胡 琦， 李慶民， 劉智鵬， 劉 衡

(1. 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學)， 北京 102206；2. 北京市高電壓與電磁兼容重點實驗室(華北電力大學)， 北京 102206)

1 引言

隨著非石化能源消費比例的快速增加，能源生產和消費領域之間的距離不斷增大，直流輸電由于在遠距離大容量輸電方面具有經濟性、穩(wěn)定性和靈活性等獨特優(yōu)勢，在我國得到了迅猛發(fā)展[1]。而氣體絕緣金屬封閉輸電線路(Gas Insulated metal-enclosed transmission Line，GIL) 作為一種新型輸電方式，具有輸送容量大、電能損耗低、電磁輻射小、敷設靈活性強等天然優(yōu)勢，彌補了架空線路和電纜的局限性。因此，直流GIL具有很高的應用前景和推廣價值[2, 3]。

目前，GIL設備已經廣泛應用于交流電網中，但在直流輸電系統(tǒng)中的應用卻鮮見報道，其主要原因在于GIL設備在直流電壓應力下電場會由初始的電容場分布向穩(wěn)定的電阻場分布過渡，這種容阻場轉變的過程伴隨著絕緣子表面及內部的電荷積聚[4]，引發(fā)局部的電場畸變，造成直流絕緣件閃絡電壓顯著降低[5]。此外，直流電壓下GIL內電阻性分布電場由材料的電導率決定，而材料電導率受溫度的影響極大，當考慮GIL載流形成的溫度梯度分布時，電場畸變愈加嚴重[6]。因此，掌握溫度梯度下絕緣子電荷積聚對電場分布的影響對指導新型直流絕緣子設計具有重要意義。

為此，國內外研究學者針對溫度梯度下絕緣子表面電荷積聚現(xiàn)象開展了廣泛的研究。張周勝等人通過仿真對溫度梯度長期影響下直流盆式絕緣子表面電荷積聚進行觀測[7, 8]。研究表明：當考慮溫度與絕緣子固體電導率的非線性關系時，盆式絕緣子表面電荷密度顯著增加，最大表面電荷密度是不考慮溫度影響的5.85倍。馬國明等人建立了電-熱耦合應力下直流盆式絕緣子表面電荷積聚仿真模型與測試平臺[9, 10]。其研究成果表明：溫度梯度分布會導致直流盆式絕緣子內部空間電荷和表面電荷積聚加劇，絕緣子表面切向電場強度顯著增大。Hering等人開展了溫度對直流GIS支柱絕緣子的沿面電場分布以及閃絡電壓的影響的實驗研究[11, 12]，發(fā)現(xiàn)：當絕緣子存在溫度梯度時，其表面最大電場強度所在位置將向低溫側移動；而且溫度越高，絕緣子閃絡電壓下降越顯著。李傳揚等人采用了“近似失效絕緣區(qū)”的概念解釋了溫度梯度下電荷行為與沿面閃絡的關聯(lián)性[13, 14]。

然而，以上研究主要集中于溫度梯度下盆式和單支柱絕緣子電荷積聚特性及其對電場分布的影響。實際上，為補償通流導體的熱延伸和機械應變，GIL設備內除盆式絕緣子外，還大量使用了可以滑動的三支柱絕緣子[15, 16]。與盆式絕緣子相比，三支柱絕緣子電場分布極不均勻，法向場強集中于腹部，切向場強集中于支腿處，接地嵌件表面電場強度也更大[17, 18]。而絕緣子空間及表面電荷積聚過程受電場分布影響極大，三支柱絕緣子的不均勻電場分布將導致局部電荷積聚嚴重。此外，絕緣子的形狀對直流GIL內部熱對流過程有很大的影響[10, 19]，三支柱絕緣子的溫度場分布也與盆式絕緣子有較大差異。因此，現(xiàn)有研究無法分析溫度梯度下直流三支柱絕緣子電荷積聚對電場分布的影響，難以直接指導直流三支柱絕緣子的優(yōu)化設計。

為解決上述問題，本文研究了三支柱絕緣子的熱傳導、熱對流和熱輻射過程，針對性地建立了直流三支柱絕緣子電-熱-流多物理場電荷積聚仿真模型，研究了溫度梯度下直流三支柱絕緣子表面及空間電荷積聚特性，以及電荷積聚對三支柱絕緣子電場畸變的規(guī)律；找出了直流三支柱絕緣子的絕緣薄弱環(huán)節(jié)，為直流三支柱絕緣子設計奠定基礎。

2 直流三支柱絕緣子電-熱-流多物理場電荷積聚模型

本文建立的GIL三支柱絕緣子的幾何模型如圖1所示，由中心導桿、嵌筒、絕緣子腹部、絕緣子支腿、嵌件和接地外殼組成。中心導桿外半徑為30 mm，長度為400 mm；嵌筒包覆導桿，外半徑為36 mm，長度為140 mm；環(huán)氧樹脂包覆嵌筒形成三支柱絕緣子，具體可以分為腹部及3個支腿，由支腿內的金屬嵌件固定；嵌件通過螺栓連接金屬外殼接地；接地外殼內半徑為130 mm，厚度為8 mm；導桿與接地外殼之間充有0.4 MPa的SF6絕緣氣體。在仿真研究中，設定中心導桿、嵌筒、嵌件、外殼材料為鋁合金。出于簡化計算考慮，本研究中忽略了對電場影響很小的微粒收集器和金屬連接件。

1—中心導桿；2—嵌筒；3—絕緣子腹部；4—絕緣子支腿；5—嵌件；6—接地外殼圖1 三支柱絕緣子幾何模型Fig.1 Geometric model of tri-post insulator

基于上述幾何模型，本文構建了直流三支柱絕緣子電-熱-流多物理場電荷積聚模型，數(shù)據傳遞示意圖如圖2所示。首先，自然對流是GIL內重要的傳熱方式，需要考慮氣體流動對溫度分布的影響，而溫度的梯度分布是引發(fā)自然對流的驅動力，因此需要進行熱場-流場雙向耦合數(shù)據傳遞。其次，中心導桿在電流作用下的焦耳熱損耗是熱場計算時的熱源，而溫度升高導致材料熱導率增大，提升絕緣子的電荷輸運能力，從而影響電場分布，GIL電場和熱場計算也是雙向耦合的過程。

圖2 電-熱-流多場耦合仿真數(shù)據傳遞示意圖Fig.2 Schematic diagram of electrical-thermal-flow multi-field coupled simulation data transmission

2.1 三支柱絕緣子熱傳遞過程

直流GIL三支柱絕緣子的熱量傳遞包括熱傳導、熱對流及熱輻射三種傳熱方式，涉及到熱場和流場的雙向耦合計算。

(1)熱傳導

根據傅里葉導熱定律，GIL固體可直接通過熱傳導交換熱量。其中，中心導桿因焦耳損耗發(fā)熱，作為熱源項；絕緣子和接地外殼自身損耗可以忽略不計，可以視為無熱源區(qū)域。本文中三支柱絕緣子熱導率設置為0.25 W/(m·K)，中心導桿的熱導率為209 W/(m·K)，接地外殼的熱導率為167 W/(m·K)。

(2)熱對流

對流是GIL內最為重要的傳熱方式，不僅包括腔體內SF6氣體與中心導體、絕緣子和外殼的對流傳熱，也包括接地外殼與外界空氣的對流傳熱；其中，GIL內部SF6氣體流動是由于導體發(fā)熱引起的，屬于自然對流。針對本文模型尺寸和氣體屬性算得雷諾數(shù)Re>2 300，故采用湍流k-ε模型對三支柱絕緣子附近流場分布進行計算[19, 20]。接地外殼外表面與空氣的對流傳熱可以用對流熱通量h(T0-T1)表示，其中h為對流換熱系數(shù)，本文設置為3 W/(m2·K)，T0為環(huán)境溫度，T1為外殼溫度。

(3)熱輻射

根據斯特藩-玻爾茲曼定律，GIL中心導桿、三支柱絕緣子、接地外殼的熱輻射過程可以用如下方程表示：

(1)

式中，Q為輻射熱通量；SB為Stefan-Boltzmann常數(shù)；A為換熱面等效面積；T1和T0分別為換熱面內、外溫度；ω為表面發(fā)射率。

本文中三支柱絕緣子的表面輻射率取為0.15，中心導體和外殼的表面輻射率取0.85。

將GIL中心導桿的焦耳熱損耗作為熱-流耦合場的熱源，環(huán)境溫度設為293.15 K，仿真計算得到GIL導桿通過最大允許電流(導桿溫度不超過363 K[21, 22])時三支柱絕緣子溫度分布，GIL軸截面溫度分布如圖3所示，三支柱絕緣子溫度分布如圖4所示。三支柱絕緣子溫度從中心導體附近到接地外殼附近呈梯度遞減的趨勢，導桿溫度為363 K時，接地外殼溫度為309 K，最大溫差ΔT達到54 K。

圖3 GIL軸截面溫度分布Fig.3 Temperature distribution of GIL axis section

圖4 三支柱絕緣子溫度分布Fig.4 Temperature distribution of tri-post insulator

2.2 直流三支柱絕緣子電-熱耦合電荷積聚模型

2.2.1 絕緣子空間電荷

在恒定電場建立過程中，GIL任一瞬間的電場可以近似看作靜電場，于是電場強度E與電位φ的關系為：

E=-φ

(2)

根據高斯定理，電場強度與空間電荷密度ρi的關系可表示為：

·(ε0εrE)=ρi

(3)

式中，ε0為真空介電常數(shù)；εr為絕緣子相對介電常數(shù)。由于環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)在GIL運行溫度和場強范圍內變化較小，故可近似看作常數(shù)。

由電流連續(xù)性方程可知絕緣子內空間電荷密度與電流密度Ji關系如下所示：

(4)

根據歐姆定律，電流密度Ji和電場強度E之間的關系如下：

Ji=γiE

(5)

式中，γi為絕緣子體電導率。

結合式(2)～式(5)可得：

(6)

由式(6)可知，當絕緣子溫度相同、電導率保持恒定的條件下，絕緣子內部沒有空間電荷積聚；當絕緣子存在溫度梯度時，電導率的梯度分布導致空間電荷積聚，當絕緣子空間電荷積聚達到飽和狀態(tài)時：

(7)

2.2.2 絕緣子表面電荷

本文建立的絕緣子表面電荷模型包括三種電荷積聚機制：絕緣子體傳導電流、氣體側電流和絕緣子沿面?zhèn)鲗щ娏?，表面電荷積聚暫態(tài)方程可表示為：

(8)

式中，σ為表面電荷密度；t為時間；n為絕緣子表面指向氣體側的法向矢量；Jg為氣體側電流密度；Js為絕緣子表面電流密度。

絕緣子表面電流密度Js和氣體側電流密度可以利用表面電導率和氣體電導率計算得到：

Js=γsEτ

(9)

Jg=γgEg

(10)

式中，γs為絕緣子表面電導率；Eτ為絕緣子表面切向電場強度；Eg為氣體側電場強度；γg為氣體電導率，本文設為定值2×10-18S/m，符合理想清潔條件下SF6氣體電導率分布范圍(10-20～10-18S/m)[23]。

2.2.3 電-熱多物理場耦合

絕緣子電-熱多物理場的耦合主要通過溫度T和絕緣子材料體積電導率γi和表面電導率γs的關聯(lián)關系構成，電導率具體的計算公式[21]如式(11)和式(12)所示。在絕緣子處于293.15 K的溫度時，體積電導率γi為4.26×10-15S/m，表面電導率γs為1.17×10-18S，絕緣子體電導率與表面電導率及氣體電導率相差3～4個數(shù)量級，這符合理想潔凈條件下絕緣材料電導率設置范圍[9, 10, 23, 24]。

(11)

(12)

3 結果與分析

3.1 三支柱絕緣子表面及空間電荷積聚

基于上述模型，本文研究了在+110 kV直流電壓作用下，高壓導桿空載(絕緣子溫度均勻，等同于環(huán)境溫度293.15 K)和通過最大允許電流(中心導桿溫度達363 K)時三支柱絕緣子穩(wěn)定狀態(tài)下的表面及空間電荷積聚特性。不同負載條件下三支柱絕緣子表面電荷分布如圖5所示。在直流電壓作用下，三支柱絕緣子表面大部分區(qū)域積聚了同極性的正電荷，只有靠近接地嵌件的區(qū)域積聚有負電荷，說明當不考慮氣體側局部放電等特殊影響時，三支柱絕緣子體內傳導電流比氣體側電流對表面電荷積聚的影響更大。此外，由于絕緣子表面飽和電荷密度與沿面法向電場強度密切相關，同極性正電荷主要集中于直流三支柱絕緣子腹部，受運行電流的影響較小，最大電荷密度由空載時的36.8 μC/m2增加至最大負載時的37.3 μC/m2；異極性負電荷集中于接地嵌件附近，受運行電流影響較大，最大電荷密度由空載時的-19.8 μC/m2增加至最大負載時的-32.6 μC/m2，峰值增大了64.6%。

圖5 三支柱絕緣子表面電荷分布Fig.5 Surface charge distribution of tri-post insulator

由于中心導桿通流發(fā)熱，直流GIL三支柱絕緣子存在溫度梯度，如圖4所示。溫度梯度的存在會引起絕緣子材料電導率空間梯度變化，高溫區(qū)域的電荷傳輸能力顯著大于低溫區(qū)域，當高溫區(qū)域的電荷遷移至低溫區(qū)域時，電導率的非均勻分布將導致空間電荷的積聚。最大負載條件下三支柱絕緣子空間電荷分布如圖6所示。三支柱絕緣子內部積聚有正電荷，電荷密度最大值為8.54 mC/m3。此外，由式(6)可知，空間電荷密度與電場強度和溫度梯度正相關，由于接地嵌件-環(huán)氧界面電場強度和溫度梯度都較大，因此接地嵌件附近成為空間電荷積聚集中的區(qū)域。

圖6 三支柱絕緣子空間電荷分布Fig.6 Space charge distribution of tri-post insulator

3.2 直流三支柱絕緣子電場分布

GIL運行經驗表明，三支柱絕緣子容易出現(xiàn)兩種常見故障：沿面閃絡和支腿炸裂。其中，三支柱絕緣子沿面閃絡電壓與沿面切向電場強度密切相關，三支柱絕緣子支腿炸裂與金屬嵌件表面電場強度密切相關[25]，因此，仿真分析電荷積聚對直流三支柱絕緣子電場分布的影響意義重大。本文基于前述直流三支柱絕緣子電-熱-流多物理場模型計算了電荷積聚對三支柱絕緣子表面電場強度分布的影響，如圖7所示。

圖7 三支柱絕緣子表面電場強度分布Fig.7 Electric field intensity distribution of tri-post insulator

由圖7(a)可知，在直流恒定電場建立過程中，絕緣子支腿處表面電場強度提升明顯，表面最大電場強度值也由初始的2.62 kV/mm增加至穩(wěn)定時的3.02 kV/mm，當考慮最大負載電流引起的溫度梯度影響時，電場強度峰值進一步增加至3.11 kV/mm。由圖7(b)可知，絕緣子表面切向電場強度較大的區(qū)域主要集中在支腿處，最大切向電場強度由初始的1.48 kV/mm增至最大負載電流時的2.87 kV/mm，增長了93.9%。由圖7(c)可知，三支柱絕緣子金屬嵌件-環(huán)氧界面電場強度由初始的2.33 kV/mm增至最大負載電流時的5.96 kV/mm，增長了155.8%。

綜上可見，當中心導桿運行在空載條件時，直流三支柱絕緣子表面電荷積聚會增大支腿處的切向電場強度和接地嵌件表面電場強度，但電場強度最大值仍處于三支柱絕緣子腹部區(qū)域；當中心導桿通過最大負載電流時，絕緣子表面及空間電荷的積聚會顯著增大金屬嵌件表面及附近的電場強度，絕緣子電場強度最大值由三支柱絕緣子腹部轉變至金屬嵌件處，如圖8所示。

圖8 三支柱絕緣子軸截面電場強度分布Fig.8 Electric field intensity distribution of tri-post insulator axis section

溫度梯度下直流三支柱絕緣子電荷積聚會顯著增大絕緣子局部電場強度，增大三支柱絕緣子絕緣故障風險。一方面，電荷積聚使三支柱絕緣子外表面最大切向電場強度位于支腿底部，而該位置更易受到GIL設備內金屬微粒的干擾[2]，最大切向電場強度的增大可能誘導沿面閃絡的發(fā)生；另一方面，電荷積聚使三支柱絕緣子電場強度最大值集中于金屬嵌件-環(huán)氧界面，而該區(qū)域同樣也是三支柱絕緣子機械應力較為集中的區(qū)域，電場強度的增大更易引發(fā)金屬-環(huán)氧交界面的局放，從而導致三支柱絕緣子支腿炸裂[25]。因此，在針對直流三支柱絕緣子進行優(yōu)化設計時，需要考慮溫度梯度下三支柱絕緣子電荷積聚對電場分布的影響，可以采用摻雜方法將三支柱絕緣子支腿材料改為非線性電導材料[26]，提高支腿材料電荷消散速率，降低三支柱絕緣子支腿表面及空間電荷密度；此外，在金屬-環(huán)氧界面使用高介電常數(shù)的界面涂覆材料可以釋緩界面處的場強集中效應[27]，從而提高直流三支柱絕緣子的運行可靠性。

4 結論

基于建立的直流三支柱絕緣子電-熱-流多物理場電荷積聚模型，研究了溫度梯度下電荷積聚對直流三支柱絕緣子電場分布的影響，得到如下結論：

(1)直流正極性電壓(+110 kV)作用下，三支柱絕緣子表面大部分區(qū)域積聚同極性電荷，只有接地嵌件鄰近表面積聚異極性電荷；當GIL中心導桿通過最大長期允許電流時，三支柱絕緣子支腿處積聚的同極性電荷密度增大，接地嵌件附近的異極性電荷幅值也由空載時的-19.8 μC/m2增至最大負載時的-32.6 μC/m2，增大了64.6%。與此同時，溫度梯度分布導致三支柱絕緣子內部積聚有正電荷，電荷密度最大值為8.54 mC/m3，主要集中在金屬嵌件-環(huán)氧界面附近。

(2)受表面及空間電荷積聚的影響，直流三支柱絕緣子表面最大切向電場強度出現(xiàn)在靠近接地嵌件的支腿處，最大切向電場強度由初始1.48 kV/mm增至最大負載電流時的2.87 kV/mm，增長了93.9%；金屬嵌件-環(huán)氧界面電場強度由初始的2.33 kV/mm增至最大負載電流時的5.96 kV/mm，增長了155.8%，成為直流三支柱絕緣子電場強度最大的區(qū)域。

(3)電荷積聚導致直流三支柱絕緣子支腿底部表面切向電場強度過大，使得三支柱絕緣子更易在金屬微粒的影響下觸發(fā)沿面閃絡；金屬嵌件-環(huán)氧界面電場強度的大幅增大也使得三支柱絕緣子支腿在機械和電場復合應力下更易發(fā)生炸裂。直流三支柱絕緣子支腿底部特別是與金屬嵌件的交界面是絕緣子的薄弱環(huán)節(jié)，可以通過對三支柱絕緣子支腿材料摻雜改性、在金屬-環(huán)氧界面涂覆高介電常數(shù)界面涂層等方法提升直流三支柱絕緣子的運行可靠性。