由于SF6气体优异的绝缘性能,气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switchgear, GIS)及气体绝缘金属封闭输电线路(Gas Insulated Transmission Line,GIL)等气体绝缘设备在电力系统输配电领域得到大力发展。GIS将高压设备密闭组合,充以绝缘性能优异的SF6气体,能够显著地减小设备尺寸并提高运行可靠性。GIL作为架空线路的替代装置,能够在提供相同功率的情况下,占用更少的空间。
随着直流技术的发展,利用直流GIS以及GIL进行大功率、远距离输电受到广泛的关注。但是,目前仍需要解决因表面电荷大量积聚造成的设备内部绝缘子周围电场畸变而导致其沿面耐受能力下降,即固体绝缘的表面电荷积聚问题。
直流条件下绝缘子表面电荷积聚途径主要有三种:气体侧传导、绝缘材料体传导、绝缘材料表面传导。在电荷积聚达到稳态的过程中,设备内部的电场分布与气体电导率、体电导率和表面电导率密切相关。
上述研究表明,气体中载流子浓度、绝缘子体电导率等参数改变时会导致表面电荷积聚的主导方式发生改变,但是目前对积聚方式转变的条件仍然缺乏深入系统的认识。另外,关于表面电导率对主导积聚方式的影响的研究目前还未见报道。
本文以简化GIS/GIL 盆式绝缘子为研究对象,建立了直流电压下表面电荷积聚仿真模型,考虑了气体侧传导、绝缘材料表面传导和体传导三种表面电荷积聚方式,系统研究了离子对生成率、表面电导率以及体电导率变化时,绝缘子表面电荷的积聚特性,并分析了表面电荷主导积聚方式的转变机理。
为了对表面电荷积聚主导途径进行描述,定义绝缘子表面净电荷量为零时所对应的离子对生成率以及上表面及下表面净电荷相等时的绝缘子体电导率为积聚机理转变的临界值。
图1 不同表面电导率下绝缘子表面电荷分布
本文建立考虑气体载流子产生、迁移、扩散以及复合过程的表面电荷积聚模型,从表面电荷积聚的三种途径对表面电荷主导积聚方式的转变进行了研究,根据数值计算结果得到如下结论: