直流电压下气固交界面表面电荷积聚现象的实验分析

为了研究直流电压下气体绝缘设备中气固交界面的表面电荷积聚现象,采用电容探头法对施加了直流电压后的盆式绝缘子进行了表面电位的测量,并通过数值计算得到了不同电压幅值和电压极性下的表面电荷分布.实验结果表明,整个系统中的最大场强未达到空气的起始放电场强时,绝缘子表面没有明显的电荷积聚.而当最大场强超过空气的起始放电场强时,电...     

温度对直流GIL绝缘子电荷积聚特性的影响

研究直流电压下绝缘子表面电荷积聚问题对于推进直流气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal-enclosed transmission line,GIL)的发展至关重要。现有试验研究中均未考虑温度对电荷积聚的影响,难以获得用于实际工程中的直流GIL绝缘子电荷积聚情况。而仿真计算仅从理论上分析了温度对电荷积聚的影响规律,尚缺乏有效的实验验证。为了解决上述问题,该文设计了可模拟直流GIL导杆发热现象的绝缘子表面电位测量试验平台,并设计了同轴圆柱结构试验模型。研制了紧凑型静电位测量系统对不同温度下绝缘子的表面电位进行了测量,掌握了直流GIL导杆温度对绝缘子电荷积聚特性的影响。试验结果表明:当中心电极温度由室温升高至70℃时,在正极性电压作用下,绝缘子平均表面电位由278V增大至1670V(501%);在负极性电压作用下,绝缘子平均表面电位为负,绝对值由460V增大至1507V(228%)。因此,在进行绝缘优化设计时,需要考虑温度的影响,该研究可为直流GIL绝缘优化设计提供参考。     

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。     

直流电压下盆式绝缘子电荷积聚与电场过渡特性

直流电压作用时,气–固绝缘系统电场由容性分布逐渐向阻性分布过渡,该过程伴随着电荷的积聚与消散,可能会引起闪络电压降低,但其变化规律仍不够明确。综合考虑了固体侧体电荷电导、气体侧正负离子电导以及界面电荷电导,建立了气–固绝缘系统电荷积聚模型,通过支柱绝缘子模型表面电位分布的测量与仿真,实现了电荷积聚模型的验证。利用该模型计算分析了直流电压下盆式绝缘子在电场过渡过程中的电荷积聚规律,研究了体积电导率对电荷积聚的影响规律。结果表明:电场过渡过程中,盆体凸面主要积聚同极性电荷,其高压侧附近场强降低约9.4%,低压侧附近场强增大约23.5%;盆体凹面大部分区域主要积聚异极性电荷,场强增大约5.5%;当体积电导率在10~(-14)～10~(-17) S/m之间时,盆体凸面积聚同极性电荷,盆体凹面主要积聚异极性电荷,随着体积电导率进一步降低,盆体表面电荷积聚机制逐渐转为由气体侧电导主导,电场畸变进一步加剧。该研究可为直流盆式绝缘子的绝缘设计提供计算分析依据。     

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。     

圆台形绝缘子的表面电荷密度反演算法

直流气体绝缘输电线路(GIL)中盆式绝缘子的表面电荷是诱发沿面闪络的重要原因,如何准确地测量和计算表面电荷分布仍然是一个重要的研究课题。基于多点测量技术,研究了绝缘子表面电荷密度和电场分布的反演计算方法,评估了测量系统的空间分辨率,并在计算中考虑了静电探头的影响。采用信噪比(SNR)和峰值均方根误差(PMSE)估计了该反演方法的准确度。在0.1 MPa SF6气体中,采用静电探头法测量了直流电压下金属微粒附着的缩比盆式绝缘子的表面电位分布,并计算得到了绝缘子表面电荷密度分布。结果表明,电荷密度分布图中可以清晰地发现金属微粒的位置,算法的空间分辨率和电荷分辨率分别为2.0mm和0.95p C/(mm~2·mV)。电荷密度分布和电位分布存在较大差异,电位分布不能用来代替实际的电荷密度分布。该算法可应用于旋转对称结构绝缘材料的表面电荷密度计算,可为直流GIL绝缘子表面电荷分布特性研究提供理论指导。     

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。     

SF_6中绝缘子表面电荷积聚及其对直流GIL闪络特性的影响

随着中国特高压直流输电工程建设进程的逐渐加快,直流气体绝缘输电线路(GIL)的需求日益迫切,对GIL在特高压直流下一些关键问题的研究显得至关重要。因此针对直流电压下GIL中盆式绝缘子表面电荷积聚问题展开研究,建立了一套基于静电探头法的表面电荷测量系统,研究了在SF6气体环境中,不同电压幅值和电压极性反转情况下绝缘子表面电荷的积聚规律。同时,在特高压直流GIL试验单元上进行了直流闪络试验,研究了绝缘子表面电荷积聚对直流闪络特性的影响。研究结果表明:在0.5 MPa的SF6中,绝缘子表面主要积聚与所加直流电压极性相反的电荷,这种电荷分布将增大绝缘子表面与中心电极间的局部场强,并将进一步导致绝缘子闪络;GIL中盆式绝缘子的直流耐受电压仅为交流耐受电压的64%左右。该研究为GIL中盆式绝缘子在直流电压下闪络电压下降提供了一种可能的解释。     

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。     

直流电压下GIS盆式绝缘子表面电荷及电场分布特性仿真研究

GIS中盆式绝缘子表面在外施直流电压时会积聚大量电荷使得沿面闪络电压大幅降低,从而引发一系列电气设备故障。基于上述问题,文中分析了盆式绝缘子表面电荷的来源与传导途径,采用有限元仿真计算方法构建了二维轴对称仿真模型以及设定相关参数,研究了电压极性、不同电压幅值以及电压极性反转对盆式绝缘子表面电荷分布的影响。结果表明,在直流电压下,凹面主要积聚与外施直流电压极性相反的电荷,凸面主要积聚与直流电压极性相同的电荷,且凹面积聚的电荷密度更大;在极性反转后-100 kV直流电压下,盆式绝缘子表面原先积聚的电荷密度呈现先增大后逐渐减小的趋势,随后转换极性并达到饱和,电场在靠近高压端以及盆式绝缘子沿面0～20 mm处的畸变程度较为明显。电场在盆式绝缘子表面电荷极性发生变化前出现峰值,相比较电荷达到饱和状态,此时盆式绝缘子凹面最大场强增加46%,凸面最大场强增加5.4%。该研究可为直流电压下盆式绝缘子表面电荷分布特性提供指导。     

SF_6/N_2混合气体中金属微粒对GIL盆式绝缘子表面电荷积聚特性的影响

在0.5MPa 20%SF_6/N_2混合气体中,利用静电探头和电荷反演算法测量并计算了金属微粒附着时盆式绝缘子的表面电荷分布,并研究电压类型和金属微粒长度对表面电荷分布影响。结果表明,金属微粒将加剧绝缘子表面电荷积聚并严重畸变金属微粒处电场。在直流电压下绝缘子表面电荷存在三种积聚形态,即同极性电极注入电荷、金属微粒附近双极性电荷及随机分布电荷,而在雷电冲击电压下绝缘子表面仅存在金属微粒附近双极性电荷及随机分布电荷。当金属微粒超过5mm时,直流电压下注入电荷区的存在将导致金属微粒附近积聚电荷量减少,雷电冲击电压下随机分布电荷的存在也将导致金属微粒附近积聚电荷量减少。     

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。     

基于表面电位测量的表面电荷反演计算

目前无法直接测量得到表面电荷分布,而必须根据测量结果进行复杂的表面电荷反演计算。为此,对表面电荷反演计算方法进行了研究。基于绝缘子表面电位测量,对日本学者Ootera等人提出的表面电荷反演计算方法进行了改进,将原先的对关联矩阵2次求逆简化为1次求逆。使用改进后算法,以直流电压下空气和SF6气体中盆式绝缘子表面电位的测量结果为算例,计算得到的自由电荷面密度空间分布与改进前算法的结果一致。与改进前算法相比,改进后算法进一步得到了绝缘子表面视在电荷与极化电荷的面密度分布,并发现同一气体环境下自由电荷与视在电荷面密度峰值有明显差异,空气中相差370pC/cm2,SF6气体中相差530pC/cm2。     

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。     

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。     

电极接触方式对环氧树脂表面电荷积聚与消散特性的影响

直流电压下绝缘子表面电荷积聚会造成电场畸变，导致气–固界面沿面放电甚至绝缘失效，因此研究表面电荷积聚与消散特性具有重要意义。为了研究电极接触方式对环氧树脂表面电荷积聚与消散特性的影响，通过在电极–环氧树脂制备而成的绝缘子接触面涂抹/不涂抹导电胶来模拟电极–绝缘子间的两种接触状态，即紧密接触/非紧密接触。进而研究金属和固体电介质间不同的接触方式对直流电压下绝缘子表面电荷积聚和消散特性的影响。实验结果表明：当电极与绝缘子间紧密接触时，材料表面主要积聚与施加电压极性相同的电荷，而当电极与绝缘子间非紧密接触时，材料表面主要积聚与施加电压极性相反的电荷。同时，随加压时间延长不同接触方式下的电荷积聚总量也有显著差异。而在消散过程中，两种接触方式下表面电荷都以沿面迁移为主导，电荷分布区域呈显著的收缩现象，且紧密接触方式下的电荷消散速度快于非紧密接触方式。     

±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.     

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。     

直流电压下GIS气固绝缘介质电场仿真与试验研究进展

与交流不同,直流电压下气固绝缘系统的电场分布取决于电介质的电导率。在绝缘系统电场由容性转化为阻性的同时,电荷在气固介质交界面积聚而改变了原有电场,导致其沿面闪络特性下降,制约着直流GIS的工程应用。目前关于直流GIS绝缘介质电场的仿真和试验研究已成为国际上的热点,文中对此进行系统性的综述,包括:GIS直流电场的数学计算模型,不同介质的电气特性,GIS绝缘子表面电荷测量方法,表面电荷测量系统等。最后,对直流GIS相关仿真和试验研究工作给出了建议。     

高压GIS功能梯度绝缘子交/直流电场优化与沿面闪络抑制

在双极高压直流(high voltagedirect current,HVDC)系统中,气体绝缘金属封闭开关设备(gas-insulated switchgears,GIS)可能承受交-直流混合电压。为了提高盆式绝缘子的沿面耐电性能,该文提出了基于多维功能梯度材料(multi-dimensional functionally-graded material,MFGM)的绝缘子交、直流电场协同优化方法,制备了兼具体介电常数梯度材料(ε-functionally gradient materials,ε-FGM)和表面非线性电导材料(surface nonlinear conductivity materials,SNCM)的MFGM绝缘子,并在直流、交流和交-直流混合电压下开展电场仿真计算与沿面闪络测试。结果表明：直流电压下MFGM绝缘子的凸面中心区域积聚同极性表面电荷,而周围区域积聚异极性表面电荷,使高压三结合点处的电场强度较常规绝缘子降低25%,沿面闪络电压提升约14.5%;交流电压下,MFGM绝缘子的沿面电场畸变较常规绝缘子降低21%,沿面闪络电压提升约18%;交-直流混合电压下,...