SF_6中绝缘子表面电荷积聚及其对直流GIL闪络特性的影响_张博雅

第41卷第5期：1481-1487 高电压技术V ol.41, No.5: 1481-1487 2015年5月31日High V oltage Engineering May 31, 2015 DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.2015.05.009SF6中绝缘子表面电荷积聚及其对直流GIL闪络特性的影响张博雅1,2，王强1,2，张贵新1,2，李金忠3（1. 清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084；2. 清华大学电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点试验室，北京100084；3. 中国电力科学研究院，北京100192）摘 要：随着中国特高压直流输电工程建设进程的逐渐加快，直流气体绝缘输电线路(GIL)的需求日益迫切，对GIL在特高压直流下一些关键问题的研究显得至关重要。

因此针对直流电压下GIL中盆式绝缘子表面电荷积聚问题展开研究，建立了一套基于静电探头法的表面电荷测量系统，研究了在SF6气体环境中，不同电压幅值和电压极性反转情况下绝缘子表面电荷的积聚规律。

同时，在特高压直流GIL试验单元上进行了直流闪络试验，研究了绝缘子表面电荷积聚对直流闪络特性的影响。

研究结果表明：在0.5 MPa的SF6中，绝缘子表面主要积聚与所加直流电压极性相反的电荷，这种电荷分布将增大绝缘子表面与中心电极间的局部场强，并将进一步导致绝缘子闪络；GIL中盆式绝缘子的直流耐受电压仅为交流耐受电压的64%左右。

该研究为GIL中盆式绝缘子在直流电压下闪络电压下降提供了一种可能的解释。

关键词：表面电荷；绝缘子；SF6；气体绝缘；GIL；特高压直流；闪络；静电探头Surface Charge Accumulation on Insulators in SF6 and Its Effects on the FlashoverCharacteristics of HVDC GILZHANG Boya1, 2, WANG Qiang1, 2, ZHANG Guixin1, 2, LI Jinzhong3(1. Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. State Key Laboratory of Control andSimulation of Power System and Generation Equipment, Tsinghua University, Beijing 100084, China;3. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)Abstract：As the process of UHVDC power transmission projects accelerates in China, the demand for DC gas insulated transmission lines (GIL) is increasing. Thus it is very necessary to investigate the key issues of GIL under UHVDC vol-tage. Focusing on the surface charge accumulation phenomenon of GIL insulator under DC voltage, we established a surface charge measurement system based on an electrostatic voltmeter. Moreover, we studied the surface charge accu-mulation patterns in SF6 under different voltage amplitudes and under polarity reversal conditions. Meanwhile, we experimentally studied the flashover in a UHVDC GIL test unit in order to study the influence of surface charge accumu-lation on the flashover characteristics of the GIL insulator. The results show that, in SF6 at 0.5 MPa, the most accumulated charges on the insulator surface are those with the opposite polarity of the applied voltage, which can enhance the electric field between the electrode and insulator surface and even leads to flashover on the insulator. The flashover experiments show that the maximum withstand voltage of GIL insulator under DC voltage is just 64% of that under AC voltage. The study can give a possible explanation for the reduction of DC flashover voltage of GIL insulator.Key words：surface charge; insulator; SF6; gas insulated; GIL; UHVDC; flashover; electrostatic probe0引言我国地域辽阔，风电、水电等可再生资源主要———————基金资助项目：国家重点基础研究发展计划(973计划) (2014CB239502)。

Project supported by National Basic Research Program of China (973 Program) (2014CB239502).集中在西部和北部，而负荷中心集中在东部和南部，能源储备和电力负荷的分布极不均衡，因此必然需要能源和电力的跨区域、大规模流动[1]。

特高压直流输电方式是目前世界上电力大国实现远距离、大容量输电和电网互联的重要手段之一，能够实现大1482高电压技术 2015,41(5)范围的资源优化配置[2]。

但是，我国特高压直流输电线路不可避免地要经过高海拔、大落差等地理环境恶劣和气象条件多变的地区，这对于输电线路走廊选择、线路检修维护以及换流站设备连接等均提出了更高的要求。

气体绝缘输电线路(gas insulated transmission line, GIL)具有输送容量大、占地少、环境兼容性好、运行可靠性高等独特优势，且能够很好地解决上述问题，因此成为传统架空输电线路、电力电缆和穿墙套管的有效替代方案[3]。

GIL 技术从20世纪70年代开始在世界范围内得到广泛应用，然而截至目前，绝大部分GIL 工程只限于交流输电领域[4]，直流气体绝缘设备的一些关键技术问题仍没有完全解决[5]。

其中一个重要的原因就是，直流GIL 中支撑绝缘子表面电荷积聚严重，畸变了沿面电场分布，使得某些情况下闪络电压大大下降[6]。

而且，在直流电压极性发生改变时，电荷积聚对绝缘子沿面放电的影响将更加明显[7]。

目前，盆式绝缘子在GIL 设备中广泛使用，因此针对盆式绝缘子表面电荷积聚的研究显得尤为重要。

然而，由于盆式绝缘子特殊的结构不易实现表面电荷的测量，现有的研究大都针对平板绝缘 子[8-9]、圆柱绝缘子[10-11]或缩比绝缘子模型[12]进行，很少对实际绝缘子展开研究。

到目前为止，只有20世纪90年代末日本三菱公司Ootera 等人的研究具有一定参考价值，他们采用无源静电探头法对500 kV GIS 上的盆式绝缘子进行电荷测量，得到了电荷分布图样[13]。

然而无源静电探头测量精度有限，其试验结果比较粗糙。

本文针对220 kV GIL 盆式绝缘子，在0.5 MPa 的SF 6 环境中测量其表面电荷分布，研究了不同电压幅值和电压极性反转情况下盆式绝缘子表面电荷的积聚规律。

并通过在特高压直流GIL 试验单元上进行的盆式绝缘子直流闪络试验，分析了表面电荷积聚对绝缘子闪络特性的影响。

1 试验设置及方法1.1 表面电荷测量系统盆式绝缘子表面电荷测量系统的示意图如图1所示。

高压由直流高压发生器产生，经过保护电阻，施加到220 kV GIL 高压引入单元的中心电极上，中心电极由被测盆式绝缘子支撑。

绝缘子外径为440 mm ，厚度40 mm ，浇注材料为含有Al 2O 3填料的环氧树脂，相对介电常数为4.95。

GIL 的外壳接地，材料为铝，外壳内径为340 mm 。

测量侧的中心电极直径为40 mm ，材料为铜。

绝缘子右侧通过法兰和试验腔体相连，试验腔体能够承受0.5 MPa 气体压力。

静电探头控制机构放置在试验腔体中，其结构示意图如图2所示。

静电探头被夹持在装置的前端，整个装置的运动过程由4台步进电机控制，控制精度<0.5 mm 。

1号电机控制装置整体沿Z 轴的移动；2号电机控制旋转机构以中心电极为轴旋转；3号电机控制探头沿绝缘子半径R 方向的平移；4号电机控制探头的倾斜角度，使之始终与绝缘子表面保持垂直且保持固定距离。

这样，在探头移动过程中可认为各部分的电容参数近似不变，测量出的电压值即可近似反映出表面电荷的情况。

装置上还安装了光源和摄像头，可以在测量时观察探头的移动过程。

1.2 静电探头法测量采用的方法是静电探头法[14-15]，所用测量仪器是TREK Model 347型静电计，该静电计采用振动反馈式电容探头。

这种有源静电探头的工作原理简述如下：在测量过程中，探头中的感应电极受振荡器控制而产生高频正弦振荡，使得感应电极与被测表面之间的电容发生变化，从而产生一个感应图1 试验装置图 Fig.1 Experimental setup图2 静电探头控制装置示意图Fig.2 Structure of the electrostatic probe control unit张博雅，王 强，张贵新，等：SF 6中绝缘子表面电荷积聚及其对直流GIL 闪络特性的影响 1483电流，该电流输入到静电计中，经放大器放大，根据电流信号的大小，由静电计中内置电压源输出直流电压给静电探头，形成负反馈电路[16]。