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高壓直流電源絕緣材料表面電荷積聚研究進展

来源:美端电气 ??发布时间:2019-06-04 16:26

高壓直流電源絕緣材料表面電荷積聚研究進展

大學電氣工程學院、南方電網科學研究院責任公司的研究人員唐炬、潘成、王邸博、傅明利、卓然,在2017年第8期《電工技術學報》上撰文指出,隨著直流電源輸電技術的發展,直流電源氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)因其具有占地面積小、可靠性高、維護(Maintain)少等優點已得到越來越多的關注。
相比交流GIS,直流電源GIS盆式絕緣子存在嚴重的高壓直流電源表面電荷積聚問題,導致其沿面閃絡特性下降,制約著直流電源GIS的工程應用。目前關于高壓直流電源下絕緣材料(合成樹脂)高壓直流電源表面電荷積聚特性及抑制措施的研究已成爲國際上的熱點。
本文對此進行系統性的綜述,包括:高壓直流電源表面電荷測試的常用技術和電荷反演算法,高壓直流電源表面電荷的積聚途徑及相應來源,高壓直流電源表面電荷積聚的仿真模型,高壓直流電源表面電荷積聚的影響因素及調控措施。最後,對高壓直流電源表面電荷積聚下一步的研究工作給出了建議。
直流电源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(解释:向自然界提供能量转化的物质)接入等方面得到了广泛应用(application)[1,2]。直流电源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。
国外对直流电源GIS的研究起步较早。1985年,美国BPA电力公司即着手利用直流电源GIS来解决换流站的防污问题[3]。1988年BPA与ABB开展了合作研究,将交流550kV GIS和800kV GIS改装为直流电源  ±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电源±500kV GIS成功应用于阿南换流站,但其实际运行高压直流电源电压只有±250kV[4]。我国自20世纪80年代就开始直流电源GIS的相关研究[5],但目前仍处于理论研究阶段。
盆式绝缘子高压直流电源(power supply)表面电荷积聚是影响直流电源GIS绝缘性能的重要因素之一。与交流高压直流电源电压相比,直流电源高压直流电源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,高压直流电源表面电荷会在绝缘子与气体(gases)的交界面积聚。而且,由于高压直流电源电压极性保持不变,微放电、电晕放电等产生的带电粒子在绝缘材料高压直流电源表面积聚后不易消散。
積聚的高壓直流電源表面電荷會導致絕緣子高壓直流電源表面電場分布發生畸變,易引發沿面閃絡[6,7]。因此,深入研究並掌握絕緣子高壓直流電源表面電荷的積聚規律,能夠爲直流電源GIS設計(Design)和運行提供理論與技術參考,具有重要意義。
本文對高壓直流電源下絕緣材料高壓直流電源表面電荷積聚的研究現狀進行綜述,內容主要爲:高壓直流電源表面電荷測量技術,高壓直流電源表面電荷積聚機理,高壓直流電源表面電荷積聚的仿真研究,高壓直流電源表面電荷積聚的影響因素,高壓直流電源表面電荷積聚的抑制措施。
1  高压直流电源表面电荷(electric charge)测量技术(略)
2  高压直流电源表面电荷积聚机理(略)
3  高压直流电源表面电荷积聚的仿真模型(略)
4  影响高压直流电源表面电荷积聚的因素(略)
5  高压直流电源(power supply)表面电荷调控措施
高壓直流電源表面電荷在積聚的過程中也伴隨著電荷衰減,因而可以通過減少高壓直流電源表面電荷積聚和增加高壓直流電源表面電荷衰減來到電荷調控的目的。目前高壓直流電源表面電荷調控方法主要有三種:絕緣子結構優化、電極塗覆絕緣材料和絕緣子改性。
5.1  绝缘子结构优化
通过优化绝缘子结构来抑制高压直流电源表面电荷积聚,一方面要尽量减少高压直流电源表面电场的法向分量,从而抑制高压直流电源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,从而削弱电荷通过高压直流电源表面传导积聚。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(electrode),并且改变绝缘子尺寸从而实现绝缘子结构的优化。
图11 直流电源GIS盆式绝缘子结构(Structure)优化[50]
絕緣子結構優化不需要引入其他材料(Material),因而在工程上較易實現,但直流電源GIS盆式絕緣子仍要兼顧交流下的結構需求,要以交流盆式絕緣子結構爲基礎[50],因而此方法對高壓直流電源表面電荷抑制效果是的。
5.2  电极涂覆绝缘材料(合成树脂)(Material)
電極上塗覆絕緣材料(Material)可以有效地削弱電極上因細小突起造成的微放電,從而抑制高壓直流電源表面電荷通過氣體側傳導發生積聚。電阻測試儀是测量物体导电性的一种仪器,電阻測試儀被广泛的应用于电气安全检查与接地工程竣工验等场合。以色列电力公司的E. Volpov利用静电喷漆技术(Technology)将低密度聚乙烯涂覆到电极高压直流电源表面(涂层厚度为300~500m),分别测试了直流电源高压直流电源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电源闪络高压直流电源电压提高了50%。
5.3  绝缘子改性
绝缘子改性涉及体改性和高压直流电源表面改性。由式(12)可得,通过调节(adjust)绝缘材料体积电导率可以有效地减小高压直流电源表面电荷积聚。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时高压直流电源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高压直流电源电流增大的风险,不利于其长期运行性能。
雖然目前對絕緣材料高壓直流電源表面傳導的認識存在分歧,但大量的仿真研究表明:當絕緣子高壓直流電源表面電導率具有非線性特性(characteristic])時,高壓直流電源表面電荷積聚可以得到有效抑制[31,49]。接地電阻測試儀型号電阻測試儀的种类比较多,包括接地電阻測試儀、绝缘電阻測試儀、接地電阻測試儀、直流电阻测量仪、表面電阻測試儀以及回路電阻測試儀。图12为常见的六种情形下高压直流电源表面电荷的积聚情况,可以发现当高压直流电源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高压直流电源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。
图12 不同情形下高压直流电源表面电荷积聚[49]
近年來,一些新型的物理化學方法(method)被應用于絕緣材料高壓直流電源表面改性,以到高壓直流電源表面電荷調控的目的,爲實際應用提供了一定參考。钳形接地電阻測試儀在測量有回路的接地系統時,不需斷開接地引下線,不需輔助電極,安全快速、使用簡便。鉗形接地電阻儀能測量出用傳統方法無法測量的接地故障,能應用于傳統方法無法測量的場合,因爲鉗形接地電阻儀測量的是接地體電阻和接地引線電阻的綜合值。鉗形接地電阻儀有長鉗口及圓鉗口之分。長鉗口特別適宜于扁鋼接地的場合。
同济大学安振连和天津大学杜伯学等利用高压直流电源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,使高压直流电源表面电导率显著增大,从而抑制高压直流电源表面电荷积聚。
另外,天津大學高宇等研究了伽馬線輻射下的高壓直流電源表面電荷聚散特性[53,54],發現伽馬射線引起的化學反應能使試樣表層的陷阱密度和能級發生變化,導致其高壓直流電源表面電荷積聚能力下降,而且能夠增強高壓直流電源表面電荷消散速率。
中科院電工所章程等利用介質阻擋放電來産生低溫等離子體對絕緣材料進行處理[55],發現隨著處理時間的增加,高壓直流電源表面電位衰減速率明顯加快,如圖13所示,未處理試樣在撤去外加高壓直流電源電壓(voltage)後出現了極性翻轉,高壓直流電源表面電位時間遠高于2min。
通過分析(Analyse),他們認爲:一方面等離子體處理能夠降低水接觸角,從而引起絕緣(insulated)材料高壓直流電源表面吸附水分含量提高,增大高壓直流電源表面電導率,加快高壓直流電源表面電荷消散速率;另一方面,試樣高壓直流電源表面生成了新的化學(Chemistry)基團,高壓直流電源表面陷阱能級變淺,促使入陷電荷更易脫陷。
图13 等离子体处理时间对高压直流电源表面电荷(electric charge)消散的影响[55]
6  结论 
隨著超特高壓直流電源氣體絕緣設備的大量使用,固體絕緣高壓直流電源表面積聚電荷對設備絕緣特性(characteristic])産生影響的情況將越來越突出。本文針對直流電源固體高壓直流電源表面電荷測試技術、高壓直流電源表面電荷積聚機理、高壓直流電源表面電荷積聚仿真模型、高壓直流電源表面電荷積聚影響因素以及高壓直流電源表面電荷積聚抑制措施等進行了簡要的綜述,並對于後續研究提出如下建議。
1)進一步研究運行設備高壓直流電源表面電荷測量的實用技術,以實現對運行設備內部固體絕緣高壓直流電源表面電荷的連續、精確和有效測量。
2)系統性地研究多因素(factor)作用下(包括溫度、濕度、氣壓以及絕緣子高壓直流電源表面狀態等)固體絕緣高壓直流電源表面電荷積聚特性與規律,以進一步確認影響高壓直流電源表面電荷積聚的主要因素。
3)建立GIS盆式絕緣(insulated)子高壓直流電源表面電荷積聚的多物理場仿真模型(包括電、磁和熱等),研究不同條件下固體絕緣高壓直流電源表面電荷從靜電場到恒定電場過渡過程中的變化特性,揭示高壓直流電源表面電荷積聚機理與消散條件。
4)探索應用新技術、新方法和新材料來實現對固體絕緣高壓直流電源表面電荷的調控(釋義:調節、控制),研究多種因素共同作用對固體絕緣高壓直流電源表面電荷積聚特性的影響,測試(TestMeasure)兼顧電荷積聚時盆式絕緣子沿面閃絡及長時工作特性,從而獲得能夠滿足工程需求的直流電源氣體絕緣設備盆式絕緣子設計方案(plan)和技術參數。