絕緣子表面「電荷斑」是怎樣的？民熔電氣專家的獨到見解令人心動

2020-11-09 民熔電氣小課堂

安裝在不同電位的導體或導體與接地構件之間的能夠耐受電壓和機械應力作用的器件。民熔絕緣子種類繁多，形狀各異。民熔不同類型絕緣子的結構和外形雖有較大差別，但基本是由絕緣件和連接金具兩大部分組成的。

民熔絕緣子是一種特殊的絕緣控制項， 能夠在架空輸電線路中起到重要作用。早年間民熔絕緣子多用於電線桿，慢慢發展於高型高壓電線連接塔的一端掛了很多盤狀的絕緣體，它是為了增加爬電距離的，通常由玻璃或陶瓷製成，就叫絕緣子。民熔絕緣子不會由於環境和電負荷條件發生變化導致的各種機電應力而失效，這是民熔絕緣子重大的作用體現之一。

陶瓷絕緣子

直流電壓下縮比氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）絕緣子表面電荷進行測量時發現，絕緣子表面通常呈現兩種不同的電荷分布，可分別稱為電荷分布的「基本模式」和「電荷斑」模式。下面小課堂主要分享一下絕緣子表面的「電荷斑」模式。優異絕緣子也難免遇到一定的問題，，但是它們必然有著對應的設計處理，就如下方的絕緣子，最後連結中不同的絕緣子的設計一樣考慮到了很多。

設計突出的民熔絕緣子

氣體絕緣金屬封閉輸電線路是高壓輸電中常用的一種輸電方式。它具有電磁幹擾小、傳輸容量大、損耗小、環境適應性強等優點。它可以解決我國西電、北電、南電遠距離大規模輸送的難題，緩解我國能源供應與能源消費的區域分布不平衡。

　　在Gil高壓輸電系統中，絕緣子作為電隔離元件或支撐不同電位導體廣泛應用於輸電線路中。也正因為如此，絕緣子長期工作在高壓高電場環境中，絕緣子表面不可避免地存在電荷積累現象，電荷積累會引起絕緣子表面電場的畸變，從而導致絕緣子表面電場的降低沿表面的閃絡電壓。因此，為了提高Gil輸電系統的穩定性和可靠性，研究和分析絕緣子電荷積累現象及其積累機理，可為實際工程設計提供參考。

　　自20世紀70年代以來，有學者開始研究絕緣子表面電荷積累，並從體積電導率模型、切向電場強度模型和法向電場強度模型等方面分析了表面電荷積累的原因。

　　進入21世紀後，一些高校科研人員開展了這方面的研究，對影響電荷積累的因素以及電荷積累對閃絡電壓的影響提出了自己的看法，並通過相關實驗加以驗證。

　　在實驗室前期的研究工作中，從材料本徵角度和三電流模型出發，研究了電荷積累的規律。結果表明，在中心電極結構下，絕緣子表面電荷積累主要受固體側電流的控制。但同時也發現，由於局部放電等因素的影響，絕緣子表面會出現隨機的「充電點」，這些「充電點」的積累機理與上述規律不同，不能反映絕緣材料特性對電荷積累的影響。本文對「電荷點」現象進行了研究。

　　為了方便測量，將Gil中使用的盆式絕緣子按一定比例縮小，形成錐形絕緣子，其形狀如下圖所示。尺寸為外徑100mm，內徑12mm，邊緣厚度5mm，中心厚度17.5mm。

三維圖

為了測試和測量直流電壓下電荷積累，設計了一套集壓力和測量於一體的實驗系統。結構圖如下圖所示。高壓電極通過錐形絕緣子的中心與直流高壓連接，並通過保護電阻與直流高壓連接；絕緣體周圍有一圈鋁法蘭，通過法蘭與接地的金屬筒體連接，形成接地電極。

結構圖

壓力達到一定時間後，高壓被切斷，有源電容探頭移至絕緣子表面。一個電機控制探頭沿錐形絕緣子的錐面徑向移動，另一個電機控制探頭沿中心軸旋轉，使探頭以螺旋線的形式掃描整個絕緣子的表面。

　　實驗中，利用電機控制軟體對探頭沿絕緣子表面進行44周的掃描，在每個圓周上掃描360個點，得到360×44=15840個電位信息。通過有限元軟體模擬，可以得到由電勢到電荷密度的傳遞函數矩陣H。然後通過進一步的反演算法得到絕緣子表面電荷密度。

　　研究了直流電壓作用下，降倍率Gil絕緣子表面電荷積累的電荷點模式。分析了其特點及原因。用最大類間方差法對絕緣子進行了分離和定量表徵。得出以下結論：

　　1）在直流電壓作用下，Gil絕緣子表面電荷積累可分為兩種主要模式：基本模式和電荷點模式。

　　2）對灰度圖像中「目標」與「背景」的識別方法進行了類比。採用最大類間方差法可以有效地分離「充電點」模式。

　　3）定量描述了「電荷點」分離後基本模式下的電荷積累。得到了不同電壓作用時間後環氧樹脂絕緣材料在基本模式下的電位分布特徵，得到了表面電荷積累特性。

　　4）結果表明，「電荷點」的分離是可行的，電荷積累機理的描述是正確的。

高壓絕緣體

上面就是小課堂今天分享的，關於絕緣子表面「電荷斑」的解析。在民熔小課堂的分享之後，大家應該都有一定的深入了解。但絕緣子的領域是很大的，受限於篇幅這個問題，小課堂在絕緣子表面「電荷斑」方面其實還有更多的經驗。而大家如果在使用絕緣子過程中遇到其他問題，或者想了解其他電氣產品的資料和技巧，可以去看看威♥宮重浩「民熔電氣集團」。裡面有著超多民熔小課堂精心準備的資料，經典匯總只等你來。當然，如果你更傾向於電氣視頻，小課堂也有一定的準備，就在下方圖片中。

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