（电气工程专业论文）gis中绝缘子表面电荷积聚及其在线监测技术的研究.pdf

s u r f a c ec h a r g ea c c u m u l a t i o no fi n s u l a t o ri ng i sa n di t so n l i n e m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y b y l i uh a n b i n g b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw a n gf e n g m a y ，2 0 1 1 5m 2叭5m 60m 9 iiii- 眦y l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在一年解密后适用本授权书。 2 不保密嘭 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 日期a - , l1 年毛月、日 吼“1 1 年6 月、日 g i s 中绝缘了表面电荷积聚及】e 在线髓测技术的研究 摘要 近年来，直流输电技术得到很大的发展，输电电压等级也在逐步提高，电压 等级的提高必须要求绝缘子表面承受更高的场强。绝缘子长期承受高场强，会使 其表面积聚表面电荷。绝缘子表面电荷积聚会改变产品设计之初的l a p l a c e 场， 使得绝缘子表面部分区域出现高场强区，严重时会发生异常闪络，造成电力系统 大面积停电。所以，研究表面电荷的积聚及其在线监测技术，对于提高高压g i s 的运行稳定性具有重要的意义。 本文首先对g i s 的发展现状和绝缘子表面电荷积聚机制的理论研究进行了综 述。分析表明，绝缘子表面电荷积聚主要取决于绝缘子表面气体侧的法向场强。 其次，构建了基于电场唯一性原理的含表面电荷情况下的绝缘子表面电场分 析方法，并通过一实例对带有表面电荷的绝缘子表面电场的计算方法进行验算。 利用改进的电场计算方法，对g i s 中绝缘子表面电荷对绝缘子表面电场的影响进 行了仿真计算，分析了绝缘子凹面及凸面存在表面电荷情况下绝缘子表面电场分 布特性及其对沿面闪络的影响。 提出了基于广义静电探头法的绝缘子表面电荷在线监测原理。应用有限元分 析软件a n s o f t 建立了相应的仿真验算模型。利用此模型分别研究了当绝缘子表面 存在静电荷和金属微粒时，在广义静电探头上产生的悬浮电位。研究表明，当g i s 中绝缘子表面存在静电荷和金属颗粒时，会在g i s 外屏蔽环上产生明显的电压信 号。通过测量这个电压信号可以实时判断绝缘子表面电荷积聚的严重程度。 关键词：气体绝缘开关装置；绝缘子：表面电荷；电场；监测 硕，l ：学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h et e c h n o l o g yo fh v d ch a sb e e nd e v e l o p e dv e r yf a s ta n dt h e l e v e lo ft h et r a n s m i s s i o nv o l t a g ea l s oh a sb e e nr a i s e dg r a d u a l l y t h ei n c r e a s e dv o l t a g e r e q u i r e st h ei n s u l a t o rt ob e a rh i g h e re l e c t r i cf i e l ds ot h a tt h es u r f a c ec h a r g ec a n a c c u m u l a t eo ni t t h el a p l a c ef i e l d ，a tt h eb e g i n n i n go fd e s i g n ，w o u l db ec h a n g e d w h e nt h eq u a n t i t yo fs u r f a c ec h a r g ea c c u m u l a t e st o om u c h ，a n dt h a tc a nl e a dt oh i g h e l e c t r i cf i e l do c c u ri ns o m ea r e ao nt h ei n s u l a t o r w h a t sw o r s e ，t h a tw o u l dc a u s e f l a s h o v e ra n dp o w e rf a i l u r ei np o w e rs y s t e m t h e r e f o r e ，s t u d y i n gt h ea c c u m u l a t i o no f s u r f a c ec h a r g ea n dt h eo n l i n em o n i t o r i n gt e c h n o l o g yc a ne n h a n c et h es t a b i l i t yo fg i s f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p i n gs i t u a t i o no fg i sa n dt h em e c h a n i s m o ft h ea c c u m u l a t i o no fs u r f a c ec h a r g eo ni n s u l a t o r s t h ea c c u m u l a t i o no fs u r f a c e c h a r g eo ni n s u l a t o r si sm a i n l yd e v e l o p e db yt h en o r m a lf i e l do fi n s u l a t o ri ng a s e o u s d i e l e c t r i c s s e c o n d l y ，b a s e do nt h et h e o r yo fu n i q u ee l e c t r i cf i e l d ，t h em e t h o do fc a l c u l a t i n g e l e c t r i cf i e l do nt h es u r f a c eo ft h ei n s u l a t o rw i t hs u r f a c ec h a r g eo ni ti sc r e a t e da n da n e x a m p l ei sp r e s e n t e dt os h o wt h em e t h o d sv a l i d i t yw h e ns u r f a c ec h a r g ee x i s to ni t t h ei n f l u e n c eo fs u r f a c ec h a r g eo ne l e c t r i cf i e l do fi n s u l a t o ri ng i si ss h o w nt h r o u g h s i m u l a t i o nw i t ht h ei m p r o v e dm e t h o do fc a l c u l a t i n ge l e c t r i cf i e l d t h ed i s t r i b u t i o no f e l e c t r i cf i e l do nt h es u r f a c ea n dt h ei n f l u e n c eo ff l a s h o v e ro ni t i sa n a l y z e dw h e n s u r f a c ec h a r g ee x i s to nc o n c a v eo rc o n v e xs i d eo fi n s u l a t o r t h et h e o r yo ft h eo n l i n e m o n i t o r i n gs u r f a c ec h a r g eb a s e do ng e n e r a lp r o b e m e t h o di sc r e a t e d i nt h ep r e s e n tp a p e r , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s o f ti s a p p l i e dt ob u i l das i m u l a t i o nm o d e lo fi n s u l a t o ri ng i s u s i n gt h i sm o d e l ，s u s p e n d e d p o t e n t i a ld i s t r i b u t i o no nt h es u r f a c eo fi n s u l a t o ri sa n a l y z e dw h e ni te x i s ts t a t i cc h a r g e a n dw h e ni te x i s tm e n t a lp a r t i c l e t h er e s u l ts h o w st h a tw h e ns t a t i cc h a r g ea n dm e n t a l p a r t i c l ee x i s t i n go nt h es u r f a c eo fi n s u l a t o ri ng i s ，ao b v i o u sv o l t a g es i g n a lw o u l db e p r o d u c e do nt h ef i e l d i n gm e t a lr i n go fg i s t h r o u g hm e a s u r i n gt h ev o l t a g es i g n a l ，t h e s e r i o u sd e g r e eo ft h ec h a r g ea c c u m u l a t i o no nt h ei n s u l a t o rc a nb ek n o w n a ta n yt i m e i nt h i sp a p e r ，t h ep s oi su s e df o rs h a p eo p t i m i z a t i o no fi n s u l a t o r s t h r o u g h o p t i m i z a t i o n ，t h en o n u n i f o r mf i e l dc o e f f i c i e n to nt h es u r f a c eo fi n s u l a t o ri sr e d u c e d k e yw o r d s ：g i s ；i n s u l a t o r ；s u r f a c ec h a r g e ；e l e c t r i cf i e l d ；m o n i t o r i n g g i s 中绝缘了表面电荷积聚及其在线监测技术的研究 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t ：i i i 插图索引v i 附表索引v i i i 第1 章绪论1 1 1 表面电荷积聚与绝缘子的沿面闪络1 1 2 国内外研究现状4 1 2 1 特高压g i s 的发展4 1 2 2 绝缘子表面电荷的研究5 1 3 本文的主要工作5 第2 章绝缘子表面电荷积聚机理的理论分析7 2 1 表面电荷积聚机理7 2 2 直流电压下和冲击电压下绝缘子表面电荷积聚的理论分析8 2 3 绝缘子表面电荷的抑制措施1 1 2 4a n s o f t 工程软件简介1 1 2 5 工程电磁场中的有限元基础1 2 2 6 本章小结1 5 第3 章g i s 盆式绝缘子表面电荷积聚对绝缘子表面电场分布的影响1 6 3 1 存在表面电荷积聚时绝缘子表面电场计算方法的研究。1 6 3 1 1 基于电场唯一性原理的含表面电荷情况下的绝缘子表面电场计算原 j 哩】【6 3 1 2 采用a n s o f t 软件计算含表面电荷时的电场分布。1 7 3 2g i s 盆式绝缘子凹面存在表面电荷积聚时对电场分布的影响一2 2 3 2 1 正极性表面电荷对绝缘子电场分布的影响2 2 3 2 2 负极性表面电荷对绝缘子电场分布的影响2 6 3 3g i s 盆式绝缘子凸面存在表面电荷积聚时对电场分布的影响3 0 3 3 1 正极性表面电荷对绝缘子电场分布的影响3 0 3 3 2 负极性表面电荷对绝缘子电场分布的影响3 3 3 4 本章小结3 6 第4 章绝缘子表面电荷在线监测技术的研究3 7 i v 硕l ：学位论文 4 1 电容探头法原理。3 7 4 2 广义静电探头原理与实验模型3 9 4 3 广义静电探头原理在高压g i s 绝缘子中的数值实验4 1 4 4 本章小结4 4 结论4 5 参考文献。4 7 致j 射5 1 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文5 2 v g i s 中绝缘了：表面电荷积聚及其在线犄测技术的研究 插图索引 图1 1 日本纪伊水道正负5 0 0 k v 直流g i s 一1 图1 2 在美国运行的g i s 故障原因统计图2 图2 1 盆式绝缘子充电前后绝缘子表面电力线分布8 图2 2 气固交界面处的电场示意图9 图2 3 三角形剖分单元1 3 图3 1 含表面电荷积聚情况下的电场分析原理1 7 图3 2 电场计算模型。1 7 图3 3 电场强度分布图。1 8 图3 4 电场强度矢量分布图1 8 图3 5 绝缘子表面气体侧的场强分布曲线1 9 图3 6 绝缘子表面绝缘子侧的场强分布曲线1 9 图3 7 电场强度分布图2 0 图3 8 电场强度矢量分布图2 0 图3 9 气体侧的场强分布曲线2 0 图3 1 0 绝缘子侧的场强分布2 1 图3 1 1 叠加后场强分布图2 2 图3 1 2 绝缘子及其电极结构图2 2 图3 1 3 静电场下电场强度矢量分布图2 3 图3 1 4 静电场条件下电场强度分布图2 3 图3 1 5 恒流场下电场强度矢量分布图2 4 图3 1 6 恒流场下电场强度分布图2 4 图3 1 7 绝缘子凸面处气体侧场强2 4 图3 1 8 绝缘子凹面处气体侧场强2 5 图3 1 9 不同表面电荷密度时对应的电场曲线图2 5 图3 2 0 不同表面电荷密度时对应的绝缘子凹面电场曲线图2 6 图3 2 1 电场强度分布图2 6 图3 2 2 电场强度矢量分布图2 6 图3 2 3 绝缘子凸面处气体侧场强2 7 图3 2 4 绝缘子凹面处气体侧场强2 7 图3 2 5 加载不同电荷密度时所对应的绝缘子凸面电场分布曲线2 8 图3 2 6 加载不i 司电荷密度时所对应的绝缘子凹面电场分布曲线2 8 v i 硕1 ：学位论文 图3 2 7 凹面存在不同极性电荷下绝缘子凸面电场分布曲线2 9 图3 2 8 凹面存在不同极性电荷下绝缘子凹面电场分布曲线3 0 图3 2 9 电位移矢量分布图3 0 图3 3 0 电场强度分布图。3 0 图3 3 1 凸面处施加电荷时绝缘子凸面处气体侧场强3 1 图3 3 2 凸面处施加电荷时绝缘子凹面处气体侧场强3 1 图3 3 3 凸面施加不同电荷密度时绝缘子凸面处电场分布曲线图3 2 图3 3 4 凸面施加不同电荷密度时绝缘子凹面处电场分布曲线图3 2 图3 3 5 绝缘子凸面存在负电荷与不存在电荷时的绝缘子凸面处的场强分布图3 3 图3 3 6 绝缘子凸面加载不同负电荷密度时绝缘子凸面处电场分布曲线。3 4 图3 3 7 绝缘子凸面加载不同负电荷密度时绝缘子凹面处电场分布曲线3 4 图3 3 8 绝缘子凸面电场分布曲线3 5 图3 3 9 绝缘子凹面电场分布曲线3 5 图4 1 电容探头结构及其等效电路图3 8 图4 2 广义探头简化示意模型3 9 图4 3 电场强度矢量分布图4 0 图4 4 电位分布图4 0 图4 5g i s 中绝缘子模型4 1 图4 6 电位分布图4 1 图4 7 边缘处电场强度矢量分布图。4 1 图4 8 电位分布图4 2 图4 9 边缘处电场强度矢量分布图_ 4 2 图4 1 0 电位分布图( 正电荷) 4 3 图4 1 1 电位分布图( 负电荷) 4 3 l g i s 中绝缘了表面电荷积聚及其在线监测技术的研究 附表索引 表4 1 不同电荷密度对应的悬浮电位数值4 0 表4 2 不同电荷密度对应的悬浮电位数值4 2 表4 3 不同电荷密度对应的悬浮电位数值4 3 l i 硕t 二学位论文 第1 章绪论 1 1 表面电荷积聚与绝缘子的沿面闪络 近年来，直流输电技术得到很大的发展，输电电压的等级也在逐步提高，电 压等级的提高必须要求绝缘子表面承受更高的场强。绝缘子长期承受高电压表面 会积聚一定量的表面电荷。尤其是在直流气体绝缘开关装置中，绝缘子长期处在 单极性的直流高电压下，表面电荷积聚的现象更加严重。绝缘子表面电荷积聚过 多会改变结构设计之初的l a p l a c e 场，使得绝缘子表面部分区域出现高场强区， 严重时会发生异常闪络，造成电力系统大面积停电。近年来，绝缘子表面电荷积 聚机制及其对沿面闪络的影响日益引起科研人员的关注。 图1 1 日本纪伊水道正负5 0 0 k v 直流g i s 气体绝缘的金属封闭式组合开关，英文简称g i s ( g a si n s u l a t e ds w i t c h g e a r ) ， 具有安装时间短和检修周期长的优点，除此以为，g i s 也因其小型化而使得所占 空间小。冈其运行可靠目前得到国内外电力部门的公认【lj 。图1 1 是日本研制的 世界首套5 0 0 k v 直流g i s ，该直流g i s 的研制历时8 年，2 0 0 0 年正式投入运行， 目前设备运行状况良好睇j 。 随着g i s 运行年限的增加和电压等级的逐步提高，由绝缘子引起的绝缘问题 日益增多。在g i s 中，绝缘子起到支撑与绝缘作用。相对于纯气隙击穿电压，绝 缘子沿而闪络电压往往比较低。因此在对g t s 进行研究和设计时，对于绝缘子表 面的沿面放电特性，技术人员都极为重视。近年来随着g i s 电压等级的提高，关 于其绝缘故障的报道逐渐增加，其中大多数故障是由于绝缘子表面沿面放电引起 的【3 】【4 】。上个世纪九十年代中期，e r i k s s o n 等人对在美国投运的g i s 故障原因进 行了统计，如图1 2 所示1 5 l 。从图中可知，在所有引发g i s 故障的原因中，绝缘 g i s 中绝缘子表面电荷积聚及其在线监测技术的研究 子污秽所占比例最高。由于绝缘表面各种污秽都会引起绝缘子表面积聚电荷，因 此对表面电荷进行专题研究，可有效发现影响绝缘子沿面闪络的本质因素，进而 提高绝缘子的沿面闪络电压。 c 、 籁 懿 置 辑 划 划 a 一绝缘子污秽或表面缺陷：b 一套臂；c - - 电缦终端 d 一隔离开关；e 一操作错误lf - - 其他 图1 2 在美国运行的g i s 故障原因统计图 对比其他故障，当g i s 绝缘子发生沿面闪络时，检修周期长、停电面积大， 对工农业生产和人们日常生活会产生极大的负面影响。影响绝缘子沿面闪络的因 素比较多，主要包括： ( 1 ) 电场分布情况和电压波形的影响【6 1 绝缘子沿面闪络电压与绝缘子表面电场分布及外施加电压种类关系密切。当 绝缘子处在均匀电场情况下，闪络电压随着绝缘子沿面泄漏距离的增加而增加， 且大体上呈线性关系。当绝缘子表面场强的法向分量相对比较大时，绝缘子闪络 电压受所施加电压种类的影响很大，冲击电压下，随着绝缘子沿面泄漏距离的加 大，闪络电压不会一直增加，而会趋于饱和。直流电压下，闪络电压和沿面泄漏 距离趋近于线性关系。 ( 2 ) 电介质材料的影响【6 l 介质材料的吸湿性会影响绝缘子的闪络电压，吸湿性强的材料比吸湿性弱的 材料闪络电压低很多。 ( 3 ) 气体条件的影响【6 j 在均匀电场下，绝缘子的闪络电压随着气压的增大而有所增大。在不均匀电 场下，绝缘子的闪络电压随着气压的增大也会有所增大，但程度没有在均匀电场 下明显，即使如此，在高海拔地区，由于气压的降低而使得闪络电压降低，仍然 要引起施工人员的注意。湿度对绝缘子闪络也会产生影响，并且以气体相对湿度 4 0 为界限，当气体相对湿度小于4 0 时，此时气体湿度对绝缘子闪络电压影响 不大，而当大于4 0 时，对于吸湿性强的材料，随着湿度的增加，闪络电压降低 的幅度很大，而对于吸湿性相对较弱的材料，闪络电压随湿度的增加也会降低， 但降低的幅度没有吸湿性强的材料明显。 硕j ：学位论文 ( 4 ) 导电颗粒的影响1 6 j g i s 因其所占空间小而使得其内部场强过高，当绝缘子表面有金属微粒时， 在金属微粒附近电场强度很大，极易引发电晕放电，放电产生的大量电荷漂移到 绝缘子表面，引发绝缘子表面电场过大而导致绝缘子表面发生沿面闪络。影响g i s 的正常运行。 ( 5 ) 表面电荷对沿面闪络的影响 绝缘子沿面闪络进程可分为闪络的起始、闪络的步进发展和最终闪络3 个阶 段。在闪络的起始阶段，由于绝缘子表面缺陷、金属微粒附着、气体金属绝缘 子三重联接点处的局部电场集中、绝缘子与金属电极问存在小气隙等原因，会引 起绝缘子表面在气体侧的微观放电。放电产生的大量带电粒子在电场的作用下漂 移到绝缘子表面，引起绝缘子表面电荷积聚i _ 。 利用先进的计算机技术和科学的计算方法，对支持绝缘子处的电场进行计算， 可以在设计之初发现产品的设计缺陷1 8 j 。由于直流g i s 中绝缘子表面存在表面电 荷，其电场分析与计算与以往静电场的分析存在较大差异。但目前该问题的研究 还没有得到正确理解与认识。 影响表面电荷积聚的因素比较多，目前的研究结果表明对于绝缘子表面的各 种缺陷如金属微粒附着、绝缘子表面污染、绝缘子与金属电极之间的接触不良、 绝缘子金属气体三重联接点处局部电场集中、以及与绝缘子临近的金属电极表 面的金属毛刺等都会在绝缘子表面引起较为严重的表面电荷积聚【1 7 】i 引。 从宏观上来分析认为介质的介电常数、电导率、外施电压、产品结构等是影 响表面电荷积聚的固有因素；温度、湿度、压力等因素是影响表面电荷积聚的间 接因素【1 0 】。而装置内部气体空间、电极及绝缘子表面缺陷引发的各类局部放电是 产生表面电荷积聚的最直接的原因。 当绝缘子表面积聚了大量的电荷时，这些电荷就会改变绝缘子表面的电场分 布，从而影响其闪络特性。不同极性的电荷积聚对闪络电压有不同的影响1 7 j 。当 绝缘子表面的电荷与所加的电压极性相同时，电荷的作用是削弱了高压电极附近 的电场，增强了绝缘子表面其它区域的电场；当所积聚的电荷与所加的电压极性 相反时，高压电极附近的电场得到增强，绝缘子其它区域的电场被削弱。而决定 闪络电压大小的主要是高压电极附近的电场强度，因此同极性的电荷积聚使闪络 电压升高，不同极性的电荷积聚使闪络电压降低。 研究发现，相对于交流g i s ，直流g i s 绝缘子长期承受单极性直流高压，且 其表面可长期保持干燥和清洁，因此在外施电压的作用下表面电荷容易积聚起来 但是不易消散。由于电力设备的设计是按照l a p l a c e 场考虑绝缘尺寸的，而表面 电荷改变了原设计结构的电场，因此在有些情况下有可能引起绝缘子的异常闪络， 从而导致电力系统的故障。此外，g i s 中隔离开关和断路器操作产生的快速暂态 g i s 中绝缘予表面i u 衍积聚及j 在线监测技术的研究 过电压v f t o ( v e r yf a s tt r a n s i e n to v e r v o l t a g e ) ，严重威胁g i s 及连接设备的安 全运行。当绝缘子上积聚的表面电荷与v f t o 极性相反时，会进一步加剧表面电 荷对绝缘子表面电场分布的影响，使绝缘子沿面闪络电压大幅下降【1 1 】。 绝缘子表面积聚表面电荷或者带有带电的金属颗粒会影响其表面的电场分 布，使得表面部分区域电力线分布过于集中，产生局部放电，严重时会发生沿面 闪络，造成电力系统的大面积停电事故。目前对于绝缘子表面电荷的研究，还停 留在对其积聚机理和离线测量上。在这两方面国内外都进行了大量的研究。研究 表明，绝缘子表面电荷的积聚主要取决于气体侧的法向场强【1 2 j 。另外，介质的介 电常数，电导率，电压的幅值，空气的湿度，气压也会影响绝缘子表面的电荷积 聚，不仅如此，磁场对表面电荷的积聚也有一定的影响【”l 。而在表面电荷的测量 上，不论在理论还是实际运用，东京大学在这方面走在了该领域的前列。尤其是 东京大学k u m a d a 、t a k u m a 等人应用了数字图象处理技术来对表面电荷进行标定 【1 4 l 【1 副。不仅如此，同时，该大学的t a t e m a t s u 对影响精确标定表面电荷的一些因 素进行了理论和实验研究，取得了不错的成果【1 6 】。但是，g i s 通常都是在运行状 态下，不可能将内部绝缘子取出去测其表面上的电荷分布。并且目前对绝缘子表 面电荷的标定所用的模型还是形状比较简单的绝缘子。 综上所述可知，对绝缘子表面电荷积聚问题进行专题研究可以进一步认识影 响绝缘子沿面闪络的本质因素，这对于提高绝缘子的闪络电压，改善直流和交流 绝缘子的设计和制造水平方面都具有非常重要的实际意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 特高压g i s 的发展 随着负荷的增长以及发电端距离用电端越来越远的状况，输送电压等级在逐 步提高。特高压输电可以减少线路走廊以及输电过程中的损耗。因此各国对特高 压输电技术进行了研究和开发【1 7 l 。 为了适应特高压输电工程的实现，各国纷纷在特高压g i s 技术方面展开了多 方面的研究工作。上个世纪8 0 年代，东京电力公司采用三菱电气公司生产的高性 能1 0 0 0 k vg i s 全电压带电试运行1 1 8 l ，实践证明运行状况良好。1 9 9 5 年意大利采 用1 1 0 0 k v g i s 创建1 0 5 0 k vs u v e r e t o 试验站，在系统额定电压试验运行长达两年 之久。俄罗斯电气研究所对传统的g i s 进行了改进，同时生产出了性能更加优良 的1 1 5 0 k v g i s ，安装在t o l y a t t y 电力试验中心进行试验研究。最近几年来，我国对 对g i s 的研究进展步伐加大【1 9 】。2 0 0 0 年，沈高厂和西高厂向瑞士引进了生产 5 5 0 k v g i s 的高新技术，随后，沈高厂和韩国采用日立公司生产技术联合开发了 8 0 0 k vh g i s ，该g i s 现为三峡电厂所采用。由以上分析可知，对于自主开发g i s ， 硕l ：学位论文 我国还不具备这方面的能力，国内在此方面研究有待加强。 1 2 2 绝缘子表面电荷的研究 对于表面电荷的研究，目前还是停留在电荷的产生机制和电荷的标定上，而 在表面电荷的在线监测上面，国际国内还没有尝试过。研究表明，自由金属微粒 和绝缘子表面电荷积聚会对直流g i s 绝缘构成严重威胁，如果考虑到当自由金属 微粒附着在绝缘子表面也会产生严重的电荷积聚问题时，可以认为二者不仅是属 于同一研究领域，而且还存在共性的问题，及绝缘子表面的电荷积聚。因此，英 国、美国、日本、加拿大等国几乎同时于上个世纪8 0 年代在这个方向上展开了专 题研究。当时比较有代表性的电荷积聚模型主要有体电导模型、法向场强模型和 切向场强模型。由于影响表面电荷积聚的因素比较多以及不同研究者采用不同的 试验条件，各国学者所得到的试验结果有一定的差异。随着问题研究的步步深入， 由日本科学家f u j i n a m i 和f m e s s e r e r 等人提出的法向场强模型逐渐被大部分学者 所接受。而对于绝缘子表面电荷的标定，围绕这个课题展开研究的主要有以下几 个课题组：欧洲航天局的p e d e r s o n 近年来围绕表面电荷的标定一直在进行研究， 提出在测量表面电荷时，由于引入了电容探头，被测量表面与探头之间的电场会 发生改变。为以后的研究提供了理论基础【2 们。东京大学t a k u m a 等人一直在研究 如何对电容探头法进行改进，使标度矩阵的维数从1 1 1 1 次降为1 1 次1 2 ，使得标 度过程所需时间变低。这种方法被称之为【】矩阵法。近年来，由日本东京大学的 k u m a d a 副教授采用的数字图像处理技术来对绝缘子表面电荷进行标定，该方法 是用傅里叶变换并且结合数字图像处理技术，转化标度过程到频域中并且结合图 像滤波复原技术，转化电容探头的电压输出为电荷输出，使得表面电荷测量的标 度过程瞬间完成，可以实现简单形状的绝缘子表面电荷的任意多点测量和标度， 但对于真实绝缘子，由于场域结构无法等效为完全的平移不变系统，因此该方法 的应用非常有限。 1 3 本文的主要工作 基于以上分析，为了研究表面电荷积聚对电场的影响，从而提高g i s 的绝缘 性能，并且使得能对绝缘子表面电荷进行在线监测与预警，本文拟设计一个真实 的二维g i s 绝缘子模型对表面电荷积聚及其在线监测技术进行专题研究。论文的 主要工作包括： 第1 章：论述影响高压g i s 绝缘子沿面闪络的主要因素，进而引出研究绝缘 子表面电荷积聚问题的意义，以及绝缘子表面电荷积聚问题的国内外研究现状， 并给出本文将要做的主要工作。 第2 章：阐述了绝缘子表面电荷积聚的三种模型，通过分析指出绝缘子表面 g i s 中绝缘了表面电荷积聚及其在线监测技术的研究 电荷积聚主要取决于气体侧的法向场强。同时着重对直流和冲击电压下绝缘子表 面的电荷积聚进行了论述，指出影响绝缘子表面电荷积聚的因素并且提出了抑制 绝缘子表面电荷积聚措施，论述了基于a n s o f t 软件的电磁场有限元分析理论。 第3 章：对含表面电荷时绝缘子表面电场的计算方法进行改进，建立基于电 场唯一性原理的含表面电荷时绝缘子表面电场的计算方法。同时采用此方法对 g i s 中盆式绝缘子凹凸面带有表面电荷时对绝缘子表面电场的影响进行分析。研 究绝缘子表面电荷密度幅值、极性、所加载位置不同时，其对绝缘子表面电场分 布的影响。 第4 章：通过对电容探头法的原理进行分析，认为电容探头法测量表面电荷 实质上是通过测量绝缘子表面电荷在金属探头上感应出的悬浮电位而间接得到表 面电荷密度的数值。基于此提出探测绝缘子表面电荷积聚严重程度的广义探头方 法。通过模型仿真验证本文提出方法的有效性。 最后为结论与展望。 硕十学位论文 第2 章绝缘子表面电荷积聚机理的理论分析 绝缘子表面电荷积聚会使绝缘子表面部分区域电场过于集中而产生微观放 电，造成绝缘子绝缘性能的降低。对于绝缘子表面电荷的积聚机制，目前还未得 到比较统一的认识，影响表面电荷积聚的因素比较多，对其积聚机理的深入研究， 对于优化绝缘子的绝缘性能具有重要意义。 2 1 表面电荷积聚机理 研究表明，在外施电压作用下绝缘子表面可积聚一定的表面电荷，表面电荷 的存在会使得绝缘子表面的电场产生局部集中，造成一定程度的放电，严重的时 候甚至可以发生沿面闪络。所以对表面电荷的积聚机理也是研究的重点。目前表 面电荷的产生大致有以下三种观点g ( 1 ) 体积电导模型。文献【2 2 】认为，由于体电导在空间的分布是不均匀的， 绝缘子上的表面可以由于体电导率在空间分布不均匀而积聚空间电荷。其电荷密 度积聚的多少与固体介质的介电常数和电场强度有一定的函数关系。在电场的作 用下，介质内的空间电荷可迁移到绝缘子表面。 ( 2 ) 切向场强模型，文献【2 3 】【2 4 】认为，表面电导是绝缘子表面电荷积聚的 主要原因，由测量结果可以推出表面电导率与切向场强存在一定的指数关系，但 是切向场强模型理论把绝缘子表面电荷密度与切向场强梯度联系起来，在分析中 作出了一些假设，而且这些假设不具有代表意义。因此这种切向场强模型的适用 范围是受到很大限制的。 ( 3 ) 法向场强模型。当电极表面有突出处或者电极表面存在导电颗粒时，在 突出处和导电颗粒周围的电场强度很强，容易发生电晕放电产生电荷【2 5 1 ，此外， 气体中的气体分子在电场的作用下会自然电离而产生电荷。这些电荷在电场力的 作用下可以漂移至固体介质表面，表面电荷产生的场强可以使得界面的气体一侧 的法向场强得到降低，随着表面电荷积聚的越来越多，最终会使气体一侧的法向 场强减少至o ，达到稳态。 f u j i n a m i 等人通过实验验证了法向场强模型的正确性。电极表面存在的突起 处和导电颗粒引发的电晕放电可产生定的电荷，以及气体分子电离产生的电荷 等在电场力的作用下可漂移至绝缘子表面从而引起绝缘子表面电荷积聚，绝缘子 表面电荷的量随着电压作用时间的增加而增加。表面电荷可以使得气体侧的法向 场强e 。降低，达到稳定状态时，下面条件成立1 1 2 】： g i s 中绝缘子表面电荷积聚及其在线| 临测技术的研究 f o e o 一一仃 ( 2 1 ) e o 一0 ( 2 2 ) 式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 中，和分别为气体和绝缘子的介电常数；o 为存 在绝缘子表面上的电荷密度；e 。和分别为交界面处气体侧的法向场强和固体 侧的法向场强。由式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 可知，当表面电荷的值达到最大时，此时 气体侧的法向场强会减少至零，此时电力线与绝缘子表面不会发生交叉，即使此 时还存在电晕放电，放电产生的电荷不会漂移到绝缘子表面而直接到达对面电极。 基于法向场强模型，m e s s e r e r 等人模拟了盆式绝缘子表面积聚电荷前和积聚 电荷后绝缘子表面的电力线分布图【2 引，如图2 1 所示。由图中可知，绝缘子表面 积聚电荷饱和后，电力线与绝缘子不交叉而是平行于绝缘子表面。 文献【2 7 】【2 8 】的研究结果都表明，利用法向场强模型进行仿真时和实验中所测 量的实验结果很接近。法向场强模型逐渐被很多研究者所接纳。 a ) 充电之前的电力线分布 b ) 完全充电后的电力线分布 图2 1 盆式绝缘子充电前后绝缘子表面电力线分布 2 2 直流电压下和冲击电压下绝缘子表面电荷积聚的理论分析 文献 1 0 1 1 2 9 从麦克斯韦方程组出发，给出了绝缘子表面电荷积聚的物理条 件，解释了其物理本质和关键影响因素。 式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 分是麦克斯韦电磁场基本方程组的微分形式： v d p ( 2 3 ) v j + 望，o( 2 4 ) 甜 其中式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 中：d = e e ，j = y e ，e ，j ，d 分别为电场强度矢 量，电流密度矢量以及电位移矢量；】，p 分别为电导率，介电常数以及电荷 密度。对应于基本方程( 2 3 ) 和( 2 4 ) 的积分形式有如下方程组： 硕十学位论文 户。d s2 q ( 2 5 ) ，体一詈 6 ， 式( 2 5 ) 、式( 2 6 ) 中s 为任一闭合面；q 为闭合面内的自由电荷量。 式( 2 5 ) 、式( 2 6 ) 应用到图2 2 气体与固体介质交界面时，可得交界面上 的申荷积聚方程： s o e o 一一a s ( 2 7 ) 驴虮v s 。z + 等0 ( 2 8 ) 式中：万为交界面法向的单位矢量；a s 为交界面自由电荷面密度；为体电 流密度在交界面的散度；n a l 一，。e 。一心；v s j z 为交界面沿面电流密度的散度； 沿面交流密度通常情况下很小，v s j z 可忽略不计。则式( 2 7 ) 和式( 2 8 ) 可写 成： 毛e d 一o e o = 仃o ) ( 2 9 ) 如e n o + 掣；o ( 2 1 0 ) 其中、分别是气体及绝缘子的介电常数；、儿分别是气体、绝缘子的 电导率；e o 、分别是气体侧、绝缘子侧的法向场强；假定l 是电极系统中与 绝缘子表面相交于置点的任意一条电力线： 图2 2 气固交界面处的电