直流电压下盆式绝缘子表面电荷对沿面闪络的影响
金硕，郭世瑞，杨宇晨，吴子威，张晓星，张瑞
DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.20240170
在GIS设备中，绝缘子沿面闪络主要原因是电荷在盆式绝缘子表面积累导致其电场分布极不均匀，使得沿面闪络电压大幅降低，对GIS设备绝缘构成严重威胁。尽管电荷积聚会使闪络电压降低，但电荷积聚对闪络电压变化产生的影响及其之间的规律还需要进一步探究。本文构建了SF6气体中缩比盆式绝缘子的物理仿真模型，分析了在不同电压幅值、电压极性、加压时间以及电压极性反转下电荷分布对沿面闪络电压的影响，为直流GIS设计提供参考。
2.1 盆式绝缘子表面电荷积聚仿真分析
目前普遍认为在直流电压下，电荷在绝缘子表面积聚主要分为三个途径：绝缘气体积聚、固体绝缘材料积聚和绝缘材料沿面积聚，如图1所示。
在电场作用下，电荷积聚是一个动态过程，不同的阶段电荷积聚的途径也不完全相同，本研究中主要考虑到气-固沿面传导以及气体中电荷的运动特性，且绝缘子内部传导电流很小，因此忽略不考虑。
由于实际GIS设备为旋转对称结构，本文建立了二维轴对称几何模型，高压导体及绝缘子仿真模型如图2所示。高压导体半径为15mm，接地外壳距离高压导体的距离为60mm，盆式绝缘子厚度为20mm。
图2 GIS结构示意图
设定正极性电压为350kV，负极性电压为300kV，加压时间分别设置为30min、60min、90min、120min。盆式绝缘子外施350kV和-300kV的电压时，不同加压时间下的表面电荷密度分布分别如图3、图4所示。
电荷极性方面，正极性电压下盆式绝缘子凹面主要积聚与外施电压极性相反的电荷，即积聚负电荷，凸面主要积聚正电荷。电荷数量方面，随着加压时间的增长，盆式绝缘子表面电荷密度越大，但电荷积聚的范围没有明显改变，且电荷密度的增长幅度逐渐减小。电荷分布方面，绝缘子凹面靠近高压电极的区域主要积聚负电荷，随着离高压电极越远，负电荷积聚量逐渐减小，在加压30min到60min之间，电荷密度增长最快，且盆式绝缘子凸面的电荷密度明显小于盆式绝缘子凹面的电荷密度。电荷变化情况方面，随着加压时间的增加，盆式绝缘子表面积聚的电荷密度趋于饱和，电荷迁移和扩散的速率逐渐减小，在加压的初期，电荷主要为气体和表面传导，且在三结合点（气体-金属-绝缘子联结点）处的电荷密度最大。
在研究电压极性反转下的电荷积聚特性时，分别选取了电压极性反转后0min、20min、50min、120min四个不同时刻下的电荷分布，电压极性由正转为负时电荷分布与电场变化情况分别问如图5、图6所示。在电压极性反转后，随着外施电压时间的增大，绝缘子表面初始积聚的电荷密度整体呈现逐渐减小的趋势，与反转后电压极性相反的电荷密度逐渐增大。盆式绝缘子沿面0-10mm区域积聚的电荷对电场畸变程度更为严重，且盆式绝缘子表面积聚的负电荷对电场影响更大。
图5 电压极性由正转为负后不同时刻绝缘子表面电荷分布
图6 电压极性由正转为负后不同时刻绝缘子表面电场分布
对盆式绝缘子分别施加350kV、380kV、400kV、-300kV、-330kV、-350kV的直流电压，且每个电压均分别施加30min、60min、90min和120min的直流电压，在加压完成后对盆式绝缘子进行闪络试验，并分析闪络电压与电荷密度的关系。正、负电压不同加压时间后盆式绝缘子沿面闪络电压与电荷密度的关系如图7、图8所示，为了更加直观的反映闪络电压与电荷密度之间的关系，其中闪络电压用绝对值表示。
随着绝缘子表面电荷积聚的增加，闪络电压呈现逐渐下降的趋势，在350kV电压下，相比于预施电压初期的闪络电压最大可下降9.3%，区域内负电荷密度最大值为-150.4μC/m2。在-300kV电压下，闪络电压最大可下降10.7%，且电最大荷密度相差约2.6倍。在-350kV电压下的闪络电压较-300kV电压等级下的闪络电压下降了5.4%。
图7 不同正电压下表面电荷密度与闪络电压的关系
图8 不同负电压下表面电荷密度与闪络电压的关系
电压极性反转分为正极性反转为负极性和负极性反转为正极性两种情况开展试验研究，且每种情况下各个电压对应的加压时间分别为30min、60min、90min和120min。正极性反转至负极性试验下的闪络电压如图8所示。负极性反转至正极性试验下的闪络电压如图9所示。
电压极性反转后电荷的极性逐渐发生改变，电场畸变更为严重，与盆式绝缘子表面积聚的电荷叠加后使得绝缘裕度发生改变，导致闪络电压大幅降低。电压极性由负转为正时，相比于施加单极性电压且电荷积聚最多的时候，电压极性反转后的闪络电压最大下降了12.3%，同理分析正极性反转为负极性的闪络电压可知，相比于施加单极性电压且电荷积聚最多的时候，电压极性反转后的闪络电压最大下降了29.4%。
图8 正极性反转为负极性的电荷密度与闪络电压的关系
图9 负极性反转为正极性的电荷密度与闪络电压的关系
本文对缩比盆式绝缘子开展了直流电压下表面电荷积聚仿真与闪络试验研究，研究了电荷积聚对盆式绝缘子闪络电压的影响，得出以下结论：
1.随着加压时间的增长，盆式绝缘子表面电荷积聚的范围没有明显改变，且电荷密度的增长幅度逐渐减小，呈现饱和的状态。在电压极性反转后，绝缘子表面初始积聚的电荷密度整体呈现逐渐减小的趋势，在原先积聚的电荷被中和的过程中，电场畸变程度更严重。
3.随着表面电荷的积累，正极性电压下最大可使闪络压下降9.3%，负极性电压最大可使闪络电压下降10.7%。相比于施加单极性直流电压，在负极性转正极性过程中，闪络电压最大可下降12.3%，而在正极性转负极性过程中，闪络电压最大可下降29.4%。且闪络电压与电荷密度表现为负相关，电压极性反转对直流GIS设备的绝缘性能危害更大。
金硕，博士，硕士生导师，主要从事电力装备电磁-多物理场数值仿真与绝缘状态评估等方面的研究。作为主要研究人员先后参与国家重点基础研究发展计划（973计划）子课题、国家自然科学基金项目等多项纵向科研项目。主持及参与科研项目四十余项，在相关领域发表EI/SCI检索期刊论文数十篇，授权国内外发明专利十余项，获24届中国专利优秀奖一项。
郭世瑞，湖北工业大学硕士研究生，主要从事高电压与绝缘技术、GIS绝缘方面的研究。
张晓星，博导，教育部“长江学者奖励计划”特聘教授、国家百千万工程人选，有突出贡献的中青年专家，享受国务院特殊津贴，教育部新世纪优秀人才。现任湖北工业大学电气与电子工程学院院长，主要从事高压电气设备绝缘在线监测与状态评估、新型传感技术和环保型气体绝缘材料等方向研究。主持包括国家自然科学基金在内的国家级项目十余项，获国家技术发明二等奖1项、省部级科技成果一等奖4项，获湖北省教学成果二等奖1项。
团队介绍：
本文作者主要来自湖北工业大学高压电器智能监测与环保绝缘技术团队，该团队面向电工装备安全、智能、环保的重大发展需求，依托新能源及电网装备安全监测湖北省工程研究中心等五个省部级平台，围绕输变电装备运行安全领域的关键科学问题，长期致力于电气设备绝缘在线监测与故障诊断、新型传感技术、新型环保电工材料等方向的研究。目前，团队共有教授2人、副教授2人，讲师10人，研究生70余人。其中，长江学者特聘教授1人、湖北省楚天学者2人、硕士生导师14人。
责编：卫李静
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