电-热复合场下高压直流GIS/GIL绝缘子沿面闪络机理研究

Electrical field distortion due to surface charge accumulation would cause surface flashover to the equipment under the influence of electrical and thermal coupled field for HVDC GIS/GIL insulators which severely restricts the development of HVDC gas insulated equipment. Thus it is important to investigate the influence of surface charge accumulation on DC flashover mechanism based on temperature distribution characteristics which also functions as one of the key issues with urgent need at present. Three-electrode method is applied to study the influence of electrical and thermal coupled field on the electrical conductivity of insulator, finite element software is applied to analyze the temperature distribution characteristics, and the mechanism of DC electric field distribution is investigated under temperature gradient field. Experiments are conducted based on electrostatic probe method and the corresponding simulations are carried out based on charge accumulation models with the application of downsized insulator model. The surface charge accumulation model is established under temperature gradient field according to comprehensive analysis of experiment and simulation results. The influence of charge accumulation on surface flashover under temperature gradient field is proposed based on the combined effect of electric field and charge. Surface flashover experiments are conducted with pre-stressed DC voltage and a real-type insulator flashover system, thus the influence of charge accumulation on DC surface flashover for insulator is proposed under electrical and thermal coupled field. This investigation is considered to be important for the completion of gas/solid interface breakdown mechanism under electrical and thermal coupled field.

高压直流GIS/GIL绝缘子在电-热复合场作用下，其表面易积聚电荷导致电场畸变，进而引发沿面闪络事故，严重制约高压直流气体绝缘设备发展。因此，基于绝缘子温度分布特性，探究表面电荷积聚对直流闪络的作用机理具有重要意义，同时也是当前亟需解决的关键课题之一。本项目采用三电极法研究电-热复合场对绝缘子电导的作用关系，利用有限元软件分析其温度分布特性，揭示温度梯度场下直流电场分布规律；采用绝缘子缩比模型，基于静电探头法进行实验测量，根据电荷积聚模型开展仿真计算，综合表面电荷测量与仿真结果，建立温度梯度场下表面电荷积聚模型；基于电场与电荷共同作用，阐明温度梯度场下电荷积聚对沿面闪络的影响规律；利用真型绝缘子闪络实验平台，采用预加直流电压方式开展沿面闪络实验，阐明电热复合场下电荷积聚对绝缘子直流沿面闪络的作用机理。本研究内容对完善电-热复合场下气-固界面绝缘破坏机制具有重要意义。

随着直流输电技术的发展，高压直流GIS/GIL在电力系统中需求日益增加。GIS/GIL内部气体/绝缘子界面绝缘强度明显低于气体及固体绝缘介质，易发生沿面闪络事故造成设备故障。其中，由于绝缘子表面电荷积聚造成的局部电场畸变，是导致沿面绝缘性能下降的主要因素之一，制约了高压直流GIS/GIL发展。另外，设备运行时导杆载流发热导致气体及绝缘子温度非均匀分布，温度场将对其电荷积聚及直流电场分布产生显著影响，并与气体密度分布共同作用于沿面闪络特性本项目通过研究绝缘子电导的场强-温度特性，获得了温度梯度场对绝缘子直流电场分布的影响；研究了温度梯度场下电荷积聚机理，获得了温度场与表面电荷共同作用下的直流电场分布特性；基于温度梯度场下电场及气体密度分布特性，获得了电-热复合场下电荷积聚对绝缘子直流沿面闪络的作用机理。本项目研究成果对完善电-热复合场下气-固界面绝缘破坏机制亦具有重要意义。.本项目共发表SCI检索论文5篇，EI检索论文2篇，受理发明专利3项。本项目研究成果指导了平高集团±320 kV、±200 kV等电压等级GIS/GIL用绝缘子产品设计，为韩国现代重工上海研发有限公司252 kV SF6/N2混合气体GIS结构优化提供了参考。依托本项目研究成果，项目组与国网吉林省电力公司联合研制了GIS盆式绝缘子状态检测与寿命评估系统。依托本项目开发的GIS实验平台，项目组与国网山东省电力公司、国网上海市电力公司、中国电力科学研究院有限公司、北京邮电大学开展合作，正在开发气体绝缘金属封闭设备全息测视与状态诊断装置。本项目亦为人才培养提供了有利机遇，培养出中国电机工程学会高电压专委会青年委员、中国电工技术学会等离子体及应用专业委员会青年委员、IEEE PES（中国）电弧基础理论分委会副秘书长等青年专家。本项目为研究生参与中国研究生电子设计竞赛、中国智能制造挑战赛等学科竞赛提供了必要的实践平台，为研究生提供了国际交流的平台，先后有多名研究生在国际会议上做学术报告，在IET Generation, Transmission & Distribution等国际期刊发表学术论文。