VFTO作用下GIS中环氧复合材料的空间电荷特性及其效应和调控

Space charges could be introduced on the insulators of GIS under stress of transient pulses, which seriously distort the electric filed distribution of insulators and could lead to surface flashover. To clarify the mechanism of trap effect on space charge dynamics and the relationship between space charge characteristics and electric field distortion under dc and VFTO voltage, are the key issues to solve the flashover problem in GIS. In this project, by exploiting thermally stimulated current - pulsed electroacoustic combined space charge measurement, the relationship between the space charge and trap level density in epoxy composite will by established, and the injection and transport behavior of space charge in epoxy composite under dc and impulse voltage will be investigated, and based on which, the space charge built up in the epoxy composite will be analyzed. Furthermore, the relationship between space charge and surface charge will be studied, to reveal the influence mechanism of space charge accumulation on surface potential measurement. Based on transient electric field measurement using optical sensors, the charge decay process under impulse and dc electric field will be analyzed to reveal the influence from surface charge accumulation on electric field along the dielectric surface under both impulse and dc field. The nanoparticle doping method will be applied to modify the trap energy distribution and space charge accumulation characteristics and restrain the space charge effect of epoxy composites.

GIS运行过程中，在各种瞬态脉冲作用下绝缘子将引入空间电荷，使得绝缘子电场分布受到严重的畸变，诱发沿面闪络。明确聚合物固体介质中空间电荷建立过程的陷阱作用机制，理清直流电压及VFTO作用下电荷特征与电场畸变的依赖关系，是解决GIS运行过程中发生不明闪络问题的关键。本项目采用热刺激电流-电声脉冲法空间电荷联合测量手段，建立环氧复合材料空间电荷和陷阱能态的依赖关系，挖掘直流及陡脉冲作用下环氧复合材料空间电荷的注入行为及输运特性，进一步分析环氧复合材料空间电荷建立过程。探究空间电荷及表面电荷的依赖特征，揭示空间电荷积聚对表面电位测量结果的影响机制。采用基于光学传感器的瞬态电场测量方法研究环氧复合材料表面电荷在陡脉冲及直流电场作用下的消散特征，揭示表面电荷积聚特征对陡脉冲及直流沿面电场分布的影响。采用纳米粒子掺杂方法调控材料陷阱能态分布及空间电荷积聚特征，抑制环氧复合材料的空间电荷效应。

统计表明运行中甚至新投运GIS出现的较多绝缘子不明闪络故障与隔离开关操作具有较高概率的时间关联，其中，隔离开关动作过程可产生幅值达1.5到2.4 p.u.、上升沿达数纳秒到百纳秒的陡脉冲群。由于在一个工频周波内会出现多次重击穿，使得脉冲群的重复频率可达100 Hz-1 kHz，可引起固体绝缘介质空间电荷及气固界面电荷的积聚并诱发绝缘子放电和闪络。.本项目围绕高气压绝缘气体环境中，陡脉冲及直流叠加陡脉冲作用下，环氧复合材料空间电荷和气固界面电荷的建立过程、积聚特性以及与电场畸变之间的依赖关系这一核心科学问题开展研究，取得创新性成果如下:.（1）获得了陡脉冲群、直流叠加陡脉冲群作用下，高气压SF6气体中，环氧表面电位分布规律。陡脉冲作用下表面电荷集中在高压电极附近，随脉冲数增加逐渐饱和；存在能引起表面电荷积聚的脉冲阈值。直流预压作用下，固体空间电荷产生自建电场，气固界面电场分布发生畸变，加剧了陡脉冲作用下的电荷注入。.（2）揭示了基于陷阱作用机制的环氧复合材料空间电荷建立过程。在GIS运行场强范围内，环氧材料以电子电导为主。环氧内部空间电荷积聚量随脉冲脉宽增加而增加，受脉冲上升沿的影响不明显。介质空间电荷的注入量由场强对作用时间积分得到的电场冲量决定。.（3）揭示了气体重频纳秒脉冲放电在气固界面电荷形成中的作用机制。气体重频纳秒脉冲作用下，气体放电产生的逃逸电子是气固界面电荷积聚的主要来源。考虑纳秒脉冲放电中高能电子逃逸机制，采用随场强变化的迁移率参数，建立直流叠加脉冲电压应力下的气固界面电荷仿真模型。.（4）提出了基于氧化铝填料含量及粒径、电极表面涂覆的环氧复合材料陡脉冲耐受能力提升策略。通过降低氧化铝掺杂含量，减小掺杂粒径，可以使基体和填料之间的界面缺陷减少，复合材料的介电常数降低，实现电荷抑制和电场调控。基于低密度聚乙烯的电极表面涂覆能够截留电极表面出射的电子密度，场强畸变被削弱。.本项目为GIS中的环氧复合材料陡脉冲耐受能力提升提供了理论依据。