GIS盆式绝缘子的研究现状

——绝缘子表面积聚特性的研究

摘要

GIS由于其占地面积少，绝缘性能好等优点已经广泛应用于我国各个城市的变电站中。GIS主要承受交流电压和冲击电压，在这些电压的作用下绝缘子表面会积聚电荷，表面电荷的存在不仅会畸变场强，更为沿面闪络提供了电荷，是造成绝缘子表面闪络的主要原因。因此研究盆式绝缘子在交流电压及冲击电压下的电荷积聚特性对解决一些不明原因的GIS的闪络事故，提高GIS运行的可靠性，提高GIS制造技术具有重要意义。

本文简介了盆式绝缘子表面电荷测量试验平台，研究了在交流电压、冲击电压下的特性。研究发现在交流电压作用下绝缘子表面主要积聚负电荷，且在较高电压作用下，表面电荷随时间的累积效应比较明显。在冲击电压作用下，绝缘子表面主要积聚负电荷，而且表面电荷随时间作用次数的累积效应比较明显。通过实验结果的了解，表面电荷的来源应为绝缘子表面或电极表面缺陷造成的微观放电，所以造成盆式绝缘子表面电荷分布呈整体均匀，但局部偶尔出现尖峰的特点。

最后对绝缘子表面电荷积聚机理进行了讨论，发现电介质在电场方向不均匀即Object:word/embeddings/oleObject1.bin是积聚电荷的根本原因，电场强度E，介电常数Object:word/embeddings/oleObject2.bin，电导率Object:word/embeddings/oleObject3.bin是与电荷积聚直接相关的三个因素，在不同绝缘介质交界面法向场强不为零的地方就会积聚表面电荷。

关键词：气体绝缘变电站（GIS），盆式绝缘子，表面电荷，积聚特性及机理，交流、冲击电压

一、课题背景及研究的目的及意义

GIS全称为气体绝缘组合电气设备（也称气体绝缘金属封闭开关设备），他将一座变电站中除变压器以外的一次设备，包括断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、电缆终端、进出线套管等，经优化设计有机地组合成一个整体，其间充以SF6气体作为绝缘和灭弧介质。与传统敞开式配电装置相比，GIS具有占地面积小，可靠性高，安全性高，维护工作量很小，检修周期长等优势，正逐渐成为现代变电站设备的代表，是低维护、甚至免维护、高可靠性、高安全性的象征。GIS设备子啊整个输电网中的作用越来越大，其可靠性对整个电网的影响也越来越明显。目前在我国已建或新建的KV及KV变电站多采用气体绝缘开关装置。然而，随着GIS电压等级的提高和投入系统运行台数的增多，GIS设备的内部故障也随之增多[3-7]。

国内外大量的实例表明，绝缘子沿面闪络会引起电气设备损坏或导致电力系统大面积停电[8]。年11月20日陕西电网朝阳门变电站KVGIS投运不足3个月，在正常运行条件下，朝西开关母线侧盆式绝缘发生沿面闪络事故。年营口华能电厂KVGIS（ABB制造）盆式绝缘子发生沿面闪络事故[9]。年渭南变电站KVGIS盆式绝缘子发生沿面闪络事故[10]。GIS的运行经验和理论分析表明[11]，沿GIS支撑绝缘子的表面闪络是一种常见的故障，为保障电网运行的可靠性、提高我国GIS设备自主制造水平和运行水平，对绝缘子沿面放电现象进行研究有着重要的理论和实际意义。

影响绝缘子沿面闪络的因素比较多，国内外学者研究表明[12-13]，绝缘子表面电荷的积聚是影响支撑绝缘子表面闪络的一个非常重要的因素。对营口发电厂绝缘子沿面闪络分析，明确指出该事故是由于表面电荷积聚引起绝缘子沿面闪络电压下降所致[9]。当绝缘子表面积聚了大量的电荷时，这些电荷就会改变绝缘子表面的电场分布，如果介质表面较长时间内一直积聚有电荷，则会使沿面闪络电压下降，甚至会减小30%左右[12,13]。

20世纪90年代，研究者发现在交流输电系统中，由于隔离开关开断后GIS母线上的残余电压可以导致母线段绝缘子承受近0.8pu的直流电压，会导致盆式绝缘子表面积聚大量电荷，而隔离开关和断路器操作产生的VFTO（VeryFastTransientOvervoltage），会严重威胁GIS及连接设备的安全运行[14]。根据国际大电网会议（CIGRE）对-年不同电压等级的GIS绝缘故障的统计，随着电压的升高，故障率明显增大，其原因与高电压等级的GIS开关操作引起的VFTO有关[15]。当绝缘子上积聚的表面电荷与VFTO极性相反时，绝缘子表面会增强VFTO产生的电场从而使绝缘子沿面闪络电压大幅度降低[16]。

盆式绝缘子是GIS的重要组成部件，它有两大功能：一是联系高电位部件与地电位外壳，起着支撑与对地绝缘的作用；二是连接断口间的动触头及静触头相应元件，起着连接与断口绝缘的作用。大气中的绝缘件比较注意沿面放电的距离，因此，随着电压等级的升高，绝缘件变得更“细长”。但是，SF6气体中的绝缘件在进行结构设计时，考虑更多的是电场分布的均匀性、受两端电极形状影响的电极耐受最大冲击场强的能力，以及绝缘件表面场强、绝缘件内部工作场强和支撑绝缘件的壳体表面场强。如下为GIS盆式绝缘子图片：

图1GIS开关常用盆式绝缘子图2与断路器相隔盆式绝缘子被电弧烧伤熏黑

二、国内外研究现状

2.1GIS中盆式绝缘子表面放电特性研究

盆式绝缘子是GIS中重要的组成部分，起着电气绝缘、机械固定和隔离气室的作用，长期承受着高气压、高电压的作用[1]。其爬电距离不长，要求表面洁净，不能受到污染，但是在实际工程中很难消除安装过程中残留的金属颗粒，这种缺陷是非常有害的，笔者针对这个问题作了如下工作：1、构建了kV的GIS实体模型，在盆式绝缘子上设置了固定金属颗粒；2、利用紫外成像仪、超声检测系统和脉冲电流对局部放电的整体过程进行了记录；3、对数据进行了分析处理，得到了盆式绝缘子表面放电的相关特性。

从上述试验中获得以下数据：

从表1及后续实验可知：

（1）随着电压的增加，紫外光子数、脉冲电压幅值和超声波信号幅值均出现增加趋势；

（2）紫外线光子数表现出了“饱和”特性，当电压加到68kV之后，继续增加电压，紫外光子数增加不明显；

（3）超声波信号幅值，50kV之前，变化很小，但是当电压增加到60kV后，这个时候放电剧烈超声波幅值增加很快，但是绝对值仍然很小。

机理分析：

GIS中局部放电时，Object:word/embeddings/oleObject4.bin处于弱电离状态。弱电离气体中，中性气体占据优势地位，离子和电子都被迫随着中性分子一起运动，从这一观点来看，带电粒子的存在是无关紧要的，但是，带电粒子从外加场强汲取能量，并将这能量的一部分传递给中性气体，这样就可以导致中性气体中声发生和声放大。

由于盆式绝缘子表面放电造成GIS中Object:word/embeddings/oleObject5.bin气体处于弱电离状态，各气体成分的稳定温度差别很大，电子温度比离子温度和中性气体成分的连续能流，如使这种能量传递随着时间变化，在中性气体中就会发生声音。

在弱电离气体中，大部分是中性分子，只有极小部分电离，电子在外电场作用下，逐渐在电场方向加速，经过一段距离，与中性分子或者原子碰撞，把所得能量交于分子，又开始无规则运动，这样，电子不断从电场吸收能量，把它转变为无规则的能量，同时获得一个沿电场方向的平均漂移速度。所以，在盆式绝缘子表面，随着放电的加剧，单位体积的电子数逐步增加最终使得单位体积电子在单位时间内所吸收的能量增大，从而引起检测系统中的信号幅值增加。

结论：

（1）光是最能体现放电本质的现象，紫外成像直观地梵音了光子数的变化情况，在起始放电的时候，光子数很少，随着电压的增高，光子数也随着增加，但是存在一个“饱和”特性，这说明在盆式绝缘子缺陷局部区域里面，带电粒子的复合过程达到饱和。

（2）超声波信号幅值在整个加压过程中都呈现出增加趋势，有我超声波产生机理可知，在盆式绝缘子缺陷处，随着放电的加剧，带电粒子的碰撞更加激烈，发热增加，导致局部区域的体积急剧增大，压力增大导致超声信号不断加强。

2.2绝缘子表面电荷测量方法研究现状

绝缘子表面电荷的测量属于静电测量的范畴，不能用传统的电工仪表进行测量，常用的测量方法有：粉尘图法，电容探头法和基于Pockels效应的光测量方法[2]。

（一）粉尘图法

粉尘图法最初由Lichtenberg于年提出，其原理是某些带电的有色固体会与绝缘子表面的电荷发生吸附效应。当这些特殊的固体粉末喷洒在介质表面时，可以根据介质表面的电荷极性及电荷分布。

优点:观察介质表面电荷分布很直观，可以通过选择不同的粉末区分电荷极性。

缺点：每喷洒一次只能测量一次表面电荷，且喷洒的粉末可能影响介质表面的电荷分布。粉尘图法不能对介质表面的电荷进行定量测量。另外对于气体绝缘或真空绝缘的电力设备，使用该法测量时需要把气罐或真空装置打开，因此非常不便。

（二）电容探头法

可分为动电容探头法和静电容探头法。动电容探头法实际是将静电信号转化为动态信号进行测量，因此不用考虑前置放大器的输入偏置电流对运放输出的影响。但由于受探针面积较小及探头运动幅度不可能很大的限制，电容探头在运动过程中探针与绝缘子表面的电容变化非常小，为了提高系统的分辨率，要求电容探头本身的电容以及测试线路的入口电容极为稳定，这在探头高速振动过程中难以实现。另外由于在测量时探头是振动的，对于一些形状比较复杂的绝缘子，这种方法的应用收到了一些限制。由于近年来高输入阻抗，低输入偏置电流的运算放大器的发展，动电容探头法由于其自身的局限性被淘汰，静电容探头法是目前国际上表面点和测量领域中使用较为广泛的方法。静电容探头法主要由内部感应导体和外部接地屏蔽保护层组成。测量时将探头靠近待测介质表面并保持距离不变。介质表面的电荷会在感应导体上激发感应电压，通过测取该电压值即可获得表面电荷的相关信息。

（三）基于Pockels效应的光测量方法

Pockels效应即线性光电效应。对于不具有对称中心的晶体来说，当其处在电场中时，其折射率的变化与所加电场强度成正比关系，在电场不太强时已经表现得比较明显，因而可以通过测量电场作用下晶体折射率的变化来反映电场的变化。

2.3绝缘子表面电荷研究采用的电极结构

电极结构对于绝缘子表面电荷的研究起根本性的作用。国内外采用的电极结构主要有以下几种[2]：

（1）平型平板型电极结构

高电压电极和地电极彼此平放置，在两个电极之间放置圆柱形绝缘子，该电极结构可以使绝缘子表面产生表较强的切向电场分量。实验过程中，先对高压电极施加直流，交流或者冲击电压，然后撤去电压，用电荷测量装置对决院子的表面进行全扫描。从而得到绝缘子表面的电荷分布。

（二）平面型电极结构

高压电极和低压电极极紧贴待测绝缘子的表面装置。实验过程中，先对高压电极施加直流，交流或者冲击电压，然后撤去电压，用电荷测量装置对绝缘子的表面进行全扫描，该电极结构可在待测绝缘子表面产生比较强的切向电场分量。

（三）针板型电极结构

低压电极采用平板电极，把待测的绝缘试样放置在低压电极上，高电压电极采用针尖电极。实验过程中，先对高压电极施加电压，向绝缘试样表面充电。然后撤去电压，用电荷测量装置对绝缘子的表面进行全扫描。该电极结构可在待测绝缘子表面产生较强的法向电场分量。

（四）实际的GIS盆式绝缘子结构

该研究采用机械装置控制探头对绝缘子表面的电位进行测量。但是该装置需要通过旋转绝缘子来完成角度方向的扫描。所以定位的精确度不是很高。

下图是装置示意图：

图3日本学者测量盆式绝缘子表面电荷示意图

2.4绝缘子表面电荷积聚特性的研究概况

加拿大学者S.E.Cherukupalli等人采用柱板型电极结构研究了在直流电压下绝缘子表面电荷随着电压幅值变化的积聚情况[2]。发现绝缘子表面电荷密度随着电压幅值的增长并不是呈单一的增长趋势，变化规律比较复杂。例如：当对电极施加负极性电压时，绝缘子靠近低压处始终积聚负电荷，但电荷密度随电压绝对值的升高呈先稳步上升，而后发生突变，再稳步回落的趋势。原因分析：此处的电荷密度突变时发生了电晕放电。对于绝缘子的其他部位来说，电荷分布随随电压的变化更为复杂，甚至出现了电荷极性反转的现象。电荷来源：在没有发生电晕放电时，气体中电子的迁移是造成绝缘子表面电荷积聚的主要原因，随着电压的升高，电极处开始出现电晕放电，而绝缘子变得粗糙处开始发生微放电，构成电荷的主要来源，从而导致了电荷积聚的复杂性。

英国学者IDChalmers等人采用平行平板电极模型研究了在直流电压下绝缘子表面电荷随加压时间的变化规律。研究发现，当对电极保持施加40kV电压时，在加压初期，绝缘子表面首先积聚正电荷，且随加压时间的增长密度不断增大，最后趋于饱和。但同时IDChalmers等人也发现，随着加压时间的继续增长，负电荷开始出现并取代正电荷，绝缘子表面呈现出既有正电荷通道，也有负电荷通道的电荷分布。因为负电荷每次都是首先在端部出现，所以认为是电极-绝缘子-空气三相结合处绝缘比较薄弱，导致气体测放电，从而导致负电荷的积聚。

2.5绝缘子表面电荷消散特性的研究概况

在撤掉外部电压后，绝缘子表面电荷仍能存在很长一段时间，给GIS的绝缘系统带来隐患，所以有必要对绝缘子表面电荷的消散特性进行研究。Chalmers等人研究发现：电荷一旦积聚在绝缘子表面，就很难消散。但是对绝缘子用紫外线光照射时，电荷将很快消散。并且对于亲水性的材料，表面电荷的小三速度要高于憎水性的材料。

RAFouracre等人研究同样表明[2]，正电荷的消散速度要大于负电荷的消散速度。可以认为：空穴的迁移率大于电子的迁移率。且发现当在绝缘子末端涂导电漆，以使绝缘子和电极之间的接触更加紧密，电荷的消散速度加快。对于在气体击穿之前，只是微放电产生的电荷来说，当撤掉实验容器并把周围气体换掉时，电荷有比较显著的消散特性。

综上，影响绝缘子表面电荷积聚和消散的因素很多。由于各个研究者采用的电极型式不同，绝缘子形状材料不同，测量环境的差异，导致结果千差外别，甚至有矛盾的地方。

2.6现有研究成果存在的问题

针对GIS盆式绝缘子表面电荷的积聚和消散特性，目前国内外的研究成果存在以下问题[2]：

1)缺乏对实际GIS盆式绝缘子表面电荷积聚和消散特性的研究，所研究的对象大部分为圆柱形绝缘子或绝缘薄膜，所得的结果可能不能准确的反映实际运行中的GIS盆式绝缘子表面电荷的分布情况。由于盆式绝缘子表面电荷形状复杂，而且GIS内部一般情况下充有4-5个大气压的SF6，所以利用静电探头对盆式绝缘子表面电荷进行测量是件难度比较大的工作。

2)现有的研究成果主要集中在直流电压作用下绝缘子表面电荷的分布特性，对于交流电压和冲击电压下GIS腔体中盆式绝缘子表面电荷积聚和消散特性研究较少。而如前所述，运行中的交流GIS有相当数量的不明原因的闪络事故，事故后将GIS解体，找不到任何故障。而将GIS装好并重新投运后，又能够正常运行。这样的事故产生，很可能是运行中的交流GIS在交流电压或者偶然遭遇的开关操作等冲击电压作用下绝缘子表面积聚了电荷，造成局部场强畸变，产生沿面放电甚至引发闪络，所以对交流电压和冲击电压下GIS盆式绝缘子表面电荷的积聚和消散特性进行研究，是很有必要的。

三、交流电压作用下绝缘子表面电荷积聚特性研究

3.1交流电压作用下绝缘子表面电荷与电压大小的关系

为了研究交流电压作用下绝缘子表面电荷与电压有效值的关系，对GIS施加有效值为5KV，10KV，20KV，30KV，40KV，50KV，60KV，70KV，80KV的交流电压，在每个电压等级下持续加压60分钟。每次实验之前用无水乙醇对绝缘子表面进行擦拭，待其干燥并冷却到室温后，用探头对绝缘子表面电位进行测量，确保此时绝缘子表面没有电荷积聚[2]。

有实验可得如下结论：

1、电压幅值提高，绝缘子表面电荷密度呈上升趋势。

原因：气-固交界面处绝缘子表面电荷的来源主要有固体介质内部电导率及介电常数不均匀产生的空间电荷，场强发射和气体侧局部放电或电晕放电产生的带电粒子三种。在交流电压作用下，电压在正负之间周期性的变化，没有稳定持续的电压作用，再加上固体介质内部带电离子缺乏，所以由固体介质内部电导率及介电常数不均匀和场强发射产生的电荷可以忽略不计，绝缘子表面电荷的来源是电极或绝缘子表面局部放电或电晕放电产生的带电粒子。局部放电或电晕放电产生的原因有以下两种：一是电极-绝缘子-SF6气体是那种结合处由于场强集中产生放电；二是由于电极表面或者绝缘子表面的某些突出物或细微缺陷产生放电。在试验中在电极处采用了屏蔽罩，使电极附近的电场比较均匀。所以放电的来源主要应为电极表面或绝缘子表面缺陷导致的电晕放电和局部放电。随着电压等级的提高，可能会触发这些缺陷产生微弱的局部放电，从而产生表面电荷，且绝缘子表面电荷的分部并不均匀。

2、交流电压正负半周内绝缘子表面会出现正负电荷之间的反复中和，由于气体发生微放电时有极性效应，负极性电压作用下放电更加容易，而且SF6容易与放电产生的电子结合沉积在绝缘子表面，所以绝缘子表面电荷以负电荷为主。

3.2交流电压作用下绝缘子表面电荷与电压作用时间的关系

在有效值W为20KV的交流电压作用下，加压1小时，2小时，3小时，4小时，5小时，6小时，7小时

从实验中可得以下结论：

随着电压作用时间的增加，表面电荷密度呈明显的增加趋势，之前研究表面在直流电压作用下，绝缘介质表面电荷随电压作用时间的增长呈现先增大后饱和的趋势。但在交流电压作用下，在电压较低时，电荷量随时间的增加增长较为缓慢，即出现所谓的饱和趋势。随着电压的升高，电荷随时间的增长积累速度开始加快。在电压较高的交流电压作用下表面电荷的及积聚不易饱和。

原因：在以往研究者对直流电压下绝缘介质表面电荷随电压作用变化的文献中提到[17-21]，在直流电压作用下，绝缘介质表面随电压作用时间的增长呈现先增长后饱和的趋势，且饱和时间一般在5个小时以内。但是在交流电压作用下的研究中，发现在电压比较低的时候（20KV），电荷量随时间的增长较慢，即出现所谓的饱和趋势，因为此时的电压很低，放电很弱，本身由放电产生的电荷量就很小，再加上已经产生的微量电荷可以对放电产生抑制作用，从而导致放电减弱直至停止，电荷积聚不再增加。随着电压的升高，电荷随时间的积累速度开始加快，当电压为80KV时，7个小时后表面电荷仍未有饱和的趋势，且增长趋势和幅度比较稳定，反映出当电压比较高时交流电压作用下表面电荷的积聚不易饱和的特点。可能的解释是交流电压作用下电荷的主要来源是气体微观侧的局部放电，当电压比较高时，放电相对比较剧烈，产生的电荷还不足以达到能够消弱局部放电的程度，所以局部放电一哈子在持续，故电荷量一直以稳定的速度增加。

四、冲击电压作用下绝缘子表面电荷积聚特性研究

4.1冲击电压作用下绝缘子表面电荷积聚与电压幅值的关系

为研究冲击电压作用下绝缘子表面电荷与电压幅值的关系，因此对GIS幅值为97KV，KV，KV，KV，KV，KV，KV的正极性操作波冲击电压。每次试验之前用无水乙醇对绝缘子表面进行擦拭，待其干燥并冷却到室温后，用探头对绝缘子表面电位进行测量，确保此时绝缘子表面没有电荷积聚[2]。

从实验中可以得到以下结论：

电压幅值：电压幅值增加，表面电荷增加的趋势明显，在冲击电压作用下，由于电压作用时间很短，所以表面电荷来源为局部放电和电晕放电。随着电压等级的提高，放电加剧，积聚的电荷增加。由于直至KV的冲击电压，绝缘子没有发生闪络，所以由于放电积聚的电荷可以一直积聚在绝缘子表面而未发生中和。冲击电压下绝缘子表面主要积聚负电荷。

4.2冲击电压作用下绝缘子表面电荷积聚与电压施加次数的关系

当电压施加次数为1-3次时，有以下结论：

随电压作用次数增多，表面电荷密度增加。在电压比较低的时候，绝缘子表面电荷密度随电压作用次数的增加不甚明显；当电压等级较高时。可导致绝缘子表面或者电极表面微小缺陷引起的微观放电，此放电较弱，不会影响GIS的正常运行，但会在绝缘子表面留下表面电荷。随着电压作用次数增多，放电次数增多，绝缘子表面积聚的电荷开始有比较明显的增长。

五、对绝缘子表面电荷积聚机理的讨论

（1）体积电导模型[22,23]

由文献资料22、23可知，作者认为表面电荷可通过固体介质的体电导积聚或由于体电导密度Object:word/embeddings/oleObject6.bin在空间分布均匀而积聚空间电荷，其密度Object:word/embeddings/oleObject7.bin可表示为：

Object:word/embeddings/oleObject8.bin

在式中，Object:word/embeddings/oleObject9.bin，Object:word/embeddings/oleObject10.bin分别为固体介质的介电常数和电场强度。指出了介质内空间电荷在电场作用下可迁移至表面。

（2）法向场强模型[24]

气体介质一侧电极表面发射电子，电极表面突出或导电微粒引发气体放电产生电荷[25]、气体中自然电荷等在电场作用下可漂移至固体介质表面，表面电荷产生的场强减弱了界面的气体一侧的法向场强Object:word/embeddings/oleObject11.bin，到达稳态后Object:word/embeddings/oleObject12.bin减至零。

在若干条件下的电荷积聚在一定的场强、温度范围内是不变的数值，即Object:word/embeddings/oleObject13.bin，得到和体积电导模型密度相同的式子。这个式子描述了绝缘子体积电导率在电场强度有梯度时空间电荷的积聚，指出电介质在电场方向不均匀即Object:word/embeddings/oleObject14.bin是积聚电荷的根本原因，电场强度E，介电常数Object:word/embeddings/oleObject15.bin，电导率Object:word/embeddings/oleObject16.bin是与电荷积聚直接相关的三个因素，在不同绝缘介质交界面法向场强不为零的地方就会积聚表面电荷。

六、个人体会

通过以上讨论，可以发现在交流电压作用下，要注意交流电压的幅值对绝缘子的影响；在冲击电压作用下要注意电压作用次数对绝缘子的影响。后又从本质发现表面电荷积聚与电场强度、介电常数、电导率有关，因此在防止表面电荷积聚可以联系外部因素与这三个方面的影响。例如温度、气压、介质极性对介电常数的影响；温度，外部条件（湿度等）对电导率的影响；介质之间气隙的大小对电场强度的影响等。

在实际生活中，可以因地制宜及时采集绝缘子表面电荷随电压变化的积聚特性，定量分析交流电压、冲击电压等随GIS盆式绝缘子的影响，制定合理的防御措施。

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