摘要 缺陷及导电微粒会严重畸变气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)用三支柱绝缘子的电场分布,甚至引发击穿、放电故障。该文分析特高压(UHV)GIL内可能存在的缺陷及来源,应用有限元仿真软件COMSOL研究了界面缺陷、内部气泡和导电颗粒对三支柱绝缘子电场分布的影响。结果表明,嵌件界面剥离和中心导体气隙对绝缘子电场分布有着相似的影响规律,其延伸长度越长,缺陷宽度越窄,则绝缘子表面最大电场强度越高。内部气泡对电场分布的影响与尺寸基本无关,但与其位置相关,越靠近金属嵌件对电场的影响越严重。附着导电颗粒会显著增强周围电场,其尺寸越大、电场畸变的范围越大,但对最大电场强度值影响较小;悬浮导电颗粒的尺寸越大,距离三支柱绝缘子表面的垂直距离越小,在三支柱绝缘子表面引发的电场畸变越严重;电场强度最大值随着导电颗粒靠近绝缘子腹部中心而增大。此外,所研究的几类缺陷中,附着导电颗粒对三支柱绝缘的危害最大,其次为界面缺陷。
关键词:特高压(UHV) 气体绝缘金属封闭输电线路(GIL) 三支柱绝缘子 界面缺陷 内部气泡 导电颗粒
与传统架空输电线路相比,气体绝缘金属封闭输电线路(Gas Insulated metal enclosed transmission Line, GIL)有节约输电走廊、适应极端环境、抗电磁环境干扰等特点,且由于较好的绝缘特性带来的安全性与可靠性,其在电力系统中的应用将越来越广泛[1-4]。三支柱绝缘子作为GIL中的重要绝缘部件,绝缘结构典型,受电、热、力等多种因素影响,是整个GIL绝缘中最薄弱的环节之一。随着电压等级的不断升高,缺陷对电场畸变的影响将越来越严重,一些在低电压等级尚不影响安全运行的缺陷,在高电压等级下可能会导致三支柱绝缘子发生局部放电、击穿等故障。
苏通GIL穿越过江管廊是国内外首创的特高压(Ultra High Voltage, UHV)交流GIL输电工程,对缓解华东地区供电压力、提升电网安全运行水平有着十分重要的意义。该工程埋深大、输电距离长,且三支柱绝缘子用量大,一旦发生放电事故,将带来极大的直接与间接经济损失。从现有特高压气体绝缘全封闭组合电器(Gas Insulated Switchgear, GIS)设备的运行经验来看,很多故障是由于绝缘子在生产和运行过程中产生的缺陷以及异物造成的。GIL中三支柱绝缘子与GIS盆式绝缘子相比,具有不同的电场分布特点,在以往低电压等级的事故中也有着不同的放电现象。因此,有必要研究缺陷对三支柱绝缘子电场分布的影响,以便更好地探究事故的机理,为工程建设和运行的安全性与可靠性提供保障。
在GIL内,诸如气体间隙、表面凸起或凹陷、导电颗粒等缺陷会严重畸变电场分布,降低气体金属封闭设备的绝缘强度[5-6]。有学者对直流GIS/GIL中的金属微粒运动与放电特性进行研究,获得了导电微粒的运动特性[7-9],但未对实际三支柱绝缘子沿面进行相关分析。目前,国内外针对GIL内特高压三支柱绝缘子缺陷的研究并不全面,较为全面的研究集中在盆式绝缘子上。齐波等对存在金属颗粒的情况下,盆式绝缘子表面局部放电与沿面放电的发展过程与特征进行了研究,提供了不同放电阶段与严重程度的划分依据[10-12]。R. M. Radwan和A. M. Abou-Elyazied开展了盆式绝缘子的尺寸与介电常数对电场分布影响的研究,并在此基础上分析了导电颗粒与绝缘子表面缺陷对电场分布的畸变情 况[13-14]。但其使用的计算模型与实际情况相差较大,与实际情况相比会带有偏差,不能准确地反映缺陷在实际工程中对电场的影响程度。
相比之下,国内外对GIL用特高压三支柱绝缘子的仿真与试验研究甚少。仅有田汇冬等进行了1 100kV三支柱绝缘子部分结构参数对电场分布的影响研究,给出了针对三支柱绝缘子电气性能的部分结构参数优化方向[15];汪建成等对550kV三支柱绝缘子进行了电气与力学性能的计算,但其对电场分布特点的描述并不清晰[16]。同时,吴德贯等分析了一起550kV GIL三支柱绝缘子的炸裂故障,将故障原因归结为未检出的三支柱绝缘子内部缺 陷[17]。与盆式绝缘子相比,特高压GIL三支柱绝缘子有着显著不同的结构特点,且在生产、运输、安装与运行中尚无经验,其安全性与可靠性将更可能受到缺陷的威胁。为填补在相关领域研究的空白,有必要对特高压GIL三支柱绝缘子缺陷的产生原因与不同缺陷下的电场分布情况进行研究。
为此,本文以苏通GIL穿越过江管廊工程中使用的三支柱绝缘子为研究对象,通过对三支柱绝缘子可能产生的界面缺陷、三支柱本体缺陷以及金属颗粒建模,在有限元软件COMSOL中进行仿真计算,研究这三类缺陷尺寸、位置等参数对交流1 100kV三支柱绝缘子电场分布的影响。研究结果可为三支柱绝缘子质量提升、缺陷防控提供参考和方向。
在苏通GIL输电管廊工程中,GIL采用单相封闭输电型式,三支柱绝缘子为其主要的绝缘部件,由环氧-氧化铝复合材料浇注而成。其结构与计算模型如图1所示。三支柱绝缘子由3个支腿上的金属嵌件固定,并安装有粒子收集器。中心导体与三支柱绝缘子通过衬管相连接,使其起到支撑导体与绝缘的作用。整个输电管道内充有一定气压的SF6气体。
图1 三支柱绝缘子的计算模型
Fig.1 Calculation model of tri-post insulator
三支柱绝缘子所使用的环氧-氧化铝复合材料的相对介电常数通过电桥法测得,计算时取为5.8。SF6气体的相对介电常数取为1.0。在雷电冲击试验电压下进行计算,中心导体加载2 400kV,金属嵌件、粒子收集器和筒壁接地。
在GIL的生产过程与实际运行中,材料选择、模具加工、界面处理、浇注固化、脱模和安装试验是一个复杂的过程,任何步骤处理不当都有可能在GIL中产生无法预知的缺陷,这些缺陷将会严重危害系统运行的安全与稳定。在工程实际中已发现如环氧-金属界面剥离、绝缘子内部气泡等缺陷,且在低电压等级GIL运行过程中发生过由异物导致放电的情况。因此,本文主要研究界面缺陷、本体缺陷和导电颗粒这三类缺陷对电场分布的影响。
界面缺陷是产生在环氧-金属界面上的微小气隙。在GIL三支柱绝缘子的实际生产过程中,固化反应的化学收缩和冷却收缩会导致三支柱绝缘子内部发生局部应力集中,在安装过程中微小的振动有可能导致界面剥离,产生界面缺陷。界面缺陷存在的情况下,可能会在缺陷处发生局部放电[18],危害GIL的运行安全。
根据固化反应过程中的形变位移方向与内应力集中的位置,三支柱绝缘子可能产生的缺陷计算模型及参数如图2所示。环氧与中心导体界面处的缺陷最有可能从三结合点处开始产生,并向内延伸;环氧与嵌件界面处最有可能从图示位置开始剥离,并向外延展。
图2 三支柱绝缘子界面缺陷计算模型及参数
Fig.2 Interface defects and parameter of tri-post insulator
在实际中,发生剥离以后,集中的内应力会快速地释放。因此,界面缺陷的厚度与长度都不会太大。中心导体与嵌件界面缺陷厚度用d1、d2表示,l为气隙长度,r为剥离半径。
三支柱绝缘子本体的缺陷包括由于模具表面不光滑引起的凹陷或凸起,由于浇注过程脱气不彻底或工艺控制不严引起的内部微小气泡,以及在整个生产运输过程中产生的微小划痕。对于三支柱的表面凹陷、凸起和划痕,在安装之前有相应的程序对外观检查,若发现这些缺陷则会进行相应的处理。因此,在实际运行过程中不太可能出现这类表面缺陷。而对存在于三支柱绝缘子内部的气泡缺陷,其长期处于高电压、强电场的环境,运行中可能发生局部放电,加速器周围绝缘材料老化,最终导致绝缘受损,引发事故。但现有探伤仪器无法对微小体积的内部气泡进行检测,且气泡的存在可能不会影响出厂试验,因此,本文对这种缺陷重点关注。
三支柱绝缘子内部气泡模型及参数如图3所示,选取了三支柱绝缘子内9个不同位置对气泡缺陷进行研究。其中,编号为1~5的气泡位于三支柱绝缘子支腿,沿径向分布;编号6~9的气泡位于三支柱绝缘子腹部,沿相对于中心导体的环向分布。在图3中,以坐标(Xb, f)对内部气泡的不同位置进行描述,其中,Xb为气泡中心到三支柱绝缘子轴心的距离(mm),f 为气泡和三支柱绝缘子轴心的连线与支腿旋转轴之间的夹角。
同时,选取支腿处编号为1的气泡,改变气泡中心与支腿旋转轴的距离rc的值,以此研究气泡所在支腿径向距离对三支柱绝缘子内电场分布的影响。
图3 三支柱绝缘子气泡缺陷模型及参数
Fig.3 Inner void defects and parameter of tri-post insulator
导电颗粒在气体绝缘封闭设备中易引发故障,且故障影响大[19]。三支柱绝缘子整个生产过程中,工厂对车间内颗粒的浓度有严格的标准把控,因此,在输电管道内出现粉尘概率较小。GIL中最有可能出现的导电颗粒为悬浮在SF6中或者粘附在三支柱绝缘子表面的微小金属颗粒。GIL在其运输、安装、投运的整个过程中,可能发生机械振动和热伸缩,由此引起的摩擦将导致金属颗粒的产生[6-8]。金属颗粒会引起局部电场强度集中,导致绝缘强度下降,甚至引发沿面闪络。
三支柱绝缘子表面附近的金属颗粒模型及参数如图4所示。Xc为三支柱绝缘子轴心到金属颗粒中心的径向距离,h为悬浮金属颗粒中心到三支柱绝缘子表面的距离,dc为在GIL中产生的金属颗粒直径。在计算中取三支柱绝缘子表面沿路径起点至路径终点的电场值进行分析。
图4 三支柱绝缘子的金属颗粒缺陷模型及参数
Fig.4 Conductive particles and parameters of tri-post insulator
通过有限元软件COMSOL计算,首先得到无缺陷下三支柱绝缘子电位和电场分布如图5所示。表1给出了三支柱绝缘子中各部位表面电场强度的最大值。
图5 三支柱绝缘子的电位及电场分布
Fig.5 Potential and electric field distribution of tri-post insulator
表1 三支柱绝缘子关键部位表面最大电场强度
Tab.1 The maximum value of electric field of tri-post insulator key positions
关键部位最大电场强度/(kV/mm) 金属嵌件10.38 绝缘子腹部17.1 绝缘子支腿13.0
从图5可以看出,三支柱绝缘子等位线密集处主要集中在绝缘子的腹部,此处电场强度较大,且电力线近似垂直穿出绝缘子表面,主要为法向电场。三支柱绝缘子支腿处电力线与沿面的夹角较小,主要为沿面的切向电场。支腿根部电场强度较低,这是由于受到了低压端金属嵌件和粒子收集器之间的屏蔽作用。
2.1.1 嵌件界面剥离
为研究嵌件处剥离半径、剥离厚度和电场分布的关系,选取图2所描述的缺陷起点至缺陷终点金属表面电场强度为研究对象,提取路径上的电场强度值。剥离半径r和剥离厚度d1对电场分布的影响分别如图6和图7所示。图6中,剥离厚度d1的取值为0.1mm;图7中,剥离半径r的取值为3mm。
从图6中可以看出,嵌件界面剥离缺陷下,电场畸变主要集中在剥离向内延伸的边缘位置。缺陷中金属嵌件表面的电场强度沿着剥离路径先逐渐减小后迅速增大,这是由于随着路径逐步靠近剥离的边缘,逐渐接近电场畸变严重的环氧、气体和金属的三结合区。从图中还可以看出,随着r增大,金属嵌件表面的电场强度有整体增大的趋势,且影响范围也扩大。
图6 剥离半径r对电场分布的影响
Fig.6 Influence of stripping radius r on electric field distribution
图7 剥离厚度d1对电场分布的影响
Fig.7 Influence of stripping thickness d1 on electric field distribution
从图7中可以看出,随着d1的增大,路径上的电场分布曲线向下平移,金属嵌件表面最大电场强度逐渐减小,但减小的趋势逐渐减弱。
由以上结果可以看出,剥离厚度越小,剥离半径越大,金属嵌件表面电场强度值越大。金属嵌件表面电场强度均高于30.0kV/mm,在列举的情况下最大值可达到68.7kV/mm,这远高于无缺陷下金属嵌件表面电场强度的最大值。
2.1.2 中心导体气隙
图8和图9给出了中心导体处气隙长度l与气隙厚度d2对电场分布的影响曲线。曲线的路径为沿着图2中中心导体气隙缺陷起点至缺陷终点的导体表面。实际中,中心导体处产生的气隙,其长度和厚度值均不会过大也不会过小,本文中l的值取为1.0~2.0mm,d2的值取为0.1~0.3mm。
图8 气隙长度l对电场分布的影响
Fig.8 Influence of gap length l on electric field distribution
图9 气隙厚度d2对电场分布的影响
Fig.9 Influence of gap thickness d2 on electric field distribution
由图8可见,随着l增大,缺陷起点处的电场强度被抬高。沿着缺陷起点至终点,电场强度逐渐增大,且在距离缺陷终点0.4mm左右的位置,电场强度随距离增大的速率明显加快。
由图9可见,随着d2的增大,中心导体表面最大电场强度减小,这是因为随着d2的增大,其对中心导体的影响作用降低。相比于d2<0.2mm,当 d2>0.25mm时对电场的增强作用显著减小。
由此可见,当界面缺陷存在的情况下,缺陷周围电场均显著畸变,将会在GIL中诱发局部放电,在绝缘子运行时热和力的共同作用下,最终导致绝缘子在该位置发生烧蚀破坏,引发沿面闪络故障[20]。
根据图3给出了三支柱绝缘子气泡缺陷模型以及不同位置的坐标,选取位置1的气泡,研究其尺寸对电场分布的影响。位置1处气泡不同尺寸与气泡周围电场强度最大值Emax1的关系见表2。从表2可以看出,气泡尺寸在0.5~2.5mm之间改变,Emax1的值并没有发生明显变化,说明气泡对三支柱绝缘子内电场强度的影响基本与其尺寸无关。
表2 Emax1与内部气泡尺寸的关系
Tab.2 Relationship between Emax1 and the size of bubble
直径/mmEmax1/(kV/mm) 0.514.02 1.013.99 1.513.91 2.013.83 2.513.72
将三支柱绝缘子内气泡的直径设为2.0mm,研究三支柱支腿处和腹部处气泡对电场分布的影响。5个气泡位于支腿上,4个气泡分布于绝缘子腹部。内部气泡不同位置与Emax1的关系如图10所示。图中比较了有无气泡的情况下相同位置的最大电场强度。
图10 气泡位置对Emax1的影响
Fig.10 Influence of bubble location on Emax1
图10表明,气泡对Emax1影响程度与其位置有关。同腹部处气泡相比,支腿上的气泡对电场的畸变更为严重。且气泡位置越接近金属嵌件表面,对Emax1影响越大。与此同时,所计算的9个气泡中,畸变最严重的气泡周围电场强度最大值为13.9kV/mm,可以看出,气泡对电场分布的影响小于界面缺陷。
图11为气泡中心和支腿旋转轴之间距离rc与Emax1的关系,提取了气泡存在时与相同位置下无气泡时电场强度最大值。气泡直径为2.0mm。从图中可以看出,随着rc值的增加,气泡位置逐渐靠近绝缘子表面,气泡周围电场强度最大值逐渐减小,且有、无气泡存在时最大值之差也逐渐减小。由此可知,气泡越靠近支腿旋转轴的位置,电场畸变越严重。
图11 气泡尺寸对Emax1的影响
Fig.11 Influence of bubble size on Emax1
与其他缺陷相比,气泡缺陷造成的电场畸变程度较小,其局部放电的能量会比较微弱,因此,该缺陷与其他缺陷相比更不易检测。但绝缘材料在此类局部放电的影响下易发生老化[21],长此以往,缺陷的范围将会逐步发展并扩大,最终发展成为内部贯穿性放电,导致绝缘子炸裂。
2.3.1 附着导电颗粒
附着导电颗粒尺寸dc对三支柱绝缘子表面电场的影响如图12所示,导电颗粒位置为Xc=300mm,图中曲线截取了部分图4所述路径起点至路径终点沿线电场数值。从图中可以看出,dc在0.5~2.0mm之间变化时,附着导电颗粒对三支柱绝缘子表面电场分布的影响规律基本相同:沿路径迅速增大到极大值后,在靠近壳体一侧降低至极小值。不同dc的颗粒对三支柱绝缘子表面最大值影响基本相同,最大值均在60kV/mm左右,电场畸变严重。电场受附着导电颗粒影响的范围限制在导电颗粒附近。与此同时,影响范围与dc有关,随着dc的增大,受影响的范围逐渐增大。
图12 附着导电颗粒尺寸对绝缘子表面电场的影响
Fig.12 Effect law of attached conductive particles size on electric field distribution
图13给出了附着导电颗粒与其所在位置的关系,导电颗粒的尺寸为dc=2.0mm。从图中可以看出,附着导电颗粒在不同的位置对三支柱绝缘子表面电场有不同的影响。导电颗粒对三支柱绝缘子腹部表面电场畸变的作用大于支腿表面电场,且越靠近腹部的中心,最大电场强度值越高。附着在支腿上的导电颗粒,随着其径向距离的增大,支腿表面电场强度最大值将逐渐减小。沿线距离340mm处的电场强度峰值呈现不同规律,这是由于模型所使用的三支柱绝缘子为哑铃型结构,沿线距离340mm处于绝缘子嵌件周围的哑铃型鼓起处,且距离低压端较近。
图13 附着导电颗粒位置对绝缘子表面电场的影响
Fig.13 Effect law of attached conductive particles location on electric field distribution
2.3.2 悬浮导电颗粒
图14和图15给出了距三支柱绝缘子表面高度和悬浮导电颗粒尺寸对电场的影响曲线。由于悬浮电位的存在,绝缘子表面的电场分布产生了畸变,但其影响范围较小。在悬浮导电颗粒附近,靠近中心导体侧电场强度被增强,靠近低压端一侧电场强度被削弱。可以看出,h的值越小或dc的值越大,则三支柱绝缘子表面电场分布受到的影响越大。于此同时,当h>2.0mm后,dc=2.0mm的导电颗粒基本不影响绝缘子表面的电场;同样地,当dc<0.5mm后,距离绝缘子表面1.0mm的导电颗粒对其电场分布影响有限。悬浮导电颗粒的影响范围仅与dc有关,h对范围的影响效果并不明显。
图14 悬浮导电颗粒高度对绝缘子表面电场的影响
Fig.14 Effect law of suspended conductive particles’ height on electric field distribution
图15 悬浮导电颗粒尺寸对绝缘子表面电场的影响
Fig.15 Effect law of suspended conductive particles size on electric field distribution
图16为悬浮金属颗粒的电场分布云图,其与绝缘子表面垂直距离为1.0mm,直径为0.5mm。由图可见,电力线由绝缘子内向SF6穿出,最后穿入悬浮金属颗粒,由此改变了三支柱绝缘子表面的电场分布。然而,在悬浮导电颗粒存在的情况下,最大电场强度出现在颗粒表面,高达27.7kV/mm,有可能引发局部放电。因此,导电颗粒表面的电场强度应该受到关注。
图16 悬浮导电颗粒表面电场分布云图
Fig.16 Electric field distribution of suspended conductive particles
表3和表4分别为悬浮金属颗粒表面电场强度最大值Emax2与高度、尺寸的关系。由表可知,随着h和dc的变化,Emax2的值基本保持不变,在27.0~29.0kV/mm的范围之内。
表3 Emax2与悬浮金属颗粒高度h的关系
Tab.3 Relationship between Emax2 and hight h of particles
h/mmEmax2/(kV/mm) 0.528.8 128.2 1.527.9 227.8
表4 Emax2与悬浮金属颗粒尺寸dc的关系
Tab.4 Relationship between Emax2 and size dc of particles
dc/mmEmax2/(kV/mm) 0.127.6 0.527.7 127.9 228.2
图17给出了悬浮导电颗粒与其所在位置的关系,导电颗粒的尺寸为dc=2.0mm,距三支柱绝缘子表面的垂直距离为h=1mm。将沿线距离0~350mm内各悬浮导电颗粒的位置依次编号为1~7,得到悬浮导电颗粒表面电场强度最大值Emax2与位置的关系见表5。
图17 悬浮导电颗粒位置对绝缘子表面电场的影响
Fig.17 Influence of suspended conductive particles location on electric field distribution
表5 Emax2与悬浮金属颗粒位置的关系
Tab.5 Relationship between Emax2 and location of particles
位置Emax2/(kV/mm) 152.5 246.1 341.7 434.8 528.2 626.2 712.4
结合图17和表5可以看出,悬浮导电颗粒与位置的关系与附着导电颗粒相类似。相比于处于三支柱绝缘子支腿位置的导电颗粒,处于腹部位置的导电颗粒对电场的畸变作用更大,电场的最大值随着导电颗粒靠近腹部中心而增大。
结合以上仿真分析,可以看出,当金属微粒存在时,尤其是金属微粒附着于绝缘子表面,附着位置的电场强度将大幅度提高。同时,在电场力的作用下,金属微粒还有可能在电极间跳动,缩短绝缘子沿面的有效绝缘距离[22],诱发局部放电甚至是击穿。因此,金属微粒缺陷是SF6绝缘设备故障的常见问题,在GIL的质量控制上需要受到重点关注。
1)三支柱绝缘子嵌件处和中心导体处的界面缺陷有着类似的电场分布规律,界面缺陷的延伸长度越长,缺陷宽度越窄,电场畸变则越严重,最大电场强度越高。
2)三支柱绝缘子内部气泡对电场分布的影响与其尺寸无关,但与位置有关。越靠近低压端嵌件,气泡内的电场强度最大值越高。
3)导电颗粒缺陷分为附着导电颗粒和悬浮导电颗粒,这两种颗粒都会不同程度地畸变电场。附着导电颗粒尺寸对电场强度最大值基本没有影响,但是其尺寸越大,被畸变的电场范围越大。悬浮导电颗粒的尺寸dc和h对其自身表面的电场影响不大,但是dc越大,h越小,其在三支柱绝缘子表面引发的电场畸变越严重。两种类型的导电颗粒位置对电场影响程度有着相类似的规律,导电颗粒位于绝缘子腹部带来的危害可能要大于位于绝缘子支腿处。
4)针对各缺陷对电场强度最大值的影响,程度由大到小依次为附着导电颗粒、中心导体气隙、嵌件界面剥离、悬浮导电颗粒和内部气泡。
参考文献
[1] 高克利, 颜湘莲, 刘焱, 等. 环保气体绝缘管道技术研究进展[J]. 电工技术学报, 2020, 35(1): 3-20.
Gao Keli, Yan Xianglian, Liu Yan, et al. Progress of technology for environment-friendly gas insulated transmission line[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2020, 35(1): 3-20.
[2] 李冰, 肖登明, 赵谡, 等. 第二代气体绝缘输电线路的温升数值计算[J]. 电工技术学报, 2017, 32(13): 271-276.
Li Bing, Xiao Dengming, Zhao Su, et al. Temperature rise numerical calculation of the second generation gas insulated transmission line[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(13): 271- 276.
[3] 李志闯, 郑忠波, 刘一树, 等. C4F7N/CO2混合气体中252kV盆式绝缘子工频沿面闪络特性研究[J]. 电工技术学报, 2020, 35(1): 62-69.
Li Zhichuang, Zheng Zhongbo, Liu Yishu, et al. Surface flashover characteristics of the 252kV conical insulator in C4F7N/CO2 gas mixtures under AC voltage[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(1): 62-69.
[4] 王渊, 马国明, 周宏扬, 等. SF6/N2混合气体中直流叠加雷电冲击复合电压作用下绝缘子闪络特性[J]. 电工技术学报, 2019, 34(14): 3084-3092.
Wang Yuan, Ma Guoming, Zhou Hongyang, et al. Flashover characteristics of spacers in SF6/N2-filled under composite voltage of DC and lightning impulse[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(14): 3084-3092.
[5] Shao Xianjun, Zhu Mingxiao, He Wenlin, et al. Dependence of partial discharge UHF characteristics on metal particle position at insulating spacer in GIS[C]//IEEE Asia-Pacific Power and Energy Engin- eering Conference, Brisbane, 2015: 1-5.
[6] 李庆民, 王健, 李伯涛, 等. GIS/GIL中金属微粒污染问题研究进展[J]. 高电压技术, 2016, 42(3): 849-860.
Li Qingmin, Wang Jian, Li Botao, et al. Review on metal particle contamination in GIS/GIL[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(3): 849-860.
[7] 张连根, 路士杰, 李成榕, 等. 气体绝缘组合电器中微米量级金属粉尘运动和放电特征[J]. 电工技术学报, 2020, 35(2): 444-452.
Zhang Liangen, Lu Shijie, Li Chengrong, et al. Movement and discharge characteristics of micron- scale metal dust in gas insulated switchgear[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(2): 444-452.
[8] 张连根, 路士杰, 李成榕, 等. GIS中线形和球形金属微粒的运动行为和危害性[J]. 电工技术学报, 2019, 34(20): 4217-4225.
Zhang Liangen, Lu Shijie, Li Chengrong, et al. Motor behavior and hazard of spherical and linear particle in gas insulated switchgear[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(20): 4217-4225.
[9] 黄旭炜, 倪潇茹, 王健, 等. 苯硫醚聚酰亚胺电极覆膜材料合成及直流应力下对金属微粒运动特性的抑制作用[J]. 电工技术学报, 2018, 33(20): 4712- 4721.
Huang Xuwei, Ni Xiaoru, Wang Jian, et al. Synthesis of phenyl-thioether polyimide as the electrode coating film and its suppression effect on motion behavior of the metal particles under DC stress[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(20): 4712-4721.
[10] 齐波, 李成榕, 郝震, 等. GIS绝缘子表面固定金属颗粒沿面局部放电发展的现象及特征[J]. 中国电机工程学报, 2011, 31(1): 101-108.
Qi Bo, Li Chengrong, Hao Zhen, et al. Evolution phenomena and features of surface partial discharge initiated by immobilized metal particles on GIS insulator[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(1): 101-108.
[11] Qi Bo, Li Chengrong, Hao Zhen, et al. Surface discharge initiated by immobilized conductive particles attached to gas insulated substation insulators: process and features[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2011, 18(3): 792-800.
[12] Qi Bo, Li Chengrong, Hao Zhen, et al. Partial discharge initiated by free moving conductive particles on GIS insulator surface: severity diagnosis and assessment[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2014, 21(2): 766-774.
[13] Radwan R M, Abou-Elyazied A M. Effect of solid spacers' dimensions and permittivity on the electric field distribution in gas insulated systems[C]// Eleventh IEEE International Middle East Power Systems Conference, EI-Minia, Egypt, 2006: 234- 239.
[14] Radwan R M, Abou-Elyazied A M. Effect of spacer's defects and conducting particles on the electric field distribution along their surfaces in GIS[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2007, 14(6): 1484-1491.
[15] Tian Huidong, Wang Haoran, Guo Zihao, et al. Influence of key structure parameters on electrical field distribution of tri-post insulator used in UHV[C]// IEEE International Symposium on Electrical Insu- lating Materials, Nagoya, 2017: 275-278.
[16] 汪建成, 谢文刚, 宫瑞磊, 等. 550kV GIL三支柱绝缘子设计[J]. 高压电器, 2018, 54(5): 114-118.
Wang Jiancheng, Xie Wengang, Gong Ruilei, et al. Design of 550kV three post insulator[J]. High Voltage Apparatus, 2018, 54(5): 114-118.
[17] 吴德贯, 彭翔, 李红元, 等. 一起500kV GIL绝缘子炸裂故障分析[J]. 电瓷避雷器, 2016(1): 40-43.
Wu Deguan, Peng Xiang, Li Hongyuan, et al. Analysis of a 500kV GIL insulator burst fault[J]. Insulators and Surge Arresters, 2016(1): 40-43.
[18] Okabe S. Insulation properties and degradation mechanism of insulating spacers in gas insulated switchgear (GIS) for repeated/long voltage applica- tion[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2007, 14(1): 101-110.
[19] 庄丞, 曾建斌, 袁传镇. 表面异物对252kV气体绝缘组合电器盆式绝缘子绝缘性能的影响[J]. 电工技术学报, 2019, 34(20): 4208-4216.
Zhuang Cheng, Zeng Jianbin, Yuan Chuanzhen. Effect of surface foreign matters on the insulation property of 252kV gas insulated switchgear basin insulators[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(20): 4208-4216.
[20] 王闯, 赵朗, 孙青, 等. 界面涂层对特高压GIS盆式绝缘子导体-绝缘盆体界面处电场调控[J]. 高电压技术, 2020, 46(3): 799-806.
Wang Chuang, Zhao Lang, Sun Qing, et al. Interface coating to regulate electric field at the interface of central conductor and insulation basin of UHV GIS spacer[J]. High Voltage Engineering, 2020, 46(3): 799-806.
[21] 张芊, 韩旭涛, 张哲铭, 等. 固体绝缘内部气隙缺陷尺寸和位置对其局部放电特性的影响[J]. 高电压技术, 2019, 45(4): 1313-1322.
Zhang Qian, Han Xutao, Zhang Zheming, et al. Influence of internal void defect dimension and position on partial discharge characteristics in the solid insulation[J]. High Voltage Engineering, 2019, 45(4): 1313-1322.
[22] 肖淞, 张晓星, 周倩, 等. 不同类型自由金属微粒对SF6绝缘特性的影响[J]. 中国电机工程学报, 2018, 38(5): 1582-1591.
Xiao Song, Zhang Xiaoxing, Zhou Qian, et al. Influence of different types of free metal particles on the properties of SF6 insulation[J]. Proceedings of the CSEE, 2018, 38(5): 1582-1591.
Simulation on Electric Field Distribution of 1 100kV AC Tri-Post Insulator Influenced by Defects
Abstract Defects and conductive particles will seriously distort the electric field distribution of tri-post insulators in GIL, and even lead to breakdown. In this paper, the possible defects and their sources in UHV GIL were analyzed, and the influence of defects, including interface defects, inner void and conductive particles, on the electric field distribution of the tri-post insulator was calculated by the COMSOL Multiphysics software. The results show that interface defects on metal insert and center conductor surface have the similar effects. The longer and thinner the interface defects are, the higher the maximum value of field is. As for the inner voids, the size seems to have small impact on the electric field distribution, but the location closer to the metal insert has more damage to the insulation. Attached conductive metal particles can significantly enhance the electric field, but has influence on the maximum electric field value, and the larger the size, the larger the range of electric field distortion. The larger size and shorter height of suspended conductive particles cause more serious distortion, and the maximum value of field strength increases when the particles are closer the sphere zone. Among the defects, conductive particles are the most harmful to insulation, followed by interface defects.
Keywords:Ultra high voltage, gas insulated metal enclosed transmission line, tri-post insulator, interface defects, inner void, conductive particle
中图分类号:TM216
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90194
国家电网公司科技资助项目(SGZJ0000KXJS1900410)。
收稿日期 2020-06-30
改稿日期 2020-10-06
E-mail: haoranwang0729@foxmail.com
吴泽华 男,1995年生,博士研究生,研究方向为特高压交/直流GIS/GIL关键技术、电力设备绝缘结构设计及优化等。
E-mail: zehua_wu@qq.com(通信作者)
(编辑 崔文静)