武汉大学电气工程学院、南方电网科学研究院有限责任公司的研究人员唐炬、潘成、王邸博、傅明利、卓然,在2017年第8期《电工技术学报》上撰文指出,随着直流输电技术的发展,直流气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)因其具有占地面积小、可靠性高、维护少等优点已得到越来越多的关注。

相比交流GIS,直流GIS盆式绝缘子存在严重的表面电荷积聚问题,导致其沿面闪络特性下降,制约着直流GIS的工程应用。目前关于高压直流下绝缘材料表面电荷积聚特性及抑制措施的研究已成为国际上的热点。

本文对此进行系统性的综述,包括:表面电荷测试的常用技术和电荷反演算法,表面电荷的积聚途径及相应来源,表面电荷积聚的仿真模型,表面电荷积聚的影响因素及调控措施。最后,对表面电荷积聚下一步的研究工作给出了建议。

直流输电因其具有损耗小、输送容量大、易于实现电网互联等优点,已在电能远距离输送、新能源接入等方面得到了广泛应用[1,2]。直流气体绝缘金属封闭开关设备(Gas InsulatedSwitchgear, GIS)将部分高压部件密闭组合,并充以压缩SF6气体代替空气绝缘,从而能够极大地缩短绝缘距离、提高系统可靠性,对于缓解城市变电站用地紧张、降低海上风电场建设成本具有无可比拟的优势。

国外对直流GIS的研究起步较早。1985年,美国BPA电力公司即着手利用直流GIS来解决换流站的防污问题[3]1988BPAABB开展了合作研究,将交流550kV GIS800kV GIS改装为直流 ±500kV GIS,并于1996年顺利通过了长期试验。2000年,由日本关西电力公司、四国电力公司和电源发展公司联合研制的直流±500kV GIS成功应用于阿南换流站,但其实际运行电压只有±250kV[4]。我国自20世纪80年代就开始直流GIS的相关研究[5],但目前仍处于理论研究阶段。

盆式绝缘子表面电荷积聚是影响直流GIS绝缘性能的重要因素之一。与交流电压相比,直流电压下电场分布取决于电介质的电导率。在由静电场向恒定电场过渡的瞬态过程中,表面电荷会在绝缘子与气体的交界面积聚。而且,由于电压极性保持不变,微放电、电晕放电等产生的带电粒子在绝缘材料表面积聚后不易消散。

积聚的表面电荷会导致绝缘子表面电场分布发生畸变,易引发沿面闪络[6,7]。因此,深入研究并掌握绝缘子表面电荷的积聚规律,能够为直流GIS设计和运行提供理论与技术参考,具有重要意义。

本文对高压直流下绝缘材料表面电荷积聚的研究现状进行综述,内容主要为:表面电荷测量技术,表面电荷积聚机理,表面电荷积聚的仿真研究,表面电荷积聚的影响因素,表面电荷积聚的抑制措施。

1表面电荷测量技术(略)

2表面电荷积聚机理(略)

3表面电荷积聚的仿真模型(略)

4影响表面电荷积聚的因素(略)

5表面电荷调控措施

表面电荷在积聚的过程中也伴随着电荷衰减,因而可以通过减少表面电荷积聚和增加表面电荷衰减来达到电荷调控的目的。目前表面电荷调控方法主要有三种:绝缘子结构优化、电极涂覆绝缘材料和绝缘子改性。

5.1绝缘子结构优化

通过优化绝缘子结构来抑制表面电荷积聚,一方面要尽量减少表面电场的法向分量,从而抑制表面电荷通过气体侧或者体传导积聚;另一方面要增加切向电场的均匀性,从而削弱电荷通过表面传导积聚。图11所示为在交流1 150kV GIS盆式绝缘子基础上增加内屏蔽电极,并且改变绝缘子尺寸从而实现绝缘子结构的优化。

绝缘子结构优化不需要引入其他材料,因而在工程上较易实现,但直流GIS盆式绝缘子仍要兼顾交流下的结构需求,要以交流盆式绝缘子结构为基础[50],因而此方法对表面电荷抑制效果是有限的。

5.2电极涂覆绝缘材料

电极上涂覆绝缘材料可以有效地削弱电极上因细小突起造成的微放电,从而抑制表面电荷通过气体侧传导发生积聚。以色列电力公司的E. Volpov利用静电喷漆技术将低密度聚乙烯涂覆到电极表面(涂层厚度为300500m),分别测试了直流电压下有无涂层两种试样的V-T曲线[50]。相比于无涂层试样,电极在涂覆绝缘材料后长时直流闪络电压提高了50%

5.3绝缘子改性

绝缘子改性涉及体改性和表面改性。由式(12)可得,通过调节绝缘材料体积电导率可以有效地减小表面电荷积聚。德国慕尼黑工业大学的B. Lutz等提出绝缘子体积电导率为5×1017·cm时表面电荷积聚量最少[33]。但增加体积电导率会带来绝缘子泄露电流增大的风险,不利于其长期运行性能。

虽然目前对绝缘材料表面传导的认识存在分歧,但大量的仿真研究表明:当绝缘子表面电导率具有非线性特性时,表面电荷积聚可以得到有效抑制[31,49]。图12为常见的六种情形下表面电荷的积聚情况,可以发现当表面电导为非线性时,积聚的电荷量最小。但目前通过在绝缘子表面涂覆非线性电导材料来抑制电荷积聚还未见相关报道。

近年来,一些新型的物理化学方法被应用于绝缘材料表面改性,以达到表面电荷调控的目的,为实际应用提供了一定参考。

同济大学安振连和天津大学杜伯学等利用表面氟化技术来处理绝缘材料[51,52],发现氟化可以改变试样表层的组分和结构,使表面电导率显著增大,从而抑制表面电荷积聚。

另外,天津大学高宇等研究了伽马线辐射下的表面电荷聚散特性[53,54],发现伽马射线引起的化学反应能使试样表层的陷阱密度和能级发生变化,导致其表面电荷积聚能力下降,而且能够增强表面电荷消散速率。

中科院电工所章程等利用介质阻挡放电来产生低温等离子体对绝缘材料进行处理[55],发现随着处理时间的增加,表面电位衰减速率明显加快,如图13所示,未处理试样在撤去外加电压后出现了极性翻转,表面电位时间远高于2min

通过分析,他们认为:一方面等离子体处理能够降低水接触角,从而引起绝缘材料表面吸附水分含量提高,增大表面电导率,加快表面电荷消散速率;另一方面,试样表面生成了新的化学基团,表面陷阱能级变浅,促使入陷电荷更易脱陷。

6结论

随着超特高压直流气体绝缘设备的大量使用,固体绝缘表面积聚电荷对设备绝缘特性产生影响的情况将越来越突出。本文针对直流固体表面电荷测试技术、表面电荷积聚机理、表面电荷积聚仿真模型、表面电荷积聚影响因素以及表面电荷积聚抑制措施等进行了简要的综述,并对于后续研究提出如下建议。

1)进一步研究运行设备表面电荷测量的实用技术,以实现对运行设备内部固体绝缘表面电荷的连续、精确和有效测量。

2)系统性地研究多因素作用下(包括温度、湿度、气压以及绝缘子表面状态等)固体绝缘表面电荷积聚特性与规律,以进一步确认影响表面电荷积聚的主要因素。

3)建立GIS盆式绝缘子表面电荷积聚的多物理场仿真模型(包括电、磁和热等),研究不同条件下固体绝缘表面电荷从静电场到恒定电场过渡过程中的变化特性,揭示表面电荷积聚机理与消散条件。

4)探索应用新技术、新方法和新材料来实现对固体绝缘表面电荷的调控,研究多种因素共同作用对固体绝缘表面电荷积聚特性的影响,测试兼顾电荷积聚时盆式绝缘子沿面闪络及长时工作特性,从而获得能够满足工程需求的直流气体绝缘设备盆式绝缘子设计方案和技术参数。

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