鄭躍勝 謝鑫達(dá) 黃惠芬 何桐桐

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 福州 350108)

1 引言

在氣體絕緣間隙中插入一塊高分子聚合物隔板，構(gòu)成氣固復(fù)合絕緣系統(tǒng)，能夠顯著提高間隙的耐壓水平[1-2]。氣固復(fù)合絕緣系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足電氣設(shè)備小型化的發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于輸配電、高鐵和超導(dǎo)等領(lǐng)域[3-5]。近幾十年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從多種角度對(duì)氣固復(fù)合絕緣系統(tǒng)的耐壓特性進(jìn)行研究，但目前還未有通用理論指導(dǎo)氣固復(fù)合絕緣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[6-8]。

通過(guò)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)和隔板材料等因素，學(xué)者們對(duì)氣固復(fù)合絕緣系統(tǒng)的耐壓特性進(jìn)行了研究[9-11]。例如FORUZAN等[12-13]研究了聚四氟乙烯(PTFE)和聚氯乙烯(PVC)作為絕緣隔板對(duì)直流和交流擊穿電壓的影響，研究發(fā)現(xiàn)插入隔板后擊穿電壓的增強(qiáng)系數(shù)取決于初始電場(chǎng)的不均勻系數(shù)以及隔板的物理和電氣特性。KARA等[14-15]研究了棒-板電極系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，短氣隙下隔板的尺寸、材料和位置對(duì)交流與直流擊穿電壓均有影響。平均電場(chǎng)強(qiáng)度可以較為全面地體現(xiàn)氣體間隙的電場(chǎng)分布情況，然而目前的研究結(jié)果對(duì)于氣固復(fù)合絕緣系統(tǒng)的耐壓特性解釋主要基于最大擊穿電場(chǎng)或電場(chǎng)不均勻系數(shù)，而基于平均電場(chǎng)強(qiáng)度的解釋較少[16-17]。

通過(guò)研究氣固復(fù)合絕緣系統(tǒng)的擊穿過(guò)程，有學(xué)者試圖從放電擊穿路徑的角度解釋氣固復(fù)合絕緣系統(tǒng)的擊穿機(jī)理[18-20]。例如，RAMESH等[21]在兩個(gè)球電極之間放置隔板進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)，假定了放電路徑的傳播方式，并據(jù)此提出了工頻擊穿電壓預(yù)測(cè)模型。ZHENG等[22]考慮了擊穿過(guò)程的放電路徑，研究氣固復(fù)合絕緣間隙在交流電壓下的耐壓特性。在工頻耐壓試驗(yàn)時(shí)借助攝像儀觀察到兩種放電發(fā)展路徑，分別為典型擊穿路徑和最短擊穿路徑，如圖1所示，可以看出典型擊穿路徑包含一段隔板沿面放電路徑，然而該文獻(xiàn)并沒(méi)有進(jìn)一步研究隔板沿面放電與系統(tǒng)工頻耐壓特性的關(guān)系。

圖1 典型擊穿路徑與最短擊穿路徑

本文基于氣固復(fù)合絕緣系統(tǒng)的典型擊穿路徑，研究了隔板沿面閃絡(luò)與氣固復(fù)合絕緣系統(tǒng)工頻耐壓特性的關(guān)系。首先基于等效擊穿路徑的方法，將典型擊穿路徑等效成空氣絕緣間隙放電和隔板沿面閃絡(luò)兩部分，然后基于路徑平均電場(chǎng)強(qiáng)度研究了擊穿路徑的平均電場(chǎng)強(qiáng)度分布規(guī)律，最后討論了本研究結(jié)果的工程應(yīng)用情況。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 等效擊穿路徑設(shè)計(jì)

擊穿路徑等效的基本思想示意圖如圖2所示?；诘湫蛽舸┞窂?，將氣固復(fù)合絕緣間隙的耐壓水平等效為空氣絕緣間隙與隔板沿面閃絡(luò)兩部分的耐 壓水平之和。其中，圖2a為氣固復(fù)合絕緣間隙典型擊穿路徑示意圖，棒電極頭部到隔板中心的放電路徑為l1，隔板中心到隔板邊緣的放電路徑為l2，隔板邊緣到接地電極的路徑為l3。圖2b為等長(zhǎng)擊穿路徑的隔板沿面閃絡(luò)路徑示意圖，沿面閃絡(luò)路徑l2與氣固復(fù)合絕緣間隙的隔板沿面放電路徑相等。圖2c為等長(zhǎng)擊穿路徑的空氣絕緣間隙示意圖，其中空氣絕緣間隙的間距等于氣固復(fù)合絕緣間隙擊穿路徑l1和l3的長(zhǎng)度之和。

圖2 擊穿路徑等效方法示意圖

2.2 擊穿電壓試驗(yàn)平臺(tái)

氣固復(fù)合絕緣間隙工頻耐壓特性試驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示。其中，棒電極如圖4a所示，其尖端半徑為0.5 cm，將隔板放置在棒-板間隙的不同位置。其中，以1 cm為間隔，d取2～5 cm四種長(zhǎng)度，a取1～4 cm四種長(zhǎng)度，且在同一組絕緣系統(tǒng)中，a始終小于d。隔板的材料為聚氯乙烯，厚度為0.3 cm，隔板尺寸為邊長(zhǎng)L的正方形，以2 cm為間隔，L取8～12 cm共三種尺寸。

試驗(yàn)開(kāi)始前使用酒精清潔電極結(jié)構(gòu)表面污穢。試驗(yàn)時(shí)在電極間施加勻速升壓的工頻電壓，升壓速度為2 kV/s。在間隙擊穿后，記錄此時(shí)的擊穿電值。氣固復(fù)合絕緣間隙每組試驗(yàn)均進(jìn)行10次，以這10次電壓值的平均值作為對(duì)應(yīng)間隙的工頻擊穿電壓。試驗(yàn)期間氣壓為(1 003.1±3.3) hPa，氣溫為(304.0±1.0) K，相對(duì)濕度為(72.5±2.5%) RH，試驗(yàn)結(jié)束后把試驗(yàn)結(jié)果修正到標(biāo)準(zhǔn)狀況。

隔板沿面閃絡(luò)的試驗(yàn)平臺(tái)與圖3類(lèi)似，區(qū)別在于電極系統(tǒng)改為圖2b所示的隔板沿面閃絡(luò)電極系統(tǒng)。其中，如圖4b所示，將高壓棒電極的半球尖端切除，使其變成圓柱形電極。圓柱與端部的倒角曲率半徑小于0.1 mm，依靠圓柱電極自身重力緊靠隔板。以2 cm為間隔，隔板邊長(zhǎng)L取8～18 cm共六種尺寸，試驗(yàn)時(shí)隔板放置于平板接地極上。為獲取隔板沿面的放電路徑，放置兩臺(tái)攝像儀觀察沿面閃絡(luò)路徑。

圖3 氣固復(fù)合絕緣間隙工頻擊穿電壓試驗(yàn)平臺(tái)

圖4 電極形狀示意圖

試驗(yàn)步驟與氣固復(fù)合絕緣系統(tǒng)耐壓特性試驗(yàn)類(lèi)似，區(qū)別在于每次試驗(yàn)還需要通過(guò)攝像儀記錄閃絡(luò)路徑，每種隔板進(jìn)行20次閃絡(luò)試驗(yàn)。每組試驗(yàn)結(jié)束后，更換不同尺寸的隔板，得到不同擊穿路徑下的隔板沿面閃絡(luò)電壓。試驗(yàn)期間氣溫為(307.35±0.4) K，相對(duì)濕度為(55±2%) RH，大氣壓強(qiáng)為(1 007.6±1) hPa。

2.3 平均電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算

氣固復(fù)合絕緣間隙的有限元仿真模型如圖5左側(cè)所示。使用Flux軟件進(jìn)行電場(chǎng)計(jì)算，電極結(jié)構(gòu)尺寸與試驗(yàn)參數(shù)一致。其中，均壓環(huán)用于改善棒電極上方的電場(chǎng)分布情況，模型空氣域的大小為邊長(zhǎng)130 cm的正方體。邊界條件設(shè)定如下：高壓電極1 kV，接地電極0 kV。仿真計(jì)算不同a、d和L共30組絕緣間隙的電位分布。此外，假定的擊穿路徑為典型擊穿路徑。以d=5 cm，a=2 cm，L=10 cm為例的有限元仿真結(jié)果如圖5右側(cè)所示，取假定擊穿路徑的電位值作為擊穿路徑上的電位分布。

圖5 氣固復(fù)合絕緣間隙模型及電位仿真結(jié)果

沿?fù)舸┞窂降钠骄妶?chǎng)強(qiáng)度計(jì)算方法如圖6所示。利用有限元的電位仿真結(jié)果沿?fù)舸┞窂教崛‰娢恢?，將各段路徑的電?shì)差除以路徑長(zhǎng)度得到路徑的平均電場(chǎng)強(qiáng)度。其中，El1為路徑l1的平均電場(chǎng)強(qiáng)度；El2為隔板沿面路徑l2的平均電場(chǎng)強(qiáng)度；El3為路徑l3的平均電場(chǎng)強(qiáng)度。由于電場(chǎng)強(qiáng)度是電位的梯度，平均場(chǎng)強(qiáng)與外加電壓成正比，因此將試驗(yàn)得到的擊穿電壓值乘以仿真得到的平均場(chǎng)強(qiáng)，計(jì)算得到擊穿前的路徑平均場(chǎng)強(qiáng)。下文考慮的平均場(chǎng)強(qiáng)均為棒電極外加擊穿電壓下的平均場(chǎng)強(qiáng)。

圖6 擊穿路徑的平均電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算方法

3 結(jié)果與分析

3.1 隔板沿面閃絡(luò)特性

隔板沿面閃絡(luò)電壓與沿面擊穿路徑長(zhǎng)度l2的關(guān)系如圖7所示。從圖7可以看出，隨著l2的增大，沿面閃絡(luò)電壓UC也隨之增大。其中，l2為3.5 cm時(shí)UC為21.72 kV。隨著l2從3.5 cm增加到4.5 cm，UC只有小幅增加。l2從4.5 cm增加到7.5 cm，UC的增加較明顯。在l2等于7.5 cm時(shí)，UC為27.18 kV。l2等于7.5 cm和8.5 cm時(shí)，UC沒(méi)有明顯變化。此外，連續(xù)重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果波動(dòng)性較大，最大極差出現(xiàn)在l2為3.5 cm處，其值為5.3 kV。l2為5.5 cm處的極差最小為3.1 kV。

圖7 隔板沿面工頻擊穿特性

攝像儀對(duì)擊穿路徑的捕捉結(jié)果如圖8所示。對(duì)每種隔板尺寸的沿面放電試驗(yàn)，本文僅出示其中的1次路徑拍攝圖片。從圖8可以看出，不同隔板尺寸的沿面放電路徑均與假定的擊穿路徑基本一致，即放電沿著隔板表面最短路徑向接地極發(fā)展。

圖8 隔板沿面放電路徑拍攝結(jié)果

3.2 氣固復(fù)合絕緣間隙的耐壓特性

利用等效擊穿路徑計(jì)算氣固復(fù)合絕緣間隙的擊穿電壓，其中隔板沿面閃絡(luò)路徑l2的擊穿電壓通過(guò)試驗(yàn)得到；空氣間隙路徑l1+l3的擊穿電壓利用復(fù)合擊穿判據(jù)計(jì)算得到[23]。

利用等效擊穿路徑得到的等效擊穿電壓與試驗(yàn)值對(duì)比如圖9所示。在隔板位置為a=1 cm和b=1 cm兩種情況下，改變間距d，得到氣固復(fù)合絕緣間隙工頻擊穿電壓曲線(xiàn)。從圖9可以看出，隔板位置的變化不會(huì)導(dǎo)致等效路徑計(jì)算的擊穿電壓變化，且計(jì)算結(jié)果均大于實(shí)際的擊穿電壓。其中，隔板邊長(zhǎng)為8 cm時(shí)，擊穿電壓計(jì)算值隨著間距的增大而增大，其增大的速度與b=1 cm的試驗(yàn)結(jié)果較為一致，但數(shù)值上相差15 kV左右，而a=1 cm時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果的增大速度比計(jì)算值要快得多。隔板邊長(zhǎng)為10 cm和12 cm的結(jié)果與8 cm的結(jié)果有著類(lèi)似的規(guī)律。區(qū)別在于，計(jì)算結(jié)果與b=1 cm的試驗(yàn)結(jié)果分別相差14 kV和12 kV左右?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著間距的增大，擊穿電壓計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值的差值越來(lái)越小。此外，隔 板邊長(zhǎng)12 cm且間距為5 cm時(shí)，a=1 cm的試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本一致。

圖9 工頻擊穿電壓試驗(yàn)值與等效計(jì)算結(jié)果對(duì)比

考慮電場(chǎng)分布對(duì)擊穿電壓的影響，將等長(zhǎng)路徑的擊穿電壓計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值存在差距的原因歸結(jié)如下：隔板放置位置的不同不會(huì)改變典型擊穿路徑的長(zhǎng)度，因此相同間距不同隔板位置下?lián)舸╇妷旱挠?jì)算結(jié)果不會(huì)改變；路徑l1和l3并不是連續(xù)的路徑，l3的電場(chǎng)強(qiáng)度比等長(zhǎng)路徑下空氣絕緣間隙的電場(chǎng)要小得多；將放電路徑等效為隔板沿面放電與空氣絕緣間隙擊穿時(shí)，計(jì)算結(jié)果包含兩次擊穿電壓起始值，而實(shí)際只有一次，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果比試驗(yàn)值大得多；隔板在不同位置其表面電荷并不相同，隔板越接近高壓棒電極，隔板表面的電荷密度越大，對(duì)擊穿電壓的影響也越大?？偠灾?，典型擊穿路徑無(wú)法直接等效，因此后續(xù)考慮對(duì)路徑的平均電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行分析。

3.3 平均電場(chǎng)強(qiáng)度分析

外加擊穿電壓下，路徑l1的平均電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出，El1隨著隔板尺寸的增大也隨之增大，間距對(duì)El1的影響在a=1 cm和b=1 cm時(shí)表現(xiàn)出不同規(guī)律。其中，a=1 cm時(shí)El1隨著間距的增大也隨之略微增大，隔板邊長(zhǎng)L=12 cm時(shí)，El1從26.7 kV/cm增大到31.2 kV/cm；而b=1 cm時(shí)El1隨著間距增大快速減小，當(dāng)L=8 cm時(shí)，從21.5 kV/cm左右減小到7.2 kV/cm左右。

圖10 路徑l1的平均電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

擊穿電壓下的路徑l2的平均電場(chǎng)強(qiáng)度如圖11所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隔板尺寸的變化對(duì)沿面所能承受的平均電場(chǎng)El2沒(méi)有明顯的影響，間距對(duì)El2的影響在a=1 cm和b=1 cm表現(xiàn)出不同規(guī)律。其中，a=1 cm時(shí)，El2隨著間距的增大而增大，從0.84 kV/cm左右增大到1.59 kV/cm左右；而b=1 cm時(shí)，El2隨著間距的增大而減小。此外，隨著隔板尺寸的增大，El2的變化幅度越來(lái)越小，有接近飽和的趨勢(shì)。

圖11 路徑l2的平均電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

擊穿電壓下的路徑l3的平均電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖12所示。從圖12可以看出，大部分情況下，El3隨著隔板尺寸的增大而減小，但在間距為5 cm時(shí)El3的變化表現(xiàn)出不同規(guī)律。其中，a=1 cm時(shí)，隨著間距的增大El3增大，但間距等于5 cm時(shí)邊長(zhǎng)為8 cm和10 cm隔板的El3則有所下降；b=1 cm時(shí)，El3隨著間距的增大而減小，但在間距為5 cm處邊長(zhǎng)為12 cm隔板的El3則呈現(xiàn)略微上升趨勢(shì)。

圖12 路徑l3的平均電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

4 討論

對(duì)典型擊穿路徑的平均電場(chǎng)分析可知，隔板位置和間距不變時(shí)，隔板沿面路徑l2的平均電場(chǎng)隨著隔板尺寸的變化并沒(méi)有明顯改變。意味著不管隔板尺寸如何，只要隔板沿面路徑的平均電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到某一閾值后，間隙就會(huì)擊穿。該特性可應(yīng)用于預(yù)測(cè)隔板尺寸改變后的氣固復(fù)合絕緣間隙擊穿特性。具體預(yù)測(cè)步驟如下所示。

(1) 結(jié)合有限元仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算外加擊穿電壓下某一隔板尺寸的隔板路徑平均電場(chǎng)強(qiáng) 度El2。

(2) 通過(guò)有限元仿真計(jì)算外加1 kV電壓下任意隔板尺寸的El2′，外加擊穿電壓下的El2與El2′的比值即為該隔板尺寸的擊穿電壓。

基于隔板邊長(zhǎng)為8 cm的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用不同尺寸隔板承受的平均電場(chǎng)強(qiáng)度相同這一特性，對(duì)隔板邊長(zhǎng)10 cm和12 cm的氣固復(fù)合絕緣間隙擊穿電壓進(jìn)行預(yù)測(cè)。

基于隔板平均電場(chǎng)強(qiáng)度恒定的氣固復(fù)合絕緣間隙擊穿電壓計(jì)算結(jié)果如圖13所示。從圖13可以看出，a=1 cm時(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)值取得良好的一致，然而當(dāng)b=1 cm時(shí)，隨著間距的增大預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)值的偏差也不斷增大。其中a=1 cm時(shí)，相對(duì)誤差最大值僅為3.55%；而b=1 cm時(shí)，相對(duì)誤差最大值達(dá)到48.46%。

圖13 擊穿電壓的預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)值的對(duì)比

當(dāng)b=1 cm時(shí)不同尺寸的隔板承受的平均電場(chǎng)強(qiáng)度El2較為一致，且El2值較小，在0.1 kV/cm左右。因此利用不同隔板尺寸平均電場(chǎng)恒定的特性計(jì)算氣固復(fù)合絕緣間隙的擊穿電壓時(shí)，當(dāng)El2大于0.5 kV/cm時(shí)會(huì)有較好的預(yù)測(cè)結(jié)果。隨著隔板越接近地電極，El2不斷減小，預(yù)測(cè)結(jié)果的偏差會(huì)不斷增大。

5 結(jié)論

本文考慮隔板沿面放電研究氣固復(fù)合絕緣間隙典型擊穿路徑的等效分析方法，并對(duì)典型擊穿路徑的平均電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，得到如下結(jié)論。

(1) 隔板沿面閃絡(luò)電壓隨著隔板尺寸的增大而增大，與空氣絕緣間隙相比，隔板沿面閃絡(luò)電壓的波動(dòng)性較大。

(2) 利用等長(zhǎng)擊穿路徑將氣固復(fù)合絕緣間隙等效成空氣絕緣間隙擊穿和隔板沿面閃絡(luò)，等效路徑的擊穿電壓計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值存在偏差，隔板在不同位置承受的電壓并不相同，即無(wú)法從典型擊穿路徑直接進(jìn)行等效。

(3) 高壓電極外加擊穿電壓時(shí)，相同隔板位置下，不同隔板尺寸的沿面放電路徑承受的平均電場(chǎng)強(qiáng)度基本相同。表明不同尺寸隔板的平均電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到閾值時(shí)，間隙就會(huì)擊穿。該特性可以作為氣固復(fù)合絕緣間隙發(fā)生擊穿的判據(jù)。

(4) 利用隔板平均場(chǎng)強(qiáng)恒定預(yù)測(cè)氣固復(fù)合絕緣間隙擊穿電壓時(shí)，要考慮隔板承受的平均電場(chǎng)強(qiáng)度El2的大小對(duì)預(yù)測(cè)精度的影響。當(dāng)El2大于0.5 kV/cm時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)值較為一致。