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高压直流电源GIL/GIS绝缘子上电荷调控及抑制方法

直流气体绝缘输电线路(GIL)中的固-气界面电荷积聚问题是导致其绝缘水平下降的重要因素,探究固-气界面电荷的主动调控及抑制方法对于高压直流电源GIL的研发具有重要的工程意义。

本文在高压直流电源GIL中固-气界面电荷特性研究综述Ⅰ的基础上,从绝缘结构优化、绝缘子表面处理以及绝缘子材料掺杂改性三个方面总结归纳了目前现有的电荷调控及抑制手段,并对它们的优势和不足进行评价。

最后,本文对未来高压直流电源GIL绝缘子的结构和材料设计进行展望,认为取向结构在绝缘子表面的应用为抑制电荷积聚提供了新的思路,同时,发挥绝缘子结构和材料改性的协同作用,达到自适应调控电荷的目的,是未来“智能”绝缘子设计的方向。

气体绝缘输电线路(Gas-Insulated transmission Line, GIL)以其占地少、容量大、损耗小、可靠性高、环境兼容性好等特点,逐渐成为传统架空线、电缆和穿墙套管的首选替代方案,不仅可以满足远距离、大容量电能传输的需求,也可有效解决我国大城市市区送电所面临的输电走廊受限的问题,具有巨大的应用前景。然而,绝缘子沿面闪络故障一直是GIL运行中必须面对的难题。尤其是大量的实验研究和运行经验表明,相比于交流GIL,直流电压下,GIL中绝缘子的沿面闪络电压显著降低。

目前普遍认为,造成上述现象最主要的原因就是直流电压下GIL绝缘子上会积聚大量电荷,使固-气界面电场的分布发生畸变,也使得某些情况下闪络电压大大下降;而且,在直流电压极性发生改变时,或者当暂态冲击过电压经过时,电荷积聚对绝缘子沿面放电的影响将更加明显。因此,开展高压直流电源GIL中固-气界面电荷特性的深入研究,在掌握固-气界面电荷积聚的规律和机理的基础上,提出调控和抑制固-气界面电荷积聚的有效策略,对研制出安全可靠的高压直流电源GIL具有重要意义。

本系列文章分为Ⅰ、Ⅱ两篇,综述了近年来国内外有关高压直流电源GIL中固-气界面电荷特性的主要研究成果。其中,综述Ⅰ总结了表面电荷的测量技术和反演算法,并从早期研究基础和目前研究现状两方面分析了固-气界面电荷的积聚机理和仿真模型。

本文在其基础上,从绝缘子结构优化、绝缘子表面处理以及绝缘子材料掺杂改性三个方面总结归纳了目前现有的电荷调控及抑制手段,对它们的优势和不足进行了评价,最后,对未来高压直流电源GIL绝缘子的结构和材料设计进行了展望。

高压直流电源GIL/GIS绝缘子上电荷调控及抑制方法
图1  高压直流电源GIL中的多物理过程

结论
本文在文献[13]的基础上,从绝缘结构优化、绝缘子表面处理、绝缘子材料掺杂改性三个方面归纳了目前现有的电荷调控及抑制手段,对它们的优势和不足进行了评价,同时对最近出现的新方法和新思路进行了介绍。

基于本文的综述,对未来高压直流电源GIL绝缘子的结构和材料设计进行如下展望:

1)在绝缘结构优化方面,随着对直流电压下固-气界面电荷积聚机理的认识,优化原则已经逐渐明晰,可在交流绝缘子基础上对直流绝缘子结构进行改进。传统绝缘结构优化只依赖于理想情况下的电场仿真结果,未来还应充分考虑热场、应力场、直流电场和暂态电场等多物理场耦合下的综合效应。同时,单纯优化绝缘子结构只是一种被动调控电荷积聚的策略,发挥绝缘子结构和材料改性的协同作用,达到自适应调控电荷的目的,是未来“智能”绝缘子设计的方向之一。

2)在绝缘子表面处理方面,适当提高绝缘子表面电导率来达到促进电荷沿面消散依然是未来抑制电荷的主要策略。值得注意的是,无论是通过改变绝缘材料表面物理形貌还是对化学结构进行修饰,表面处理后绝缘子的长期绝缘可靠性需进行考察验证。另外,通过对浇注工艺的设计,使绝缘子中填料的取向从绝缘子内部到绝缘子表面逐渐由随机取向变成与固-气界面一致的取向,可以达到疏散表层电荷的同时保证体积电导率不变的目的,这种设计概念可以在今后的研究和应用中进一步探索。

3)在绝缘子掺杂改性方面,降低绝缘材料的体积电导率从而减小体电流是降低固-气界面电荷积聚“基本模式”的有效方法,因此,采用纳米复合材料降低体积电导率仍是未来的研究重点之一。同时,用于改善不均匀电场的非线性电导填料在高压直流电源GIL/GIS绝缘子上的应用初见报道,未来仍需从调控电导率与温度、电场的非线性特性出发,进一步探索具有自适应调控电场和电荷的功能材料。

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