大電流封閉母線內(nèi)空間電荷對電場分布及絕緣性能的影響

1、大電流封閉母線內(nèi)空間電荷對電場分布及絕緣性能的影響摘要：對大電流封閉母線中空間電荷引起的氣體擊穿進(jìn)行了理論研究。對封閉母線中存在空間電荷時遠(yuǎn)離絕緣子處的電場和絕緣子周圍區(qū)域的電場進(jìn)行了計算。給出了不同空間電荷密度時絕緣子周圍區(qū)域電場的等位線分布，得到了封閉母線中空間電荷應(yīng)該保持的安全密度范圍。關(guān)鍵詞：母線；絕緣子；空間電荷；電場；等位線中圖分類號：TM501+.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A電力是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，必須先行。在展望今后30年我國電力系統(tǒng)的發(fā)展時，大電流封閉母線是關(guān)鍵技術(shù)之一。通常大電流封閉母線都采用強迫風(fēng)冷的措施以降低封閉母線溫升和減小封閉母線面積。但這也隨之帶來了問題：在強迫風(fēng)冷大電流封閉母

2、線中高速流動的氣體在封閉母線內(nèi)循環(huán)流動，與母線、外殼、支持絕緣子等摩擦產(chǎn)生離子，另外還有熱發(fā)射、局部放電等原因產(chǎn)生離子；同時由于封閉母線導(dǎo)體由多段母線組成，接頭焊縫可能加工不良，以及封閉母線運輸和運行期間的機械振動均可能使封閉母線中存在金屬粒子。氣體離子和金屬粒子隨著氣流流動會在封閉母線中形成空間電荷，當(dāng)電荷密度達(dá)到一定值時，會引起母線的擊穿或閃絡(luò)，從而造成嚴(yán)重危害1。目前，國外某些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)認(rèn)識到這個問題的嚴(yán)重性并已開始進(jìn)行研究。而國內(nèi)，這方面的研究工作才剛剛開始，屬于新的科研課題，本文從“場”的角度出發(fā)，研究封閉母線中的空間電荷引起的電場畸變，分析空間電荷對封閉母線絕緣性能的影響，并求出

3、了封閉母線中空間電荷的安全密度范圍。本文的研究內(nèi)容將為封閉母線的絕緣設(shè)計提供理論依據(jù)。1空間電荷對絕緣子較遠(yuǎn)處電場的影響1.1封閉母線的結(jié)構(gòu)封閉母線結(jié)構(gòu)如圖1所示。封閉母線中存在的空間電荷會使電場發(fā)生畸變。距離絕緣子較遠(yuǎn)處的空間受絕緣子影響很小，可視作同軸圓柱，而絕緣子周圍區(qū)域形狀則較復(fù)雜，本文對這兩種情況分別進(jìn)行考慮，分析空間電荷在多大密度以下才不會引起封閉母線發(fā)生擊穿或閃絡(luò)。圖1三支持絕緣子封閉母線示意圖1.2遠(yuǎn)離絕緣子處的電場計算及結(jié)果分析封閉母線中距離絕緣子較遠(yuǎn)處的區(qū)域可視作同軸圓柱，由于存在空間電荷，電場用泊松方程表示其中P為電荷密度，采用柱坐標(biāo)，則有邊界條件為r=RM,9=U,Rm

4、為封閉母線導(dǎo)體半徑r=RK,9=0,Rk為封閉母線外殼半徑當(dāng)母線額定電壓為18kV時，對應(yīng)不同空間電荷密度的電場強度分布見圖2a。本文采用的全連分相風(fēng)冷封閉母線的參數(shù)依次為2單機容量為600MW;額定電流為23kA;額定電壓為18kV;母線直徑為50cm;母線厚度為1.6cm;外殼直徑為111.6cm;外殼厚度為0.8cm;長度為50m.10i5.n15.02530i4550?10,0-10.0P=-6x10P=-8x0-RxQ5P=-510圖218kV和50kV電壓條件下對應(yīng)不同空間電荷密度時的電場強度分布(a)U=18kV;(b)U=50kVP為空間電荷面密度，單位為C/m2;R為封閉母線

5、空間中任意一點與母線導(dǎo)體中心之間的距離?？諝庵型S圓柱間工頻擊穿場強約為21.12kV/cm(有效值)3.從圖2a可以看出，空間電荷密度為0時，Emax=0.91kV/cm,小于工頻擊穿場強。隨著空間電荷密度的加大，母線附近電場強度逐漸增大。從圖2a可以看出，當(dāng)空間電荷面密度達(dá)到-1.0 x10-4C/m2時，母線附近場強超過工頻擊穿場強。所以額定電壓下空間電荷密度應(yīng)在-1.0 x10-4C/m2以下，才不會引起封閉母線發(fā)生擊穿。按設(shè)計要求，額定電壓為18kV的封閉母線，其工頻耐受電壓可取為50kV(有效值)4,在該條件下，空間電場強度分布見圖2b.從圖2b可以看出，空間電荷密度達(dá)到-9.2x

6、10-5C/m2時，母線附近場強將達(dá)到工頻擊穿場強。所以該條件下，空間電荷密度應(yīng)該保持在-9.2x10-5C/m2以下。比較圖2a、b可見，在50kV電壓條件下封閉母線發(fā)生擊穿時的空間電荷密度比額定電壓條件下發(fā)生擊穿所需的電荷密度要小一些。所以考慮絕緣配合時應(yīng)按50kV的電壓條件進(jìn)行保證，即封閉母線中距離絕緣子較遠(yuǎn)處的空間電荷密度應(yīng)該保持在-9.2x10-5C/m2以下。2絕緣子周圍存在空間電荷時的電場2.1沿母線徑向剖分絕緣子周圍區(qū)域時的電場大電流封閉母線采用三絕緣子支持方式，見圖1外殼接地,母線導(dǎo)體額定電壓為18kV,該絕緣子為內(nèi)膠裝式。兩個相鄰絕緣子間夾角為120，考慮到對稱性，計算時只

7、需剖分60角區(qū)域即可。由計算結(jié)果可以得到絕緣子周圍區(qū)域的電場等位線分布和各點的場強值，從中可以看出空間電荷對電場的影響。當(dāng)空間電荷密度逐漸加大時，封閉母線絕緣子周圍區(qū)域的電場受到的畸變也在逐漸加強。額定電壓下在電荷密度達(dá)到-8.7x10-5C/m2時，絕緣子周圍局部區(qū)域的電場強度已超過空氣中沿瓷表面的工頻閃絡(luò)擊穿場強16.67kV/cm4，此時的等位線分布見圖3.所以在18kV電壓下電荷密度不應(yīng)大于-8.7x10-5C/m2，才能保證絕緣子不發(fā)生閃絡(luò)擊穿。在50kV電壓下，隨空間電荷密度變化時的等位線分布與18kV電壓時的類似，只是達(dá)到工頻閃絡(luò)擊穿場強時的空間電荷密度更小一些。電荷密度為-8x

8、10-5C/m2時絕緣子周圍局部區(qū)域的電場強度即開始達(dá)到工頻閃絡(luò)擊穿場強。所以封閉母線絕緣子周圍空間電荷密度應(yīng)在-8x10-5C/m2以下。此時的電場等位線分布見圖4.圖318kV電壓條件下p=-8.7x10-5C/m2時的等位線分布圖450kV電壓條件下p=-8x10-5C/m2時的等位線分布2.2沿母線軸向剖分絕緣子周圍區(qū)域時的電場以上對絕緣子周圍區(qū)域沿母線徑向剖分進(jìn)行了數(shù)值計算。下面將絕緣子周圍區(qū)域沿母線軸向進(jìn)行剖分，求出了不同空間電荷密度時的電場強度。此時的剖分區(qū)域如圖5所示。酣頤區(qū)為削的區(qū)域支待遼喙子圖5軸向剖分區(qū)域示意圖電荷密度為-1.23x10-4C/m2時的電場等位線分布如圖6

9、所示,此時絕緣子周圍局部區(qū)域電場強度開始超過工頻閃絡(luò)擊穿場強。在50kV電壓條件下，封閉母線中電荷密度為-1.12x10-4C/m2時絕緣子周圍局部區(qū)域的電場強度開始超過工頻閃絡(luò)擊穿場強。電場等位線如圖7所示。所以電荷密度必須保持在-1.12x10-4C/m2以下。圖618kV電壓條件下p=-1.12x10-4C/m2時的等位線分布圖750kV電壓條件下p=-1.23x10-4C/m2時的等位線分布綜上所述，封閉母線中絕緣子周圍區(qū)域發(fā)生擊穿或閃絡(luò)時的空間電荷密度見表1。1空間電荷密/C-m-2電壓/kVPiP218-8.7X10-5-1.23x10-450-8.0 x10-5-1.12x10-4從上圖可以看出，絕緣子沿母線徑向剖分時，其周圍區(qū)域發(fā)生擊穿或閃絡(luò)時的電荷密度小于軸向剖分的情況。所以為保證封閉母線正常運行，絕緣子周圍區(qū)域的電荷密度不應(yīng)大于8.0 x10-5C/m2.為了使得電荷密度在安全范圍以內(nèi)，應(yīng)該在封閉母線中裝配去離子裝置以降低電荷密度，這使得開展風(fēng)冷封閉母線去離子裝置的研究顯得非常重要。3結(jié)論（1）對封閉母線中遠(yuǎn)離絕緣子處的電場進(jìn)行了解析計算。為保證封閉母線安全運行，空間電荷密度應(yīng)該保持在-9.2x10-5C/m2以下。（2）采用有限元法對封閉母線中絕緣子周圍區(qū)域沿徑向剖分和軸向剖分兩個區(qū)域的電場進(jìn)行了數(shù)值計算?？臻g電荷對徑向剖分絕緣子周圍區(qū)域電場的影響程