大电流封闭母线内空间电荷对电场分布及绝缘性能的影响

1、大电流封闭母线内空间电荷对电场分布及绝缘性能的影响摘要：对大电流封闭母线中空间电荷引起的气体击穿进行了理论研究。对封闭母线中存在空间电荷时远离绝缘子处的电场和绝缘子周围区域的电场进行了计算。给出了不同空间电荷密度时绝缘子周围区域电场的等位线分布，得到了封闭母线中空间电荷应该保持的安全密度范围。关键词：母线；绝缘子；空间电荷；电场；等位线中图分类号：TM501+.4文献标识码：A电力是经济发展的瓶颈，必须先行。在展望今后30年我国电力系统的发展时，大电流封闭母线是关键技术之一。通常大电流封闭母线都采用强迫风冷的措施以降低封闭母线温升和减小封闭母线面积。但这也随之带来了问题：在强迫风冷大电流封闭母

2、线中高速流动的气体在封闭母线内循环流动，与母线、外壳、支持绝缘子等摩擦产生离子，另外还有热发射、局部放电等原因产生离子；同时由于封闭母线导体由多段母线组成，接头焊缝可能加工不良，以及封闭母线运输和运行期间的机械振动均可能使封闭母线中存在金属粒子。气体离子和金属粒子随着气流流动会在封闭母线中形成空间电荷，当电荷密度达到一定值时，会引起母线的击穿或闪络，从而造成严重危害1。目前，国外某些发达国家已经认识到这个问题的严重性并已开始进行研究。而国内，这方面的研究工作才刚刚开始，属于新的科研课题，本文从“场”的角度出发，研究封闭母线中的空间电荷引起的电场畸变，分析空间电荷对封闭母线绝缘性能的影响，并求出

3、了封闭母线中空间电荷的安全密度范围。本文的研究内容将为封闭母线的绝缘设计提供理论依据。1空间电荷对绝缘子较远处电场的影响1.1封闭母线的结构封闭母线结构如图1所示。封闭母线中存在的空间电荷会使电场发生畸变。距离绝缘子较远处的空间受绝缘子影响很小，可视作同轴圆柱，而绝缘子周围区域形状则较复杂，本文对这两种情况分别进行考虑，分析空间电荷在多大密度以下才不会引起封闭母线发生击穿或闪络。图1三支持绝缘子封闭母线示意图1.2远离绝缘子处的电场计算及结果分析封闭母线中距离绝缘子较远处的区域可视作同轴圆柱，由于存在空间电荷，电场用泊松方程表示其中P为电荷密度，采用柱坐标，则有边界条件为r=RM,9=U,Rm

4、为封闭母线导体半径r=RK,9=0,Rk为封闭母线外壳半径当母线额定电压为18kV时，对应不同空间电荷密度的电场强度分布见图2a。本文采用的全连分相风冷封闭母线的参数依次为2单机容量为600MW;额定电流为23kA;额定电压为18kV;母线直径为50cm;母线厚度为1.6cm;外壳直径为111.6cm;外壳厚度为0.8cm;长度为50m.10i5.n15.02530i4550?10,0-10.0P=-6x10P=-8x0-RxQ5P=-510图218kV和50kV电压条件下对应不同空间电荷密度时的电场强度分布(a)U=18kV;(b)U=50kVP为空间电荷面密度，单位为C/m2;R为封闭母线

5、空间中任意一点与母线导体中心之间的距离。空气中同轴圆柱间工频击穿场强约为21.12kV/cm(有效值)3.从图2a可以看出，空间电荷密度为0时，Emax=0.91kV/cm,小于工频击穿场强。随着空间电荷密度的加大，母线附近电场强度逐渐增大。从图2a可以看出，当空间电荷面密度达到-1.0 x10-4C/m2时，母线附近场强超过工频击穿场强。所以额定电压下空间电荷密度应在-1.0 x10-4C/m2以下，才不会引起封闭母线发生击穿。按设计要求，额定电压为18kV的封闭母线，其工频耐受电压可取为50kV(有效值)4,在该条件下，空间电场强度分布见图2b.从图2b可以看出，空间电荷密度达到-9.2x

6、10-5C/m2时，母线附近场强将达到工频击穿场强。所以该条件下，空间电荷密度应该保持在-9.2x10-5C/m2以下。比较图2a、b可见，在50kV电压条件下封闭母线发生击穿时的空间电荷密度比额定电压条件下发生击穿所需的电荷密度要小一些。所以考虑绝缘配合时应按50kV的电压条件进行保证，即封闭母线中距离绝缘子较远处的空间电荷密度应该保持在-9.2x10-5C/m2以下。2绝缘子周围存在空间电荷时的电场2.1沿母线径向剖分绝缘子周围区域时的电场大电流封闭母线采用三绝缘子支持方式，见图1外壳接地,母线导体额定电压为18kV,该绝缘子为内胶装式。两个相邻绝缘子间夹角为120，考虑到对称性，计算时只

7、需剖分60角区域即可。由计算结果可以得到绝缘子周围区域的电场等位线分布和各点的场强值，从中可以看出空间电荷对电场的影响。当空间电荷密度逐渐加大时，封闭母线绝缘子周围区域的电场受到的畸变也在逐渐加强。额定电压下在电荷密度达到-8.7x10-5C/m2时，绝缘子周围局部区域的电场强度已超过空气中沿瓷表面的工频闪络击穿场强16.67kV/cm4，此时的等位线分布见图3.所以在18kV电压下电荷密度不应大于-8.7x10-5C/m2，才能保证绝缘子不发生闪络击穿。在50kV电压下，随空间电荷密度变化时的等位线分布与18kV电压时的类似，只是达到工频闪络击穿场强时的空间电荷密度更小一些。电荷密度为-8x

8、10-5C/m2时绝缘子周围局部区域的电场强度即开始达到工频闪络击穿场强。所以封闭母线绝缘子周围空间电荷密度应在-8x10-5C/m2以下。此时的电场等位线分布见图4.图318kV电压条件下p=-8.7x10-5C/m2时的等位线分布图450kV电压条件下p=-8x10-5C/m2时的等位线分布2.2沿母线轴向剖分绝缘子周围区域时的电场以上对绝缘子周围区域沿母线径向剖分进行了数值计算。下面将绝缘子周围区域沿母线轴向进行剖分，求出了不同空间电荷密度时的电场强度。此时的剖分区域如图5所示。酣颐区为削的区域支待遼喙子图5轴向剖分区域示意图电荷密度为-1.23x10-4C/m2时的电场等位线分布如图6

9、所示,此时绝缘子周围局部区域电场强度开始超过工频闪络击穿场强。在50kV电压条件下，封闭母线中电荷密度为-1.12x10-4C/m2时绝缘子周围局部区域的电场强度开始超过工频闪络击穿场强。电场等位线如图7所示。所以电荷密度必须保持在-1.12x10-4C/m2以下。图618kV电压条件下p=-1.12x10-4C/m2时的等位线分布图750kV电压条件下p=-1.23x10-4C/m2时的等位线分布综上所述，封闭母线中绝缘子周围区域发生击穿或闪络时的空间电荷密度见表1。1空间电荷密/C-m-2电压/kVPiP218-8.7X10-5-1.23x10-450-8.0 x10-5-1.12x10-4从上图可以看出，绝缘子沿母线径向剖分时，其周围区域发生击穿或闪络时的电荷密度小于轴向剖分的情况。所以为保证封闭母线正常运行，绝缘子周围区域的电荷密度不应大于8.0 x10-5C/m2.为了使得电荷密度在安全范围以内，应该在封闭母线中装配去离子装置以降低电荷密度，这使得开展风冷封闭母线去离子装置的研究显得非常重要。3结论（1）对封闭母线中远离绝缘子处的电场进行了解析计算。为保证封闭母线安全运行，空间电荷密度应该保持在-9.2x10-5C/m2以下。（2）采用有限元法对封闭母线中绝缘子周围区域沿径向剖分和轴向剖分两个区域的电场进行了数值计算。空间电荷对径向剖分绝缘子周围区域电场的影响程