子的绝缘设计裕度及其沿面闪络特性,设计了闪络试验模型,分别针对直流、交流电压作用下绝缘子表面电荷对沿面闪络电压的影响开展了研究。结果表明:在交流电压和直流电压作用下,随着表面电荷积累量的增加,绝缘子沿面闪络电压有所减小;相比于交流电压50 k V作用1 h工况下,在53 k V交流电压作用3 h工况下,盆式绝缘子的沿面闪络电压降低了10.2%,而直流电压下,绝缘子的沿面闪络电压最大可降低23.0%,这说明了绝缘子表面电荷的存在对其沿面闪络电压具有明显的影响,在绝缘设计时需予以重视。研究结果可为GIS及气体绝缘输电线路(GIL)绝缘子的绝缘设计提供参考。     

GIS支撑绝缘子表面状况对其雷电冲击闪络特性的影响

SF6气体绝缘开关设备(GIS)的运行经验表明,绝缘子往往是系统绝缘最薄弱环节和决定性因素,因此研究绝缘子闪络特性的影响因素具有十分重要的意义。文中通过搭建1 000 kV陡前沿冲击试验装置,研究了雷电冲击作用下GIS内部支撑绝缘子表面状况对其闪络特性的影响。结果表明:绝缘子沿面闪络电压随表面粗糙度的增大而降低,文中从绝缘子表面吸附能力的角度对其进行了分析;绝缘子表面附着导电微粒时其闪络电压显著降低,且导电微粒距高压电极越近,绝缘子闪络电压越低,可从导电微粒附着位置对绝缘子沿面电场分布的影响上进行解释。     

盆式绝缘子存在自由金属颗粒时的电场分析及其对沿面闪络的影响

为研究气体绝缘全封闭式组合电器(GIS)中盆式绝缘子表面存在自由金属颗粒时的沿面电场分布及其对沿面闪络的影响,建立了800k V盆式绝缘子三维结构模型,采用有限元法对盆式绝缘子存在大小、位置及形状不同的自由金属颗粒时分别在工频电压、雷电冲击电压及快速暂态过电压(VFTO)作用下的电场进行了分析。给出了不同情况下盆式绝缘子的沿面电场分布、沿面法向和切向电场强度分布曲线及电场强度最大值。通过与不存在缺陷时的闪络场强作对比分析,为GIS的绝缘设计提供参考。     

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。     

沿面电场对GIS绝缘子闪络电压的影响

为分别探究绝缘子沿面合成场强、切向场强分量和法向场强分量对其闪络电压的影响,以不同沿面电场分布的48种环氧支柱绝缘子试样为研究对象,根据其在标准雷电波下的闪络电压,与有限元法计算的沿面电场分布结果,分析了绝缘子沿面合成场强最大值E_(max)、切向场强最大值E_(tmax)、法向场强最大值E_(nmax)对其沿面闪络电压U_f的影响规律。结果表明,E_(max)、E_(tmax)、E_(nmax)与U_f的相关度分别为-0.90、-0.84、-0.73。根据气体放电理论分析可知,E_(max)是影响绝缘子沿面闪络放电起始以及放电形式转变的主要因素,E_(tmax)是影响绝缘子沿面闪络发展的次要因素。但根据气-固界面静电场衔接条件可知,通过改变绝缘子形状和电极结构来减小E_(nmax)能够有效降低E_(max),同时可以有效抑制绝缘子表面电荷的积聚。因此,建议将沿面合成场强、切向场强、法向场强控制值一同纳入绝缘子电场设计规范。     

湿润污秽绝缘表面电场及针板电极下的沿面放电

为研究湿润污秽条件下绝缘表面电场分布和沿面放电特性,基于ANSYS软件建立了绝缘表面存在水膜和水滴的简化模型,用准静态谐分析法计算了湿润污秽对绝缘表面电场和沿面电位的影响。对针板电极下瓷和室温硫化硅橡胶的沿面放电进行了研究,对其影响因素展开分析。结果表明:以湿润污秽为中心的小区域电场发生畸变;瓷绝缘表面的污秽水膜影响绝缘子电压和电场分布,其电导率对绝缘子局部区域的电压分布具有影响。分离污秽水珠的个数、体积和电导率对室温硫化硅橡胶表面电场造成不同程度的影响,绝缘表面闪络过程存在阶段性。不同电场下的污秽水珠运动存在差异,不同绝缘表面沿面放电存在明显区别;电场极不均匀是导致针板电极下沿面放电存在极性效应的主要因素,湿润污秽的分布、体积和数量对极性效应均存在影响。     

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。     

重复频率微秒脉冲电压下多间隙气体开关级间绝缘子沿面闪络特性

多级间隙气体开关是高功率微波装置中的关键器件,其中级间绝缘子沿面绝缘强度是影响开关稳定性和寿命的关键因素之一。文中模拟级间绝缘子实际工作条件,对平行平板电极中的圆柱形绝缘子试样施加重频微秒脉冲电压,开展闪络电压、闪络时延以及沿面寿命的实验研究。结果表明：气/固介电常数差异加剧电场畸变,使得闪络电压随着绝缘子材料介电常数增大而降低,SF6中不同材料闪络电压的差异小于空气中;由于累积效应,闪络电压和闪络时延随着重复频率增加整体呈下降趋势;相同欠压比下,绝缘子沿面寿命随着气压升高而增长,SF6中沿面寿命高空气中一个数量级,介电常数较大的材料具有更优异的沿面寿命;SF6与空气闪络路径的差异导致SF6中沿面闪络特性具有与空气中不同的特点,闪络放电分散性低于空气中,重频脉冲作用下材料表面光电发射作用更为显著,连续闪络中劣化猝发等。该研究为级间绝缘子沿面绝缘设计和绝缘材料筛选提供了理论依据。     

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。     

金属微粒对GIS中绝缘子冲击闪络特性的影响

高电压等级电力系统中,特快速瞬态过电压(VFTO)引起的GIS绝缘事故日益严重。为探究冲击电压下绝缘子沿面闪络特性和机理,研制了陡前沿冲击试验装置。研究了微粒附着位置及微粒尺寸对绝缘子冲击闪络特性的影响规律。结果表明:正常绝缘子在VFTO下闪络电压较雷电冲击闪络电压高;工程运行气压下,500 k V正常绝缘子VFTO闪络电压较雷电冲击高13%,附着微粒绝缘子的VFTO闪络电压会比雷电冲击闪络电压低近10%。附着微粒位于近高压导体侧时绝缘子闪络电压最低;微粒位于盆式绝缘子沿面一定位置时,随其长度增加,绝缘子闪络电压降低,当微粒大于一定临界长度时,负极性VFTO闪络电压低于负极性雷电冲击闪络电压。VFTO下,附着微粒绝缘子的沿面闪络可用先导和"逆放电"机理来解释。空间电荷积聚和能量注入是形成先导放电的必要条件,高频位移电流和"逆放电"促进了绝缘子沿面闪络过程。     

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。     

负极性直流下金属微粒对SF_6中支柱绝缘子闪络特性的影响

金属微粒是导致气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated transmission line,GIL)绝缘子闪络的重要原因之一。为研究金属微粒对支柱绝缘闪络特性的影响,搭建了实验平台,研究了负极性直流下气压、金属导电微粒尺寸及位置对SF6中支柱绝缘子闪络特性的影响,对闪络过程进行了分析,并应用有限元分析软件对表面电场分布情况进行了计算。结果表明:当绝缘子表面存在金属微粒时,绝缘子闪络电压随气压增大会出现极大值,此现象主要与空间电荷的分布有关;金属微粒附着于高压导体侧时,闪络电压随金属微粒长度增加明显降低,当微粒长度超过一定值时,闪络电压下降减缓;微粒位于绝缘子金属电极侧时对绝缘水平影响最大,随着金属微粒远离高压电极,闪络电压先上升后降低。     

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。     

电场分量对交直流复合电场下油纸绝缘沿面放电特性的影响

油纸绝缘沿面放电现象与绝缘纸板表面的电场分布关系密切,因而使用无背面电极和有背面电极两种结构,研究了电场分量对交直流复合电压下油纸绝缘沿面放电特性的影响机制。研究结果表明:随着直流电压分量的不断增加,油纸绝缘的沿面闪络电压逐渐上升,且交流电压下的闪络电压最低;无背面电极结构下沿面闪络电压无极性效应,有背面电极结构中存在极性效应,且负极性直流电压分量作用下,由于纤维素中羟基的强电负性影响,致使沿面闪络电压较低;无背面电极结构时的闪络电压约为有背面电极结构时闪络电压的1.5倍,分析认为由于载流子受到强垂直电场分量作用,加剧了对绝缘纸板表面的碰撞,油纸绝缘空间电荷平衡状态易在较低交流电压分量作用下受到扰动而被破坏,进而诱发沿面闪络发生,致使沿面闪络电压逐渐下降,该下降趋势具有饱和现象;沿面闪络在交流电压分量接近波峰或者波谷位置处发生。     

覆冰圆柱绝缘子起弧前电位与电场分布研究

绝缘子覆冰闪络之所以比污秽闪络过程复杂,不仅在于电弧发展过程中放电路径不唯一,而且往往与覆冰水电导率、覆冰形态等因素有关,因此该文在人工气候室对覆冰光滑圆柱绝缘子进行了交流闪络特性试验,着重从电场的角度研究覆冰水电导率与无冰带对绝缘子起弧前沿面电位、电场分布的影响。试验和计算结果表明:无冰带长度与绝缘子闪络电压成线性关系;无冰带的位置对闪络电压和沿面最大电场强度有较大的影响;覆冰水电导率越高闪络电压越低,同时电位、电场畸变越明显;较高相对介电常数的冰体、较高电导率的融冰水膜和无冰带的存在,是使绝缘子沿面电位、电场分布发生变化,进而一定条件下导致起弧的重要因素。