冲击电压下绝缘子表面电荷积聚对闪络的影响

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产生表面电荷，因此每施加一次冲击电压后，无论 绝缘子闪络与否，都用无水乙醇对针电极附近的绝 缘子表面进行擦拭，用电吹风吹干，待其表面冷却 后再进行实验。 金属微粒的长度 l=31mm 时，每次在 A 电极预 加负极性直流电压，施加正极性冲击电压。直流电 压预加时间为 1h，幅值为 40kV。冲击闪络电压的 求取采用升降法，连续测得 20 个有效点。测量结 果表明表面电荷使沿面闪络电压下降并不显著，只 有 5.04%。分析原因主要是由于针电极的尖端与电 极 B 比较接近， 电极 B 的内嵌入电极对针电极尖端 部位有一定的屏蔽作用，使在针电极附近不容易积 聚起表面电荷。为验证这个结论，在如图 2(a)所示 的 贴 近绝缘子表面的 上 下电极 上 分 别粘贴 了一个 针电极。施加一定时间的直流电压，测量其表面的 电荷分布。测量结果表明绝缘子内嵌入电极对金属 微粒有很好的屏蔽作用，使与下电极相连的针电极 的尖端所积聚的电荷非常少。 根据以上实验结果本文设计了如图 6(c)所示的 针电极结构。实验步骤和外施电压的方式除直流加 压时间减少为 5min 外，其它与图 6(b)的情况相同。 针电极距 A、B 导体较远，其内嵌入电极对针电极 的尖端电场影响较小。 另外由于 A 相导体周围的圆 台 对 针 电极 尖端产生 的 运动 的 空 间电荷有阻 挡作 用，使表面电荷更容易积聚。 较小。值得注意的是，本文测得的预加直流电压对 冲击闪络电压的影响与以前在 SF6 气隙中所得的实 验结果[9]的规律是一致的。但表面电荷积聚使闪络 电压的下降比气隙中空间电荷的影响要大得多。
∆Ec =
∫ τ (l )dl
4πε 0 (l − l 0 )
L 2
(2)
式中： l0 为空间电荷束头部距针电极头部间的距离。 则式(1)可简化为：
E E f = ⋅ P + ∆E + ∆E c P cr
(3)
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图 6(a)为本文采用的 110kV 三相共箱式绝缘子 结构。为延长绝缘子的沿面爬电距离，绝缘子左右 表面分别向内凹、向外凸。本文实验先后在 B 电极 绝缘子凸表面侧粘贴 2 个针电极。针电极的长度分 别为 l=31mm，l=60mm，如图 6(b)和 6(c)所示。B 电极接地，A 电极预加直流高压。根据文献[8]的分 析知道 在 针 电极的前方积聚与 针 电极极 性 相 同的 电荷。在 A 电极上施加冲击电压，测量绝缘子的 50%闪络电压。由于冲击电压本身在绝缘子表面会
5 表面电荷对位移电流作用下的先导发展模 型的影响
文献[10] 研究了位移电流作用下的绝缘子沿面 闪络先导发展模型。提出当流注电晕形成后，空间 电荷在 外施 电场的作用下迁 移形成 空间电荷的分 离，导致流注前方电场增强和先导放电的形成。在 流注通道内，正负离子的分离在外界电场的作用下 形成空间电荷束。由于正负电荷分离，使空间电荷 则空间电荷束末端电场为[10]： 束末端电场增强 ∆E ，
乙醇擦洗 绝缘子表面，用电 吹风烘干并 冷却至常 温。提高冲击电压的幅值，重复以上实验过程直至 绝缘子沿面闪络。实验结果见图 3。绝缘子表面积 聚着负电荷，为研究方便在画曲线时取了绝对值。 可见：起初随着电压幅值的增加，表面电荷积聚也 逐渐增加；当电压幅值接近沿面闪络电压时，表面 的电荷积聚量急剧减少。 该结果与文[3]、 [4]的明显 不同。
0
引
言
气体绝缘开关装置 (GIS) 中绝缘子的表面电阻 率很高，使积聚起来的电荷非常难泄漏掉。积聚的 表面电荷将改变绝缘子原有的电场分布并可能引 起沿面闪络。营口华能电厂 220kV GIS 绝缘子沿面 闪络事故即是一例[1]。 直流电压作用下表面电荷积聚的研究始于 20 近十几年的研究表明冲击电压作用 世纪 80 年代[2]， 然而关于表面电荷 下绝缘子表面也会积聚电荷[3,4]， 的来源、积聚途径及影响因素等尚未达成共识。我 们的前期研究工作 [4] 证明冲击电压作用下表面电 荷可瞬间积聚，但未能给出定量的结果，本文对此 作进一步的研究。
在极不均匀场中， 绝缘子表面的电荷密度并不总是随着冲击电压幅值的增加而逐渐增加， 在预闪络条件下表面电荷密度会由 于预放电电流等离子体的中和作用而减少， 绝缘子表面电荷积聚与电极形状有关， 积聚在绝缘子表面的电荷主要来源于绝缘 子表面气体侧的局部放电， 在一定的条件下冲击电压作用下的表面电荷积聚与直流电压作用下的表面电荷积聚一样严重。 对 110kV 三相共箱式 GIS 绝缘子的闪络实验表明，表面电荷可使绝缘子沿面闪络电压下降 23.4%。对位移电流作用下的绝缘子 沿面闪络先导发展模型进行了改进。 关键词：绝缘子；电荷积聚；冲击电压； 沿面闪络 中图分类号：TK854 文献标识码：A
1.绝缘子；2. 电极；3. 绝缘子位置 调节 装置；4.探头 快门 ；5.探针 ；6.探 针屏蔽罩；7.直流运 放；8.支座
图1
测量系统示意图
2 冲击电压幅值对电荷积聚的影响
本文研究了图 2B 绝缘子的表面电荷分布特征。 施加冲击电压后测量绝缘子表面电荷,然后 用无水
图 2 绝缘子及电极形状示意图
τ (l ) 的极性与外施冲击电压的极性相反时，表面电
荷 产生 的电场与 外施 电压产生 的电场方 向 相 同，
东北电力技术, 1996, (5): 36 [2] Nakanishi K et al. Charge accumulation on spacer surface at DC stress in compressed SF6 GAS[C]. Christophorou L G Gaseous Dielectrics Ⅲ. NY: Pergmon Press, 1982, 365 [3] Al-Bawy, Farish O. Charge deposition on an insulating spacer under impulse-voltage conditions[J]. IEEA, 1991, 138(3): 145 [4] 汪沨, 邱毓昌, 张乔根等. 冲击电压作用下影响表面电 荷积聚过程的因素分析[J]. 电工技术学报, 2001, 16(5): 51 [5]汪沨, 张乔根, 罗毅等. 测量绝缘子表面电荷用的新型电 容探头[J]. 高电压技术, 2001, 27(6): 40 [6] Takuma T,Yashima M,KawamotoT. Principle of surface charge measurement for thick insulating specimens[J]. IEEE Trans on DEI, 1998, 5(4): 497 [7] 陈庆国, 张乔根, 邱毓昌等. VFTO 下 SF6 间隙及绝缘子 沿面预放电电流特性[J]. 高压电器, 2000, 36(4): 12 [8] Qiu Y, Chalmers I D, Li H M. Effect of injected space charges on the positive impulse breakdown of SF6 in a pointplane gap[J]. J. Phys. D: Appl. Phys., 1993, 26(2): 326 [9] 刘志民, 邱毓昌, 冯允平. 对绝缘子表面电荷积聚机理 的讨论[J]. 电工技术学报, 1999, 14(2): 65 [10] 张乔根. 陡波前冲击电压下 SF6 气体间隙及绝缘子沿面 闪络放电特性[D]. 西安交通大学博士学位论文，1996 作者简介：汪 沨（1972-） ，男，辽宁抚顺人，博士研究生， 从事高电压绝缘及气体放电研究，现在德国从事博士后研 究。邱毓昌（1934-） ，男，西安交通大学教授，博士生导师， 美国电气与电子工程师学会会士（IEEE Fellow） ，从事高电 压技术与气体放电应用等方面的研究，发表论文 400 余篇。
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冲击电压下绝缘子表面电荷积聚对闪络的影响
汪沨，方志，邱毓昌
(西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安 710049) 摘要: 实验研究了冲击电压作用下绝缘子表面电荷的分布及冲击电压幅值对绝缘子表面电荷积聚的影响。研究结果表明：
1 测量系统及实验装置
绝缘子表面电荷采用电容探头法测量，所用电 容探头的电荷泄漏时间常数为 2ks[5](见图 1)，因电 容探头法的准确标定问题尚未解决[6]，故本文用探 头的电压输出来表示电荷密度值。冲击电压用电阻 分压器测量，测量回路的方波响应约 6ns。聚四氟 乙烯的绝缘子结构见图 2，高 40mm，直径 32mm； 其内屏蔽 电极高 8mm，直径 25.5mm； 针 电极长 18mm。
图 7 沿面闪络电压随预加直流电压的变化曲线
图 7 为本文测得的 50%沿面闪络电压随预加直 流电压的变化曲线，曲线的纵坐标取闪络电压的相 对变化值（该绝缘子来源于国内某 456 生产厂家， 不宜公布实际值） 。从图中可看出表面电荷最大可 以使闪络电压下降 23.4%。而在预加正极性直流电 压后，绝缘子表面电荷对其沿面闪络电压的影响比
教育Байду номын сангаас高等学校博士点基金资助项目（20010698014）
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加压 60min 时表面电荷分布见图 5，图中的浅色部 分为电荷密度为零的区域。可见冲击电压作用下表 面电荷积聚有时可能 比 直流电压作用下的表面电 荷积聚还要严重。 以上实验以及文[3]的实验均可说 明冲击电压作用下的表面电荷 应 来 自气 固 交 界面 处气体侧的局部放电。
图 3 电荷密度与冲击电压幅值的关系曲线
在极不均匀场中，气固交界面处绝缘子沿面闪 络是按流注—先导步进式向前发展的。在绝缘子发 生沿面闪络以前会有预放电电流流过，该电流可通 过光电倍增管或无感电阻分压的方法观测到[7]。因 此初步判断图 3 中的实验现象是形成预放电电流的 等离子体部分中和了绝缘子表面的电荷。为证明该 判断， 提高电压幅值直至绝缘子沿面闪络,然后测量 其表面电荷，发现电荷非常稀少。其原因显然是沿 面闪络 产生 的等离子体中和掉了绝缘子表面的大 部分电荷。 因文 [3] 采用的绝缘子形状 其电场相对于针板 结构是非常均匀的，闪络不会按流注—先导步进式 向前发展，也不会有预放电电流流过，故绝缘子表 面的电荷量随着冲击电压值的增加而逐渐增加。文 [4] 在 理论研究过程中关于绝缘子和气体的介 电常 数及电导率恒定的前提假定与实际情况有偏差，且 在 推 导的 过程中也很难对预放电电流等离子体对 表面电荷积聚的影响作理论上的细微刻画。
图 5 直流电压作用下 A 绝缘子的表面电荷分布
4 表面电荷对绝缘子沿面闪络电压的影响
3
冲击电压作用下表面电荷的来源
图 6 110kV 三相共箱式绝缘子结构及针电极的位置
图4
A 绝缘子电荷最大值随冲击电压幅值变化的曲线
冲击电压作用下 A 绝缘子表面电荷最大值随 冲击电压幅值的变化曲线见图 4。比较图 3、4，可 见 A 绝缘子由冲击电压产生的表面电荷非常少， 说 明并非所有的电极形状在冲击电压作用下 都 会产 生表面电荷积聚。40kV 直流电压作用下 A 绝缘子
E E f = ⋅ P + ∆E P cr
其中
(1)
E 为 SF6 在工作气压下临界击穿场强。如 P cr
果 Ef 足够高，流注前方会再次发生电离，形成前驱 放电，并步进式向前发展。 从以上描述过程中可看出，文献[10]模型与纯 气隙的流注先导模型基本相似，并没有考虑表面电 荷对绝缘子沿面闪络的影响。 本文作者认为表面电荷对流注先导的发展有 2 方面的作用。一是表面电荷产生的电场会影响流注 电晕内部正负电荷的分离速度；二是表面电荷产生 的电场会影响空间电荷束末端的电场，进而影响下 一步放电的发展。根据测量结果，针电极产生的电 荷主要分布在针电极与对面电极间的连线上。假设 在此连线上电荷密度为 τ (l ) ，其中 l 为单位线电荷 距针电极尖端间的距离，则表面电荷在空间电荷束 末端产生的电场为：