电气工程学报, 2021, 16(2): 69-76 doi: 10.11985/2021.02.009

特邀专栏：高压电工装备绝缘

考虑隔板沿面闪络的气固复合绝缘工频耐压特性*

郑跃胜,, 谢鑫达,, 黄惠芬,, 何桐桐,

福州大学电气工程与自动化学院 福州 350108

AC Withstand Characteristics of Gas-solid Hybrid Insulation Considering Flashover Along Barrier Surface

ZHENG Yuesheng,, XIE Xinda,, HUANG Huifen,, HE Tongtong,

College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108

通讯作者: 何桐桐,男,1991年生,博士,讲师。主要研究方向为气体放电等离子体及其应用。E-mail：hett@fzu.edu.cn

收稿日期: 2021-03-2   修回日期: 2021-04-7  

基金资助: * 国家自然科学基金.  51607041
电力系统国家重点实验室.  SKLD19KM06

Received: 2021-03-2   Revised: 2021-04-7  

作者简介 About authors

郑跃胜,男,1981年生,博士,教授。主要研究方向为高电压与绝缘技术。E-mail： yueshengzheng@fzu.edu.cn

谢鑫达,男,1995年生,硕士研究生。主要研究方向为气体放电。E-mail： xie_xinda@163.com

黄惠芬,女,1997年生,硕士研究生。主要研究方向为气体放电。E-mail： 842410627@qq.com

摘要

为了分析隔板沿面闪络与气固复合绝缘系统工频耐压特性的关系,结合工频耐压试验和有限元仿真,从等效击穿路径和平均电场强度两个角度进行分析。研究发现,气固复合绝缘间隙的击穿电压无法通过典型击穿路径直接计算。间隙击穿前,隔板在不同位置下沿面路径承受的平均场强并不相同,但不同尺寸隔板承受的平均场强基本一致。结果表明,已知某种尺寸隔板在给定位置的击穿电压时,即可预测其他尺寸隔板在相同位置的击穿特性。

关键词： 气固复合绝缘 ; 工频耐压特性 ; 闪络 ; 电场强度

Abstract

In order to analyze the relationship between the flashover along the barrier surface and the AC withstand voltage characteristics of the gas-solid hybrid insulation system, the equivalent breakdown path and the average electric field strength are analyzed by combining the AC withstand experiment and finite element simulation. It is found that the breakdown voltage of gas-solid hybrid insulation gap cannot be directly calculated through the typical breakdown path. Before gap breakdown, the average electric field strength along the surface path is different when the barriers are in different positions, but the average electric field strength of the barriers with different sizes is almost the same. The results show that when the breakdown voltage of a fixed size barrier at a given position is known, the breakdown characteristics of other size barriers at the same position can be predicted.

Keywords： Gas-solid hybrid insulation ; AC withstand characteristics ; flashover ; electric field strength

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本文引用格式

郑跃胜, 谢鑫达, 黄惠芬, 何桐桐. 考虑隔板沿面闪络的气固复合绝缘工频耐压特性*. 电气工程学报[J], 2021, 16(2): 69-76 doi:10.11985/2021.02.009

ZHENG Yuesheng, XIE Xinda, HUANG Huifen, HE Tongtong. AC Withstand Characteristics of Gas-solid Hybrid Insulation Considering Flashover Along Barrier Surface. Journal of Electrical Engineering[J], 2021, 16(2): 69-76 doi:10.11985/2021.02.009

1 引言

在气体绝缘间隙中插入一块高分子聚合物隔板,构成气固复合绝缘系统,能够显著提高间隙的耐压水平[1,2]。气固复合绝缘系统能够满足电气设备小型化的发展趋势,现已被广泛应用于输配电、高铁和超导等领域[3,4,5]。近几十年,国内外学者从多种角度对气固复合绝缘系统的耐压特性进行研究,但目前还未有通用理论指导气固复合绝缘系统的设计[6,7,8]。

通过改变结构参数和隔板材料等因素,学者们对气固复合绝缘系统的耐压特性进行了研究[9,10,11]。例如FORUZAN等[12,13]研究了聚四氟乙烯(PTFE)和聚氯乙烯(PVC)作为绝缘隔板对直流和交流击穿电压的影响,研究发现插入隔板后击穿电压的增强系数取决于初始电场的不均匀系数以及隔板的物理和电气特性。KARA等[14,15]研究了棒-板电极系统发现,短气隙下隔板的尺寸、材料和位置对交流与直流击穿电压均有影响。平均电场强度可以较为全面地体现气体间隙的电场分布情况,然而目前的研究结果对于气固复合绝缘系统的耐压特性解释主要基于最大击穿电场或电场不均匀系数,而基于平均电场强度的解释较少[16,17]。

通过研究气固复合绝缘系统的击穿过程,有学者试图从放电击穿路径的角度解释气固复合绝缘系统的击穿机理[18,19,20]。例如,RAMESH等[21]在两个球电极之间放置隔板进行工频耐压试验,假定了放电路径的传播方式,并据此提出了工频击穿电压预测模型。ZHENG等[22]考虑了击穿过程的放电路径,研究气固复合绝缘间隙在交流电压下的耐压特性。在工频耐压试验时借助摄像仪观察到两种放电发展路径,分别为典型击穿路径和最短击穿路径,如图1所示,可以看出典型击穿路径包含一段隔板沿面放电路径,然而该文献并没有进一步研究隔板沿面放电与系统工频耐压特性的关系。

图1

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图1   典型击穿路径与最短击穿路径


本文基于气固复合绝缘系统的典型击穿路径,研究了隔板沿面闪络与气固复合绝缘系统工频耐压特性的关系。首先基于等效击穿路径的方法,将典型击穿路径等效成空气绝缘间隙放电和隔板沿面闪络两部分,然后基于路径平均电场强度研究了击穿路径的平均电场强度分布规律,最后讨论了本研究结果的工程应用情况。

2 试验设计

2.1 等效击穿路径设计

击穿路径等效的基本思想示意图如图2所示。基于典型击穿路径,将气固复合绝缘间隙的耐压水平等效为空气绝缘间隙与隔板沿面闪络两部分的耐压水平之和。其中,图2a为气固复合绝缘间隙典型击穿路径示意图,棒电极头部到隔板中心的放电路径为l1,隔板中心到隔板边缘的放电路径为l2,隔板边缘到接地电极的路径为l3。图2b为等长击穿路径的隔板沿面闪络路径示意图,沿面闪络路径l2与气固复合绝缘间隙的隔板沿面放电路径相等。图2c为等长击穿路径的空气绝缘间隙示意图,其中空气绝缘间隙的间距等于气固复合绝缘间隙击穿路径l1和l3的长度之和。

图2

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图2   击穿路径等效方法示意图


2.2 击穿电压试验平台

气固复合绝缘间隙工频耐压特性试验平台如图3所示。其中,棒电极如图4a所示,其尖端半径为0.5 cm,将隔板放置在棒-板间隙的不同位置。其中,以1 cm为间隔,d取2~5 cm四种长度,a取1~4 cm四种长度,且在同一组绝缘系统中,a始终小于d。隔板的材料为聚氯乙烯,厚度为0.3 cm,隔板尺寸为边长L的正方形,以2 cm为间隔,L取8~12 cm共三种尺寸。

图3

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图3   气固复合绝缘间隙工频击穿电压试验平台


图4

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图4   电极形状示意图


试验开始前使用酒精清洁电极结构表面污秽。试验时在电极间施加匀速升压的工频电压,升压速度为2 kV/s。在间隙击穿后,记录此时的击穿电值。气固复合绝缘间隙每组试验均进行10次,以这10次电压值的平均值作为对应间隙的工频击穿电压。试验期间气压为(1 003.1±3.3) hPa,气温为(304.0±1.0) K,相对湿度为(72.5±2.5%) RH,试验结束后把试验结果修正到标准状况。

隔板沿面闪络的试验平台与图3类似,区别在于电极系统改为图2b所示的隔板沿面闪络电极系统。其中,如图4b所示,将高压棒电极的半球尖端切除,使其变成圆柱形电极。圆柱与端部的倒角曲率半径小于0.1 mm,依靠圆柱电极自身重力紧靠隔板。以2 cm为间隔,隔板边长L取8~18 cm共六种尺寸,试验时隔板放置于平板接地极上。为获取隔板沿面的放电路径,放置两台摄像仪观察沿面闪络路径。

试验步骤与气固复合绝缘系统耐压特性试验类似,区别在于每次试验还需要通过摄像仪记录闪络路径,每种隔板进行20次闪络试验。每组试验结束后,更换不同尺寸的隔板,得到不同击穿路径下的隔板沿面闪络电压。试验期间气温为(307.35±0.4) K,相对湿度为(55±2%) RH,大气压强为(1 007.6±1) hPa。

2.3 平均电场强度计算

气固复合绝缘间隙的有限元仿真模型如图5左侧所示。使用Flux软件进行电场计算,电极结构尺寸与试验参数一致。其中,均压环用于改善棒电极上方的电场分布情况,模型空气域的大小为边长130 cm的正方体。边界条件设定如下：高压电极1 kV,接地电极0 kV。仿真计算不同a、d和L共30组绝缘间隙的电位分布。此外,假定的击穿路径为典型击穿路径。以d=5 cm,a=2 cm,L=10 cm为例的有限元仿真结果如图5右侧所示,取假定击穿路径的电位值作为击穿路径上的电位分布。

图5

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图5   气固复合绝缘间隙模型及电位仿真结果


沿击穿路径的平均电场强度计算方法如图6所示。利用有限元的电位仿真结果沿击穿路径提取电位值,将各段路径的电势差除以路径长度得到路径的平均电场强度。其中,El1为路径l1的平均电场强度;El2为隔板沿面路径l2的平均电场强度;El3为路径l3的平均电场强度。由于电场强度是电位的梯度,平均场强与外加电压成正比,因此将试验得到的击穿电压值乘以仿真得到的平均场强,计算得到击穿前的路径平均场强。下文考虑的平均场强均为棒电极外加击穿电压下的平均场强。

图6

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图6   击穿路径的平均电场强度计算方法


3 结果与分析

3.1 隔板沿面闪络特性

隔板沿面闪络电压与沿面击穿路径长度l2的关系如图7所示。从图7可以看出,随着l2的增大,沿面闪络电压UC也随之增大。其中,l2为3.5 cm时UC为21.72 kV。随着l2从3.5 cm增加到4.5 cm,UC只有小幅增加。l2从4.5 cm增加到7.5 cm,UC的增加较明显。在l2等于7.5 cm时,UC为27.18 kV。l2等于7.5 cm和8.5 cm时,UC没有明显变化。此外,连续重复试验结果波动性较大,最大极差出现在l2为3.5 cm处,其值为5.3 kV。l2为5.5 cm处的极差最小为3.1 kV。

图7

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图7   隔板沿面工频击穿特性


摄像仪对击穿路径的捕捉结果如图8所示。对每种隔板尺寸的沿面放电试验,本文仅出示其中的1次路径拍摄图片。从图8可以看出,不同隔板尺寸的沿面放电路径均与假定的击穿路径基本一致,即放电沿着隔板表面最短路径向接地极发展。

图8

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图8   隔板沿面放电路径拍摄结果


3.2 气固复合绝缘间隙的耐压特性

利用等效击穿路径计算气固复合绝缘间隙的击穿电压,其中隔板沿面闪络路径l2的击穿电压通过试验得到;空气间隙路径l1+l3的击穿电压利用复合击穿判据计算得到[23]。

利用等效击穿路径得到的等效击穿电压与试验值对比如图9所示。在隔板位置为a=1 cm和b=1 cm两种情况下,改变间距d,得到气固复合绝缘间隙工频击穿电压曲线。从图9可以看出,隔板位置的变化不会导致等效路径计算的击穿电压变化,且计算结果均大于实际的击穿电压。其中,隔板边长为8 cm时,击穿电压计算值随着间距的增大而增大,其增大的速度与b=1 cm的试验结果较为一致,但数值上相差15 kV左右,而a=1 cm时,试验结果的增大速度比计算值要快得多。隔板边长为10 cm和12 cm的结果与8 cm的结果有着类似的规律。区别在于,计算结果与b=1 cm的试验结果分别相差14 kV和12 kV左右。可以发现,随着间距的增大,击穿电压计算结果与试验值的差值越来越小。此外,隔板边长12 cm且间距为5 cm时,a=1 cm的试验结果与计算结果基本一致。

图9

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图9   工频击穿电压试验值与等效计算结果对比


考虑电场分布对击穿电压的影响,将等长路径的击穿电压计算结果与试验值存在差距的原因归结如下：隔板放置位置的不同不会改变典型击穿路径的长度,因此相同间距不同隔板位置下击穿电压的计算结果不会改变;路径l1和l3并不是连续的路径,l3的电场强度比等长路径下空气绝缘间隙的电场要小得多;将放电路径等效为隔板沿面放电与空气绝缘间隙击穿时,计算结果包含两次击穿电压起始值,而实际只有一次,导致计算结果比试验值大得多;隔板在不同位置其表面电荷并不相同,隔板越接近高压棒电极,隔板表面的电荷密度越大,对击穿电压的影响也越大。总而言之,典型击穿路径无法直接等效,因此后续考虑对路径的平均电场强度进行分析。

3.3 平均电场强度分析

外加击穿电压下,路径l1的平均电场计算结果如图10所示。从图10可以看出,El1随着隔板尺寸的增大也随之增大,间距对El1的影响在a=1 cm和b=1 cm时表现出不同规律。其中,a=1 cm时El1随着间距的增大也随之略微增大,隔板边长L=12 cm时,El1从26.7 kV/cm增大到31.2 kV/cm;而b=1 cm时El1随着间距增大快速减小,当L=8 cm时,从21.5 kV/cm左右减小到7.2 kV/cm左右。

图10

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图10   路径l1的平均电场计算结果


击穿电压下的路径l2的平均电场强度如图11所示。可以发现,隔板尺寸的变化对沿面所能承受的平均电场El2没有明显的影响,间距对El2的影响在a=1 cm和b=1 cm表现出不同规律。其中,a=1 cm时,El2随着间距的增大而增大,从0.84 kV/cm左右增大到1.59 kV/cm左右;而b=1 cm时,El2随着间距的增大而减小。此外,随着隔板尺寸的增大,El2的变化幅度越来越小,有接近饱和的趋势。

图11

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图11   路径l2的平均电场计算结果


击穿电压下的路径l3的平均电场强度计算结果如图12所示。从图12可以看出,大部分情况下,El3随着隔板尺寸的增大而减小,但在间距为5 cm时El3的变化表现出不同规律。其中,a=1 cm时,随着间距的增大El3增大,但间距等于5 cm时边长为8 cm和10 cm隔板的El3则有所下降;b=1 cm时,El3随着间距的增大而减小,但在间距为5 cm处边长为12 cm隔板的El3则呈现略微上升趋势。

图12

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图12   路径l3的平均电场计算结果


4 讨论

对典型击穿路径的平均电场分析可知,隔板位置和间距不变时,隔板沿面路径l2的平均电场随着隔板尺寸的变化并没有明显改变。意味着不管隔板尺寸如何,只要隔板沿面路径的平均电场强度达到某一阈值后,间隙就会击穿。该特性可应用于预测隔板尺寸改变后的气固复合绝缘间隙击穿特性。具体预测步骤如下所示。

(1) 结合有限元仿真结果和试验结果计算外加击穿电压下某一隔板尺寸的隔板路径平均电场强 度El2。

(2) 通过有限元仿真计算外加1 kV电压下任意隔板尺寸的El2′,外加击穿电压下的El2与El2′的比值即为该隔板尺寸的击穿电压。

基于隔板边长为8 cm的试验数据,利用不同尺寸隔板承受的平均电场强度相同这一特性,对隔板边长10 cm和12 cm的气固复合绝缘间隙击穿电压进行预测。

基于隔板平均电场强度恒定的气固复合绝缘间隙击穿电压计算结果如图13所示。从图13可以看出,a=1 cm时预测结果与试验值取得良好的一致,然而当b=1 cm时,随着间距的增大预测结果与试验值的偏差也不断增大。其中a=1 cm时,相对误差最大值仅为3.55%;而b=1 cm时,相对误差最大值达到48.46%。

图13

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图13   击穿电压的预测结果与试验值的对比


当b=1 cm时不同尺寸的隔板承受的平均电场强度El2较为一致,且El2值较小,在0.1 kV/cm左右。因此利用不同隔板尺寸平均电场恒定的特性计算气固复合绝缘间隙的击穿电压时,当El2大于0.5 kV/cm时会有较好的预测结果。随着隔板越接近地电极,El2不断减小,预测结果的偏差会不断增大。

5 结论

本文考虑隔板沿面放电研究气固复合绝缘间隙典型击穿路径的等效分析方法,并对典型击穿路径的平均电场强度进行仿真分析,得到如下结论。

(1) 隔板沿面闪络电压随着隔板尺寸的增大而增大,与空气绝缘间隙相比,隔板沿面闪络电压的波动性较大。

(2) 利用等长击穿路径将气固复合绝缘间隙等效成空气绝缘间隙击穿和隔板沿面闪络,等效路径的击穿电压计算结果与试验值存在偏差,隔板在不同位置承受的电压并不相同,即无法从典型击穿路径直接进行等效。

(3) 高压电极外加击穿电压时,相同隔板位置下,不同隔板尺寸的沿面放电路径承受的平均电场强度基本相同。表明不同尺寸隔板的平均电场强度达到阈值时,间隙就会击穿。该特性可以作为气固复合绝缘间隙发生击穿的判据。

(4) 利用隔板平均场强恒定预测气固复合绝缘间隙击穿电压时,要考虑隔板承受的平均电场强度El2的大小对预测精度的影响。当El2大于0.5 kV/cm时,预测结果与试验值较为一致。

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