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高压直流电源绝缘材料表面电荷积聚研究进展

来源:美端电气   发布时间:2019-06-04 16:26

高压直流电源绝缘材料表面电荷积聚研究进展

大学电气工程学院、南方电网科学研究院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,随着直流电源输电技术的发展,直流电源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(Maintain)少等优点已得到越来越多的关注。
相比交流GIS,直流电源GIS盆式绝缘子存在严重的高压直流电源表面电荷积聚问题,导致其沿面闪络特性下降,制约着直流电源GIS的工程应用。目前关于高压直流电源下绝缘材料(合成树脂)高压直流电源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:高压直流电源表面电荷测试的常用技术和电荷反演算法,高压直流电源表面电荷的积聚途径及相应来源,高压直流电源表面电荷积聚的仿真模型,高压直流电源表面电荷积聚的影响因素及调控措施。最后,对高压直流电源表面电荷积聚下一步的研究工作给出了建议。
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。
积聚的高压直流电源表面电荷会导致绝缘子高压直流电源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高压直流电源表面电荷的积聚规律,能够为直流电源GIS设计(Design)和运行提供理论与技术参考,具有重要意义。
本文对高压直流电源下绝缘材料高压直流电源表面电荷积聚的研究现状进行综述,内容主要为:高压直流电源表面电荷测量技术,高压直流电源表面电荷积聚机理,高压直流电源表面电荷积聚的仿真研究,高压直流电源表面电荷积聚的影响因素,高压直流电源表面电荷积聚的抑制措施。
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
高压直流电源表面电荷在积聚的过程中也伴随着电荷衰减,因而可以通过减少高压直流电源表面电荷积聚和增加高压直流电源表面电荷衰减来到电荷调控的目的。目前高压直流电源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]
绝缘子结构优化不需要引入其他材料(Material),因而在工程上较易实现,但直流电源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],因而此方法对高压直流电源表面电荷抑制效果是的。
5.2  电极涂覆绝缘材料(合成树脂)(Material)
电极上涂覆绝缘材料(Material)可以有效地削弱电极上因细小突起造成的微放电,从而抑制高压直流电源表面电荷通过气体侧传导发生积聚。返回
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