环境温度对直流 ＧＩＬ 盆式绝缘子空间电荷积聚的影响论文

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　　摘要：直流GIL 盆式绝缘子受到长期单极性直流电压和温度等因素的影响，其表面和内部极易累积电荷，造成局部电场畸变，使得 盆式绝缘子绝缘性能恶化，严重影响电网运行的可靠性。因此，考虑盆式绝缘子的热传导和气体对流过程，通过建立直流GIL 盆式 绝缘子的二维仿真模型，分析在不同温度梯度条件下，盆式绝缘子空间电荷积聚特征及其对盆式绝缘子电场的影响作用。结果表 明：直流GIL 在温升达到稳定状态时，表面温度分布由中心导体部分向外壳递减，并且随着温度梯度的增加，靠近中心导体部分温 升区域明显扩大;高温区域的电荷传输能力明显大于低温区，空间电荷密度峰值与温度梯度成正相关，并且空间电荷密度峰值均出 现在盆式绝缘子气体与固体交界的凹面处;盆式绝缘子在20 ~100 K 的温度梯度下，最大场强畸变率分别为1.85 % 、1.97 % 、 2.23% 、2.72% 、4.20%，电场强度峰值集中于金属套件与绝缘气体交界的凹面处。

　　Abstract：Due to factors such as long-term unipolar DC voltage and temperature，DC GIL type insulators tend to accumulate electric charges on their surface and inner surfaces，which results in the distortion of the field，deteriorating the insulation performance of basin insulators，and even causing surface flashover，seriously affecting the reliability of power grid operation.Therefore，the heat conduction and gas convection processes of basin insulators is considered，by establishing a two-dimensional simulation model of DC GIL basin insulators，the characteristics of space charge accumulation in basin insulators and their impact on the electric field of basin insulators under different temperature gradient conditions are analyzed.The results show that when the temperature rise of DC GIL reaches a stable state，the surface temperature distribution decreases from the central conductor part to the shell，and with the increase of the temperature gradient，the temperature rise area near the central conductor part is significantly expanded;there is a positive correlation between the peak of space charge density and the temperature gradient，and the peak value of space charge density and the temoerature gradient appears at the concave surface of the junction between the gas and the solid of the pot insulator;under the temperature gradient of 20 ~ 100 K，the maximum field strength distortion rates of the pot insulator are 1.85%，1.97%，2.23%，2.7 2% and 4.20% respectively，and the peak electric field strength is concentrated at the concave surface of theinterface between the metal kit and the insulating gas.

　　Key words：basin insulator;temperature gradient;spatial charge accumulation;gas-insulated;metal-enclosed transmission lines

　　0　 引言

　　高压直流气体绝缘传输线路因其输送容量大、结构紧凑、电能损耗低等优点，在自然环境恶劣的地区得到了广泛应用[1-3] 。而直流GIL盆式绝缘子长期在直流电压的单极性电场作用下，绝缘气体中带电粒子和绝缘材料中的载流子在电场作用下会发生转移，使得绝缘子发生明显的电荷积聚效应，导致绝缘子发生明显的电场畸变，有时甚至会导致绝缘子发生沿面闪络，严重影响直流GIL的运行可靠性。并且直流GIL在正常运行工况下，其高压端金属导杆会产生热量[4-5] ，接地外壳的温度与外界环境温度相近，因此直流GIL盆式绝缘子内部会存在较大的温度差。其绝缘材料的电导率受温度影响较大导致直流GIL盆式绝缘子的电场分布与常温下相比有显著变化[6-7] 。因此，研究不同温度梯度下直流GIL盆式绝缘子的空间电荷分布、最大场强分布以及最大电场畸变率具有一定的现实意义。

　　为此，大量研究学者针对直流GIL的电荷积聚机制以及温度梯度对绝缘子电场分布的影响情况开展了广泛研究。邓保家等[8] 通过构建绝缘子表面电荷积累时变性数学模型，对直流GIL盆式绝缘子表面电荷积累特征及其对不同正电压下绝缘子表面电荷积累的主导机制进行了研究，结果表明：在直流低电压作用下，盆式绝缘子的表面电荷积累过程中，气体侧电导起到了主导作用;而在直流高压情况下，固体侧电导是导致绝缘子表面电荷积聚的主要原因。刘姝嫔等[9] 构建了直流盆式绝缘子表面电荷累积的仿真模型，结果表明：温度梯度分布会导致绝缘子表面切向电场强度明显增大并且直流GIL盆式绝缘子内部空间电荷和表面电荷累积的情况更加严重。然而现有研究成果主要集中在绝缘子表面电荷积聚的机制及分布情况，无法说明直流GIL盆式绝缘子在不同温度梯度下其空间电荷的分布情况以及空间电荷密度峰值所处的几何位置。

　　基于此，本文在分析直流GIL盆式绝缘子内部气体对流和热传导方程的基础上，建立GIL盆式绝缘子空间电荷积聚的数学模型，主要包括绝缘子电荷累积数学模型以及绝缘子热传导数学模型;搭建直流气体绝缘金属封闭输电线路的简易二维模型，研究其表面的温度分布规律以及空间电荷积聚对盆式绝缘子电场畸变的影响情况，进而在一定程度上为提升盆式绝缘子绝缘性能提供参考。

　　1　 直流GIL仿真模型

　　为简化仿真计算难度，本次研究不考虑风速及阳光辐射等外界环境因素对绝缘子表面电荷累积的影响。

　　1. 1　 直流GIL绝缘子二维仿真模型及参数设置

　　建立直流GIL的简易二维对称模型，相关尺寸参考实际盆式绝缘子的运行尺寸，如图1所示。在仿真研究中，设定中心导体和外壳材料为铝合金材质，GIL中心导体和外壳的导热系数、密度和恒压热容等各项参数如表1所示。绝缘气体设置为SF6.SF6常温压力下的部分参数如表2所示。表3所示为盆式绝缘子用环氧树脂材料下的部分参数。

　　1. 2　 边界条件设置

　　1. 2. 1电场边界条件设置

　　本文仿真对象为直流GIL盆式绝缘子不同温度梯度下的电场分布，因此设置中心导杆上的电势设置为10 kV，GIL外壳接地，外壳电势设置为0 kV。

　　1. 2. 2温度场边界条件设置

　　温度场分布仿真计算考虑了热传导、气体对流的传热方式。同时引入直流GIL的稀物质传递过程来模拟内部SF6的弥散过程。GIL依靠外部自然对流的方式传热，外部温度设置为293. 15 K。

　　2　 直流GIL盆式绝缘子数学模型

　　2. 1绝缘子电荷积聚数学模型

　　2. 1. 1绝缘子空间电荷积聚模型

　　直流GIL的电场强度E和电势φ的关系为：

　　根据高斯定理，电场强度与空间电荷密度ρi的关系可表示为：

　　其中在GIL运行温度、场强范围等条件下，环氧树脂的介电常数变化很小[10] ，因此取ξ0为真空介电常数，ξr为绝缘子相对介电常数。而绝缘子内空间电荷密度与电流密度Ji关系可表示为：

　　根据欧姆定律，电流密度Ji和电场强度E之间的关系为：

　　式中：γi为绝缘子体电导率。综合上式，可得绝缘子空间电荷积聚模型为：

　　2. 1. 2绝缘子表面电荷积聚模型

　　绝缘子表面电荷模型由绝缘子体传导电流、气体侧电流和绝缘子沿面传导电流组成[11-13] ，在此基础上建立表面电荷积聚暂态方程。

　　式中：t为时间;Js为绝缘子表面电流密度;σ为表面电荷密度n为绝缘子表面指向气体侧的法向矢量;Jg为气体侧电流密度。

　　绝缘子表面电流密度Jg 和气体侧电流密度可以由表 面电导率和气体电导率计算得到。

　　式中：γ g 为气体电导率;Er 为绝缘子表面切向电场强 度;γ s 为绝缘子表面电导率;Eg 为气体侧电场强度。

　　2.2 绝缘子热传递数学模型

　　本文综合考虑直流GIL 热传导和气体对流两种传递热量的方式[14] 。首先，在直流GIL 中，由于电流引起的 焦耳热损失，使得绝缘子的电荷传输能力提高，进而改 变了盆式绝缘子周围的电场分布。因此，本小节建立了 直流GIL 热传导和气体对流两种数学模型。

　　2.2.1 热传导

　　直流GIL 盆式绝缘子根据傅里叶定律，中心导杆与绝缘子、绝缘子与接地外壳之间的热传导过程可由如下 方程描述[15] 。

　　式中：λ i 、λ e 分别为绝缘子、外壳的导热系数;Qve 为中 心导杆与绝缘子间的热流量;Qvi 为绝缘子与接地外壳间 的热流量。

　　2.2.2 气体对流

　　对流是直流GIL 内最为重要的传热方式[16]，其主要 形式有：绝缘气体与中心导体、绝缘子和外壳的对流传热以及接地外壳与外界空气的对流传热。气体对流传热 过程可用如下方程描述。

　　式中：Qcc 为中心导体与绝缘气体间的对流换热量;Qci 为 绝缘子与绝缘气体间的对流换热量Qve为接地外壳与外界 大气环境间的对流换热量;hc、he、hi 分别为中心导体 与绝缘气体、接地外壳与外界大气环境、绝缘子与绝缘 气体间的对流传热系数。

　　3 仿真结果分析

　　3.1 盆式绝缘子温度场分布

　　直流GIL 在额定条件下工作，由于其工作电流过大， 其中心导体的温度将急剧升高，并以其为热源向外部传 热，使得中心导体与接地外壳间温差较大，而直流稳态电场分布情况很大程度取决于介质电导率，环氧绝缘子的电导率又受温度影响较大[17]，中心导体温度上升对盆 式绝缘子的导电性能产生很大影响。因此，研究常规盆 式绝缘子温度场分布对抑制绝缘子空间电荷积累，提高直流GIL 绝缘性能具有十分重要的意义。

　　由图2可知，直流GIL 在温升达到稳定状态时，表面 温度分布由中心导体部分向外壳逐渐减小，在绝缘子表面 存在较大温度差。随着中心导杆与接地外壳间温度差的增 加，盆式绝缘子表面温度差也随之增大。并且随着温度梯 度的增加，在靠近中心导杆的部分升温区域明显扩大。

　　3.2 盆式绝缘子空间电荷密度及电场强度分布

　　直流GIL 正常运行时，盆式绝缘子表面会发生电荷 积聚，这是导致其绝缘性能下降的主要因素之一。在盆 式绝缘子表面积聚的空间电荷将使得绝缘子的法向电场强度增大。而沿面的闪络电压则与绝缘子沿面电场强度有很大关系[18] 。因此，本节将重点分析绝缘子不同温度梯度下表面电荷密度和电场强度的分布情况。

　　3.2.1 空间电荷密度分布情况

　　仿真计算盆式绝缘子在中心导体温度为363. 15 K，导体与外壳温差分别为100、80、60、40、20 K 时，直 流GIL 空间电荷随时间的分布，结果如图3所示。由图 可知，盆式绝缘子空间电荷密度随温度的升高而减少， 空间电荷密度在不同温度下的饱和时间分别为98 000、 34 000、26 000、23 000、20 000 s，即27.2、9.4、7.2、 6.39、5.56 h。由饱和时间可以看出空间电荷密度的饱 和时间随着温度的增加而减小，分析其原因为温度上升导致环氧树脂的电导率增加，绝缘电阻值降低，电荷积 聚过程加快[19] 。

　　由图4、图5可知，盆式绝缘子表面电荷密度分布 随导体内外温差的增加而增加。这是因为温度会影响绝 缘材料电导率进而影响空间电荷的积聚情况，靠近中心 导体的温度会首先上升，并且高温区域的电荷传输能力 显著大于低温区域，当高温区域的电荷迁移至低温区域 时，电导率的不均匀分布将导致空间电荷的积聚，使得 盆式绝缘子径向区域的电荷密度积聚最为明显。盆式绝 缘子在0~100 K 的温度梯度下的电荷密度最大值分别为 0.55 × 10 -3 、0.92 × 10 -3 、1.62 × 10 -3 、3.82 × 10 -3 、 16.05 × 10 -3 C/m3.可以看出空间电荷密度与温度梯度 呈正相关，并且空间电荷密度峰值均出现在盆式绝缘子 气体与固体交界的凹面处。

　　3.2.2 绝缘子表面电场强度分布情况

　　由直流GIL 运行经验可知，直流GIL 盆式绝缘子在 工程实践中，表面因发生电荷积聚而导致气体、固体交界面发生明显的电场畸变，甚至有时会导致绝缘子发生沿面闪络，严重影响了直流GIL 的运行可靠性[20]。而盆 式绝缘子沿面闪络电压与表面电场强度密切相关。因此， 本节重点研究盆式绝缘子在不同温度梯度下表面电场强 度的分布情况。

　　由图6可知，电场模峰值聚集在接地外壳附近，随 着温度梯度的增加，盆式绝缘子表面电场强度明显增加， 表面电场强度峰值最初为1.24 × 106 V/m，随着温度梯度 的不断增加，盆式绝缘子在20 ~100 K 的温度梯度下的表面最大电场强度值分别上升为3.03 × 106 、3.25 × 106 、 3.78 × 106 、4.34 × 106 、6.06 × 106 V/m，最大场强畸变 率分别为1.85% 、1.97% 、2.23% 、2.72% 、4.20% 。

　　综上可见，在不同的温度梯度下，直流GIL 的空间电荷积聚将使盆式绝缘子的表面电场强度明显增 加[21]，从而增大了盆式绝缘子故障风险。同时，由于空间电荷的积累，盆式绝缘子电场强度峰值主要集中在固体-气体交界的凹面处，而这一区域又是盆式绝缘子受力最大的部位，随着电场强度的增大，盆式绝缘 子极易发生局部放电，从而大大降低了直流GIL 的运 行可靠性。

　　4 结束语

　　本文研究不同温度梯度下，直流GIL 盆式绝缘子表 面温度分布规律、空间电荷积聚情况以及电荷积聚对沿面电场的畸变影响。主要结论如下：

　　( 1 ) 考虑温度对绝缘材料电导特性的影响，建立了直流GIL 盆式绝缘子二维仿真模型，获得了直流GIL 表 面温度分布规律。研究表明：直流GIL 在温升达到稳定 状态时，表面温度分布由中心导体部分向外壳递减，绝 缘子表面存在较大温度差，并且随着温度梯度的增加，靠近中心导体部分温升区域明显扩大。

　　(2 ) 通过对直流GIL 盆式绝缘子在绝缘气体压力

　　0.4 MPa，中心导体加压100 kV 的条件下进行电荷密度 仿真计算。研究结果表明：高温区域的电荷传输能力明 显大于低温区域，空间电荷密度峰值与温度梯度成正相 关，并且空间电荷密度峰值均出现在盆式绝缘子气体与固体交界的凹面处。

　　(3 ) 通过对直流GIL 盆式绝缘子表面电场强度进行仿真计算，得到温度梯度对直流GIL 绝缘子表面电场强 度有较大影响。随着中心导体与接地外壳温度差的增加， 电荷积聚加剧，在盆式绝缘子靠近接地外壳区域表面电 场强度显著增强，盆式绝缘子在20 ~ 100 K 的温度梯度 下，最大场强畸变率分别为1.85% 、1.97% 、2.23% 、 2.72% 、4.20%，并且电场强度峰值集中于金属嵌件与 环氧交界的凹面处。

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