直流GIL中線形金屬微粒對(duì)柱式絕緣子表面電荷積聚的影響

王　健　李伯濤　李慶民　劉思華　馬國(guó)明

(1.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))　北京　102206 2.國(guó)網(wǎng)日照供電公司　日照　276826)

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直流GIL中線形金屬微粒對(duì)柱式絕緣子表面電荷積聚的影響

王健1李伯濤2李慶民1劉思華1馬國(guó)明1

(1.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))北京102206 2.國(guó)網(wǎng)日照供電公司日照276826)

針對(duì)直流氣體絕緣金屬封閉輸電線路中導(dǎo)電微粒污染問題，研究其對(duì)柱式絕緣子表面電荷積聚的影響。首先基于麥克斯韋方程組理論，對(duì)絕緣子表面電荷的積聚情況進(jìn)行分析；并進(jìn)一步納入微粒污染以及氣體側(cè)空間離子的產(chǎn)生、復(fù)合、遷移、擴(kuò)散等作用，建立了微粒污染情況下包含氣體側(cè)微觀機(jī)制的絕緣子表面電荷積聚模型，利用COMSOL軟件對(duì)不同極性下絕緣子表面附著微粒以及絕緣子附近存在懸浮微粒兩種情況分別進(jìn)行了求解分析。此外，結(jié)合前人實(shí)驗(yàn)研究的數(shù)據(jù)證明了仿真方法與結(jié)果的有效性和正確性。結(jié)果表明：附著絕緣子表面的導(dǎo)電微?？梢鸨砻骐姾傻姆e聚激增，其中附著在中間部位的微粒引起的電荷激增量更為顯著，且微粒兩端積聚電荷的電性相反；懸浮微粒對(duì)表面電荷積聚的影響較小，當(dāng)懸浮微粒距絕緣子表面垂直距離超過4倍微粒直徑時(shí)，其對(duì)絕緣子表面電荷的影響可以忽略。

表面電荷附著微粒懸浮微粒微觀機(jī)制

0　引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，特高壓直流輸電及離岸大規(guī)模風(fēng)電輸送的需求日益突出，而以具有優(yōu)良絕緣性能的SF6及SF6/N2混合氣體作為絕緣介質(zhì)的直流氣體絕緣金屬封閉輸電線路(Gas Insulated Metal Enclosed Transmission Line，GIL)具有巨大的應(yīng)用前景。然而，絕緣子沿面閃絡(luò)故障一直是GIL運(yùn)行中必須面對(duì)的難題。有研究表明：絕緣子表面電荷積聚和導(dǎo)電微粒污染是引起閃絡(luò)的主要因素[1-5]，且當(dāng)導(dǎo)電微粒與表面電荷共同作用時(shí)，對(duì)設(shè)備絕緣強(qiáng)度的影響最顯著。

針對(duì)同軸圓柱電極系統(tǒng)中表面電荷和微粒污染問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從理論和實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)行了廣泛研究。其中，湖南大學(xué)汪沨教授、清華大學(xué)張貴新教授等通過優(yōu)化電容探頭設(shè)計(jì)對(duì)絕緣子表面電荷的積聚、分布及影響因素等方面進(jìn)行了詳細(xì)的研究[6-10]；而西安交通大學(xué)張喬根教授等以楔形電極模擬同軸圓柱電極系統(tǒng)中的稍不均勻場(chǎng)，對(duì)導(dǎo)電微粒的運(yùn)動(dòng)特性及影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)研究[11-13]。此外，德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)Winter A等納入氣體側(cè)電荷的微觀機(jī)制利用COMSOL軟件對(duì)GIS中絕緣子表面的電荷積聚過程進(jìn)行分析并取得了一定成果[14，15]。而隨著研究的深入，導(dǎo)電微粒與表面電荷共同作用的情況也逐漸受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。其中，埃及開羅大學(xué)Radwan等從理論上分析了導(dǎo)電微粒與表面電荷之間的作用關(guān)系[16]；此外，李成榕等在實(shí)際絕緣子表面附著導(dǎo)電微粒的情況下，對(duì)絕緣子沿面閃絡(luò)的檢測(cè)及其發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了探索[17]。

但是，目前對(duì)于導(dǎo)電微粒與表面電荷共同作用方面的研究同時(shí)也存在一些不足。首先，目前大量的研究主要集中在分別針對(duì)表面電荷或?qū)щ娢⒘＿M(jìn)行研究，而同時(shí)考慮兩方面的研究時(shí)又局限于對(duì)沿面閃絡(luò)特性的影響，沒有深入探究導(dǎo)電微粒污染對(duì)表面電荷積聚的影響。另一方面，直流電壓下，絕緣子表面更易積聚電荷，微粒的運(yùn)動(dòng)活性也更強(qiáng)。同時(shí)，由于柱式絕緣子爬電距離短，在相同表面電荷情況下更易發(fā)生沿面閃絡(luò)，因而準(zhǔn)確掌握直流GIL中柱式絕緣子表面電荷的積聚情況對(duì)提高設(shè)備絕緣強(qiáng)度具有重要應(yīng)用價(jià)值。

針對(duì)以上問題，本文充分考慮氣體側(cè)空間離子的產(chǎn)生、復(fù)合、遷移、擴(kuò)散等作用，利用多物理場(chǎng)仿真軟件COMSOL以實(shí)體建模方式建立直流GIL中包含微粒污染的柱式絕緣子表面電荷積聚模型，分析了柱式絕緣子表面電荷的分布規(guī)律；并深入探究附著微粒和懸浮微粒對(duì)表面電荷積聚的影響，以期深化對(duì)直流GIL中沿面閃絡(luò)故障的機(jī)理認(rèn)識(shí)。

1　考慮導(dǎo)電微粒影響的絕緣子表面電荷積聚模型

1.1絕緣子表面電荷積聚模型參數(shù)選取

本文選取±800 kV作為模型的外施電壓U，而絕緣子選取交流1 000 kV GIL采用的柱式絕緣子，尺寸及其三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。此外，內(nèi)導(dǎo)體外徑Ri為85 mm，外殼內(nèi)徑R0為400 mm。

圖1　柱式絕緣子尺寸及三維結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Size and three-dimensional structure of the post insulator

由于GIL一般為鋁合金材料，并基于導(dǎo)電微粒的來源(加工、運(yùn)輸、裝配、運(yùn)行過程)，選取導(dǎo)電微粒為圓柱形鋁微粒，長(zhǎng)l=10 mm，半徑d=2 mm。

此外，對(duì)于未經(jīng)處理的環(huán)氧樹脂絕緣子，其體電導(dǎo)率kV，I約為10-19～10-12S/m，面電導(dǎo)率kS，I小于10-20S/m，因而通常忽略絕緣子面電導(dǎo)率對(duì)電荷積聚的作用[18]。本文中建立的絕緣子表面電荷積聚模型忽略電荷面?zhèn)鲗?dǎo)作用，即kS，I=0。而根據(jù)實(shí)際環(huán)氧樹脂絕緣子參數(shù)選取絕緣子體電導(dǎo)率kV，I=3.33×10-18S/m；環(huán)氧樹脂絕緣子相對(duì)介電常數(shù)εr，I=4.5。

絕緣氣體方面，模型以0.5 MPa純SF6氣體為基準(zhǔn)，則其離子生成率取30 IP/(cm3·s)[14，15]。此外，文獻(xiàn)[15]指出0.1 MPa下SF6氣體中正負(fù)離子的遷移率約為0.36 cm2/(V·s)，且SF6中離子遷移率隨氣壓的關(guān)系滿足

(1)

式中，b1、b2分別為SF6在第一種和第二種情況下的離子遷移率；p1、p2分別為SF6在第一種和第二種情況下的壓強(qiáng)值。

忽略溫度對(duì)氣壓的影響，則由式(1)得仿真模型中SF6氣體里的正負(fù)粒子遷移率為0.048 cm2/(V·s)。

1.2絕緣子表面電荷積聚物理模型

由于柱式絕緣子為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在不包含導(dǎo)電微粒污染的情況下，本文建立的柱式絕緣子表面電荷積聚穩(wěn)態(tài)模型如圖2所示。

圖2　柱式絕緣子表面電荷積聚穩(wěn)態(tài)模型Fig.2　Steady-state model of surface charge accumulation on the post insulator

導(dǎo)電微粒對(duì)絕緣子表面電荷的主要影響形式有附著絕緣子表面和懸浮于絕緣子附近兩種。

對(duì)于附著在絕緣子表面的導(dǎo)電微粒，研究表明：導(dǎo)電微粒總位于絕緣子沿面閃絡(luò)的路徑上[17]。由于微粒尺寸較絕緣子小很多，其對(duì)表面電荷的影響可認(rèn)為主要集中在微粒所在的路徑及微粒尖端。此外，微粒的位置與電極間的相對(duì)方向也具有重要影響[19]，當(dāng)微粒沿高電極-地電極方向時(shí)，其對(duì)沿面閃絡(luò)電壓的影響最大[17]。因此，選取包含微粒的柱式絕緣子截面進(jìn)行建模，既能夠反映出微粒對(duì)表面電荷積聚的最大影響情況，又能包含微粒尖端的特點(diǎn)。為確定微粒附著位置對(duì)表面電荷的影響，并考慮微粒與電極接觸的情況，共選取7個(gè)位置(如圖3中自下而上的點(diǎn)A～G所示)作為微粒附著點(diǎn)建立受附著導(dǎo)電微粒影響的柱式絕緣子表面電荷積聚模型并分別進(jìn)行仿真分析。以線形微粒附著于E點(diǎn)為例，此時(shí)的電荷積聚模型如圖4所示。

圖3　受附著導(dǎo)電微粒影響的表面電荷積聚模型Fig.3　Surface charge accumulation model with a conducting particle attached on the post insulator

圖4　微粒附著E點(diǎn)時(shí)表面電荷積聚模型Fig.4　Surface charge accumulation model with a conducting particle attached at point E

對(duì)于懸浮在絕緣子附近的導(dǎo)電微粒，更多的情況是在氣體中，而不是與電極接觸；同時(shí)考慮高壓電極附近電荷濃度高和柱式絕緣子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素，選取E點(diǎn)為懸浮微粒距絕緣子表面垂直距離的基準(zhǔn)點(diǎn)。另一方面，由于微粒端部的電場(chǎng)強(qiáng)度最大，對(duì)表面電場(chǎng)的影響也最明顯。本文選取微粒軸線垂直于絕緣子軸線，并以此建立受懸浮導(dǎo)電微粒影響的絕緣子表面電荷積聚模型，基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　受懸浮導(dǎo)電微粒影響的表面電荷積聚模型Fig.5　Surface charge accumulation model with a suspended particle

1.3電荷積聚的微觀機(jī)制

表面電荷的來源主要有：絕緣子體傳導(dǎo)、氣體側(cè)空間電荷積聚和絕緣子面?zhèn)鲗?dǎo)[20，21]。長(zhǎng)期以來，研究人員通?；诤暧^的絕緣子體傳導(dǎo)率、氣體電導(dǎo)率和絕緣子面?zhèn)鲗?dǎo)率來分析表面電荷的積聚作用。而實(shí)際上，氣體側(cè)空間電荷的積聚作用是通過空間離子的產(chǎn)生、復(fù)合、遷移和擴(kuò)散等微觀機(jī)制進(jìn)行的(如式(2)、式(3)所示)，氣體電導(dǎo)率只是上述微觀機(jī)制的整體表現(xiàn)，以微觀機(jī)制代替宏觀的氣體電導(dǎo)率能夠從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)電荷的積聚過程。具體而言，氣體中載流子的移動(dòng)是由電場(chǎng)中的庫侖力引起的，而離子的擴(kuò)散作用強(qiáng)弱由載流子濃度不均程度決定?；谇笆龇治觯?fù)載流子濃度的動(dòng)態(tài)變化可由正負(fù)離子的產(chǎn)生、復(fù)合、遷移作用表達(dá)。

(2)

(3)

在高電負(fù)性氣體中(如：SF6)，游離電子基本都會(huì)附著于氣體分子上，并形成負(fù)離子。忽略溫度對(duì)氣壓的影響和電極的場(chǎng)致發(fā)射，則可假設(shè)氣體中載流子僅為正負(fù)離子，則正負(fù)離子的復(fù)合系數(shù)kr由langevin原理可得

(4)

式中，ε為絕緣氣體介電常數(shù)。

基于絕緣子表面電荷的積聚過程，交界面處絕緣子側(cè)和氣體側(cè)電流密度如式(5)、式(6)所示，可作為絕緣子與氣體交界面處的重要邊界條件

J1=γ2En2

(5)

JG=eEn1(n+b++n-b-)-egrad(D+n++D-n-)

(6)

式中，JI、JG分別為絕緣子側(cè)和氣體側(cè)電流密度；γ2為絕緣子體電導(dǎo)率；En2、En1分別為交界面處絕緣子側(cè)和氣體側(cè)場(chǎng)強(qiáng)的法向分量。

對(duì)于電極處的邊界條件可由狄立克雷條件給出

Uh=U

(7)

Ug=0

(8)

式中，Uh、Ug分別為高壓電極和低壓電極電勢(shì)；U為外施電壓。

對(duì)于附著微粒情況，與電極接觸的微粒，其邊界條件為狄立克雷條件

Uw=Ui

(9)

式中，Uw為與電極接觸的微粒的電勢(shì)；Ui為微粒所接觸電極的電勢(shì)。

完全與絕緣子接觸的微粒，其與絕緣子接觸的邊界以式(5)為邊界條件，與氣體接觸的邊界以式(5)、式(6)為邊界條件。

對(duì)于懸浮微粒方面，以設(shè)置懸浮電位的方式作為微粒的邊界條件，即

∫?ΩD·nds=q

(10)

式中，D為微粒表面電位移矢量；n表示微粒表面法向方向；Ω為微粒所在區(qū)域；q為微粒帶電量。

2　不受導(dǎo)電微粒污染的絕緣子表面電荷積聚情況

2.1仿真計(jì)算及分析

關(guān)于絕緣子表面電荷積聚的機(jī)理已有清晰的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為絕緣子表面電場(chǎng)的法向分量是引起電荷積聚的決定因素[20]。同時(shí)對(duì)絕緣子表面電荷的測(cè)量研究也很豐富，對(duì)于采用的實(shí)際絕緣子或絕緣子模型[6，22]，其表面電荷面密度的量級(jí)通常為μC/m2。

根據(jù)麥克斯韋電磁方程組，表面電荷與場(chǎng)強(qiáng)法向分量的關(guān)系為[20]

(11)

式中，σs為表面電荷密度；En1為絕緣子表面氣體側(cè)場(chǎng)強(qiáng)法向分量；ε0為真空介電常數(shù)；ε1、ε2分別為氣體和絕緣子的相對(duì)介電常數(shù)；γ1、γ2分布為氣體和絕緣子的電導(dǎo)率。

在GIL正常工況，其內(nèi)SF6/N2混合氣體的電導(dǎo)率約為零，則穩(wěn)態(tài)時(shí)絕緣子表面電荷面密度約為

(12)

基于不包含導(dǎo)電微粒污染的柱式絕緣子表面電荷積聚穩(wěn)態(tài)模型，計(jì)算可得+800 kV時(shí)柱式絕緣子表面場(chǎng)強(qiáng)法向分量如圖6所示。

圖6　+800 kV 柱式絕緣子電勢(shì)及場(chǎng)強(qiáng)分布Fig.6　Potential and electric field distribution of the post insulator at +800 kV

由式(10)及±800 kV下絕緣子附近的場(chǎng)強(qiáng)分布可得，施加±800 kV直流電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)柱式絕緣子表面電荷面密度如圖7所示。

圖7　穩(wěn)態(tài)時(shí)柱式絕緣子表面電荷面密度分布Fig.7　Steady surface charge density distribution of the post insulator

由圖7可知，靠近高壓電極處，電荷積聚明顯，最大值達(dá)22 μC/m2，且積聚電荷的極性與各自相鄰電極的極性相反，而絕緣子中央處積聚的電荷量接近于零(同文獻(xiàn)[23])。造成這一現(xiàn)象的原因，可從兩方面予以解釋。首先，根據(jù)式(12)，絕緣子表面的電荷面密度與氣體側(cè)的法向電場(chǎng)強(qiáng)度正相關(guān)，如圖6所示，在兩個(gè)電極附近的柱式絕緣子表面，法向場(chǎng)強(qiáng)較大且方向相反，而絕緣子中央處法向電場(chǎng)強(qiáng)度接近于零，因此，兩個(gè)電極附近積聚相反的電荷，而絕緣子中央處積聚的電荷量接近于零。其次，本文模型以0.5 MPa純SF6氣體為基準(zhǔn)，則其離子生成率取30 IP/(cm3s)。根據(jù)文獻(xiàn)[14]，當(dāng)離子生成率大于2.5 IP/(cm3s)時(shí)，氣體側(cè)的空間離子積聚占主導(dǎo)地位；當(dāng)施加正電壓時(shí)，高壓電極附近法向電場(chǎng)由絕緣子指向氣體側(cè)，氣體側(cè)負(fù)離子向交界面漂移，積聚負(fù)電荷；而地電極附近法向電場(chǎng)由氣體側(cè)指向絕緣子，氣體側(cè)正離子向交界面漂移，積聚正電荷；施加負(fù)電壓時(shí)同理可得。由上述分析可以得到結(jié)論：積聚電荷的極性與各自相鄰電極的極性相反，而絕緣子中央處積聚的電荷量接近于零。此外，沿絕緣子外包絡(luò)線表面電荷分布存在一定波動(dòng)性，這是由于柱式絕緣子模型采用實(shí)體建模，而不是采用圓柱模型近似，從地電極到高壓電極，絕緣子外包絡(luò)線并不是完全的一條直線。另一方面，在本文仿真模型中，假設(shè)的正負(fù)離子遷移率和離子數(shù)相同，在僅改變外施電壓極性的情況下，表面電荷的分布相同，只是電性相反，仿真模型側(cè)重于對(duì)電荷來源的定量表征，沒有極性效應(yīng)的呈現(xiàn)，并沒有體現(xiàn)出文獻(xiàn)[6]中實(shí)驗(yàn)得到的負(fù)極性時(shí)更易積聚電荷的特性。

2.2實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

文獻(xiàn)[23]的研究表明：積聚電荷的極性與各自相鄰電極的極性相反，而絕緣子中央處積聚的電荷量接近于零，與本文仿真結(jié)果具有一致性。

文獻(xiàn)[6]基于平行平板電極系統(tǒng)研究直流電壓下圓柱形簡(jiǎn)化絕緣子表面電荷的積聚情況，絕緣子高度h=40 mm。其中，以外施直流電壓為45.3 kV時(shí)的數(shù)據(jù)為例，其與本文中仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比見表1。

表1　本文仿真數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[6]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.1　Comparison between simulation data and experimental data of the ref [6]

比較可知，本文仿真結(jié)果的平均值接近文獻(xiàn)[6]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而最大值明顯高于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這可能與外施電壓幅值有關(guān)，文獻(xiàn)[6-10，23]表明，高壓電極處電荷積聚最為明顯。雖然文獻(xiàn)[6]中45.3 kV時(shí)系統(tǒng)場(chǎng)強(qiáng)與本文仿真模型中接近，但仿真中采用的±800 kV遠(yuǎn)高于45.3 kV，靠近高壓電極處的電荷積聚不僅與場(chǎng)強(qiáng)有關(guān)，其受高壓電極的影響明顯增強(qiáng)，故仿真中電荷密度最大值將明顯高于文獻(xiàn)[6]實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

此外，本文仿真模型中絕緣子表面電荷面密度的量級(jí)為μC/m2，這與眾多測(cè)量絕緣子表面電荷面密度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同[6，22]。

3　附著導(dǎo)電微粒對(duì)表面電荷積聚的影響

3.1仿真計(jì)算及分析

電荷積聚是一個(gè)時(shí)變過程，且電荷積聚速率隨時(shí)間遞減。為模擬靜電場(chǎng)與電荷積聚的相互影響，采用COMSOL軟件中的Time-dependent求解器仿真電荷積聚的動(dòng)態(tài)過程。同時(shí)，定義時(shí)刻t90%，即當(dāng)t=t90%時(shí)，表面電荷達(dá)到穩(wěn)態(tài)表面電荷的90%，此時(shí)表面電荷的分布及幅值基本穩(wěn)定，且能夠體現(xiàn)表面電荷的主要特點(diǎn)。

基于受附著導(dǎo)電微粒影響的表面電荷積聚模型和1.3節(jié)中涉及附著微粒的邊界條件(式(5)、式(6)、式(9))進(jìn)行計(jì)算，可得對(duì)應(yīng)圖3中自下而上的微粒附著位置(點(diǎn)A～G)，導(dǎo)電微粒附著位置對(duì)表面電荷積聚的影響如圖8所示，其中，絕緣子外包絡(luò)線在微粒附著位置以微粒外表面為準(zhǔn)。

圖8　導(dǎo)電微粒對(duì)表面電荷積聚的影響Fig.8　Influence of the conductive particles on the accumulation of surface charge

微粒不同附著位置表面電荷面密度最大幅值見表2。其中，未附著微粒的絕緣子表面穩(wěn)態(tài)時(shí)表面電荷面密度最大幅值為22 μC/m2，位于F點(diǎn)附近。

表2　微粒不同附著位置表面電荷面密度最大幅值Tab.2　Maximum amplitude of surface charge density in different positions of attached particles

由圖8及表2可知，附著微粒能引起表面電荷積聚激增，微粒兩端附近出現(xiàn)新的表面電荷最大值，且B、C、D、E、F處電荷電性與微粒尖端所對(duì)電極極性相反，而A、G處電荷電性與微粒所接觸電極極性相同。這是因?yàn)楦街⒘Ｒ鹞⒘＜舛烁浇鼒?chǎng)強(qiáng)畸變，絕緣子表面法向分量也顯著提高；另一方面，附著B、C、D、E、F處的微粒引起的電荷集中是由電磁感應(yīng)、電荷遷移等作用引起的，其電性分布類似與平行平板電極氣隙中的懸浮金屬導(dǎo)體達(dá)到的靜電平衡狀態(tài)，即導(dǎo)體表面感應(yīng)出的電荷電性與其所對(duì)的電極的極性相反；而A、G處的微粒由于與電極接觸，其引起的積聚電荷電性與所接觸電極的電性一致。

此外，C、D、E處電荷激增約為未附著導(dǎo)電微粒時(shí)的40倍；而A、B、F、G處電荷激增為未附著導(dǎo)電微粒時(shí)的3倍左右。這可能是由于微粒尺寸較小，雖然微粒附著在電極附近(A、B、F、G處)時(shí)會(huì)引起微粒尖端附近場(chǎng)強(qiáng)增大，但是與沒有微粒附著時(shí)場(chǎng)強(qiáng)變化率不大；而微粒附著在絕緣子中間部位(C、D、E處)時(shí)，微粒尖端部位場(chǎng)強(qiáng)由未附著微粒時(shí)的接近于0顯著增強(qiáng)，場(chǎng)強(qiáng)變化率大。

微粒附著高壓電極(G處)時(shí)對(duì)電荷分布的影響比附著地電極(A處)時(shí)強(qiáng)。這與同軸圓柱電極系統(tǒng)中內(nèi)導(dǎo)體附近電場(chǎng)比外殼內(nèi)表面電場(chǎng)強(qiáng)有關(guān)，類似于高壓電極表面的尖刺對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響大于地電極表面的尖刺的情況。

3.2實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

文獻(xiàn)[24]基于平板電極系統(tǒng)中的圓柱形簡(jiǎn)化絕緣子模型，在沖擊電壓下研究了附著線形金屬微粒的絕緣子表面的電荷積聚情況。沖擊電壓下的微粒對(duì)絕緣子表面電荷積聚的作用與直流電壓下具有類似的規(guī)律。比較文獻(xiàn)[24]實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本文仿真結(jié)果，兩者具有一致性：微粒尖端電荷積聚明顯，且附著絕緣子中部的微粒，其尖端積聚的電荷電性與微粒尖端所對(duì)電極極性相反(如圖9所示)。

圖9　400 kPa 90% N2+10% SF6混合氣體中施加1.2/49 μs，Up=108 kV沖擊電壓下附著絕緣子表面的微粒附近的電荷分布[24]Fig.9　Profile of the charge distribution on the particle contaminated spacer surface after LI 1.2/49 μs stress in 90% N2+10% SF6 gas mixture at 400 kPa，Up=108 kV[24]

4　懸浮導(dǎo)電微粒對(duì)表面電荷積聚的影響

4.1仿真計(jì)算及分析

Sakai K.I在對(duì)線形微粒的研究中發(fā)現(xiàn)：線形導(dǎo)電微粒的帶電量與其位置形態(tài)(如：在電極表面平躺或豎起)有關(guān)，并分別推導(dǎo)出靜止于電極表面的線形導(dǎo)電微粒在平躺和豎立時(shí)的帶電量[25]為

q線l=2πε0rLEw

(13)

(14)

式中，ε0為真空介電常數(shù)，ε0=8.85×10-12F/m；ε1為氣體相對(duì)介電常數(shù)；r為微粒半徑；Ew為微粒處電場(chǎng)強(qiáng)度值；L為線形微粒長(zhǎng)度；q線l、q線s分別為在電極表面平躺和豎起的線形導(dǎo)電微粒的帶電量。

由于豎起的微粒是成為懸浮微粒的起始狀態(tài)，兩者電量具有連續(xù)性，則懸浮微粒的帶電量可由微粒所處位置的電場(chǎng)強(qiáng)度帶入式(14)求取。

同軸圓柱電極系統(tǒng)中，電場(chǎng)強(qiáng)度為

(15)

式中，Ri為內(nèi)導(dǎo)體半徑，Ri=85 mm；R0為外殼內(nèi)半徑，R0=400 mm；x為該點(diǎn)距內(nèi)導(dǎo)體表面距離，對(duì)于微粒位于外殼內(nèi)表面時(shí)，Ri+x=R0。

由式(14)和式(15)可得，微粒所帶電荷量范圍為[0.809， 38.034]nC，考慮微粒在氣隙中電荷量的變化與其位置的關(guān)系，選取E點(diǎn)出微粒帶電量q=+16 nC。

采用第3節(jié)中定義的t90%概念，并基于受懸浮導(dǎo)電微粒影響的表面電荷積聚模型及1.3小節(jié)涉及懸浮微粒的邊界條件(式(10))進(jìn)行計(jì)算，可得懸浮微粒距絕緣子表面距離對(duì)表面電荷積聚的影響如圖10所示，其中圖10中的1、2、3、4、5分別表示微粒尖端距絕緣子表面距離為微粒直徑的1、2、3、4、5倍。

圖10　懸浮微粒對(duì)表面電荷積聚的影響Fig.10　Influence of suspended particles on the accumulation of surface charge

微粒距絕緣子距離12345+800kV,t90%/(μC·m-2)12.607.016.504.824.80-800kV,t90%/(μC·m-2)14.177.817.025.895.84

懸浮微粒位置與表面電荷面密度幅值的關(guān)系見表3。其中，1、2、3、4、5分別表示懸浮微粒距絕緣子表面距離為微粒直徑的1、2、3、4、5倍。沒有導(dǎo)電微粒影響時(shí)，E點(diǎn)附近穩(wěn)態(tài)表面電荷面密度幅值約為5 μC/m2。

由圖10及表3得，當(dāng)微?？拷^緣子表面時(shí)，將引起其正對(duì)絕緣子表面區(qū)域電荷積聚增加，但當(dāng)微粒尖端距絕緣子表面距離大于4倍微粒直徑時(shí)，微粒對(duì)絕緣子表面電荷積聚的影響可忽略。由于微粒直徑很小(mm級(jí))，因而懸浮微粒對(duì)表面電荷積聚的影響可忽略，微粒污染引起絕緣子表面電荷顯著變化的途徑為導(dǎo)電微粒附著絕緣子表面。

此外，懸浮微?？拷^緣子表面時(shí)，其引起積聚增強(qiáng)的表面電荷電性與其臨近的電極電性相反，這是由于微粒為良導(dǎo)體，在微粒所處位置電位絕對(duì)值高于相對(duì)應(yīng)的氣隙及絕緣子部分，與微粒對(duì)應(yīng)的絕緣子表面電場(chǎng)強(qiáng)度方向在+800 kV時(shí)由微粒尖端指向絕緣子表面，增強(qiáng)了絕緣子表面場(chǎng)強(qiáng)法向分量，故懸浮微粒引起此部分絕緣子表面積聚負(fù)電荷；同理，當(dāng)外施電壓為-800 kV時(shí)，引起絕緣子表面積聚正電荷。

4.2實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

文獻(xiàn)[16]分析了絕緣子和球形金屬微粒對(duì)GIS中電場(chǎng)的影響，其研究表明：球形金屬微粒對(duì)絕緣子表面電場(chǎng)的影響隨其距絕緣子表面垂直距離增大而降低，而當(dāng)微粒距絕緣子表面的距離達(dá)到微粒尺寸的5倍時(shí)，微粒對(duì)絕緣子表面電場(chǎng)的影響幾乎可以忽略。絕緣子表面電荷積聚與其表面法向電場(chǎng)分量具有密切聯(lián)系，法向電場(chǎng)分量越大，電荷越易積聚[6-10]。由此可見，文獻(xiàn)[16]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與本文仿真結(jié)論(當(dāng)微粒尖端距絕緣子表面距離大于4倍微粒直徑時(shí)，微粒對(duì)絕緣子表面電荷積聚的影響可忽略)具有較好的一致性。

5　結(jié)論

本文利用多物理場(chǎng)仿真軟件COMSOL，以實(shí)體建模方式建立了在微粒污染情況下包含氣體側(cè)微觀機(jī)制的絕緣子表面電荷積聚模型，并分析了附著微粒和懸浮微粒與絕緣子表面電荷之間的關(guān)系。此外，結(jié)合前人實(shí)驗(yàn)研究的數(shù)據(jù)證明了本文仿真方法與結(jié)果的正確性，研究表明：

1)絕緣子表面靠近高壓電極處，電荷積聚明顯，且積聚電荷的極性與各自相鄰電極的極性相反，而絕緣子中央處積聚的電荷量接近于零。

2)即使mm級(jí)的微粒附著在絕緣子表面也會(huì)成為表面電荷積聚的主要因素。附著微粒兩端能引起表面電荷積聚激增，微粒兩端出現(xiàn)新的表面電荷最大值，且其電荷電性與微粒尖端所對(duì)電極極性相反。

3)附著在中間部位的微粒(C、D、E點(diǎn))引起電荷激增量約為未附著導(dǎo)電微粒時(shí)的40倍；而電極附近的微粒(A、B、F、G點(diǎn))引起的電荷增量為未附著導(dǎo)電微粒時(shí)的3倍左右。此外，微粒附著高壓電極時(shí)對(duì)電荷分布的影響比附著地電極時(shí)強(qiáng)。

4)當(dāng)懸浮微粒靠近絕緣子表面時(shí)，將引起其正對(duì)絕緣子表面區(qū)域電荷積聚增加，但當(dāng)微粒尖端距絕緣子表面距離大于4倍微粒直徑時(shí)，微粒對(duì)絕緣子表面電荷積聚的影響可忽略。

5)本文仿真是基于確定性的靜態(tài)模型進(jìn)行分析，而實(shí)際當(dāng)中微粒運(yùn)動(dòng)、局部放電發(fā)生、氣體空間中微放電發(fā)生等具有隨機(jī)性的動(dòng)態(tài)過程都會(huì)對(duì)電荷積聚產(chǎn)生影響，未來需要考慮這些因素開展進(jìn)一步研究。

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Impact of Linear Metal Particle on Surface Charge Accumulation of Post Insulator Within DC GIL

Wang Jian1Li Botao2Li Qingmin1Liu Sihua1Ma Guoming1

(1.State Key Lab of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power UniversityBeijing102206China 2.State Grid Rizhao Power Supply CompanyRizhao276826China)

The paper aims to study the conductive particles’ effects on surface charge accumulation of the post insulator within DC GIL.Based on the Maxwell equations，the surface charge accumulation along the post-insulator is analyzed.Also，the particle pollution，as well as the rates of generating，recombination，migration，and diffusion of the positive and negative ions in the gas are taken into account.Further，from the microcosmic perspective，two surface charge accumulation models of the post-insulator with particle pollution are established.Based on these models，the impacts of both the attached particles and the suspended particles on charge accumulation are explored by COMSOL respectively.The effectiveness and correctness of the simulations are verified through the comparison of the experimental results and the ones provided by previous researchers.The results illustrate that，the accumulation of the surface charge surge may be caused by the conductive particles attached to the surface of the insulator.In addition，the surge caused by the particles attached to the middle part is more remarkable.The polarities at both ends of the particles are opposite to each other as well as to the electrodes they approach.The impacts of the floating particles on the surface charge accumulation can be neglected if the distance between the suspended particle and the insulator surface is more than 4 times of the particle diameter.

Surface charge，attached particles，suspended particles，microcosmic mechanism

2015-08-13改稿日期2016-03-10

TM851

王健男，1985年生，博士研究生，研究方向?yàn)镚IL絕緣優(yōu)化與機(jī)械承載能力等。

E-mail：wangjian31791@163.com

李慶民男，1968年生，博士，教授，研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)等。

E-mail：lqmeee@ncepu.edu.cn(通信作者)

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展(973)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014CB239502)。