表面涂覆對(duì)直流條件下盆式絕緣子電荷特性的影響

高 翔 王亞祥 袁端鵬 張 佩 陳 蕊 司曉闖

（1.河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467001；2.平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及用戶(hù)對(duì)電能使用要求的不斷提高，直流輸電技術(shù)在電能遠(yuǎn)距離傳輸中的應(yīng)用也日益廣泛。與傳統(tǒng)交流輸電相比，直流輸電不僅可增加傳輸容量與傳輸距離、降低線(xiàn)路損耗、解決系統(tǒng)同步運(yùn)行的穩(wěn)定性問(wèn)題，還將可再生能源與傳統(tǒng)能源廣域互聯(lián)，充分提高可再生能源的利用率［1-2］。但在盆式絕緣子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，與交流盆式絕緣子相比，直流盆式絕緣子表面更易產(chǎn)生電荷積聚，使原有電場(chǎng)分布發(fā)生畸變，降低絕緣子的沿面閃絡(luò)電壓［3-5］。

國(guó)內(nèi)外研究表明，在直流電壓下，絕緣子表面電荷主要沿表面消散和向周?chē)鷼怏w消散。因此，在保證具備足夠電氣強(qiáng)度的前提下，適當(dāng)降低絕緣子表面的電阻率，增加電荷沿表面消散的電導(dǎo)電流密度，有利于降低絕緣部件表面電荷積聚，加速電荷的消散，降低閃絡(luò)和擊穿風(fēng)險(xiǎn)［6-7］。

近年來(lái)，通過(guò)涂覆技術(shù)在盆式絕緣子表面涂抹環(huán)氧樹(shù)脂的方式來(lái)抑制表面電荷積聚，從而提高閃絡(luò)電壓，被眾多研究人員所證明［8-9］。

本研究通過(guò)對(duì)表面涂覆一種含TiO2成分的環(huán)氧樹(shù)脂涂層的盆式絕緣子，在直流條件下對(duì)電荷積聚情況進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)研究，獲得表面涂覆對(duì)盆式絕緣子直流條件下的電荷特性。

1 試驗(yàn)平臺(tái)介紹

1.1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

表面電荷測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，該平臺(tái)中的直流高壓發(fā)生器產(chǎn)生直流高壓，經(jīng)過(guò)保護(hù)電阻后可施加到GIS的中心電極上，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)都置于密封罐體中，罐體可承受氣體壓力為0.4 MPa，測(cè)量信號(hào)和控制信號(hào)均通過(guò)真空密封的航空插頭轉(zhuǎn)接。在中心電極末端安裝有被測(cè)的盆式絕緣子。表面電荷測(cè)量裝置安裝在被測(cè)盆式絕緣子后端，裝置內(nèi)充入氣壓為0.33 MPa的純凈SF6氣體，裝置外殼接地。

圖1 表面電荷測(cè)量系統(tǒng)示意圖

為了能夠?qū)ε枋浇^緣子的表面進(jìn)行掃描測(cè)量，獲得其表面的電荷分布，本研究采用四軸三維測(cè)量機(jī)構(gòu)來(lái)操控靜電探頭。四軸三維測(cè)量機(jī)構(gòu)包含一組軸向?qū)к?、一組徑向?qū)к?、一個(gè)可360°旋轉(zhuǎn)的底座和一個(gè)探頭夾持的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。軸向?qū)к壙蓪?shí)現(xiàn)測(cè)量臂沿罐體軸線(xiàn)方向靠近或遠(yuǎn)離盆式絕緣子的待測(cè)表面，徑向?qū)к壙蓪?shí)現(xiàn)測(cè)量臂沿盆式絕緣子在徑向方向移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)底座可實(shí)現(xiàn)測(cè)量機(jī)構(gòu)在測(cè)量圓周上的旋轉(zhuǎn)，而探頭夾持旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可控制探頭旋轉(zhuǎn)一定角度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)姿態(tài)的調(diào)整。四個(gè)軸均由伺服電機(jī)控制，控制系統(tǒng)采用華中數(shù)控HNC-08M系統(tǒng)，操縱機(jī)構(gòu)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)可用PLC語(yǔ)言進(jìn)行編程控制，機(jī)械操控的定位精度為±0.1 mm。

1.2 試驗(yàn)用絕緣子

試驗(yàn)主體是直流盆式絕緣子縮比樣件，盆子結(jié)構(gòu)與絕緣材料基體保持一致，其中一種盆子表面未處理，另外一種盆子表面涂有含TiO2成分的環(huán)氧樹(shù)脂涂層（見(jiàn)圖2）。

圖2 試驗(yàn)用盆式絕緣子樣件

圖2左側(cè)為涂覆含TiO2成分的環(huán)氧樹(shù)脂涂層的盆子樣件，右側(cè)為未涂覆環(huán)氧樹(shù)脂涂層的盆子樣件。盆子樣件在涂覆后，其表面電阻率較涂覆前下降3個(gè)數(shù)量級(jí)。

2 涂覆前表面電荷積聚情況

2.1 不同加壓時(shí)間下的電荷積聚情況

盆式絕緣子的環(huán)氧材料參數(shù)決定了其表面電荷積聚的特性，該盆式絕緣子的電荷積聚飽和時(shí)間大致為幾十分鐘，因此，本研究設(shè)定的加壓時(shí)間為10 min、30 min、60 min、120 min。在預(yù)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，施加直流電壓小于80 kV時(shí)，盆式絕緣子表面基本沒(méi)有電荷積聚，因此，施加的電壓幅值最低為80 kV，最終設(shè)定加壓范圍為80 kV、100 kV、125 kV、150 kV、175 kV和200 kV。

圖3和圖4為不同加壓時(shí)間下的絕緣子表面電荷積聚情況，絕緣子的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，測(cè)量得到絕緣子凹面?zhèn)鹊谋砻骐姾煞e聚，標(biāo)尺中深色為正電荷密度，淺色為負(fù)電荷密度，單位為μC/m2，電荷分布形態(tài)均由點(diǎn)狀發(fā)展為片狀。選取具有代表性的80 kV和200 kV時(shí)的電荷積聚隨時(shí)間的變化圖。

圖3為80 kV下不同加壓時(shí)間的電荷積聚實(shí)測(cè)圖（為了使顏色圖顯示更加明顯，電荷密度的坐標(biāo)刻度不同），圖5為不同電壓下表面電荷平均密度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，通過(guò)兩組圖可以發(fā)現(xiàn)，在80 kV下主要積聚負(fù)電荷，負(fù)電荷密度在絕緣子表面分布較為均勻，1～60 min時(shí)絕緣子表面主要積聚負(fù)電荷，無(wú)明顯的正電荷積聚區(qū)域；在120 min時(shí)出現(xiàn)小范圍正電荷集聚區(qū)域，最大值超過(guò)1μC/m2，但其他區(qū)域仍主要積聚負(fù)電荷，此時(shí)平均電荷密度為-0.03μC/m2，最大負(fù)電荷密度可達(dá)-0.5μC/m2。

圖3 80 kV下不同時(shí)間的表面電荷積聚情況

圖4為200 kV下不同加壓時(shí)間的電荷積聚實(shí)測(cè)圖，并結(jié)合圖5可以看出，在200 kV下，絕緣子表面主要積聚正電荷，無(wú)負(fù)電荷積聚，有明顯的正電荷積聚區(qū)域，但分布不均勻，正電荷集聚區(qū)域隨著時(shí)間變化而變化；在靠近高壓電極處的正電荷密度較高，靠近接地電極的電荷密度較低，在120 min時(shí)平均電荷密度為1.74μC/m2，最大電荷密度可達(dá)10μC/m2。

圖4 200 kV下不同時(shí)間的表面電荷積聚情況

2.2 不同加壓幅值下的電荷積聚情況

由2.1可知，盆式絕緣子的表面電荷積聚在60 min時(shí)達(dá)到飽和，60 min后盆式絕緣子的表面電荷密度基本不再增加，因此，本研究繪制了在60 min時(shí)80 kV、100 kV、125 kV、150 kV、175 kV和200 kV電壓下的電荷分布圖（每張圖電荷密度坐標(biāo)軸刻度不一致）。

由圖5和圖6可以看出，處在較低電壓（80 kV、100 kV）時(shí)，絕緣子表面主要積聚負(fù)電荷，基本沒(méi)有正電荷積聚，整體分布比較均勻，靠近高壓電極處的電荷密度較大，靠近接地電極的電荷密度較??；處在較高電壓（125～200 kV）時(shí)，絕緣子表面主要積聚正電荷，并在靠近高壓電極處有明顯的正電荷積聚區(qū)域，且隨著電壓幅值的增加，正電荷積聚區(qū)域變大，并向外殼的方向擴(kuò)散，在靠近高壓電極處積聚正電荷，靠近接地電極處積聚少量負(fù)電荷，在電壓達(dá)到200 kV時(shí)，整個(gè)絕緣子表面全為正電荷。

圖5 表面電荷密度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

圖6 60 min時(shí)不同電壓下表面電荷分布圖

3 涂覆后表面電荷積聚情況

涂覆后的盆式絕緣子的電荷分布測(cè)量方法與之前的測(cè)量方法相同，對(duì)涂覆前后的測(cè)量結(jié)果和分布特性進(jìn)行分析可知，電荷的分布具有隨機(jī)性和飽和性，其電荷密度與盆子的表面電導(dǎo)率和介電常數(shù)有關(guān)。因此，涂覆改性材料后的盆式絕緣子的電荷分布也會(huì)發(fā)生變化。

圖7為涂覆環(huán)氧樹(shù)脂涂層后200 kV下的不同加壓時(shí)間的電荷積聚實(shí)測(cè)圖，其電荷的分布規(guī)律與未涂覆前基本一致，在靠近高壓電極處的正電荷密度較高，靠近接地電極處的電荷密度較低。在120 min時(shí)平均電荷密度為1.02μC/m2，最大電荷密度可達(dá)6.5μC/m2。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)圖7與圖6對(duì)比可知，200 kV時(shí)涂覆前的平均電荷密度為1.47μC/m2，最大電荷密度可達(dá)10μC/m2，而涂覆后的平均電荷密度為1.12μC/m2，最大電荷密度可達(dá)6.5μC/m2，此時(shí)平均電荷密度下降30.6%，最大電荷密度下降35%。涂覆后盆式絕緣子的平均電荷密度和最大電荷密度均下降30%以上。

圖7 涂覆后200 kV下不同時(shí)間的表面電荷積聚情況

通過(guò)對(duì)盆子表面進(jìn)行涂覆處理來(lái)降低盆子表面的電阻率，可較大幅度地降低最大電荷密度，平均電荷密度的下降會(huì)增加沿面閃絡(luò)發(fā)展過(guò)程的難度，因此，電荷密度的下降會(huì)使沿面閃電壓提升。