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。     

冲击电压作用下绝缘子表面电荷的积聚

试验研究冲击电压作用下绝缘子表面电荷的分布及冲击电压幅值对绝缘子表面电荷积聚影响的结果表明 :在极不均匀场中 ,绝缘子表面的电荷密度并不总是随着冲击电压幅值的增加而逐渐增加 ,在预闪络条件下表面电荷密度会由于预放电电流等离子体的中和作用而减少 ;绝缘子表面电荷积聚与电极形状有关 ;积聚在绝缘子表面的电荷主要来源于绝缘子表面气体侧的局部放电 ;在一定的条件下冲击电压作用下的表面电荷积聚与直流电压作用下的表面电荷积聚一样严重     

GIS中绝缘子表面电荷积聚的观测与分析

在高电压绝缘研究领域,绝缘子表面电荷的测量属于静电测量的范畴,不能用常规的仪器仪表进行测量,特别是在真空或SF6气体等特殊环境中。为了能准确地反映绝缘子表面的带电情况,采用反馈式静电计及其相应的静电探头,对积聚在绝缘子表面的电荷进行了研究,发现电荷量随着施加电压幅值的不同而不同。利用有限元分析软件对相同结构的绝缘子进行了电场计算,与测量结果对比分析表明,绝缘子表面的法向场强分量是气-固交界面处引起表面电荷积聚的根本原因。     

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...     

高电压直流复合绝缘子表面电荷积聚的有限元数值模拟及影响分析

空间直流电场和伞裙表面电荷静电将造成高电压直流工程用复合绝缘子伞裙表面快速并大量积聚电荷,引起绝缘子沿面电场畸变且闪络电压降低,从而导致高电压直流工程用复合绝缘子的绝缘性能和耐老化性能下降。以FXBW6-10/70型号的高电压直流输电线路用复合绝缘子为例,建立复合绝缘子二维仿真模型,采用有限元法对表面存在有电荷的高电压直流复合绝缘子进行电气特性分析,研究表面积聚电荷的正、负极性以及电荷积聚量对伞裙轴向和径向电场分布的影响规律,采用改进的电容探头测量伞裙表面积聚电荷随时间的动态变化过程,验证有限元仿真的有效性。结果表明:导线侧三交汇点处场强最大值与伞裙表面积聚的负极性电荷量呈负相关,与伞裙表面积聚的正极性电荷量呈正相关;伞裙表面积聚电荷存在由伞裙内侧逐步向伞裙边沿扩散的动态特性。     

冲击电压作用下影响表面电荷积聚过程的因素分析

建立了电压与表面电荷分布的动态方程 ,引入了电荷积聚时间常数的概念。从理论上证明了冲击电压作用下绝缘子表面可以产生一定量的电荷积聚 ,并对影响表面电荷积聚过程的因素进行了分析 ,理论分析结果得到了已往文献实验结果的证实。     

操作冲击电压下GIS绝缘子表面电荷的积聚特性

在气体绝缘变电站(gas insulated substation,GIS)的实际运行工况中,开关操作会使GIS设备承受操作冲击过电压,导致盆式绝缘子表面积聚表面电荷,表面电荷的存在不仅会使得局部电场发生畸变,更为沿面放电的发展提供了电荷,是造成绝缘子沿面闪络的重要因素。该文以实际的252k V GIS盆式绝缘子为试验模型,建立了表面电荷测量试验平台,采用静电探头法测量了SF6气体密闭环境下盆式绝缘子的表面电荷,获得了操作冲击电压作用下盆式绝缘子表面电荷积聚特性及其外施电压作用次数和电压幅值对其的影响。研究结果表明:无论在正极性或负极性操作冲击电压下,绝缘子表面均同时积聚正负极性电荷,但是负极性电荷相比于正电荷积聚量更大,且正极性电压下此现象更为明显;正极性操作冲击电压下,随着电压幅值的增加,绝缘子表面电荷平均积聚量明显增加,最高电荷幅值为-0.52μC/m~2,而负极性电压下,电荷平均积聚量表现出先增大后减小的趋势,其电荷平均密度最大为-0.16μC/m~2;表面电荷积聚量随着外施电压次数的增加逐渐增大,正极电压下表面电荷积聚量的增幅明显,而负极性电压下表面电荷增幅较小,但分布较均匀。该文研究所得到的操作冲击电压下GIS表明电荷积聚特性,进一步强调了由表面电荷引起的实际工况下设备绝缘问题的重要性,可为GIS设备绝缘子的优化设计提供参考。     

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。     

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。     

界面电荷注入与积聚行为对直流GIS/GIL绝缘子沿面电场的影响分析

气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)和气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metalenclosed transmission line,GIL)运行电流大,设备内部存在明显的温度梯度分布,造成高压电极附近电荷的注入与迁移加剧,导致绝缘子内空间及表面电荷的积聚,畸变电场,容易诱发沿面闪络故障。为此文中建立了电—热耦合应力下直流盆式绝缘子内的电荷注入与积聚模型,研究了考虑电荷注入和迁移特性的绝缘子空间电荷及表面电荷积聚情况,并分析了不同负载电流下绝缘子沿面电场分布规律。研究结果表明:温度梯度下,导体—绝缘界面电荷注入会造成绝缘子内部同极性空间电荷的积聚,并且空间电荷积聚密度会随着负载电流的增大而增大;空间电荷的积聚会减弱高压电极附近电场强度,增强绝缘子凸侧表面法向电场强度,加剧表面电荷的积聚;空间及表面电荷的积聚会使绝缘子表面电势上升,导致接地电极附近电势差增大,电场强度显著增大,地电极三结合点处的场强由空载条件下的1.71 kV/mm增长为额定电流作用下的3.47 kV/mm,增加了103%。该研究结果有助于理解温度梯度下直流绝缘子表面电场畸变机理,并对直流绝缘子的优化设计和安全运行有一定的参考价值。     

Insulator surface charge accumulation under impulse voltage

The surface charge distribution under impulse voltage is measured using a static capacitance probe. A probe with very small charge leakage is designed. The condition of surface charge accumulation under impulse voltage is analyzed, and it is concluded that micro discharges in the gas near the insulator surface such as the corona caused by free and fixed metal particles is usually a prerequisite condition. The dynamic equation describing the relationship between surface charge density and the applied voltage is established, and the process of surface charge accumulation under impulse voltage is analyzed. Theoretical analysis and experimental results show that the decrease of wave front time of the impulse voltage can result in an increase of surface charge accumulation. A GIS spacer is used to investigate the influence of charge accumulation on the flashover characteristics. It is shown that the 50% impulse flashover voltage can be reduced by 23.4%, and the lower limit of the V-t characteristics can be lowered drastically if the polarity of the surface charge is opposite to that of the applied voltage.     

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。     

表面电荷积聚对冲击电压下绝缘子沿面放电的影响

绝缘子的表面缺陷会导致表面电荷积聚，使绝缘子表面的电场发生畸变，影响冲击电压下绝缘子的沿面放电。研究了表面电荷对绝缘子沿面放电进程的影响，发现表面电荷积聚可以降低绝缘子沿面放电的起始电压。外施冲击电压的极性与绝缘子表面电荷极性是否相同会影响绝缘子的电晕起始时刻、由流注向先导的转变时间间隔和流注电晕电流。表面电荷对GIS支撑绝缘子的50％冲击闪络电压和伏秒特性也有一定的影响。     

极性反转电压下非线性电导硅橡胶复合材料电荷积聚特性

直流电缆附件是直流输电系统的薄弱环节,为研究非线性电导对极性反转电压下电缆附件硅橡胶绝缘电荷积聚特性的影响,通过添加SiC颗粒制备具有非线性电导的硅橡胶复合材料试样,利用三电极法和表面电位测量系统获得试样的电导率和表面电荷特性。实验结果表明：由于试样中SiC晶粒的晶格振动引起载流子晶格散射,高温会造成试样电导率降低;试样表面电荷平面分布特性表明,电晕电压极性反转后,平板试样内部残留的原极性电荷与表面的异极性电荷提高了局部电场强度,使试样的电导率升高,加速了表面电荷向试样内部迁移和异极性电荷中和过程,抑制了表面电荷的积聚。     

极性反转电压下非线性电导硅橡胶复合材料电荷积聚特性

直流电缆附件是直流输电系统的薄弱环节,为研究非线性电导对极性反转电压下电缆附件硅橡胶绝缘电荷积聚特性的影响,通过添加SiC颗粒制备具有非线性电导的硅橡胶复合材料试样,利用三电极法和表面电位测量系统获得试样的电导率和表面电荷特性。实验结果表明：由于试样中SiC晶粒的晶格振动引起载流子晶格散射,高温会造成试样电导率降低;试样表面电荷平面分布特性表明,电晕电压极性反转后,平板试样内部残留的原极性电荷与表面的异极性电荷提高了局部电场强度,使试样的电导率升高,加速了表面电荷向试样内部迁移和异极性电荷中和过程,抑制了表面电荷的积聚。     

对绝缘子表面电荷积聚机理的讨论

从电磁场基本方程组出发,给出非均质介质中绝缘子表面电荷积聚的规律,揭示其物理本质和关键影响因素;研究了不同绝缘介质的交界面电荷积聚的方式和特点。用本文提出的理论可以解释文献报导的三种积聚模型,为分析绝缘子表面电荷积聚状况提供了理论依据。     

等离子体射流快速改性促进表面电荷衰减

随着高压直流输电迅猛发展,绝缘材料在直流电压下表面电荷积聚现象严重威胁直流输电系统的安全可靠运行。为加快绝缘材料表面电荷的消散,采用大气压等离子体射流,以TEOS为前驱物,在环氧树脂表面沉积SiO_x薄膜。对改性前后材料表面化学组成、表面电导率、表面电荷特性、表面陷阱分布以及耐压特性进行多参数测量,研究等离子体射流改性前后环氧树脂表面特性。实验结果表明:等离子体处理在环氧树脂表面引入大量以Si-O-Si及Si-OH基团为主的无机基团,且表面电导率提高2个数量级。随着改性时间的延长,表面电荷的初始积聚量减少,消散速度加快,陷阱能级深度变浅;沿面闪络电压呈现先增后降的趋势,在改性180s时闪络电压提高到最高值9.0k V。研究结果表明:通过大气压等离子体射流在聚合物表面沉积薄膜能够提高环氧树脂绝缘性能,为其工程应用提供了有效的改性方法。     

真空中绝缘子闪络前表面带电现象的仿真研究

真空中绝缘子发生沿面闪络之前存在绝缘子表面的带电现象,该现象对闪络的发展具有重要影响,到目前为止对该现象进行实时测量还存在很大的难度。基于二次电子发射雪崩(secondary electron emission avalanche,SEEA)模型,利用Monte Carlo法研究了真空中圆柱型和圆台型绝缘子在闪络前表面电荷密度的二维分布。仿真中采用了氧化铝陶瓷、聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰亚胺(PI)以及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等不同绝缘材料。考察了绝缘材料、施加电压以及圆锥绝缘子不同锥角对表面电荷密度和分布的影响。仿真结果表明,在靠近阴极处的绝缘子表面存在小区域的负电荷区,而后变为较大区域的正电荷区;二次电子发射系数较小的绝缘子表面的正电荷密度较小;随外施电压升高,负电荷的密度及区域减小,而正电荷的密度及区域增大,且正电荷区域的峰值向靠近阴极方向移动;圆台绝缘子的锥角为负时其表面正电荷密度大于锥角为正时的情况,当锥角在-22.5°~-30°之间时表面正电荷密度达到最大,而此时对应的闪络电压最低。仿真结果与实验结果有较好的对应关系。