SF6/N2混合气体中绝缘子表面电荷积聚的时空演化规律及沿面放电的发展机理研究

The enhancement of gas pressure can increase the insulation strength, therefore reduce the size of tank and cut down the cost of manufacturing. SF6 is of very strong greenhouse effect, the application of SF6/N2 mixture gas can open the gate of hope for the power canpany to reduce the using of SF6. Surface insulation is the weakest poit for GIS, the charge accumulation on insulater surface can greatly distort the local electrical field and trigger the surface discharge when suffered overvoltage. For the surface flashover when the gap is long, the streamer will transit into leader, therefore, it is necessary to deeply study the mechnism of streamer to leader transition in SF6/N2 mixture gas under high pressure.. In this research, a surface potential scanning system is utilized to measure the potential distribution induced by the charge accumulated or residualed on the insulator surface. By proper numerical calculation, the surface charge density distribution, the potential distribution and field distribution of the streamer and leader can be gotten.The image and light spectrum will be gotten by high-speed camera and ICCD camera. Then, the criterions and factors that deciding the streamer to leader transition will be investigated. At last, the streamer-to-leader transition model will be testified and corrected by simulation using COMSOL. The mechanism of the propagation of surface discharge will be deeply understood which can provide practical instruction to the industry application.

提高气压可以增加绝缘强度，减小气室体积和制造成本。SF6是一种强温室效应气体，采用高气压SF6/N2混合气体替代纯的SF6为电力系统减少SF6的使用打开了希望之门。沿面绝缘是GIS的薄弱环节，绝缘表面的电荷积聚会严重畸变局部电场，从而在过电压来的时候诱发沿面放电。长间隙下流注会发展成先导、最终形成沿面闪络，因此有必要较高气压下SF6/N2混合气体绝缘中沿面放电的发展机理作出深入研究。. 本研究拟采用表面电位扫描系统测量SF6/N2混合气体中绝缘子表面的电荷积聚及放电后的残留电荷所产生电位分布。通过数值反演研究流注和先导通道在电气方面的基本特征，结合ICCD相机和分幅相机拍摄得到的放电光谱及发展速度等特征，进一步研究决定电荷积聚对沿面放电的影响及放电从流注转化为先导的条件，最后通过COMSOL仿真进行验证。在此基础上提出降低表面电荷积聚造成的电场畸变的方法和最优的气体混合比例和压力。

气固界面电荷积聚现象是诱发沿面放电的重要原因。随着高压直流输电技术的快速发展，绝缘子表面电荷积聚问题突出，严重威胁电力系统的运行安全。本项目系统地研究了SF6/N2混合气体中环氧复合绝缘材料沿面放电发展特性，主要研究成果如下：. 1）研发了高气压缩比型GIL绝缘子表面电荷积聚与测量系统，可满足0.1~1MPa下多种因素作用下绝缘子沿面放电实验。针对平移不变系统和平移变化系统，开发从表面电位到表面电荷密度的反演算法，利用静电场计算获取表面电荷与表面电位之间的系数矩阵，采用Wiener滤波技术解决了电荷密度矩阵方程求解中的病态问题。. 2）研究获得了直流及冲击电压下绝缘子表面电荷积聚规律，提出根据绝缘子表面积聚电荷的极性和形态判断表面电荷积聚机理的方法。建立了绝缘表面电荷积聚与沿面闪络电压之间的关系，指出异极性电荷明显降低闪络电压，提出了表面粗糙改性、表面非线性电导涂层方法抑制表面电荷积聚、提升沿面耐电性能的方法，并在缩比型GIL绝缘子上验证了该方法的有效性。. 3）获得了气压及SF6/N2气体混合比对直流沿面闪络电压的影响规律。N2中充入少量的SF6即可大幅提高沿面闪络电压，但随着SF6的进一步增加，沿面闪络电压的增长速度不断减慢，并在气压为0.3MPa、混合比20%~30%时趋于饱和。研究了金属微粒材料对绝缘子直流闪络电压的影响，铜微粒附着闪络电压最高，铁和铝微粒附着时闪络电压相差不大。. 4）建立了气固界面电荷积聚仿真计算模型，在此基础上研究了电压幅值、电压形式、加压时间对绝缘子表面电荷积聚特性的影响，根据仿真结果，完善了实验结果分析。建立了绝缘子沿面闪络预测模型，模型中考虑电极粗糙度、表面电荷、沿面电场分布，对不同表面处理方法的沿面闪络电压进行了预测，预测结果与实验结果较为吻合。. 本项目阐明了绝缘子气固界面电荷积聚机理，获得了最佳的SF6/N2混合比及气压，提出了合理的抑制表面电荷积聚、提升沿面耐电强度的表面涂层方案，对于减少SF6气体的使用、保障气体绝缘输电线路的安全可靠运行具有重要的意义。