GIS裝置及其絕緣技術(shù)：第三章 表面粗糙度和導(dǎo)電微粒對(duì)SF6絕緣的影響

1、第三章 表面粗糙度和導(dǎo)電微粒對(duì)SF6絕緣的影響Xian Jiaotong University-2-內(nèi)容GIS的絕緣弱點(diǎn)電極材料對(duì)放電的影響電極表面粗糙度對(duì)放電的影響電極的面積效應(yīng)導(dǎo)電微粒污染的影響控制微粒污染作用的技術(shù)Xian Jiaotong University-3-GIS的絕緣弱點(diǎn)SF6氣體絕緣不是完美無缺的對(duì)均勻間隙，當(dāng)p=0.1 MPa時(shí)，SF6氣體的擊穿電場(chǎng)高達(dá)89 kV/cm，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，SF6氣體間隙的耐受電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到期望值。在許多情況下，運(yùn)行電壓只是實(shí)驗(yàn)室中所測(cè)得的耐受電壓的10%。 SF6氣體絕緣對(duì)電場(chǎng)集中很敏感電極表面粗糙度導(dǎo)電微粒污染 支撐絕緣子的沿面放電

2、VFTO的問題Xian Jiaotong University-4-電極材料對(duì)放電的影響電極材料加工工藝 不同清洗方法擊穿電壓不同電極材料對(duì)放電有影響？電極材料對(duì)SF6間隙的耐電強(qiáng)度無顯著影響本質(zhì)因素：表面粗糙度不同材料，采取不同加工方法后，電極表面的微觀結(jié)構(gòu)不同，使得電極表面輪廓算術(shù)平均偏差Ra有很大差別的緣故。SF6氣體絕緣對(duì)電場(chǎng)集中敏感擊穿電壓不同Xian Jiaotong University-5-電極表面粗糙度對(duì)放電的影響0)(pEpEs)/(/ )()(0pEpxEcx由于表面不是完全光滑的，在實(shí)際應(yīng)用條件下，氣體間隙的擊穿起始E/p小于(E/p)0。這種現(xiàn)象可以用電極表面粗糙度系

3、數(shù)來描述。物理模型彼得遜模型坦特福德模型)(21 )(33RxRExEa電場(chǎng)分布cxKdxx0)(0)(cx其中流注擊穿判據(jù))(pRg得到Xian Jiaotong University-6-電極表面粗糙度對(duì)放電的影響當(dāng)pR比較小時(shí)，接近1，這意味著粗糙度對(duì)擊穿沒有任何影響。當(dāng)pR比較大時(shí)，擊穿電壓大幅下降crpRpR 判據(jù)Xian Jiaotong University-7-電極表面粗糙度對(duì)放電的影響氣體的優(yōu)異值越大，越能容忍表面粗糙度如果采用坦特福特模型，會(huì)得到同樣的結(jié)果，事實(shí)上，無論突起的形狀如何，突起物對(duì)原電場(chǎng)擊穿特性無影響的臨界條件可以寫為：KBph 亦即MpEcKBKph0)(B=

4、c(E/p)0，M為氣體的優(yōu)異值實(shí)際的電極上，通常有多過連續(xù)突起，由于突起之間的相互屏蔽作用，使得突起高度對(duì)電場(chǎng)的畸變作用減小，這時(shí)粗糙度開始下降的臨界值開始變大。Xian Jiaotong University-8-電極的面積效應(yīng)SF6氣體間隙的擊穿電壓與電極的面積有關(guān)在增加電極面積不會(huì)改變SF6氣體間隙電場(chǎng)分布的情況下，間隙的擊穿電壓隨著電極面積增加而降低。在沖擊電壓下，擊穿概率將隨著電極面積的增大而增大。(電極表面缺陷出現(xiàn)的概率)隨著面積增加，擊穿場(chǎng)強(qiáng)逐漸降低并收斂于漸近值。大面積電極受表面粗糙度影響小于小面積電極。實(shí)驗(yàn)室條件下，使用小面積電極所得到的SF6間隙擊穿電壓值，不能直接用于實(shí)

5、際的大型絕緣系統(tǒng)。Xian Jiaotong University-9-電極的面積效應(yīng)電極的老練在一定的條件下，氣體間隙的擊穿電壓開始隨著放電次數(shù)的增加而提高，最后達(dá)到穩(wěn)定值。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于電極的老練過程而引起的。氣體間隙擊穿電壓的提高，是由于放電燒掉了落在電極表面的灰塵或電極表面的毛刺引起的。在高壓實(shí)驗(yàn)中，試驗(yàn)前經(jīng)常要老練電極以得到穩(wěn)定有效的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。太光滑的電極和太粗糙的電極老練都用處不大。Xian Jiaotong University-10-導(dǎo)電微粒污染的影響導(dǎo)電微粒的危害誘發(fā)氣體間隙擊穿造成沿面放電形成局部放電，分解SF6氣體，從而危害絕緣系統(tǒng)的安全非金屬微粒對(duì)SF6氣體絕緣系

6、統(tǒng)的影響很小，一般不需要特殊關(guān)注Xian Jiaotong University-11-導(dǎo)電微粒污染的影響微粒尺寸和形狀直徑低至1m的金屬微粒仍然能引起擊穿電壓的降低細(xì)長(zhǎng)型微粒的影響要比球形微粒大的多Xian Jiaotong University-12-導(dǎo)電微粒污染的影響導(dǎo)電微粒的運(yùn)動(dòng)：在一定條件下，導(dǎo)電微粒有可能在電場(chǎng)力的作用下在SF6絕緣系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)，影響微粒運(yùn)動(dòng)的因素包括：微粒形狀、微粒密度、間隙電場(chǎng)分布、微粒所帶電荷量 HVE 運(yùn)行方向 Fq Ffric Fgrad G x GE x0 r 0 z 0 導(dǎo)電微粒 HVE 運(yùn)行方向 Fq Fvisc Fgrad G x GE x0 r 0

7、 z 0 導(dǎo)電微粒 不均勻電場(chǎng)下自由導(dǎo)電微粒受力模型 (a)微粒在接地電極表面時(shí) (b)微粒在間隙中懸浮時(shí) 重力、氣體浮力、凈電荷所受電場(chǎng)力、介電電泳力、摩擦力、氣體粘滯阻力等Xian Jiaotong University-13-導(dǎo)電微粒污染的影響直流電壓下，微粒在電場(chǎng)的作用下起跳并飛向另一電極，并在電極間來回運(yùn)動(dòng)。如果微粒端部強(qiáng)電場(chǎng)處出現(xiàn)電暈，將產(chǎn)生“飛螢”現(xiàn)象，微粒將徘徊在負(fù)電極附近。Xian Jiaotong University-14-導(dǎo)電微粒污染的影響交流電壓下，微粒運(yùn)動(dòng)與直流電壓不同，微粒起跳后，并不馬上穿越間隙，只有當(dāng)電壓明顯增加后才開始穿越。起跳穿越擊穿微粒越長(zhǎng)，對(duì)擊穿電壓的

8、影響越大Xian Jiaotong University-15-導(dǎo)電微粒污染的影響脈沖電壓下，微粒受力持續(xù)時(shí)間很短，在脈沖持續(xù)時(shí)間之內(nèi)，微?；静粫?huì)移動(dòng)，故脈沖電壓對(duì)微粒的運(yùn)動(dòng)基本沒有什么影響。直流、交流、脈沖電壓下自由導(dǎo)電微粒影響的比較直流下出現(xiàn)飛螢現(xiàn)象，擊穿電壓降低很多交流起跳后并不馬上穿越間隙，有可能以很長(zhǎng)周期徘徊接近某一電極脈沖電壓下，對(duì)自由導(dǎo)電微粒的運(yùn)動(dòng)影響較小Xian Jiaotong University-16-導(dǎo)電微粒污染的影響固定微粒的影響相當(dāng)于電極上長(zhǎng)了“毛刺”起暈電壓低，造成局部放電沖擊電壓下?lián)舸╇妷旱蚗ian Jiaotong University-17-導(dǎo)電微粒污染的

9、影響導(dǎo)電微粒誘發(fā)擊穿的機(jī)理微粒端部電場(chǎng)發(fā)生畸變使得電場(chǎng)集中運(yùn)動(dòng)微粒周圍氣體密度下降微粒與電極之間的微放電造成的觸發(fā)作用微粒端部與電極接觸瞬間的沖擊電場(chǎng)Xian Jiaotong University-18-控制微粒污染作用的技術(shù)(1)電極上覆蓋介質(zhì)覆蓋介質(zhì)有助于提高擊穿電壓（阻止微粒獲得電荷）覆蓋介質(zhì)厚度小于250m的范圍內(nèi)，擊穿電壓將隨著介質(zhì)厚度的增加而增加。Xian Jiaotong University-19-控制微粒污染作用的技術(shù)覆蓋介質(zhì)的副產(chǎn)品：改善電極粗糙度對(duì)擊穿電壓的影響Xian Jiaotong University-20-控制微粒污染作用的技術(shù)隨著混合氣體（SF6/N2）中S

10、F6含量減少，pR的臨界值上升，這表明SF6/N2混合氣體絕緣系統(tǒng)更能容忍表面粗糙度的影響。同樣，混合氣體也比純SF6絕緣系統(tǒng)更能容忍導(dǎo)電微粒的影響。(2)采用混合氣體（SF6/N2）絕緣Xian Jiaotong University-21-控制微粒污染作用的技術(shù)Xian Jiaotong University-22-控制微粒污染作用的技術(shù)(3)改進(jìn)支撐絕緣子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)x mmG.E.H.V.E.140160170180150Init. p.lifta=0.5 mm (SUS)ABCD絕緣子和外殼接觸處改為鈍角插入金屬屏蔽電極Xian Jiaotong University-23-控制微粒污

11、染作用的技術(shù) x0 x0采用帶棱的絕緣子Xian Jiaotong University-24-控制微粒污染作用的技術(shù) Bottom viewCross sectional viewH.V.EEscape & oscillatex0a=1.0 mm (SUS)Trap-rib spacerx0Par. initial positionLow field particle trap采用帶微粒捕獲陷阱的絕緣子傾斜的屏蔽電極Xian Jiaotong University-25-控制微粒污染作用的技術(shù)(4)微粒陷阱+粘性涂料(5)電壓老練GIS安裝完成之后，將交流電壓連續(xù)升壓至試驗(yàn)電壓值的方法是冒險(xiǎn)的。逐級(jí)加壓來老練是更加可取的方法。這種試驗(yàn)程序是為了讓導(dǎo)電微?？梢杂凶銐虻臅r(shí)間在較低的電