长间隙同轴圆柱直流smc绝缘特性试验研究

长间隙同轴圆柱直流smc绝缘特性试验研究

0导电纳米颗粒对sf6气体间隙直流击穿特性的影响同一圆锥体电极是金属压路的基本电极结构，直接sp6开口，直接sp6环，其他直接供电设备和主要部件的sp6。当sp6气体空间时，在直流电下的腐蚀性能是该设备的理论基础。近年来,随着我国uf0b1(400~800)kV直流输电工程中对油–SF6直流换流变套管、直流SF6穿墙套管、直流GIL等SF6直流气体绝缘设备的工程应用需求增大,对同轴圆柱基本电极结构下SF6气体直流击穿特性规律及其影响因素的深入研究提出了要求。S.Menju和C.M.Cooke对同轴圆柱电极SF6气体间隙不同气压下的直流击穿特性进行了研究,S.Menju研究表明在SF6气体压力高于101.3kPa时,直流击穿电压结果开始偏离理论计算模型,并开始表现出极性效应。除SF6气体压力,电极表面粗糙度,以及导电微粒是影响SF6气体间隙直流击穿特性的重要因素。一般情况下,电极表面粗糙,表面凹凸程度越严重,凸起的尖端能引起强场放射,使间隙中各处的宏观场强即便均小于临界值,也能导致间隙在较低电压下发生击穿。为研究电极表面粗糙度对SF6气体间隙工频击穿特性的影响,Pedersen建立了半球形粗糙度模型,Nitta则通过对理想电极表面(粗糙度Ra(28)0uf06dm)和粗糙电极表面(粗糙度Ra(28)150uf06dm)进行理论计算和工频击穿特性实验验证了Pedersen模型;在直流电压下由于SF6间隙击穿电压存在极性效应,Pedersen半球粗糙度模型不适用,由于缺少考虑粗糙度因素的直流击穿电压实验数据支撑,国内外目前尚未建立准确的直流粗糙度模型。在导电微粒对SF6气体间隙直流击穿特性的影响方面,H.Anis等人研究了不均匀电场下球状金属导电微粒的运动规律,根据微粒的受力情况,推导出了临界浮起电压;邱毓昌结合线状导电微粒的电荷计算方法和试验研究提出了线状导电微粒的浮起场强;贾江波,张乔根等人则对不均匀直流电场下球状自由导体微粒的水平运动规律进行了计算和仿真研究。现有研究成果为导电微粒对SF6气体间隙直流击穿特性影响的分析提供了基础,但在同轴圆柱直流SF6气体绝缘设备中,当电极表面的场强达到导电微粒的临界浮起场强,间隙不一定发生击穿,微粒的几何尺寸和端部微放电规律还起决定作用。本文在国内外研究成果的基础上,对不同气压、不同电极表面粗糙度、不同极性直流下同轴圆柱SF6气体间隙的击穿特性进行了研究和分析,并根据研究结果建立了长间隙GIL同轴圆柱SF6间隙直流击穿电压估算模型,同时对不同线状导电微粒对间隙的直流击穿特性的影响规律进行了研究。1试验系统1.1uf0b113000kv/200ma直流电压发生器图1为用于同轴圆柱电极SF6气体间隙直流击穿特性的试验装置,可以在该试验装置试验筒体内布置不同尺寸的同轴圆柱电极间隙,并从高压绝缘套管引入uf0b11200kV直流试验电压,试验电源采用uf0b11800kV/200mA直流电压发生器,并在高压试验回路的高压端串联过流保护水电阻。试验过程中,隔离气室和高压绝缘套管部分充入0.5MPa绝对压力的SF6气体,安装电极的气室则根据试验需要充入指定压力的气体。试验电极采用3个呈120uf0b0对称分布的支撑接地导杆固定。试验系统和试验回路如图2所示,图中SF6气体处理装置用于给试验装置充入和回收气体,改变试验装置各个气室之中的气压,并滤除SF6气体中的杂质和水分;SF6含量/气压/露点仪用于测量试验气室中的SF6含量、气压和水分含量;罗氏线圈和示波器用于观察间隙击穿时的放电波形。1.2复合电极的安装同轴圆柱中间导体电极固定在两个支柱绝缘子上,外壳电极通过3个呈120uf0b0对称分布的且与装置外壳采用密封圈连接的可调式定位杆固定,通过调节定位杆可以保证试验用外壳电极和试验用中间导体电极同轴布置。试验电极边缘呈“喇叭”状,边缘曲率半径都为100mm,消除了电极的边缘场效应,使间隙击穿点位于电极的中间位置,如图3所示。在图3中,灰色的小点为放电击穿点。2同一轴的倾斜sp6间隙的开口2.1电极厚度的确定本文选用了表1中所示尺寸和结构的同轴圆柱试验电极组合进行了SF6间隙绝缘特性试验研究。表1中3组同轴圆柱电极具有相同的电场不均匀系数(f=1.72,即ln(D/d)=1)和相同的电极长度(L=80mm),仅间隙大小不同,电极表面粗糙度为6.3μm,为SF6气体绝缘设备电极常采用的常规工艺值。多数同轴SF6气体绝缘设备外形尺寸是基于ln(D/d)=1设计的,因此本文所用电极组合的绝缘特性试验结果可直接用于指导直流SF6气体绝缘设备的设计。2.2直冲电压的极性性能2.2.1气体压力对正负极性击穿电压的影响选择参数d=60mm、D=163mm、L=320mm的同轴圆柱试验电极,试验时先将气体压力充至0.1MPa,然后进行负极性直流击穿电压试验,重复5次,对于击穿电压离散性较大的击穿点,重复5~10次;同一气压下负极性击穿电压试验完毕后再进行正极性击穿电压试验。分别在0.1、0.2、0.3、0.4、0.5MPa的气体压力下进行正负极性的直流击穿电压试验,试验所得的正、负极性直流击穿电压值与理论击穿电压值如图4所示,正、负极性直流击穿电压的最大值和最小值分别用虚线表示,理论击穿电压值为同轴圆柱电极基于经典流注放电理论的推导值。由图4可以看出:在0.1~0.5MPa的气体压力范围,正负极性击穿电压随着气体压力的增大而增大,且在0.4MPa后开始出现饱和趋势;负极性直流击穿电压在气体压力大于0.1MPa时开始偏离理论击穿电压值;正极性直流击穿电压在气体压力大于0.2MPa时开始偏离理论击穿电压值;在气体压力大于0.1MPa时具有明显的极性效应;0.4~0.5MPa气体压力范围内,负极性击穿电压值(平均值)约为正极性击穿电压值(平均值)的0.7~0.8倍,为理论击穿电压值的0.5倍。2.2.2正极性击穿电压高于极限性对于同轴圆柱这种典型的稍不均匀电场,负极性击穿电压明显低于正极性击穿电压原因是放电间隙中空间电荷运动造成的,类似于球–球稍不均匀电极不同极性直流电压下空间电荷运动规律,同轴圆柱电极直流电压下空间电荷运动如图5所示。当中间导体电极为负极性时,其表面附近电场达到一定值时,中间导体表面附近空间最先电离,电子将远离中间导体向外壳电极附近运动,运动过程中将使间隙的SF6气体电离释放出电子,而中间导体电极附近留下来的空间电荷将加强中间导体表面的电场,导致发射更多的电子,加速了间隙的电离速度,从而降低了负极性击穿电压。当中间导体电极为正极性时,最先电离的电子直接进入中间导体电极,不会进入间隙空间去诱发空间中SF6释放电子;而中间导体附近留下的正电荷也只能进一步削弱正极性上球附近的电场,抑制上球发射电子,使间隙的电离作用比负极性时小,因此正极性击穿电压高于负极性。在直流输变电系统中,直流SF6气体绝缘设备存在正极性或负极性的运行状态,而设备一般运行压力为0.4~0.5MPa,此时负极性直流击穿电压仅为正极性击穿电压的0.7~0.8倍,约为理论击穿电压值的一半。因此进行绝缘设计和绝缘性能研究时,主要考虑施加负极性直流电压的条件,理论击穿电压值的指导意义不大。2.3长间隙内的直流闪燃电压特性2.3.1旋转电极间隙充放电测试对表1选定的具有相同电场不均匀系数(f(28)1.72)的3组电极分别进行负极性直流击穿电压试验,在0.4MPa气体压力下,其气体间隙负极性击穿电压平均值如图6所示。试验数据为5次击穿电压的平均值。对d=30mm、D=81.6mm,d=60mm、D=163.0mm和d=80mm、D=217.4mm的3组同轴圆柱试验电极组合在0.1~0.5MPa气体压力范围内进行负极性击穿特性试验,其试验结果如图7所示,其中纵坐标为同轴圆柱电极间隙击穿时中间导体表面的电场强度,也就是间隙中间导体电极表面的临界击穿场强。试验数据为5次击穿电压的平均值。2.3.2中间导电表面的临界击穿电场由图6和图7同轴圆柱不同气压、不同间隙大小下的负极性直流击穿特性可知:1)当外壳电极内径D和中间导体电极外径d的比值一定时,即不均匀系数相同时,负极性击穿电压随间隙长度的增加具有较好的线性关系;2)d=30mm、D=81.6mm,d=60mm、D=163.0mm和d=80mm、D=217.4mm的3组电极在0.1~0.5MPa气体压力范围内尽管击穿电压不同,但中间导体表面的负极性直流临界击穿场强基本一致,偏差在4%以内;3)在0.4MPa气体压力下,ln(D/d)(28)1同轴圆柱电极间隙的临界击穿电场值为18.4kV/mm。对于同轴圆柱电极,符合SF6气体流注自持放电理论判据时,中间导体表面的理论击穿场强可用如公式(1)和(2)所示,即理论击穿电压为式中:Eb为同轴圆柱电极中间导体表面场强,kV/mm;p为SF6气体的压力,MPa;r为同轴圆柱电极中间导体半径,mm;D为外壳电极的内径,mm;d为中间导体外径,mm。按公式(1)计算在0.4MPa气体压力下,d=30mm和d=80mm,ln(D/d)=1的2种同轴圆柱电极间隙的临界击穿电场值分别为36.7kV/mm和36.2kV/mm,而负极性直流电压下的试验值18.4kV/mm约为理论值的一半。因此在0.4MPa直流SF6气体绝缘设备的运行压力下,理论公式不适用于指导设备气体间隙设计和绝缘性能分析。2.4中间半导体电极表面的临界击穿能力1000kV特高压交流SF6气体绝缘设备的同轴圆柱外壳内径将近900mm。而直流SF6气体绝缘设备由于负极性效应,设备尺寸和间隙长度更大。试验室无法直接通过试验得到此类长间隙的同轴间隙的直流击穿电压,只能建立数值计算模型进行击穿电压估算。如图7所示,对于相同电场不均匀系数的同轴圆柱电极间隙在相同气体压力下中间导体电极表面的临界击穿场强相同,且在0.1~0.5MPa气体压力范围内试验结果具有较好的线性关系,对图7所示结果在0.1~0.5MPa气体压力范围内进行线性拟合后得到图8所示击穿场强和气压的线性关系。图8对应的是ln(D/d)(28)1的同轴圆柱电极负极性直流电压下中间导体电极表面的临界击穿场强的拟合曲线,其关系为试验电极是ln(D/d)=1的同轴圆柱电极,因此由公式(2)和(3)可得负极性直流临界击穿电压的数值计算模型为公式(4)是在表面粗糙度为Ra=6.3µm,外壳电极总放电面积S(27)546cm2的试验电极上推导出来的负极性直流击穿电压公式,在0.1~0.5MPa范围内比较适用;在SF6气体压力低于0.1MPa时,理论公式(1)比公式(4)适用;在SF6气体压力高于0.5MPa时,由于击穿电压开始随气压趋于饱和,可以参考0.5MPa气压下的计算值。直流SF6气体绝缘设备的运行压力通常在0.4~0.5MPa范围内,因此公式(4)模型可以满足工程设计需要。3影响轴端电极直接弯曲特性的因素3.1负性直流击穿电压由于放电的不随机性,在使用公式(4)估算工程用同轴圆柱电极(ln(D/d)=1)负极性直流击穿电压时,还需考虑其它影响因素。实际试验得出的负极性直流击穿电压值可能低于公式(4)的计算值。在相同尺寸同轴圆柱间隙中,相同SF6气体压力下,电极表面粗糙度和导电微粒是影响间隙绝缘的重要因素。3.2接地表面粗糙度电极表面粗糙度大时,表面突起的局部电场强度要比气隙的平均电场强度大得多,因而可在宏观上平均场强尚未达到临界值时就诱发击穿。当接地外壳电极表面粗糙度Ra保持2.6mm不变时,在0.96~12.3mm范围内改变高压中间导体的表面粗糙度时,d=20mm、D=54.4mm同轴圆柱电极间隙在0.4MPa气体压力下的负极性直流击穿电压如图9所示。当高压中间导体电极表面粗糙度Ra保持0.96μm不变时,在0.5~4.6μm范围内改变接地外壳的表面粗糙度时,d=20μm、D=54.4μm同轴圆柱电极间隙在0.4MPa气体压力下的负极性直流击穿电压如图10所示;图11为该电极组合下改变接地外壳电极表面粗糙度时负极性直流击穿电压与气压的关系。由图9—11可知:1)在0.4MPa的气体压力下,当接地外壳电极表面粗糙度为2.6μm时,高压中间导体表面粗糙度从6.3μm增加到12.3μm时,负极性直流击穿电压值没有明显下降,下降幅度仅3%;从6.3μm降低至1μm以下时,击穿电压能提高10%。2)在0.4MPa的气体压力下,当中间导体电极表面粗糙度为0.96μm时,外壳接地电极表面粗糙度从0.94μm增加到4.6μm时,负极性直流击穿电压值没有明显下降,下降幅度小于3%;从0.94μm降低至0.5μm以下时,击穿电压能提高6%。3)在0.2MPa(含)以下气体压力下,0.5~4.6μm接地外壳电极表面粗糙度对间隙的负极性直流击穿电压影响不明显;在0.2MPa以上时,0.5~0.94μm接地外壳电极表面粗糙度明显影响间隙的负极限击穿电压。目前国内外直流SF6气体绝缘设备气体压力多为0.4~0.5MPa,在大多数厂家6.3μm的电极加工工艺水平中,表面粗糙度能比较明显地影响间隙的负极性击穿电压。若提高工艺制造水平,将高压中间导体电极目前设计的表面粗糙度6.3μm加工到低于1μm,将接地外壳电极的表面粗糙度加工到低于0.5μm,在0.4MPa气体压力下,负极性直流击穿电压能提高10%以上。3.3间隙的击穿电压导电微粒附着在电极表面的现象是普遍存在、经常发生的,如切削加工后的削末未擦干净,运行中产品的磨损脱皮,检修过程中清理不慎粘附的金属屑等。这些金属导电微粒都在一定程度上影响SF6气体间隙的绝缘特性。将直径为0.34mm,长度分别为3、6、12mm的铝制微粒自由布置于d=60mm,D=163mm同轴圆柱电极中,每次试验在外壳电极上均匀布置10颗同尺寸金属导电微粒,在0.5MPa气体压力下,间隙的击穿负极性直流击穿电压如图12所示。将长度为6mm,直径分别为0.34、0.5、0.9mm的铝制微粒自由布置在d=60mm,D=163mm同轴圆柱电极中,在0.5MPa气体压力下,间隙的击穿负极性直流击穿电压如图13所示。由图12和图13可知:1)0.5MPa气体压力下,间隙的负极性击穿电压随金属导电微粒长度的增加而降低,12mm的铝制线状微粒能使d=60mm,D=163mm同轴圆柱间隙负极性直流击穿电压降低到原击穿电压的2/5。2)相同长度不同直径的金属导电微粒对间隙的击穿电压影响相同,但高于某一临界值,间隙击穿电压值将会增大。同轴间隙中的金属微粒在直流电场下带电并向电场集中区域做定向移动,其运动特性受其表面形状、重力大小、电场强度等多种因素的影响。通过对布置于电极间隙中的线状微粒在直流电场下的运动规律进行观察后发现,线状微粒一旦受电场力浮起后,线状微粒将会竖立,并在瞬间引起放电。竖立的线状微粒最大限度地缩短了间隙的绝缘距离,因此线状微粒越长,能越大程度上降低间隙的击穿电压。而对于长度相同,直径不同的微粒,由于微粒直径增大可能会使微粒的浮起电压升高,因此随着微粒的直径增大,击穿电压将有可能回升。3.4