表面电荷对SF６中绝缘子沿面放电的影响

摘　要　通过直流电晕放电将正、负极性电荷附到绝缘子表面，然后将电压从直流快速切换成雷电波或陡波，研究SF６气体中绝缘子沿面闪络特性。实验结果表明，绝缘子表面电荷极性对冲击电压下的闪络电压有极大的影响。
关键词　表面电荷　闪络电压　快速暂态过电压
分类号　TM213； TM216＋.3　　　文献标识码　A

Effect of Surface Charge Accumulation on Flashover Voltages of Insulator in SF６
Abstract　The positive or negative charges is injected into the spacer surface by DC corona discharges, and the flashover characteristics are investigated by a sudden change from DC to lightning or steep-fronted impulse in presence of a conducting-particle attached on spacer in SF６. Experimental results shows that the polarity of surface charges has a great influence on impulse flashover voltages.
Key words　surface charges　flashover voltages　VFTO
0　引　言
　　支撑绝缘子表面闪络是GIS中一种常见事故，绝缘子表面电荷积聚是影响闪络非常重要的因素。GIS中有局部放电及固体绝缘子与气体界面上电场存在法向分量时，都会造成绝缘子表面电荷积聚［1］。特别是GIS中不可避免存在的各种金属微粒在电场作用下运动并附着于绝缘子表面，导致大量表面电荷的形成，改变了表面电场分布并大大降低沿面闪络电压［2］。
　　随着GIS电压等级的提高，其隔离开关切合操作产生的快速暂态过电压(VFTO)造成的绝缘击穿事故也越来越多，研究GIS在VFTO下的绝缘击穿成为80年代以来国际高压领域中的一个重要课题［3，4］。过去研究表明，VFTO作用下绝缘子表面缺陷(污秽、表面电荷积聚，附着金属微粒等)可能是造成GIS绝缘击穿的主要原因。但由于现有数据分散性很大，迄今未有明确的结论。为此，本文在SF６气体中绝缘子表面粘一细针尖来模拟实际绝缘子有金属微粒附着的情况，并利用预加直流电压使针尖附近绝缘子表面积聚电荷［5］，在表面电荷没被中和之前将直流切换成雷电冲击或陡波来研究绝缘子沿面闪络特性。
1　试验装置
　　在图1的电极结构中，上下金属铜电极直径为50 mm，极间为表面未吸附电荷的干净圆柱形聚四氟乙烯绝缘子。一根长10 mm、直径0.5 mm的金属细针粘在绝缘子表面并与上电极接触。实验时金属罐中SF６气压为0.1或0.5 MPa。
　　试验电路见图2。每次试验中加正、负极性直流高压5 min以使针尖电晕放电，在绝缘子表面吸附上电荷，然后利用机械开关将试验装置的接线由直流侧切换到冲击侧，同时启动触发电路产生冲击电压。电压由直流到冲击的切换时间≤0.5 s。试验中，利用陡化开关可产生前沿为50 ns的陡波；靠改变波前电阻可得到波头时间分别为0.3、0.6、0.9、1.2 μs，波尾为50 μs的冲击波。测量系统由带宽400 MHz的数字存储示波器和响应时间<4 ns的电阻分压器组成。电晕电流信号由电极低压测与地之间所串的50 Ω电阻来取样。


图1　测试电极系统


图2　试验线路
2　试验结果
2.1　电晕放电电流
　　有、无绝缘子时直流电晕电流随电压变化规律的试验结果见图3，可见存在绝缘子时针尖起晕电压比无绝缘子时低，而且电晕电流分散性大。试验中发现施加直流电压保持一定时，随施加电压时间的延长，电晕电流降低，最后趋于稳定。这是由于针尖起晕后，大量离子聚集到针尖附近的绝缘子表面，离子的极性与针尖上电压极性相同，导致针尖附近电场降低，电晕电流减弱，甚至停止，此时需增加电压，电晕放电又从新开始。


图3　电晕电流与电压关系曲线(p=0.1 MPa)
2.2　闪络电压
　　正、负极性陡波和波头时间tｒ为1.2 μs雷电波的闪络电压与预加直流的关系见图4。可见向绝缘子/SF６界面注入与冲击电压同极性的电荷时，绝缘子沿面闪络电压没有明显变化；而向界面注入与冲击电压相反极性的电荷时，闪络电压呈下降趋势。
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