（高电压与绝缘技术专业论文）导电颗粒对绝缘子表面电场和电荷积聚影响的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 攘要 表面电场强度和袭酾电荷对绝缘予的绝缘性能有重要的影响，本文主骚对真空 中绝缘子袭碾含有导电颗粒时其表面电场强度和表面电荷密艘的变化进行了研究， 恁a n s y s 窍鼹元软 拳建立了一个三缕毫场莹鬓模鍪；设诗翻终了一令簏予溅量绝 缘予表面电荷密度的新溅静电电容探头，研究了真空中直流电压作用下有导电颗粒 时绝缘子的液面电荷积聚和闪络特性。实验和仿真结果表明绝缘子表面电场强度随 导电颗粒长废的增加藤增嬲，随颗粒嶷径的增热露孬减小；导电颗粒靠近金麟电极时， 绝缘子表瑟电场强度鞠簸太子颓较凌其它位| 甏辩豹电场强度；在囊空中，艇流毫压 作用下导电颗粒会使绝缘子表面电荷积聚速度变慢，但是总体来说其影响不是很 大；真空中绝缘子直流闪络电压随颗粒长度的增加丽变小，随颞粒直径的增加而变 大，阗终嚣缝缘予表嚣彀薤密度雳鬣下簿。 兼键词：裳面电场，仿真，表面电荷，导电颗粒，闪络电压 a b s t r a c 攀 t h es u r f a c ee l e c t r i cf i e l d sa n dt h es u r f a c ec h a r g ed i s t r i b u t i o np l a ya ni m p o r t a n tr o l e o nt h ee l e c t r i ci n s u l a t i o np e r f o r m a n c eo fi n s u l a t o r s 弧1 i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt h e i n f l u e n c eo fc o n d u c t i n gp a r t i c l e so nt h es u r f a c ee l e c t r i cf i e l d sa n dt h ea c c u m u l a t e d s u r f a c ec h a r g ed e n s i t yo fi n s u l a t or u s i n gf e ma n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，t h ee l e c t r i c f i e l d so fi n s u l a t o ra n dt h ee l e c t r o d e s y s t e mh a s b e e n a n a l y z e d ；an e wt y p eo f e l e c t r o s t a t i cp r o b ef o rs u r f a c ec h a r g ed i s t r i b u t i o nm e a s u r e m e n th a sb e e nd e v e l o p e d ； s u r f a c ec h a r g ed e n s f f ya n df l a s h o v e rc h a r a c t e r i s t i c so fi n s u l a t o rh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d i nv a c u u mw i t hd ca p p l i e dv o l t a g e b a s eo nt h er e s e a r c hr e s u l t s ，t h es u r f a c ee l e c t r i c f i e l do fi n s u l a t o r sa s c e n dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h el e n g t ho fp a r t i c l e s ，a n dd e s c e n dw i t h t h ei n c r e a s eo ft h ed i a m e t e ro fp a r t i c l e ；w h e np a r t i c l ei sc l o s et ot h em e t a l l i ce l e c t r o d e ， t h es u r f a c ee l e c t r i cf i e l do fi n s u l a t o ra s c e n dd r a m a t i c a l l y b e c a u s eo ft h ee x i s t i n go f c o n d u c t i n gp a r t i c l e ，t h es p e e do fs u r f a c ec h a r g ea c c u m u l a t i o nb e c o m es l o w l y ，b u ti t s i n f l u e n c ei sl i m i t e d 。t h ef l a s h o v e rv o l t a g eo fi n s u l a t o r sd e s c e n dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h e l e n g t ho fp a r t i c l e ，a n da s c e n dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ed i a m e t e ro fp a r t i c l e ，a n dt h e s u r f a c ec h a r g ed e n s i t yo fi n s u l a t o rd i m i n i s h e do b v i o u s l ya f t e rf l a s h o v e r c h e nj i ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f d i n gl i j i a n k e yw o r d s ：s u r f a c ee l e c t r i cf i e l d ，s i m u l a t i o n ，s u r f a c ec h a r g e ，c o n d u c t i n gp a r t i c l e ， f l a s h o v e rv o l t a g e l 华北电力大学硕士学位论文 摘要 表面电场强度和表面电荷对绝缘子的绝缘性能有重要的影响，本文主要对真空 中绝缘子表璇含有导电颗粒时其表面电场强度和表蕊电荷密度的变化进行了研究， 瓣a n s y s 鸯疆元软 孛建立了一个三绻宅场蕊真挨整；莰计铡终了一令雳予溅萋绝 缘予表面电荷密度的新型静电电容探头，研究了真空中直流电聪作用下有箨电颗粒 时绝缘子的袭面电荷积聚和闪络特性。实验和仿真结果表明绝缘子表面电场强度随 撂电颗粒长发的增加焉增加，随颞粒崽径的增热丽减小；导电颗粮靠近金属电极时， 绝缘予表面嘏场强度饔登太于颗粒在箕它位置对豹穰场强度；程囊空中，纛流电压 作用下导电颗粒会使绝缘予表面电荷积聚速度变慢，但是总体来说其影响不是很 大；篡空中绝缘予直流闪络电压随颗粒长度的增加丽变小，随颗粒直径的增加而变 大，闪终爱鲶缘予表瑟毫饕密度硬显下海。 关键词：表筒电场，仿真，表面电荷，导电颗粒，闪络电压 a 嚣s t r a c t t h es u r f a c ee l e c t r i cf i e l d sa n dt h es u r f a c ec h a r g ed i s t r i b u t i o np l a ya ni m p o r t a n tr o l e o nt h ee l e c t r i ci n s u l a t i o np e r f o r m a n c eo fi n s u l a t o r s t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt h e i n f l u e n c eo fc o n d u c t i n gp a r t i c l e so nt h es u r f a c ee l e c t r i cf i e l d sa n dt h ea c c u m u l a t e d s u r f a c ec h a r g ed e n s i t yo fi n s u l a t o r u s i n gf e ma n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，t h ee l e c t r i c f i e l d so fi n s u l a t o ra n dt h ee l e c t r o d es y s t e mh a sb e e na n a l y z e d ；an e wt y p eo f e l e c t r o s t a t i cp r o b ef o rs u l f a c ec h a r g ed i s t r i b u t i o nm e a s u r e m e n th a sb e e nd e v e l o p e d ； s u r f a c ec h a 诺ed e n s i t ya n df l a s h o v e rc h a r a c t e r i s t i c so fi n s u l a t o rh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d i nv a c u u mw i t hd ca p p l i e dv o l t a g e b a s eo nt h er e s e a r c hr e s u l t s ，t h es u r f a c ee l e c t r i c f i e l do fi n s u l a t o r sa s c e n dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h el e n g t ho fp a r t i c l e s ，a n dd e s c e n dw i t h t h ei n c r e a s eo ft h ed i a m e t e ro fp a r t i c l e ；w h e np a r t i c l ei sc l o s e ot h em e t a l l i ce l e c t r o d e t h es u r f a c ee l e c t r i cf i e l do fi n s u l a t o ra s c e n dd r a m a t i c a l l y b e c a u s eo ft h ee x i s t i n go f c o n d u c t i n gp a r t i c l e ，t h es p e e do fs u r f a c ec h a r g ea c c u m u l a t i o nb e c o m es l o w l y ，b u ti t s i n f l u e n c ei sl i m i t e d 。t h ef l a s h o v e rv o l t a g eo fi n s u l a t o r sd e s c e n dw i 镪t h ei n c r e a s eo ft h e i e n 或ho fp a r t i c l e ，a n da s c e n dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ed i a m e t e ro fp a r t i c l e ，a n dt h e s u r f a c ec h a r g ed e n s i t yo fi n s u l a t o rd i m i n i s h e do b v i o u s l ya f t e rf l a s h o v e r c h e nj i ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f d i n gl i j i a n k e yw o r d s ：s u r f a c ee l e c t r i cf i e l d ，s i m u l a t i o n ，s u r f a c ec h a r g e ，c o n d u c t i n gp a r t i c l e ， f l a s h o v e rv o l t a g e l 华北电力大学硕士学位论文 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文导电颗粒对绝缘子表面电场和电荷积 聚影响的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：塑2 茎盛 日辍t 如酩。 | 毯 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：选壁导师签名： 日期：2 o o b ，- 俘 日期：御6 1 ， g 华北电力大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 提高盆式绝缘子闪络电压的意义 气体绝缘变电站( g a si n s u l a t e ds u b s t a t i o n ，简称g i s ) 以其占地面积小、运行可 靠、维护方便等优势，越来越多地被投入到电网中。随着g i s 电压等级的提高以及 运行年限的增多，其故障问题日趋突出，其中绝缘故障是常见的影响g i s 运行的一 种故障，特别是g i s 中的绝缘子，是绝缘最薄弱的地方，最容易发生各种问题。在 g i s 中，盆式绝缘子起着非常重要的作用，如隔离气室，支撑导体及绝缘等。g i s 的绝缘强度除了与绝缘介质本身的绝缘性能有关外，还与绝缘结构的电场特性有密 切关系，如电位分布、场强大小、电场集中及畸变等。因此在设计盆式绝缘子时， 不仅要考虑盆式绝缘子的机械强度问题，而且还要考虑盆式绝缘子的电场问题，尤 其是沿面电场分布 i , 2 1 。 在国内外报道的g i s 事故中，由于绝缘子污秽或表面缺陷而引发的事故是非常 多的1 3 , 4 】。图1 1 表示出了2 0 世纪9 0 年代中期在美国运行的g i s 故障原因统计图【5 】。 从图中可以看出，由于绝缘子表面缺陷或污秽引起的绝缘故障远远高于其他类型故 障。此外，相对于其他故障类型，发生绝缘子沿面闪络故障时，涉及的停电面积大、 需要的检修周期长、造成的后果十分严重，因此如何提高绝缘子沿面闪络电压，杜 绝盆式绝缘子故障，是确保g i s 可靠运行，确保电力系统安全稳定的重要课题。 7 0 纛4 0 藿 辎 刊 越协 o闺 r i n阀r qp 阳闲 a bcdef 故障类型 图1 1 在美国运行的g i s 故障原因统计图5 1 a 一绝缘子污秽或表面缺陷；b 一套管：c 一电缆终端 d - - 隔离开关；e 一操作错误；f 一其他 华北电力大学硕士学位论文 1 2 影响盆式绝缘子潦面闪络电压的因素 g i s 中懿式绝缘子的沿面闪络受到多种因素的影响，以下几种因素是影响其沿 厕闪络电压的主要因素。 2 毫塌分布惜流鞠泡箍渡彩韵彩晌溯 电场的分布以及所加电压的形式能够对绝缘结构的闪络性能发生影响。般的， 农均匀电场中，沿面闪络魄压与沿蘧闲终距离成线性关系；在场强方向大体上平行 予固俸电介溪表面豹不均匀毫场中，淤面闲络电趱瞧基本上与阂络距离戏线性关 系，如图1 2 所示。但是，当固体介质表面的场强熙有较大的法线分量时，艇沿面 闪络电压与所加电压的形式有密切关系：若所加为赢流电压时，则闪络电压与闪络 鼷褰爨近叛僚特线毪关系；若爨热戈z 凝、恋菝、袋；辛壹毫莲，裂莲羞浴甏瓣络距 离的增大，沿面闪络电压鼹显著的饱和趋势，如图l _ 3 所示。 y z | 形t 罗 7 9 w 。z， “才 潞u 、磁 工p 1 一 肜i 融x 蠕完圮西 5 剜l 鼋 艨 j z ( c m ) 图1 2 不均匀电场沿面闪络电压 与闪络距离的荧系 溪 静 v h 捌 龟 b f e r a ) 图1 3 沿玻璃管表面的冲击闪络电臌与 闪络距离的荧系 ( | 一缝空气蒙2 蠢戆3 一胶纸4 一渡璃) 电介质材料对沿面闪络电压的影晌主要与电介质表面的吸湿性有关，吸湿性强 的玻璃沿面闪络电压比吸湿性小的石蜡低得多，如将玻璃表面燃得很干，则熟沿面 闪络毫压可增赢擐多。 1 2 2 气体条件的影响 当绝缘结构处于气体环境中，气体的条件能对绝缘结构的性能产生缀大的影 嘲。一觳懿，在均匀电场中，蘧着气俸摄力瓣增大，沿瑟阂络壤疆遣将增离，毽其 程度远不如纯气隙中显著：在不均匀电场中，随着气体压力的增大，沿面闪络电压 2 华北电力人学硕士学位论文 增加不多。因此，对高海拔地区的电器设备，要特别注意由于气压的减低而使沿面 闪络电压降低的影响。 温度对沿面闪络电压的影响在趋向上与对纯气隙的影响相似，但在程度上远不 如纯气体中显著。 当气体中的相对湿度小于4 0 时，对各种固体介质来说，湿度对沿面闪络电压 均无影响；当气体的相对湿度大于4 0 时，湿度对闪络电压的影响视水分凝结在介 质表面的状况而定。如为吸湿性强的玻璃，湿度增加时，闪络电压降低甚烈；如为 吸湿小的石蜡，则湿度增大时，闪络电压降低很少。 1 2 3 导电颗粒的影响 在g i s 中，紧凑的结构使其工作场强较高，因此，局部电场的畸变很容易造成 s f 6 绝缘失败并导致g i s 发生故障。引发g i s 内局部电场畸变的一个重要因数是g i s 中大小不同的金属颗粒。这些金属颗粒可能是生产、安装和维护过程中遗留下来的， 也可能是运行过程中可移动部件的机械磨损产生的。金属颗粒在电场力的作用下运 动，从而改变其位置和姿态，使局部电场发生畸变，引发局部放电或对地击穿，影 响g i s 的正常运行。 1 2 4 表面电荷对沿面闪络的影响”“” 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。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，增强绝缘子表面其它地方的电场；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，绝缘子其它地方的电场被削弱。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下降。 早在1 9 世纪后期，人们利用粉尘图法就已经观察到了空气中绝缘材料的表面 带电现象。随着对表面电荷积聚问题研究的深入，发现在气一固交界面处，气体的 种类对表面电荷的积聚机理及分布特点影响很小。由于户外绝缘子要受到如淋雨、 盐污及其他可以引起绝缘子表面电导率显著提高的诸多因素的影响，绝缘子表面积 聚的静电荷容易消散。因此对绝缘子表面电荷积聚危害的认识与直流g i s 技术的发 展有关。 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且不易消散。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 华北电力大学硕士学位论文 构的电场，因才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。因此在上个世纪8 0 年代，英国、美国、日本、加拿大等国家兀乎同时对直 流电压作用下表面电荷积聚问题展开专题研究。 进入2 0 世纪9 0 年代后，有的研究者发现在交流输电系统中，由于隔离开关断 开后，g i s 母线上的残余电荷可以导致母线段绝缘子承受近0 8 p u 的直流电压，此 种情况同样可以使得母线段的绝缘子表面积聚起大量的电荷。由于s f 6 气体的绝缘 强度比空气高很多，当隔离开关分开合闸时会形成上升空问很短的冲击波，即快速 暂态过电压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 ) 。1 9 8 8 年c i g r ew o r k i n gg r o u p 3 3 1 3 0 9 就全球g i s 用户所作的调查报告指出，隔离开关操作时产生的v f t o 可能 造成母线对g i s 外壳的绝缘事故。这种情况下当母线段绝缘子有表面电荷积聚时， 表面电荷在有些情况下可对v f t o 产生的电场起增强作用，因此很有可能导致此种 情况下绝缘子沿面闪络电压大幅的下降。 近年来随着对表面电荷积聚问题研究的深入，有些研究者发现当绝缘子与金属 电极接触不良或绝缘子表面存在金属微粒时，在冲击电压作用下绝缘子表面也可能 积聚大量的表面电荷。另外已有的研究表明，那些可以引起绝缘子沿面闪络的绝缘 缺陷，在外施电压作用下都可能成为绝缘子表面电荷的来源，因此对绝缘电荷积聚 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设计和制造水平方面都具有非常重要的实 际意义。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 表面电场分布的研究 华中理工大学研究了导电颗粒对g i s 断路器内部电场强度的影响，使用有限 元的方法对g i s 内部进行了二维模拟电场计算。模型如图1 4 所示，图中l 为g i s 的圆柱形接地外壳，2 为活动电极，3 为固定电极，合闸时活动电极向固定电极移 动。仿真研究活动电极向固定电极移动时，几种不同的颗粒对g i s 内部电场的影响， 发现边长l m m 的三角锥形颗粒吸附在活动电极上时，颗粒附近的电场强度很大并 且急剧下降，这样的电场分布很容易引起局部放电，造成新的危害；直径l m m 、高 1 0 r a m 的圆柱型金属颗粒直立在接地内壁上时，其电场强度都在g i s 的击穿场强之 上，直接造成电极与管壁之间的击穿；同时研究发现导电颗粒在电场力作用下运动 的高度也对g i s 局部电场有较大的影响 1 0 l 。 华北电力人学硕士学位论文 倒1 4g i s 断路器二维仿真模型 沈阳工业大学对盆式绝缘子和绝缘子内导体形状对电场的影响作了仿真研究， 用有限元法对二维轴对称电场进行计算研究。图1 5 是其仿真模型结构图，研究表 明当内外屏蔽电极共同作用时，绝缘子表面与电极交界面处的电场强度下降了4 9 1 ( 左表面) 和5 1 3 ( 右表面) ，但当距内电极径向距离增大到特定距离时，绝 缘子表面电场强度就不会受屏蔽电极的影响；盆式绝缘子凸形表面可以改善绝缘子 表面靠近电极附近的电场分布，但在绝缘子凸形表面与垂直表面的交界位置上电场 强度将有所增加【1 1 。 蚓1 5 仿真计算结构不意图 1 内屏蔽电极2 外屏蔽电极3 绝缘子4 夕 筒壁5 内导体 印度中央电力研究所的n a g e s h w a r 等人研究了球形导电颗粒对绝缘子表面电场 分布的影响i l2 1 3 】。分析了绝缘子的材料、绝缘子的形状、导电颗粒的位置对绝缘子 表面电场分布的影响。通过试验对比分析表面电场分布对绝缘子沿面闪络电压的影 响，但是没有涉及到表面电场分布对绝缘子表面电荷积聚的影响。 1 3 2 表面电荷积聚的研究 加拿大大不列颠哥伦比亚大学的s r i v a s t a v a 等人研究了绝缘子表面电荷的来源 和气压对表面电荷积聚的影响。认为在高压电极、绝缘子、气体三种不同介质的交 界处比其它地方更容易产生电晕。起晕电压的大小与气压和绝缘子的材料有关。对 于同一种绝缘材料，气压越高起晕电压也越高，在同一电压作用下，随着气压的升 5 华北电力火学硕士学位论文 高，绝缘子表面电荷密度也随之增加，而绝缘子表面电荷的分布也更加不均匀。对 于正、负极性的直流电压，高压电极上由电晕产生的电荷是影响电荷积聚并引起绝 缘子闪络的主要原因，与绝缘子靠近的地电极上的粗糙表面的微小局部放电也是影 响电荷积聚的主要原因之一。当所加电压大于起晕电压时，绝缘子表面的电荷密度 急剧增加。当所加电压小于起晕电压时，绝缘子表面电荷的分布主要由电荷载体( 空 气中的灰尘) 的移动引起，而这个过程需要一定的时间，因此所加的电压必须是持 续性的。对于雷电波脉冲，由于所加的时间很短，没有足够的时间对电荷载体产生 影响。因此，当所加的电压小于起晕电压时绝缘子表面没有电荷的积聚1 7 , 1 4 ”j 。 德国斯图加特大学的s c h u r e r 等人对交流和脉冲电压作用下，表面有导电颗粒 的绝缘子的电荷积聚、闪络电压进行了研究。研究分析了绝缘子表面电荷的积聚速 度和衰减速度、正、负电荷各自的积聚运动特点，以及预加电荷对绝缘子闪络电压 的影响等【1 7 2 “。德国有的研究者研究了冲击电压作用下表面电荷积聚对绝缘子沿 面闪络发展进程的影响，发现表面电荷在有些情况下对绝缘子的沿面闪络的发展过 程影响非常大1 2 2 1 。b o e c k 等人的研究小组近年来一直从事绝缘子表面电导率对绝缘 予表面电荷积聚影响的研究【2 3 2 ，认为通过在绝缘子表面余敷一层薄的电导率较高 的材料可以减少绝缘子表面电荷积聚。另外该研究小组在对表面电荷积聚机理的研 究过程中，首次对表面电荷积聚的法向场强模型进行了动态模拟。 华北电力大学曾研究过冲击电压作用下真空中绝缘子表面电荷积聚问题 2 5 , 2 6 】。 西安交通大学高压教研室曾经研究过s f 6 气体中绝缘子表面电荷对绝缘子沿面闪络 的影响 2 7 , 2 8 - 3 0 、真空中绝缘子的表面带电现象及其积聚原理；研究了直流和冲 击电压作用下影响绝缘予表面电荷积聚的因素。对绝缘子表面电荷的来源、积聚的 必要条件等方面进行试验和理论研究，分别建立了直流电压作用下绝缘子表面电荷 积聚的新模型和冲击电压作用下绝缘子表面电荷积聚的动态模型，并联系实验研究 绝缘子表面电荷的积聚过程，研究了表面电荷对绝缘子沿面放电的影响以及它们之 间的步进发展关系，提出了直流电压作用下减少绝缘子表面电荷积聚的途径1 1 1 j ” 3 4 1 。 1 4 研究的主要工作 基于以上分析，为了进一步提高盆式绝缘子的沿面闪络性能，本文将对g i s 中 的绝缘子问题开展以下三个方面的研究工作： 1 研制用于绝缘子表面电荷测量的电容探头，建立绝缘子表面电荷测量系统。 2 用a n s y s 软件建立一个与实际电极和绝缘子尺寸一样的三维仿真模型，仿 真分析导电颗粒对绝缘子表面电场分布的影响。主要仿真研究导电颗粒的长度、直 径和位置变化时，绝缘子表面电场分布的变化规律。 6 华j e 电力丈学磺士学位论文 3 研究真空中绝缘子表蕊有导电颗粒存在时，绝缘子表面电衔积聚的情况，同 时观察相应的阅络电压大小，主要考虑的是颗粒大，j 、位置等对魄蘅积聚及闽络惩 大小的彩响。 牮j t 电力大学硕士学位论文 第二章试验系统及表面电荷测量装置 试验系统由试样电裰系统、真空试验腔和真空系绕、表面电荷测量系统以及高 压电源等组成。 2 。 试撵与毫掇系统 本研究采用的试样和电极系统如图2 1 所示。其中试样绝缘予为高4 5 m m 、赢径 2 5 m m 的圆柱形试样，材料为添加了3 0 a l 2 0 3 的环氧树脂，是常用的g i s 盒式绝缘 子材料。电极是髑不锈钢加工褥成。绝缘予和嚣边电极邋过环氧树艨螺拴紧密逡接。 导嘏颗粒为翟 妻澎金属颓粒，澹高压电禳劐遣电裰靛方向嚣东孚敖鬟。 口电辍 囫绝缘子 翻2 1 绝缘予电极形状 邀羧、绝缘子在真空整中瓣枣是蟊强2 2 、霆2 3 褒示，左电辍麓遗电投，表邀 极为商压电极。士电电极与一个可移动、旋转的丝杆通过螺纹连接，丝杆能够带动绝 缘予进行左右平行移动和3 6 0 0 的自由旋转；高压电极艏部有一直径6 r a m ，长1 0 m m 的翻孔，囱右攘旗可移动丝枵，高压电投可与圆锥形电投牢固固定往( 如图2 2 掰 示) ，囱左拉可移劝丝栝，嬲经裔压电裰与圆锥形电极蠡由分开。 强2 2 逛援、绝缘予程粪空燕中豹糍娲 华北电力大学硕士学位论文 图2 3 样品电极和测量装置布塌实物图 以上两豳同时展示了试样和电极系绫与表面电蒋测量探头的福对位置关系。嚣 凳表瑟毫瑟探头鹣癸部怒金耩霹菠接缝的，鲡采巍麴压露探头与高疆电擞距离较 避，则又可能会引起高压电极对电荷撵头之间的闪络。考虑到这个问题，实际系统 设计时要求静电电容探头程加压情况下尽可能远离试样和电极愆统，以避免发生闪 终现象。经过会理设诗，农趣压露势魄迄容搽头至离歪毫辍翁鞭褰大予4 5 m m ，瑟 加压时试样两电极之闻的躐离为4 1 m m ，这样就能保证闪络是从试样两端的电极间 发生的，而不会发生在静电电容探头与高压电极之间。 试样和魄擞系统在试验时藏入真空试验腔。 2 2 真空试验腔与真空系统 本研究主疆是进行冀窆情况下缝缘予试样的表露带电特瞧戬及闲络特憔的试 疑，斩有麓试验都要在囊空环凌受避行，要求奏空液不仅辘够遮弼著保持一定的真 窳度，还要能够在其中进行一系列的操作和试验，并能够清楚l 甄观察到试品和电极 在真空腔中的能置。 鹫2 4 楚爽窆建薅熬示意图，奏空黢瓣痰经受2 0 0 m m ，毫瞧楚2 0 0 m m 。囊空菠 的上下两端采用法兰结构，下部直接与真空泵相连，上部用法兰虢密封。为了实现 各种功能，在真空腔的中部圆周线上( 即在高为1 0 0 m m 处) 设鼹了9 个大小不 的法兰接口磺寒连接完成各耱功能鳃缎锫，它们分剐楚：高压弓l 线套管接口一个( 耐 藤超过6 0 k v ，通过高压愈缆接头把商溅g | 入至l 真空腔内) 、弓| 线接口西个( 其中两 个分别供直流低压引线和测量引线用、另两个备用) 、二维样品搽作架接口一个、 二维静电电荷探头支座接髓一个、真空规管接口一个。 逶过封二绫黪毫龟蕊搽头支絮豹搽停，链够在不酸落囊空状态懿季生凌下搽缀黪 魄电荷探头向真空腔中心移动，同时又能够使探头上下移动使它正对圆柱形试样； 二维样品操作架可以使电极试样系统完成前后移动以及3 6 0 度旋转。将两者结合起 9 华北电力大学硕士学位论文 来，在真空腔外就能操纵静电电荷探头完成对试样表面的扫描，从而完成对试样表 面的测量。 l o 壮帮罂删鬈妪錾w。【一旺蜘u佃骶嚣6口荨瓤一舀攀8糕本制蜮牲堑m型屐匮冲9口鞲联严幂喏鞋媒岱 旗窨阵一唯器|审寻 蜷刨懈水蜷悼_审_申船姑糕祭一簪滕旺姆内蝼舯冲搽一髑恒ii供拄l=辎一枷川警卜i壁j_咪唾击坶_荨川燃叫6翻憔饔钟一棚川攥叫a倒懈水斟毒一_审脚枯鼎迁 匝幡峪羁姆邋纠僻一n匝 华北电力火学硕士学位论文 通过对二维静电电荷探头支架的操作，能够在不破坏真空状态的情况下操纵静 电电荷探头向真空腔中心移动，同时又能够使探头上下移动使它正对圆柱形试样： 二维样品操作架可以使电极试样系统完成前后移动以及3 6 0 度旋转。将两者结合起 来，在真空腔外就能操纵静电电荷探头完成对试样表面的扫描，从而完成对试样表 面的测量。 根据实际情况，选用直联旋片式真空泵和涡轮分子泵组成的真空机组抽真空。 直联泵选用上海真空泵厂生产的2 x z 一4 型真空泵，它作为涡轮分子泵的前级泵， 抽气速率为2 l s ，极限真空达到6 1 0 - 2 p a 。涡轮分子泵选用中科科仪技术发展有 限责任公司的f 1 0 0 1 1 0 系列的产品。此真空机组能够达到的最高极限真空度为 6 l o 6 p a 。 真空度的测量仪器采用的是北京大学物理系研制的d l 一9 型复合真空计，测量 量程为2 0 0 p a 0 2 x l o 5 p a 。真空度的测量是分段进行的，其中2 0 0 p a 0 1 p a 范围 采用z j 一5 4 d 型热电偶测量，1 0 p a 0 2 1 0 巧p a 范围采用z j 一2 7 b 型真空电离规管 测量。 试样电极系统的安装通过打开真空腔的上法兰盖进行，为了便于操作时的观察 和定位，上法兰盖是一个带观察窗的法兰盖，观察窗的直径为1 0 0 m m 。该真空腔的 真空度可达到1 0 。5 p a 以上，漏率小于l o 。7 p a 1 s 。 整个真空系统安装连接好后，在正常情况下开启分子泵系统约2 0 分钟就能达 到l 1 0 。3 p a ，最高能达到o 5 1 0 4 p a 。通常情况下，试验时真空腔内的真空度保持 在1 1 0 。p a 0 5 1 0 4 p a 之间。 图2 5 是实际真空系统图。 图2 5 真空系统 华北电力大学硕士学位论文 2 3 表面电荷测量系统 2 3 1 表面电荷测量方法概述 表面电荷的测量方法主要有：粉尘法、电容探头法、超声波法、电声脉冲法等。 由于超声波法只适用于绝缘薄膜带电现象的观测，因此该方法一直没有得到广泛的 应用，研究报道不多。今年来有的研究者利用电声脉冲法对两种固体介质交界面处 的表面电荷进行了测量，但由于设备昂贵复杂，且此法仅适用于两种介质交界面处 的表面电荷积聚问题的研究，因此在表面电荷研究方面的应用有限。另外有的研究 者利用p o c k e l s 效应对绝缘薄膜表面电荷及表面电位实现了精确测量，但该方法只 能应用于透明的绝缘材料，对于大多数不透明的绝缘材料该方法无能为力。因此对 于气固交接面处表面电荷分布的观测主要采用的方法为粉尘图法和电容探头法。 粉尘图法是利用某些带电的固体粉尘剂( 如红色的p b 3 0 4 ) 在绝缘子表面静电 荷作用下产生的吸附效应实现对绝缘子表面的观测。将这些粉剂均匀地喷洒在已经 积聚了电荷的绝缘子表面，通过观察绝缘子表面固体粉剂的颜色分布来判断电荷在 绝缘子表面的分布情况和电荷的极性。该方法具有相当的直观性，尽管无法实现准 确的测量，但即便是现在，粉尘图法还是检验其他测量方法准确性的一种粗略检测 手段。另外，当向被测表面喷洒固体粉尘时，可能会影响被测表面的表面电荷分布。 此外，在本研究中，因为需要测量的是真空环境下的表面电荷分布，该方法不可能 在保证真空的前提下完成测量，所以本方法对本研究无法适用。 电容探头法分为动电容探头法与静电容探头法两种。动电容探头法实际上是将 静电信号转化为动态信号来测量，因此不用考虑前置运算放大器偏置电流对运放输 出的影响。但由于受探针面积较小及探头运动幅度不可能很大的限制，电容探头在 运动过程中探针与绝缘子表面之间的电容变化非常小，为了提高测量系统的分辨 率，要求电容探头本身的电容值以及测试线路的路口电容值极为稳定，这在探头高 速振动过程中是非常难实现的。另外由于测量过程中电容探头是振动的，对于一些 形状比较复杂的绝缘子，这种方法的应用受到了一定的限制。随着集成运算放大器 性能的不断提高，高输入阻抗、低偏置电流的集成运放已经有产品问世，这使得静 电容探头法在2 0 世纪9 0 年代初开始为一些研究者所采用。由于静电探头无需振动 装置，所以整个探头结构简单，可以探测一些因绝缘子表面形状复杂而无法使用动 电容探头的场合。 在我们的研究中，需要在真空中测量固体绝缘予表面的电荷分布情况，而且在 测量电荷前还需对试样进行其它一系列的试验，整个过程不允许破坏真空度( 约1 0 4 p a ) ，操作要求简单方便。综合考虑各种因素，最后我们选用静电电荷探头法来测 量表面电荷。 牮j e 电力火学硕士学位论文 2 3 2 静电容探跌法的测量原理 黪逄龟蔫搽头嶷际为一电容性分压器。攘头载蓑邦毒被测荣宅表嚣之霾夔毫容 构成分压器的高压电容c 2 ，低聪侧电容c l 由测量仪表的输入电容和弓i 线电容构成。 被测带电表面可以等效为一已缝充电的电容c 3 。图2 6 、2 7 是静电电荷探头的结构 示意黧稠等效电路黼。 薹曰u 匿2 6 结梅示意图蚕2 。7 等效电路圈 。匕图中c l 为静电探头及测试线路的入口电容之和；c 2 为静电探头感应面与被 测表黼电荷之间的等效电容；c 3 为绝缘子淡面相对于地的等效电容；u j 是绝缘予 表夏戆迄压；饶楚搽头懿嚣量魄蘧。鑫等效逛跨强可褥： u ，然= l 一a 嘣 2 c l c 2 + c l c 3 + c 2 g 其中a 建探头豹露辍，麦上式霹缮： 盯。c 1 c 2 + c l c 3 + c 2 c 3 u 2 ：s u 2 (1)c ，a 式中s 蹩搽头载瑟缓发，s i 戛盟篆竖，因为c i c ：，c 2 c 3 ，掰| 蔓： s 。旦 由圈2 7 可得输出嗽压u 2 与u l 的关系为； u ：2 可c 百2 u ( 2 ) ( 3 ) 2 3 ，3 静电容探头的具体制作 根据静电容探头的测量原理，我们设计了如图2 8 所示的探头。 华北电力大学硕士学位论文 l 形钐钐钐黝 爨四氟乙烯绝缘 厂瀑沁沁燃i 探要7 ! 接地盘属屏蔽层 图2 8 探头结构不意图 探头的直径越小，其空间分辨率就越高，因此探头的直径最好能小于i m m 。考 虑到探头对泄漏电阻的要求和市场上电缆的种类，我们选用r g l 4 2 u 同轴电缆， r g l 4 2 u 同轴电缆采用聚四氟乙烯绝缘，它的内导体是直径为0 9 4 m m 的单芯镀银 铜包钢线。剥开电缆的塑料外皮，可看到直径o 9 4 r a m 的金属线和外径2 9 5 m m 的 聚四氟乙烯绝缘层。为了增加探头的泄漏电阻，电缆的绝缘层到外面的屏蔽层之间 也采用聚四氟乙烯作为绝缘材料。图2 9 、图2 1 0 分别是静电电荷探头的结构图和 实物图。 图2 9 测量装置整体结构图 1 4 华北电力大学硕士学位论文 图2 1 0 测量装置实物图 为了减轻测量装置的重量，装置的大部分外壳都用铝合金材料。测量装置的前 端外壳采用铜，紫铜的导电性能比黄铜好，但是紫铜的特性比较脆，不易于加工金 属小门，所以我们采用黄铜。测量装置的后部是一个空心的金属四方体，其中下面 金属板可以打开，以便于探针的安装与拆卸；空心金属体的后部开有一个小槽，用 于电缆探针的安装。小槽里面有一个用于固定电缆的卡子，能使电缆牢固地固定住。 如图2 9 和图2 1 0 所示，探头的最前方是一个由电磁铁控制的小门，电磁铁的 工作电压为6 2 4 伏的直流电压；在没有通电压的情况，凭借弹簧的弹力使门保持 在关闭状态，通电后由于磁力的作用，小门立刻打开，弹簧的弹力能够保证测量装 置不管如何放置，金属门都能处于关闭状态。屏蔽门的好处是增加了操作的简便性， 测量的时候不用来回移动操作杆。图2 1 1 是探头前端的屏蔽门关闭和打开时的照 片。 图2 1 1 屏蔽门打开、关闭时的状态 华北电力大学硕士学位论文 2 3 4 静电电荷探头的灵敏度 从以上分孝厅可以看出，由于入口电容和静电电荷探头的大小都是固定值，即对 于特定的测量系统其灵敏度是确定的( 式2 ) ，因此测量系统的最小可测量值取决于 对电压测量的灵敏度( 式1 ) 。从上式还熊知道，如果静电电荷探头的面积增大，则 可以提高电荷测量灵敏度，但是使测量的空闻分辨率降低。 由于本系统是通过测量由绝缘子表面电荷引起的表面静电电位来获得表面电 荷密度的，因此，不同于普通电压的分压器，用于低压侧进行电压测量的装置输入 阻抗必须足够大，否则会由于泄漏而根本无法进行测量。所以对于静电电荷探头、 连接头以及搽头弓l 线等的等效阻抗和电压测量仪表的输入阻抗需要给予特别的关 注。为保证整个系统的高阻抗特性，静电电荷探头采用聚四氟乙烯( p t f e ) 绝缘采 保证其泄漏电阻足够大，选用p t f e 绝缘的低噪声电缆做探头引线，引线端予用高 纯度氧化铝陶瓷绝缘以保证真空密封和高泄漏阻抗。为了保证测量仪器的输入阻抗 足够高，输出电压测量仪器选用美国k e i t h l e y 公司的6 5 1 4 型静电计。该仪器测量 电压时的输入阻抗大于2 l o h q ，电压测量的量程范围为2 v 2 0 0 v ，最小分辨率 为l o pv ，最小可测电流为1 1 0 - 1 6 a 。 在实际测量系统中，整个系统的泄漏阻抗在1 0 1 4 q 左右，电容c l ( 由电缆等效 电容和静电计入口电容组成) 约为8 2 p f 。因此由静电电容探头、电缆引线和静电计 组成的测量系统的时间常数约在1 0 4 秒左右，此时由测量系统的泄漏引起的误差可 以忽略，完全能够满足测量要求。6 5 1 4 型静电计对电压的最小可测量为l o 6 v ，考 虑到测量的其体情况，设定电压测量灵敏度为l m v ，实际测量静电电荷探头的探针 直径为0 9 4 m m ，壹接根据式( 2 ) ，本测量系统的最小可测电荷密度为0 1 1 8 9 c ( m 2 m v ) ，空间分辨率小于l m m 2 。同时，静电电荷测量系统的输出电压信号与表 面电荷密度之间的对应关系就为每毫伏对应表面电荷密度0 1 1 8 9 c m 2 。 为保证静电电荷探头测量系统的特性以及防止静电电荷探头端部与被测表面 之间发生静电击穿事故，本文采用了以下方式对测量系统进行了校验。用个金属 导体代替被测表面，使金属导体带上不同大小的直流电压( u t ) ，将静电电荷探头 定位在距离金属导体表面一定距离处，用静电计测量静电电荷 鲑| i 量系统的输出电 压。通过比较在不同鸯流电压情况下探头输出电压的大小，就可以碍到测量系统的 实际测量灵敏度以及线性特性。图2 1 2 使在真空腔内真空度为l 1 0 0 p a 的情况下， 静电电荷探头距离被测导体表匝