低温温度梯度下环氧玻璃纤维材料表面电荷积聚行为及其对沿面闪络特性的影响

超导能源管道终端由于其特殊的运行环境,终端用绝缘材料在承受高电场的同时,也承受着近百摄氏度的低温温度梯度。为此基于超导电缆终端常用绝缘材料——环氧玻璃纤维材料,研究了低温温度梯度下绝缘材料表面电荷积聚特性及其对沿面闪络特性的影响机制。首先测量了环氧玻璃纤维材料在不同温度以及不同温度梯度下的沿面闪络特性;随后利用仿真软件建立了绝缘材料气-固界面的电荷迁移模型,分析了不同温度以及不同温度梯度对材料表面电荷积聚特性和表面电场分布特性的影响;最后结合试验结果与仿真结果,提出了低温温度梯度对绝缘材料沿面闪络的影响机制。试验结果表明:当温差ΔT=100K时,绝缘材料表面的局部放电起始电压与闪络强度分别为无温度梯度时的74.0%和75.9%。而仿真结果显示,低温温度梯度下绝缘材料表面电荷积聚现象明显,表面最高电场强度可达到不存在温度梯度时的10倍左右。因此,温度梯度下材料表面电荷积聚以及电场的畸变被认为是造成绝缘材料沿面绝缘强度下降的重要原因。该研究有助于理解低温温度梯度下材料表面电荷积聚特性及其对电场分布和闪络电压的影响机制,对低温下绝缘材料的绝缘特性研究以及绝缘优化设计具有重要意义。

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。

直流气体绝缘金属封闭输电线路中绝缘子的表面电荷积聚研究

直流气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated transmission line,GIL)在特殊环境下可替代部分架空输电线路或电缆,从而提高输电走廊选择的灵活性。严重影响直流GIL绝缘水平的关键因素之一是沿支撑绝缘子表面的电荷积聚现象。通过建立一个板板电极系统来模拟GIL中同轴圆柱结构的电场分布,研究直流下GIL中绝缘子电荷积聚的机制,绝缘子的形状、SF6的电导率对表面电荷积聚的影响,以及电荷积聚对绝缘子沿面电场分布的影响。结果表明,聚四氟乙烯绝缘子的表面电导率比体积电导率受电场的影响更大;初始时沿面法向场强小的绝缘子的电荷积聚能得到明显抑制;SF6的电导率与绝缘子表面电导率的比值影响积聚电荷的极性。

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。

表面电荷积聚对绝缘子沿面闪络影响的研究

通过对典型绝缘子表面电荷分布特点的分析,研究了表面电荷与放电起始间的关系。研究表明在表面电荷作用下绝缘子沿面闪络起始电压会发生变化。对110kV三相共箱式GIS绝缘子的闪络实验表明,表面电荷可使绝缘子沿面闪络电压下降23.4%。对位移电流作用下的绝缘子沿面闪络先导发展模型进行改进,补充了表面电荷对该模型的影响。指出表面电荷产生的附加电场会影响流注电晕内部正负电荷的分离速度及放电的进一步发展。

直流GIL内金属微粒对表面电荷积聚影响的三维仿真及实验研究

针对直流GIL中金属微粒污染问题,该文研究了其对模型绝缘子表面电荷积聚的影响。基于麦克斯韦理论,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软件对三维情况下绝缘子形状、金属微粒不同黏附形态以及不同气体环境对表面电荷积聚的影响进行了求解分析,同时搭建了考虑导电微粒情况的电荷测量平台,对仿真中典型设置进行实验,验证仿真结果的正确性。研究表明,随截面底角减小,电荷更多积聚于绝缘子表面;黏附于绝缘子表面的金属微粒会引起表面电荷大积聚激增,沿高低压电极连线黏附微粒引起积聚最明显;气体环境改变会引起表面电荷积聚发生改变,低气压时更易积聚电荷。

直流电压下绝缘子附近纤维的吸附运动行为及其对表面电荷积聚的影响

从近几年交流气体绝缘隔离开关(gas insulated switchgear,GIS)现场运行情况发现,纤维也可引起设备绝缘故障,而直流单极性场下,纤维的带电更为充分,运动也将更为活跃,且和绝缘子表面电荷有着强烈的交互作用。为此通过搭建半封闭式同轴圆柱电极实验平台,研究了直流电压下纤维在电极上充电效应,以及在盆式绝缘子附近吸附运动特性,最后使用粉尘图法,分析了纤维附着状态下对绝缘子表面电荷积聚的影响程度。研究结果表明,纤维由充电效应在启举过程中表现时滞特性,并实验验证了纤维充电特性。纤维起跳后在气隙中呈往复摆动向上的吸附运动特性,当纤维长度较长或离绝缘子较远时,起跳后的径向速度较小,且由于受到地电极静电吸附的影响运动高度很低,从而被吸附于绝缘子中下部表面;相反,纤维起跳后径向速度大,首次与绝缘子表面碰撞时攀升或被反弹,最终吸附于绝缘子中上部表面。通过粉尘图得出纤维附着状态下长期耐压后,将呈现“伞状”电荷分布,且与高压电极接触时,电荷分布范围广且积聚量最多;与地电极接触时次之;附着于绝缘子中间部位时最小。

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。外拖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。

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。

直流电压下C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中环氧复合绝缘子表面电荷积聚特性

SF中的表面电荷积聚现象已有较多报道,而CFN作为目前最受关注的环保型绝缘气体,其混合气体中的表面电荷积聚却报道较少。为研究直流电压下C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中绝缘子表面电荷积聚现象,选择缩比型绝缘子作为实验样品,采用同轴圆柱电极结构,施加直流高压,测量0.1MPa、0.2MPa和0.3MPa以及5%、10%、15%和20%摩尔含量下C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中的绝缘子表面电荷分布。实验结果表明,C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中表面电荷形态呈现3种分布:高压电极附近不规则形状的同极性电荷注入区、高压电极附近的异极性电荷斑和绝缘子表面云状分布的双极性杂散电荷。随着气压升高,异极性电荷斑增大,注入区范围略有减少,云状电荷消失。随着CFN含量升高,注入区电荷密度、异极性电荷斑和云状电荷范围均提高。与SF相比,C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体对电场更敏感,增强了气体电离和气体传导,使得气体侧产生的异极性电荷在法向电场作用下大量沉积在绝缘子表面上。在C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中,绝缘子表面积聚了更多电荷,对于其实际应用,应采取一定的表面电荷抑制措施。

温度和电场引起绝缘子体积电导率非均匀性对表面电荷积聚特性的影响

为阐明直流高压下电场和温度导致的绝缘子体积电导率非均匀性对表面电荷积聚的影响,建立了多物理场仿真模型,研究了表面电荷的积聚特性。结果表明:电场强度变化导致的电导率非均匀性对表面电荷分布有一定影响,但当绝缘子内部电场强度较低时,最大表面电荷密度与电导率非均匀性无关;当内部电场强度较高时,相比体积电导率均匀情况下,最大电荷密度有所减小。此外,温度梯度会导致绝缘子下表面最大电荷密度增加以及电荷分布特征发生变化,而对于绝缘子上表面,电导率非均匀性会导致正、负电荷的共存。因此,与温度和电场有关的体积电导率非均匀性是导致绝缘子表面电荷通过体传导积聚的重要原因。

基于电–热多物理场耦合模型的直流GIL绝缘子表面电荷积聚及其对沿面电场影响的研究

表面电荷积聚是制约直流气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal-enclosed transmission line,GIL)绝缘子闪络电压提高的主要因素。由于实际测量困难,国内外学者通过建立数学模型开展仿真计算获得绝缘子表面电荷积聚特性。然而现有研究均未考虑GIL中复杂的热传递过程,所建立的电荷积聚模型难以反映实际工程中直流GIL绝缘子电荷积聚情况。为解决上述问题,该文建立了直流GIL内部热交换方程,掌握了实际工况下GIL内部温度分布规律,考虑绝缘气体电流密度与电场强度间的非线性关系以及温度对绝缘材料电学特性的影响,建立了绝缘子电荷积聚电–热多物理场耦合模型。基于此模型,研究了不同运行电流下直流GIL绝缘子电荷积聚情况及电场畸变特性,研究结果表明:当处于小电流运行状态时,直流GIL绝缘子上表面最大切向电场为4.26k V/mm;处于大电流运行状态时,最大切向电场强度为5.01k V/mm,增大了17.6%。对于绝缘子下表面,随着运行电流增大,最大切向电场强度由4.55k V/mm增至5.36k V/mm,增长了17.8%。因此,在进行绝缘优化设计时,需重点考虑直流GIL导杆在最大允许温升下的沿面电场分布,该研究成果可为直流GIL绝缘优化设计提供参考。

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。

直流电压下盆式绝缘子表面电荷积聚效应的仿真

由于直流输电及直流融冰工程中难以避免的盆式绝缘子表面电荷积聚和闪络现象,因此我们对直流电压环境下的盆式绝缘子表面电荷分布进行了较为详细的试验研究。试验采用了SCM技术设计了专用探头,并使用这一探头与PC专用分析软件结合,得到了3000多组测量数据,同通过对这3000多组数据进行分类挖掘和可视化的仿真,取得了一定的研究成果。

高压直流GIL中盆式绝缘子表面电荷积聚与消散的仿真研究

温度梯度和表面电导作为影响盆式绝缘子表面电荷积聚和消散的重要因素却常被忽略。基于因GIL不同筒壁温度与中心电极构成的不同温度梯度而形成的表面电导率梯度和固体侧体积电导率梯度进行有限元仿真,研究温度梯度和电压幅值对绝缘子表面电荷积聚和消散的影响及GIL实际运行过程中的表面电荷积聚和消散主导机制及最适筒壁温度。研究结果表明,高压直流下盆式绝缘子表面电荷积聚和消散的主导机制均为体电导主导,表面电导的贡献比体电导小2个数量级,气体电导的贡献可忽略不计,绝缘子表面电荷积聚和消散均符合双指数函数模型,上表面电荷聚散相比下表面对温度梯度的敏感性更高,提高筒壁温度可有效削弱绝缘子表面沿面电场畸变、抑制表面电荷积聚并促进表面电荷消散,GIL最适筒壁温度在318K附近。

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.

直流GIS/GIL盆式绝缘子表面电荷主导积聚方式的转变机理

构建气体侧传导(包含气体载流子产生、扩散、漂移、复合等输运过程)、绝缘材料体传导和表面传导共存条件下盆式绝缘子表面电荷积聚仿真模型,研究了三种参数变化条件下表面积聚特性。仿真表明,当气体中离子对生成率和绝缘子体电导率改变时,绝缘子表面电荷极性会发生改变。在此过程中,表面电荷积聚主导途径会在气体侧传导和绝缘子体传导之间转变。根据净电荷值的规律分别定义离子对生成率和体电导率改变时积聚途径改变的临界值,由于电场分布的差异导致上表面及下表面的临界离子对生成率不同,临界体电导率为5.76×10-18S/m。当绝缘子表面电导率增大时,表面传导对电荷积聚的影响逐渐增大,可以推测出表面电导率足够大时,电荷积聚主导机理会转变为表面传导。该研究有助于理解表面电荷的积聚机理,并能够为抑制电荷积聚提供新的思路。

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。

高压直流复合绝缘子表面电荷检测装置的研制

为了研究高压直流复合绝缘子表面电荷积聚现象,研制了一套新型的可用于伞裙结构绝缘子的表面电荷检测装置。装置使用改进的电容探头,通过GPRS无线通讯方式进行数据传输,并借助于LabVIEW软件进行数据处理;设计了机械控制装置来带动探头对绝缘子进行360°精确扫描。此装置可以实现复合绝缘子伞裙和护套表面的自动精确测量。测量结果表明,在阴极端第1个伞裙表面电荷积聚量相对较大,且主要为负电荷。分析表明,伞裙表面电荷来源主要是电极附近的局部放电。