， 志強(qiáng)， ， ， ，

(1.西安熱工研究院有限公司，西安 710032； 2.中國華能集團(tuán)公司，北京 100031； 3.西安高壓電器研究院，西安 710048)

0 引言

復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)在均勻或稍不均勻電場(chǎng)作用下，兩種不同介質(zhì)分界面附近的電場(chǎng)，導(dǎo)致電場(chǎng)加強(qiáng)。這一理論實(shí)際上就是復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)中放電往往發(fā)生在不同介質(zhì)分界面的內(nèi)在原因。通常認(rèn)為帶有固體絕緣介質(zhì)的氣體間隙由于介質(zhì)沿面放電導(dǎo)致了整個(gè)絕緣結(jié)構(gòu)擊穿強(qiáng)度的降低。產(chǎn)生沿面放電的內(nèi)在原因是：氣體和固體絕緣的介電常數(shù)不同，在電場(chǎng)垂直分量作用下固體絕緣表面電場(chǎng)發(fā)生畸變，使沿面固體絕緣表面局部電場(chǎng)增強(qiáng)，導(dǎo)致該處氣體放電。影響沿面放電的因素很多，通常有：絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)、固體絕緣和電極的表面狀況、電極與絕緣(固、氣)間的連接方式、固體絕緣的形狀和尺寸、氣體壓力、氣體成份、氣體中的水分、污染情況以及作用電壓的類型等。文獻(xiàn)[1]對(duì)不同情況下小氣體間隙的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過用膠粘接絕緣子與電極接觸面的方法消除小氣體間隙的影響，將有小氣體間隙影響和消除小氣體間隙影響的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，存在小氣體間隙的情況下，沿面閃絡(luò)電壓低于純氣體絕緣間隙，氣壓越高閃絡(luò)電壓降低越明顯。電極施加電壓瞬間或沖擊電壓施加在雙層絕緣介質(zhì)上，電極間外施沖擊電壓U時(shí)，雙層絕緣介質(zhì)的場(chǎng)強(qiáng)分別為E1、E2，厚度分別為d1、d2，介電常數(shù)分別為εr1和εr2，由于電壓作用時(shí)間很短，雙層電介質(zhì)按容抗分配，各層電介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度與外施電壓U的關(guān)系為

(1)

其中，氣體的介電常數(shù)εr1=1

對(duì)于引入固體絕緣介質(zhì)的氣體間隙，電極-氣體-固體絕緣介質(zhì)“三結(jié)合點(diǎn)”中，氣體間隙很小，d2?d1。同時(shí)，氣體的介電常數(shù)εr1=1。因此，“三結(jié)合點(diǎn)”氣體間隙承受的場(chǎng)強(qiáng)為：

(2)

固體絕緣材料的介電常數(shù)通常為2.5～6.0。由此可知，“三結(jié)合點(diǎn)”處微小氣隙在工頻電壓合閘瞬間或外施沖擊電壓作用下，電場(chǎng)增大數(shù)倍，在較低電壓下就會(huì)發(fā)生電極邊緣氣隙中的局部氣體電離，降低初始放電電壓。工程上，通過對(duì)電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化“三結(jié)合點(diǎn)”電場(chǎng)分布，提高沿面閃絡(luò)電壓[2-12]。圖1所示電極屏蔽結(jié)構(gòu)，內(nèi)屏蔽結(jié)構(gòu)用于絕緣子長度較短的情況，相比較于外屏蔽結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生電極表面絕緣材料的局部放電，影響固體絕緣強(qiáng)度和機(jī)械性能，外屏蔽結(jié)構(gòu)應(yīng)用相對(duì)廣泛。

(a)內(nèi)屏蔽結(jié)構(gòu)

(b)外屏蔽結(jié)構(gòu)圖1 內(nèi)屏蔽和外屏蔽結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of external and internal shielding groove

對(duì)外屏蔽槽提升沖擊電壓作用下“三結(jié)合點(diǎn)”沿面閃絡(luò)進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)采用高壓電氣設(shè)備常用的SF6氣體，固體材料為有機(jī)玻璃絕緣子，外施電壓采用標(biāo)準(zhǔn)雷電波全波沖擊電壓，對(duì)沿面閃絡(luò)電壓和放電分散性進(jìn)行比較、分析[13-16]。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)密封試驗(yàn)裝置，充入一定壓力的SF6氣體，氣體壓力可調(diào)節(jié)。電極采用不銹鋼材質(zhì)，絕緣材料選用有機(jī)玻璃絕緣子。選取電極、絕緣子及屏蔽槽尺寸的主要目標(biāo)是：1)降低三結(jié)合點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度，達(dá)到屏蔽效果；2)避免絕緣子側(cè)面局部電場(chǎng)強(qiáng)度過高或者電場(chǎng)垂直分量過高。有機(jī)玻璃的介電常數(shù)為3.4，“三結(jié)合點(diǎn)”氣體間隙電場(chǎng)強(qiáng)度約為兩電極間電場(chǎng)強(qiáng)度的3.4倍，屏蔽槽應(yīng)確?！叭Y(jié)合點(diǎn)”中氣體間隙的電場(chǎng)強(qiáng)度低于E0/3.4(E0為平板電極間SF6氣體擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度)，根據(jù)式2分析可知“μs級(jí)”沖擊電壓作用下，SF6氣體擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度約為125 kV/cm，因此采取屏蔽措施后三結(jié)合點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度低于(125/3.4)≈37 kV/cm。選取平板電極直徑為120 mm，有機(jī)玻璃絕緣子直徑為70 mm，電極間隙距離為30 mm。試驗(yàn)裝置及帶外屏蔽槽的試驗(yàn)電極及有機(jī)玻璃絕緣子結(jié)構(gòu)如圖2所示，屏蔽槽關(guān)鍵尺寸分別選擇R=3 mm，d=1 mm和R=3 mm，d=3 mm兩種組合狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)。

(a)試驗(yàn)裝置

(b)外屏蔽電極結(jié)構(gòu)圖2 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Test facility sketch

首先，利用ANSYS軟件計(jì)算有機(jī)玻璃絕緣子表面電場(chǎng)強(qiáng)度。平板電極間隙施加400 kV模擬電壓，純氣體間隙的平板電極間平均電場(chǎng)強(qiáng)度為133 kV/cm。選取外屏蔽槽結(jié)構(gòu)電極后，沿面電場(chǎng)分布比較均勻，“三結(jié)合點(diǎn)”電場(chǎng)強(qiáng)度明顯降低，當(dāng)沿面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為115 kV/cm時(shí)，“三結(jié)合點(diǎn)”處的電場(chǎng)強(qiáng)度為48 kV/cm，沿面電場(chǎng)垂直分量很小，最大垂直分量約20 kV/cm，模擬計(jì)算的電場(chǎng)分布如圖3。滿足試驗(yàn)要求。

(a)沿面電場(chǎng)分布

(b)沿面電場(chǎng)垂直分量圖3 電極增加外屏蔽槽結(jié)構(gòu)后絕緣子電場(chǎng)分布Fig.3 Electric field distribution of the insulator of electrode with the external shielding groove

試驗(yàn)電壓及方法：試驗(yàn)采用上升沿為1 μs的負(fù)極性沖擊電壓，電壓幅值范圍(500～1 000)kV，試驗(yàn)過程中，SF6氣體壓力選取范圍為(0.1～0.6)MPa，氣壓變化間隔0.1 MPa。試驗(yàn)采用50%放電電壓試驗(yàn)程序。圖4為試驗(yàn)電壓波形和試驗(yàn)過程中絕緣子沿面放電痕跡。

圖4 試驗(yàn)電壓波形和絕緣子沿面放電痕跡Fig.4 Test voltagewaveform and insulator surface dischage channels

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

絕緣子沿面閃絡(luò)電壓與純氣體間隙閃絡(luò)電壓比較：引入絕緣子后平板電極間的放電類型主要為絕緣子的沿面閃絡(luò)，閃絡(luò)電壓與純氣體間隙擊穿電壓相比明顯降低，如圖5所示。

圖5 絕緣子沿面閃絡(luò)擊穿電壓與純氣體 間隙擊穿電壓的比較Fig.5 Compare with the pure air and insulator surface of discharge voltage

兩種情況下的放電電壓均隨氣壓增大線性上升，引入絕緣子后放電電壓相比氣體間隙的放電電壓下降很多，而且氣壓越高放電電壓降低越明顯。原因是：“三結(jié)合點(diǎn)”處小氣體間隙場(chǎng)強(qiáng)為電極間平均場(chǎng)強(qiáng)的3.4倍，相比在較低電壓下氣體開始電離，放電產(chǎn)生的大量初始帶電離子，更容易引發(fā)絕緣子沿面閃絡(luò)。隨氣壓增高，沿面閃絡(luò)電壓與純氣體間隙放電電壓相比降低程度不斷增大，原因是：微觀層面，電極與絕緣子接觸表面凹凸不平，氣體間隙被分成若干小的“氣體單元”，隨氣壓增大“小氣體單元”的氣壓增大程度不同，導(dǎo)致“三結(jié)合點(diǎn)”處的“氣體單元”發(fā)生電離放電的電壓隨氣壓變化相對(duì)并不明顯，因此與純氣體間隙相比，隨氣壓增高，發(fā)生沿面閃絡(luò)的電壓降低程度不斷增大，而且電極與絕緣子接觸部位表面光滑程度以及兩者間的接觸狀況，直接影響微觀氣隙中氣體壓力隨外界氣壓變化的情況。另一方面，當(dāng)作用于SF6氣體與固體絕緣介質(zhì)分界面的法向分量不為零時(shí)，界面就有可能積聚表面電荷，由于“三結(jié)合點(diǎn)”處氣隙間的電場(chǎng)方向垂直于絕緣子端面，此處產(chǎn)生的帶電離子“復(fù)合”相對(duì)困難，很難完全消失，積聚于此處的帶電離子也是導(dǎo)致沿面閃絡(luò)電壓降低的原因之一。

屏蔽槽對(duì)沿面閃絡(luò)放電電壓的影響：在電極上采用外屏蔽措施后，沿面閃絡(luò)概率降低，兩種屏蔽槽結(jié)構(gòu)的電極，其間絕緣子沿面閃絡(luò)電壓與無屏蔽槽結(jié)構(gòu)的平板電極間絕緣子沿面閃絡(luò)電壓提高較多。說明：屏蔽槽形成的等電位區(qū)域，大大降低“三結(jié)合”氣體間隙處電場(chǎng)強(qiáng)度，較好的解決了該區(qū)域氣體在低電壓下電離的問題。降低沿面閃絡(luò)電壓概率，提升沿面閃絡(luò)電壓。沿面閃絡(luò)電壓曲線如圖6。

1-無屏蔽槽；2-外屏蔽槽R=3 mm,d=3 mm; 3-外屏蔽槽R=3 mm,d=1 mm圖6 電極上有無外屏蔽槽情況下間隙放電電壓比較Fig.6 Compare with the discharge voltage of the electrode with shielding groove and without

2 結(jié)語

純SF6氣體間隙和帶有圓柱形有機(jī)玻璃絕緣子的組合絕緣間隙的放電電壓隨氣壓增加線性上升，但組合絕緣間隙的放電電壓比純氣體間隙的放電電壓下降很多,而且氣壓越高放電電壓降低越明顯。在電極上增加外屏蔽槽后，間隙放電電壓提高了很多，采用R=3 mm，d=3 mm尺寸的外屏蔽槽結(jié)構(gòu)，放電點(diǎn)沿電極圓周均勻分布，沒有發(fā)生絕緣子表面的沿面閃絡(luò)。采用R=3 mm，d=1 mm尺寸的外屏蔽槽結(jié)構(gòu)，沿面閃絡(luò)發(fā)生概率低至約20%，絕緣子的沿面閃絡(luò)電壓與純氣體間隙的擊穿電壓沒有明顯降低。