JPhysD编辑优选:直流GIL中金属颗粒诱发的绝缘子表面电荷积聚特征及电荷抑制方法

16 11月 2022 gabriels
本篇研究来自河北工业大学、清华大学、山东泰开高压开关有限公司、中国电科院联合研发团队。本研究提出了基于盆式绝缘子表面粗糙化和氟化改性的金属颗粒活性抑制方法。改性后绝缘子表面电荷密度降低是由改性促使表面电导率的提升(提升电荷消散)以及改性后三结合处产生低电场区(降低金属颗粒运动范围)共同作用的结果。该方法为直流GIL工程化中金属颗粒的抑制提供了可参考的思路。


文章介绍

Significantly Suppressing Metal Particle-induced Surface Charge Accumulation of Spacers in DC Gas-insulated Power Transmission Lines

Yunqi Xing(邢云琪), Xinbo Sun (孙鑫博),Jinpeng Jiang(姜金鹏), Fangwei Liang(梁芳蔚), Zuodong Liang(梁作栋), Weijian Zhuang(庄伟建),  Bo Liu(刘博),  Dege Li(李德阁), Shaohua Cao(曹少华), Min Li(李敏) Jinliang He(何金良) and Chuanyang Li(李传扬)

通讯作者:

  • 李传扬,清华大学

 

将盆式绝缘子放置在有0.1 MPa F2/N2混合物(体积分数为12.5%的F2)的密封腔体中,控制腔体内温度为50 °C,进行15分钟的表面氟化。将20N的力施加到2000目砂纸上,使其与绝缘子表面紧密接触,同时绝缘子以大约2周/秒的速度旋转,进行20分钟的表面粗糙化。选用半径0.1mm,长10mm线形金属颗粒,采用带有正、负电荷的微米级粉尘对施加直流电压后的盆式绝缘子进行粉尘法处理,获得表面电荷分布及电荷极性。试验平台及粉尘粒径如下图所示。

线形金属颗粒在未处理的绝缘子附近的移动范围大于60°,然而在表面粗化或氟化处理后,线形颗粒在绝缘子附近移动范围控制在30°以下。

绝缘子表面经粗糙化处理后,其表面电荷密度明显降低,氟化处理可显著抑制绝缘子表面的电荷积聚,如下图所示。

相对于未进行表面处理的绝缘子,距离表面处理后绝缘子不同距离处的线形金属颗粒的启举电压已显著提高。此外,氟化处理在提升金属颗粒启举电压方面效果更加更显著(如下图所示)。绝缘子经表面处理后,三结合处电场以及绝缘子表面的同极性电荷的降低都有助于线形金属颗粒的活性减弱,从而降低金属颗粒诱发的GIL绝缘故障发生频次。

研究背景:

直流GIL中金属颗粒起举电场远低于运行场强,这导致工况下绝大多数金属颗粒均会起举,并在高压导体与地电极之间做往复运动。作者前期研究发现线形金属粒子在直流电压下会诱发绝缘子表面积聚同心分布的双极性电荷簇(Xing, Y. et al,  J. Phys. D: Appl. Phys., 54(34), p.34LT03, 2021.),也论证过此类电荷簇的存在将产生局部电场畸变,对绝缘系统稳定性带来严重影响(Li, C. et al., J. Phys. D: Appl. Phys., 54(1), p.015308, 2020.)。然而,目前线形金属颗粒运动行为与其诱发的表面电荷分布特征的关联关系尚不清晰。因此,明确影响金属颗粒诱发的表面电荷积聚特性的关键因素,提出抑制表面电荷积聚的有效方法具有重要意义。

本研究表明,绝缘子表面粗糙化和氟化在提高线形金属颗粒启举电压,降低金属颗粒运动范围,抑制由金属粒子尖端电离引起的表面电荷积聚方面具有积极作用。


作者介绍

邢云琪  副教授

河北工业大学

  • 邢云琪,副教授、博导,河北工业大学电气工程学院院长助理、电气系副主任、河北工业大学芬兰校区电气系主任,兼任IEEE中国超导专委会委员、中国电工技术学会青工委委员以及等离子体及应用专委会青年委员。研究方向为电工装备先进绝缘设计与可靠性提升,主持国家自然科学基金2项,以第一或通讯作者发表SCI论文20余篇。

孙鑫博

河北工业大学

  • 孙鑫博,河北工业大学电气工程专业2020级硕士研究生,研究方向为GIS/GIL中金属颗粒荷电运动机理及抑制方法。

曹少华  工程师

山东泰开高压开关有限公司

  • 曹少华,工程师,山东泰开高压开关有限公司,研究方向为超、特高压交流/直流组合电器。
 

李传扬  助理研究员

清华大学

  • 李传扬,清华大学电机系助理研究员,High Voltage/CSEE Journal of Power and Energy Systems/IEEE Dielectrics and Electrical Insulation副编辑,IEEE DEIS两大青年成就奖获得者(IEEE Caixin Sun & Stan Grzybowski 青年学者成就奖及IEEE Steven Boggs 青年学者成就奖),主要研究领域为直流气体绝缘装备及其关键绝缘技术。

期刊介绍

Journal of Physics D: Applied Physics

  • 2021年影响因子:3.409  Citescore:5.7
  • Journal of Physics D: Applied Physics(JphysD)发表应用物理各领域的前沿研究和综述,具体包括:应用磁学和磁性材料、半导体和光子学、低温等离子体和等离子表面相互作用、凝聚态物理、表面科学和纳米结构、生物物理以及能源等六个领域。文章类型包括原创性论文、研究路线图、通讯以及每年针对热点研究的专题综述和特刊。