表面涂覆对直流条件下盆式绝缘子电荷特性的影响

高 翔 王亚祥 袁端鹏 张 佩 陈 蕊 司晓闯

（1.河南平高电气股份有限公司，河南 平顶山 467001；2.平高集团有限公司，河南 平顶山 467001）

0 引言

随着经济的快速发展及用户对电能使用要求的不断提高，直流输电技术在电能远距离传输中的应用也日益广泛。与传统交流输电相比，直流输电不仅可增加传输容量与传输距离、降低线路损耗、解决系统同步运行的稳定性问题，还将可再生能源与传统能源广域互联，充分提高可再生能源的利用率［1-2］。但在盆式绝缘子结构设计方面，与交流盆式绝缘子相比，直流盆式绝缘子表面更易产生电荷积聚，使原有电场分布发生畸变，降低绝缘子的沿面闪络电压［3-5］。

国内外研究表明，在直流电压下，绝缘子表面电荷主要沿表面消散和向周围气体消散。因此，在保证具备足够电气强度的前提下，适当降低绝缘子表面的电阻率，增加电荷沿表面消散的电导电流密度，有利于降低绝缘部件表面电荷积聚，加速电荷的消散，降低闪络和击穿风险［6-7］。

近年来，通过涂覆技术在盆式绝缘子表面涂抹环氧树脂的方式来抑制表面电荷积聚，从而提高闪络电压，被众多研究人员所证明［8-9］。

本研究通过对表面涂覆一种含TiO2成分的环氧树脂涂层的盆式绝缘子，在直流条件下对电荷积聚情况进行测量试验研究，获得表面涂覆对盆式绝缘子直流条件下的电荷特性。

1 试验平台介绍

1.1 试验装置结构

表面电荷测量试验平台如图1所示，该平台中的直流高压发生器产生直流高压，经过保护电阻后可施加到GIS的中心电极上，整个测量系统都置于密封罐体中，罐体可承受气体压力为0.4 MPa，测量信号和控制信号均通过真空密封的航空插头转接。在中心电极末端安装有被测的盆式绝缘子。表面电荷测量装置安装在被测盆式绝缘子后端，装置内充入气压为0.33 MPa的纯净SF6气体，装置外壳接地。

图1 表面电荷测量系统示意图

为了能够对盆式绝缘子的表面进行扫描测量，获得其表面的电荷分布，本研究采用四轴三维测量机构来操控静电探头。四轴三维测量机构包含一组轴向导轨、一组径向导轨、一个可360°旋转的底座和一个探头夹持的旋转机构。轴向导轨可实现测量臂沿罐体轴线方向靠近或远离盆式绝缘子的待测表面，径向导轨可实现测量臂沿盆式绝缘子在径向方向移动，旋转底座可实现测量机构在测量圆周上的旋转，而探头夹持旋转机构可控制探头旋转一定角度，从而实现对姿态的调整。四个轴均由伺服电机控制，控制系统采用华中数控HNC-08M系统，操纵机构的机械运动可用PLC语言进行编程控制，机械操控的定位精度为±0.1 mm。

1.2 试验用绝缘子

试验主体是直流盆式绝缘子缩比样件，盆子结构与绝缘材料基体保持一致，其中一种盆子表面未处理，另外一种盆子表面涂有含TiO2成分的环氧树脂涂层（见图2）。

图2 试验用盆式绝缘子样件

图2左侧为涂覆含TiO2成分的环氧树脂涂层的盆子样件，右侧为未涂覆环氧树脂涂层的盆子样件。盆子样件在涂覆后，其表面电阻率较涂覆前下降3个数量级。

2 涂覆前表面电荷积聚情况

2.1 不同加压时间下的电荷积聚情况

盆式绝缘子的环氧材料参数决定了其表面电荷积聚的特性，该盆式绝缘子的电荷积聚饱和时间大致为几十分钟，因此，本研究设定的加压时间为10 min、30 min、60 min、120 min。在预试验过程中发现，施加直流电压小于80 kV时，盆式绝缘子表面基本没有电荷积聚，因此，施加的电压幅值最低为80 kV，最终设定加压范围为80 kV、100 kV、125 kV、150 kV、175 kV和200 kV。

图3和图4为不同加压时间下的绝缘子表面电荷积聚情况，绝缘子的中心为坐标原点，测量得到绝缘子凹面侧的表面电荷积聚，标尺中深色为正电荷密度，浅色为负电荷密度，单位为µC/m2，电荷分布形态均由点状发展为片状。选取具有代表性的80 kV和200 kV时的电荷积聚随时间的变化图。

图3为80 kV下不同加压时间的电荷积聚实测图（为了使颜色图显示更加明显，电荷密度的坐标刻度不同），图5为不同电压下表面电荷平均密度随时间的变化趋势，通过两组图可以发现，在80 kV下主要积聚负电荷，负电荷密度在绝缘子表面分布较为均匀，1～60 min时绝缘子表面主要积聚负电荷，无明显的正电荷积聚区域；在120 min时出现小范围正电荷集聚区域，最大值超过1µC/m2，但其他区域仍主要积聚负电荷，此时平均电荷密度为-0.03µC/m2，最大负电荷密度可达-0.5µC/m2。

图3 80 kV下不同时间的表面电荷积聚情况

图4为200 kV下不同加压时间的电荷积聚实测图，并结合图5可以看出，在200 kV下，绝缘子表面主要积聚正电荷，无负电荷积聚，有明显的正电荷积聚区域，但分布不均匀，正电荷集聚区域随着时间变化而变化；在靠近高压电极处的正电荷密度较高，靠近接地电极的电荷密度较低，在120 min时平均电荷密度为1.74µC/m2，最大电荷密度可达10µC/m2。

图4 200 kV下不同时间的表面电荷积聚情况

2.2 不同加压幅值下的电荷积聚情况

由2.1可知，盆式绝缘子的表面电荷积聚在60 min时达到饱和，60 min后盆式绝缘子的表面电荷密度基本不再增加，因此，本研究绘制了在60 min时80 kV、100 kV、125 kV、150 kV、175 kV和200 kV电压下的电荷分布图（每张图电荷密度坐标轴刻度不一致）。

由图5和图6可以看出，处在较低电压（80 kV、100 kV）时，绝缘子表面主要积聚负电荷，基本没有正电荷积聚，整体分布比较均匀，靠近高压电极处的电荷密度较大，靠近接地电极的电荷密度较小；处在较高电压（125～200 kV）时，绝缘子表面主要积聚正电荷，并在靠近高压电极处有明显的正电荷积聚区域，且随着电压幅值的增加，正电荷积聚区域变大，并向外壳的方向扩散，在靠近高压电极处积聚正电荷，靠近接地电极处积聚少量负电荷，在电压达到200 kV时，整个绝缘子表面全为正电荷。

图5 表面电荷密度随时间变化趋势

图6 60 min时不同电压下表面电荷分布图

3 涂覆后表面电荷积聚情况

涂覆后的盆式绝缘子的电荷分布测量方法与之前的测量方法相同，对涂覆前后的测量结果和分布特性进行分析可知，电荷的分布具有随机性和饱和性，其电荷密度与盆子的表面电导率和介电常数有关。因此，涂覆改性材料后的盆式绝缘子的电荷分布也会发生变化。

图7为涂覆环氧树脂涂层后200 kV下的不同加压时间的电荷积聚实测图，其电荷的分布规律与未涂覆前基本一致，在靠近高压电极处的正电荷密度较高，靠近接地电极处的电荷密度较低。在120 min时平均电荷密度为1.02µC/m2，最大电荷密度可达6.5µC/m2。

4 结语

通过图7与图6对比可知，200 kV时涂覆前的平均电荷密度为1.47µC/m2，最大电荷密度可达10µC/m2，而涂覆后的平均电荷密度为1.12µC/m2，最大电荷密度可达6.5µC/m2，此时平均电荷密度下降30.6%，最大电荷密度下降35%。涂覆后盆式绝缘子的平均电荷密度和最大电荷密度均下降30%以上。

图7 涂覆后200 kV下不同时间的表面电荷积聚情况

通过对盆子表面进行涂覆处理来降低盆子表面的电阻率，可较大幅度地降低最大电荷密度，平均电荷密度的下降会增加沿面闪络发展过程的难度，因此，电荷密度的下降会使沿面闪电压提升。