長間隙同軸圓柱直流smc絕緣特性試驗(yàn)研究

長間隙同軸圓柱直流smc絕緣特性試驗(yàn)研究

0導(dǎo)電納米顆粒對(duì)sf6氣體間隙直流擊穿特性的影響同一圓錐體電極是金屬壓路的基本電極結(jié)構(gòu)，直接sp6開口，直接sp6環(huán)，其他直接供電設(shè)備和主要部件的sp6。當(dāng)sp6氣體空間時(shí)，在直流電下的腐蝕性能是該設(shè)備的理論基礎(chǔ)。近年來,隨著我國uf0b1(400~800)kV直流輸電工程中對(duì)油–SF6直流換流變套管、直流SF6穿墻套管、直流GIL等SF6直流氣體絕緣設(shè)備的工程應(yīng)用需求增大,對(duì)同軸圓柱基本電極結(jié)構(gòu)下SF6氣體直流擊穿特性規(guī)律及其影響因素的深入研究提出了要求。S.Menju和C.M.Cooke對(duì)同軸圓柱電極SF6氣體間隙不同氣壓下的直流擊穿特性進(jìn)行了研究,S.Menju研究表明在SF6氣體壓力高于101.3kPa時(shí),直流擊穿電壓結(jié)果開始偏離理論計(jì)算模型,并開始表現(xiàn)出極性效應(yīng)。除SF6氣體壓力,電極表面粗糙度,以及導(dǎo)電微粒是影響SF6氣體間隙直流擊穿特性的重要因素。一般情況下,電極表面粗糙,表面凹凸程度越嚴(yán)重,凸起的尖端能引起強(qiáng)場(chǎng)放射,使間隙中各處的宏觀場(chǎng)強(qiáng)即便均小于臨界值,也能導(dǎo)致間隙在較低電壓下發(fā)生擊穿。為研究電極表面粗糙度對(duì)SF6氣體間隙工頻擊穿特性的影響,Pedersen建立了半球形粗糙度模型,Nitta則通過對(duì)理想電極表面(粗糙度Ra(28)0uf06dm)和粗糙電極表面(粗糙度Ra(28)150uf06dm)進(jìn)行理論計(jì)算和工頻擊穿特性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Pedersen模型;在直流電壓下由于SF6間隙擊穿電壓存在極性效應(yīng),Pedersen半球粗糙度模型不適用,由于缺少考慮粗糙度因素的直流擊穿電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐,國內(nèi)外目前尚未建立準(zhǔn)確的直流粗糙度模型。在導(dǎo)電微粒對(duì)SF6氣體間隙直流擊穿特性的影響方面,H.Anis等人研究了不均勻電場(chǎng)下球狀金屬導(dǎo)電微粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,根據(jù)微粒的受力情況,推導(dǎo)出了臨界浮起電壓;邱毓昌結(jié)合線狀導(dǎo)電微粒的電荷計(jì)算方法和試驗(yàn)研究提出了線狀導(dǎo)電微粒的浮起場(chǎng)強(qiáng);賈江波,張喬根等人則對(duì)不均勻直流電場(chǎng)下球狀自由導(dǎo)體微粒的水平運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算和仿真研究。現(xiàn)有研究成果為導(dǎo)電微粒對(duì)SF6氣體間隙直流擊穿特性影響的分析提供了基礎(chǔ),但在同軸圓柱直流SF6氣體絕緣設(shè)備中,當(dāng)電極表面的場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到導(dǎo)電微粒的臨界浮起場(chǎng)強(qiáng),間隙不一定發(fā)生擊穿,微粒的幾何尺寸和端部微放電規(guī)律還起決定作用。本文在國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上,對(duì)不同氣壓、不同電極表面粗糙度、不同極性直流下同軸圓柱SF6氣體間隙的擊穿特性進(jìn)行了研究和分析,并根據(jù)研究結(jié)果建立了長間隙GIL同軸圓柱SF6間隙直流擊穿電壓估算模型,同時(shí)對(duì)不同線狀導(dǎo)電微粒對(duì)間隙的直流擊穿特性的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。1試驗(yàn)系統(tǒng)1.1uf0b113000kv/200ma直流電壓發(fā)生器圖1為用于同軸圓柱電極SF6氣體間隙直流擊穿特性的試驗(yàn)裝置,可以在該試驗(yàn)裝置試驗(yàn)筒體內(nèi)布置不同尺寸的同軸圓柱電極間隙,并從高壓絕緣套管引入uf0b11200kV直流試驗(yàn)電壓,試驗(yàn)電源采用uf0b11800kV/200mA直流電壓發(fā)生器,并在高壓試驗(yàn)回路的高壓端串聯(lián)過流保護(hù)水電阻。試驗(yàn)過程中,隔離氣室和高壓絕緣套管部分充入0.5MPa絕對(duì)壓力的SF6氣體,安裝電極的氣室則根據(jù)試驗(yàn)需要充入指定壓力的氣體。試驗(yàn)電極采用3個(gè)呈120uf0b0對(duì)稱分布的支撐接地導(dǎo)桿固定。試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)回路如圖2所示,圖中SF6氣體處理裝置用于給試驗(yàn)裝置充入和回收氣體,改變?cè)囼?yàn)裝置各個(gè)氣室之中的氣壓,并濾除SF6氣體中的雜質(zhì)和水分;SF6含量/氣壓/露點(diǎn)儀用于測(cè)量試驗(yàn)氣室中的SF6含量、氣壓和水分含量;羅氏線圈和示波器用于觀察間隙擊穿時(shí)的放電波形。1.2復(fù)合電極的安裝同軸圓柱中間導(dǎo)體電極固定在兩個(gè)支柱絕緣子上,外殼電極通過3個(gè)呈120uf0b0對(duì)稱分布的且與裝置外殼采用密封圈連接的可調(diào)式定位桿固定,通過調(diào)節(jié)定位桿可以保證試驗(yàn)用外殼電極和試驗(yàn)用中間導(dǎo)體電極同軸布置。試驗(yàn)電極邊緣呈“喇叭”狀,邊緣曲率半徑都為100mm,消除了電極的邊緣場(chǎng)效應(yīng),使間隙擊穿點(diǎn)位于電極的中間位置,如圖3所示。在圖3中,灰色的小點(diǎn)為放電擊穿點(diǎn)。2同一軸的傾斜sp6間隙的開口2.1電極厚度的確定本文選用了表1中所示尺寸和結(jié)構(gòu)的同軸圓柱試驗(yàn)電極組合進(jìn)行了SF6間隙絕緣特性試驗(yàn)研究。表1中3組同軸圓柱電極具有相同的電場(chǎng)不均勻系數(shù)(f=1.72,即ln(D/d)=1)和相同的電極長度(L=80mm),僅間隙大小不同,電極表面粗糙度為6.3μm,為SF6氣體絕緣設(shè)備電極常采用的常規(guī)工藝值。多數(shù)同軸SF6氣體絕緣設(shè)備外形尺寸是基于ln(D/d)=1設(shè)計(jì)的,因此本文所用電極組合的絕緣特性試驗(yàn)結(jié)果可直接用于指導(dǎo)直流SF6氣體絕緣設(shè)備的設(shè)計(jì)。2.2直沖電壓的極性性能2.2.1氣體壓力對(duì)正負(fù)極性擊穿電壓的影響選擇參數(shù)d=60mm、D=163mm、L=320mm的同軸圓柱試驗(yàn)電極,試驗(yàn)時(shí)先將氣體壓力充至0.1MPa,然后進(jìn)行負(fù)極性直流擊穿電壓試驗(yàn),重復(fù)5次,對(duì)于擊穿電壓離散性較大的擊穿點(diǎn),重復(fù)5~10次;同一氣壓下負(fù)極性擊穿電壓試驗(yàn)完畢后再進(jìn)行正極性擊穿電壓試驗(yàn)。分別在0.1、0.2、0.3、0.4、0.5MPa的氣體壓力下進(jìn)行正負(fù)極性的直流擊穿電壓試驗(yàn),試驗(yàn)所得的正、負(fù)極性直流擊穿電壓值與理論擊穿電壓值如圖4所示,正、負(fù)極性直流擊穿電壓的最大值和最小值分別用虛線表示,理論擊穿電壓值為同軸圓柱電極基于經(jīng)典流注放電理論的推導(dǎo)值。由圖4可以看出:在0.1~0.5MPa的氣體壓力范圍,正負(fù)極性擊穿電壓隨著氣體壓力的增大而增大,且在0.4MPa后開始出現(xiàn)飽和趨勢(shì);負(fù)極性直流擊穿電壓在氣體壓力大于0.1MPa時(shí)開始偏離理論擊穿電壓值;正極性直流擊穿電壓在氣體壓力大于0.2MPa時(shí)開始偏離理論擊穿電壓值;在氣體壓力大于0.1MPa時(shí)具有明顯的極性效應(yīng);0.4~0.5MPa氣體壓力范圍內(nèi),負(fù)極性擊穿電壓值(平均值)約為正極性擊穿電壓值(平均值)的0.7~0.8倍,為理論擊穿電壓值的0.5倍。2.2.2正極性擊穿電壓高于極限性對(duì)于同軸圓柱這種典型的稍不均勻電場(chǎng),負(fù)極性擊穿電壓明顯低于正極性擊穿電壓原因是放電間隙中空間電荷運(yùn)動(dòng)造成的,類似于球–球稍不均勻電極不同極性直流電壓下空間電荷運(yùn)動(dòng)規(guī)律,同軸圓柱電極直流電壓下空間電荷運(yùn)動(dòng)如圖5所示。當(dāng)中間導(dǎo)體電極為負(fù)極性時(shí),其表面附近電場(chǎng)達(dá)到一定值時(shí),中間導(dǎo)體表面附近空間最先電離,電子將遠(yuǎn)離中間導(dǎo)體向外殼電極附近運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)過程中將使間隙的SF6氣體電離釋放出電子,而中間導(dǎo)體電極附近留下來的空間電荷將加強(qiáng)中間導(dǎo)體表面的電場(chǎng),導(dǎo)致發(fā)射更多的電子,加速了間隙的電離速度,從而降低了負(fù)極性擊穿電壓。當(dāng)中間導(dǎo)體電極為正極性時(shí),最先電離的電子直接進(jìn)入中間導(dǎo)體電極,不會(huì)進(jìn)入間隙空間去誘發(fā)空間中SF6釋放電子;而中間導(dǎo)體附近留下的正電荷也只能進(jìn)一步削弱正極性上球附近的電場(chǎng),抑制上球發(fā)射電子,使間隙的電離作用比負(fù)極性時(shí)小,因此正極性擊穿電壓高于負(fù)極性。在直流輸變電系統(tǒng)中,直流SF6氣體絕緣設(shè)備存在正極性或負(fù)極性的運(yùn)行狀態(tài),而設(shè)備一般運(yùn)行壓力為0.4~0.5MPa,此時(shí)負(fù)極性直流擊穿電壓僅為正極性擊穿電壓的0.7~0.8倍,約為理論擊穿電壓值的一半。因此進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)和絕緣性能研究時(shí),主要考慮施加負(fù)極性直流電壓的條件,理論擊穿電壓值的指導(dǎo)意義不大。2.3長間隙內(nèi)的直流閃燃電壓特性2.3.1旋轉(zhuǎn)電極間隙充放電測(cè)試對(duì)表1選定的具有相同電場(chǎng)不均勻系數(shù)(f(28)1.72)的3組電極分別進(jìn)行負(fù)極性直流擊穿電壓試驗(yàn),在0.4MPa氣體壓力下,其氣體間隙負(fù)極性擊穿電壓平均值如圖6所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)為5次擊穿電壓的平均值。對(duì)d=30mm、D=81.6mm,d=60mm、D=163.0mm和d=80mm、D=217.4mm的3組同軸圓柱試驗(yàn)電極組合在0.1~0.5MPa氣體壓力范圍內(nèi)進(jìn)行負(fù)極性擊穿特性試驗(yàn),其試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示,其中縱坐標(biāo)為同軸圓柱電極間隙擊穿時(shí)中間導(dǎo)體表面的電場(chǎng)強(qiáng)度,也就是間隙中間導(dǎo)體電極表面的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)為5次擊穿電壓的平均值。2.3.2中間導(dǎo)電表面的臨界擊穿電場(chǎng)由圖6和圖7同軸圓柱不同氣壓、不同間隙大小下的負(fù)極性直流擊穿特性可知:1)當(dāng)外殼電極內(nèi)徑D和中間導(dǎo)體電極外徑d的比值一定時(shí),即不均勻系數(shù)相同時(shí),負(fù)極性擊穿電壓隨間隙長度的增加具有較好的線性關(guān)系;2)d=30mm、D=81.6mm,d=60mm、D=163.0mm和d=80mm、D=217.4mm的3組電極在0.1~0.5MPa氣體壓力范圍內(nèi)盡管擊穿電壓不同,但中間導(dǎo)體表面的負(fù)極性直流臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)基本一致,偏差在4%以內(nèi);3)在0.4MPa氣體壓力下,ln(D/d)(28)1同軸圓柱電極間隙的臨界擊穿電場(chǎng)值為18.4kV/mm。對(duì)于同軸圓柱電極,符合SF6氣體流注自持放電理論判據(jù)時(shí),中間導(dǎo)體表面的理論擊穿場(chǎng)強(qiáng)可用如公式(1)和(2)所示,即理論擊穿電壓為式中:Eb為同軸圓柱電極中間導(dǎo)體表面場(chǎng)強(qiáng),kV/mm;p為SF6氣體的壓力,MPa;r為同軸圓柱電極中間導(dǎo)體半徑,mm;D為外殼電極的內(nèi)徑,mm;d為中間導(dǎo)體外徑,mm。按公式(1)計(jì)算在0.4MPa氣體壓力下,d=30mm和d=80mm,ln(D/d)=1的2種同軸圓柱電極間隙的臨界擊穿電場(chǎng)值分別為36.7kV/mm和36.2kV/mm,而負(fù)極性直流電壓下的試驗(yàn)值18.4kV/mm約為理論值的一半。因此在0.4MPa直流SF6氣體絕緣設(shè)備的運(yùn)行壓力下,理論公式不適用于指導(dǎo)設(shè)備氣體間隙設(shè)計(jì)和絕緣性能分析。2.4中間半導(dǎo)體電極表面的臨界擊穿能力1000kV特高壓交流SF6氣體絕緣設(shè)備的同軸圓柱外殼內(nèi)徑將近900mm。而直流SF6氣體絕緣設(shè)備由于負(fù)極性效應(yīng),設(shè)備尺寸和間隙長度更大。試驗(yàn)室無法直接通過試驗(yàn)得到此類長間隙的同軸間隙的直流擊穿電壓,只能建立數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行擊穿電壓估算。如圖7所示,對(duì)于相同電場(chǎng)不均勻系數(shù)的同軸圓柱電極間隙在相同氣體壓力下中間導(dǎo)體電極表面的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)相同,且在0.1~0.5MPa氣體壓力范圍內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果具有較好的線性關(guān)系,對(duì)圖7所示結(jié)果在0.1~0.5MPa氣體壓力范圍內(nèi)進(jìn)行線性擬合后得到圖8所示擊穿場(chǎng)強(qiáng)和氣壓的線性關(guān)系。圖8對(duì)應(yīng)的是ln(D/d)(28)1的同軸圓柱電極負(fù)極性直流電壓下中間導(dǎo)體電極表面的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)的擬合曲線,其關(guān)系為試驗(yàn)電極是ln(D/d)=1的同軸圓柱電極,因此由公式(2)和(3)可得負(fù)極性直流臨界擊穿電壓的數(shù)值計(jì)算模型為公式(4)是在表面粗糙度為Ra=6.3μm,外殼電極總放電面積S(27)546cm2的試驗(yàn)電極上推導(dǎo)出來的負(fù)極性直流擊穿電壓公式,在0.1~0.5MPa范圍內(nèi)比較適用;在SF6氣體壓力低于0.1MPa時(shí),理論公式(1)比公式(4)適用;在SF6氣體壓力高于0.5MPa時(shí),由于擊穿電壓開始隨氣壓趨于飽和,可以參考0.5MPa氣壓下的計(jì)算值。直流SF6氣體絕緣設(shè)備的運(yùn)行壓力通常在0.4~0.5MPa范圍內(nèi),因此公式(4)模型可以滿足工程設(shè)計(jì)需要。3影響軸端電極直接彎曲特性的因素3.1負(fù)性直流擊穿電壓由于放電的不隨機(jī)性,在使用公式(4)估算工程用同軸圓柱電極(ln(D/d)=1)負(fù)極性直流擊穿電壓時(shí),還需考慮其它影響因素。實(shí)際試驗(yàn)得出的負(fù)極性直流擊穿電壓值可能低于公式(4)的計(jì)算值。在相同尺寸同軸圓柱間隙中,相同SF6氣體壓力下,電極表面粗糙度和導(dǎo)電微粒是影響間隙絕緣的重要因素。3.2接地表面粗糙度電極表面粗糙度大時(shí),表面突起的局部電場(chǎng)強(qiáng)度要比氣隙的平均電場(chǎng)強(qiáng)度大得多,因而可在宏觀上平均場(chǎng)強(qiáng)尚未達(dá)到臨界值時(shí)就誘發(fā)擊穿。當(dāng)接地外殼電極表面粗糙度Ra保持2.6mm不變時(shí),在0.96~12.3mm范圍內(nèi)改變高壓中間導(dǎo)體的表面粗糙度時(shí),d=20mm、D=54.4mm同軸圓柱電極間隙在0.4MPa氣體壓力下的負(fù)極性直流擊穿電壓如圖9所示。當(dāng)高壓中間導(dǎo)體電極表面粗糙度Ra保持0.96μm不變時(shí),在0.5~4.6μm范圍內(nèi)改變接地外殼的表面粗糙度時(shí),d=20μm、D=54.4μm同軸圓柱電極間隙在0.4MPa氣體壓力下的負(fù)極性直流擊穿電壓如圖10所示;圖11為該電極組合下改變接地外殼電極表面粗糙度時(shí)負(fù)極性直流擊穿電壓與氣壓的關(guān)系。由圖9—11可知:1)在0.4MPa的氣體壓力下,當(dāng)接地外殼電極表面粗糙度為2.6μm時(shí),高壓中間導(dǎo)體表面粗糙度從6.3μm增加到12.3μm時(shí),負(fù)極性直流擊穿電壓值沒有明顯下降,下降幅度僅3%;從6.3μm降低至1μm以下時(shí),擊穿電壓能提高10%。2)在0.4MPa的氣體壓力下,當(dāng)中間導(dǎo)體電極表面粗糙度為0.96μm時(shí),外殼接地電極表面粗糙度從0.94μm增加到4.6μm時(shí),負(fù)極性直流擊穿電壓值沒有明顯下降,下降幅度小于3%;從0.94μm降低至0.5μm以下時(shí),擊穿電壓能提高6%。3)在0.2MPa(含)以下氣體壓力下,0.5~4.6μm接地外殼電極表面粗糙度對(duì)間隙的負(fù)極性直流擊穿電壓影響不明顯;在0.2MPa以上時(shí),0.5~0.94μm接地外殼電極表面粗糙度明顯影響間隙的負(fù)極限擊穿電壓。目前國內(nèi)外直流SF6氣體絕緣設(shè)備氣體壓力多為0.4~0.5MPa,在大多數(shù)廠家6.3μm的電極加工工藝水平中,表面粗糙度能比較明顯地影響間隙的負(fù)極性擊穿電壓。若提高工藝制造水平,將高壓中間導(dǎo)體電極目前設(shè)計(jì)的表面粗糙度6.3μm加工到低于1μm,將接地外殼電極的表面粗糙度加工到低于0.5μm,在0.4MPa氣體壓力下,負(fù)極性直流擊穿電壓能提高10%以上。3.3間隙的擊穿電壓導(dǎo)電微粒附著在電極表面的現(xiàn)象是普遍存在、經(jīng)常發(fā)生的,如切削加工后的削末未擦干凈,運(yùn)行中產(chǎn)品的磨損脫皮,檢修過程中清理不慎粘附的金屬屑等。這些金屬導(dǎo)電微粒都在一定程度上影響SF6氣體間隙的絕緣特性。將直徑為0.34mm,長度分別為3、6、12mm的鋁制微粒自由布置于d=60mm,D=163mm同軸圓柱電極中,每次試驗(yàn)在外殼電極上均勻布置10顆同尺寸金屬導(dǎo)電微粒,在0.5MPa氣體壓力下,間隙的擊穿負(fù)極性直流擊穿電壓如圖12所示。將長度為6mm,直徑分別為0.34、0.5、0.9mm的鋁制微粒自由布置在d=60mm,D=163mm同軸圓柱電極中,在0.5MPa氣體壓力下,間隙的擊穿負(fù)極性直流擊穿電壓如圖13所示。由圖12和圖13可知:1)0.5MPa氣體壓力下,間隙的負(fù)極性擊穿電壓隨金屬導(dǎo)電微粒長度的增加而降低,12mm的鋁制線狀微粒能使d=60mm,D=163mm同軸圓柱間隙負(fù)極性直流擊穿電壓降低到原擊穿電壓的2/5。2)相同長度不同直徑的金屬導(dǎo)電微粒對(duì)間隙的擊穿電壓影響相同,但高于某一臨界值,間隙擊穿電壓值將會(huì)增大。同軸間隙中的金屬微粒在直流電場(chǎng)下帶電并向電場(chǎng)集中區(qū)域做定向移動(dòng),其運(yùn)動(dòng)特性受其表面形狀、重力大小、電場(chǎng)強(qiáng)度等多種因素的影響。通過對(duì)布置于電極間隙中的線狀微粒在直流電場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn),線狀微粒一旦受電場(chǎng)力浮起后,線狀微粒將會(huì)豎立,并在瞬間引起放電。豎立的線狀微粒最大限度地縮短了間隙的絕緣距離,因此線狀微粒越長,能越大程度上降低間隙的擊穿電壓。而對(duì)于長度相同,直徑不同的微粒,由于微粒直徑增大可能會(huì)使微粒的浮起電壓升高,因此隨著微粒的直徑增大,擊穿電壓將有可能回升。3.4