直流GIL中線形金屬微粒對柱式絕緣子表面電荷積聚的影響

王　健　李伯濤　李慶民　劉思華　馬國明

(1.新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)　北京　102206 2.國網日照供電公司　日照　276826)

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直流GIL中線形金屬微粒對柱式絕緣子表面電荷積聚的影響

王健1李伯濤2李慶民1劉思華1馬國明1

(1.新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)北京102206 2.國網日照供電公司日照276826)

針對直流氣體絕緣金屬封閉輸電線路中導電微粒污染問題，研究其對柱式絕緣子表面電荷積聚的影響。首先基于麥克斯韋方程組理論，對絕緣子表面電荷的積聚情況進行分析；并進一步納入微粒污染以及氣體側空間離子的產生、復合、遷移、擴散等作用，建立了微粒污染情況下包含氣體側微觀機制的絕緣子表面電荷積聚模型，利用COMSOL軟件對不同極性下絕緣子表面附著微粒以及絕緣子附近存在懸浮微粒兩種情況分別進行了求解分析。此外，結合前人實驗研究的數據證明了仿真方法與結果的有效性和正確性。結果表明：附著絕緣子表面的導電微粒可引起表面電荷的積聚激增，其中附著在中間部位的微粒引起的電荷激增量更為顯著，且微粒兩端積聚電荷的電性相反；懸浮微粒對表面電荷積聚的影響較小，當懸浮微粒距絕緣子表面垂直距離超過4倍微粒直徑時，其對絕緣子表面電荷的影響可以忽略。

表面電荷附著微粒懸浮微粒微觀機制

0　引言

隨著我國社會經濟的迅速發展，特高壓直流輸電及離岸大規模風電輸送的需求日益突出，而以具有優良絕緣性能的SF6及SF6/N2混合氣體作為絕緣介質的直流氣體絕緣金屬封閉輸電線路(Gas Insulated Metal Enclosed Transmission Line，GIL)具有巨大的應用前景。然而，絕緣子沿面閃絡故障一直是GIL運行中必須面對的難題。有研究表明：絕緣子表面電荷積聚和導電微粒污染是引起閃絡的主要因素[1-5]，且當導電微粒與表面電荷共同作用時，對設備絕緣強度的影響最顯著。

針對同軸圓柱電極系統中表面電荷和微粒污染問題，國內外學者從理論和實驗方面進行了廣泛研究。其中，湖南大學汪沨教授、清華大學張貴新教授等通過優化電容探頭設計對絕緣子表面電荷的積聚、分布及影響因素等方面進行了詳細的研究[6-10]；而西安交通大學張喬根教授等以楔形電極模擬同軸圓柱電極系統中的稍不均勻場，對導電微粒的運動特性及影響因素進行了系統研究[11-13]。此外，德國慕尼黑工業大學Winter A等納入氣體側電荷的微觀機制利用COMSOL軟件對GIS中絕緣子表面的電荷積聚過程進行分析并取得了一定成果[14，15]。而隨著研究的深入，導電微粒與表面電荷共同作用的情況也逐漸受到國內外學者關注。其中，埃及開羅大學Radwan等從理論上分析了導電微粒與表面電荷之間的作用關系[16]；此外，李成榕等在實際絕緣子表面附著導電微粒的情況下，對絕緣子沿面閃絡的檢測及其發展規律進行了探索[17]。

但是，目前對于導電微粒與表面電荷共同作用方面的研究同時也存在一些不足。首先，目前大量的研究主要集中在分別針對表面電荷或導電微粒進行研究，而同時考慮兩方面的研究時又局限于對沿面閃絡特性的影響，沒有深入探究導電微粒污染對表面電荷積聚的影響。另一方面，直流電壓下，絕緣子表面更易積聚電荷，微粒的運動活性也更強。同時，由于柱式絕緣子爬電距離短，在相同表面電荷情況下更易發生沿面閃絡，因而準確掌握直流GIL中柱式絕緣子表面電荷的積聚情況對提高設備絕緣強度具有重要應用價值。

針對以上問題，本文充分考慮氣體側空間離子的產生、復合、遷移、擴散等作用，利用多物理場仿真軟件COMSOL以實體建模方式建立直流GIL中包含微粒污染的柱式絕緣子表面電荷積聚模型，分析了柱式絕緣子表面電荷的分布規律；并深入探究附著微粒和懸浮微粒對表面電荷積聚的影響，以期深化對直流GIL中沿面閃絡故障的機理認識。

1　考慮導電微粒影響的絕緣子表面電荷積聚模型

1.1絕緣子表面電荷積聚模型參數選取

本文選取±800 kV作為模型的外施電壓U，而絕緣子選取交流1 000 kV GIL采用的柱式絕緣子，尺寸及其三維結構如圖1所示。此外，內導體外徑Ri為85 mm，外殼內徑R0為400 mm。

圖1　柱式絕緣子尺寸及三維結構圖Fig.1　Size and three-dimensional structure of the post insulator

由于GIL一般為鋁合金材料，并基于導電微粒的來源(加工、運輸、裝配、運行過程)，選取導電微粒為圓柱形鋁微粒，長l=10 mm，半徑d=2 mm。

此外，對于未經處理的環氧樹脂絕緣子，其體電導率kV，I約為10-19～10-12S/m，面電導率kS，I小于10-20S/m，因而通常忽略絕緣子面電導率對電荷積聚的作用[18]。本文中建立的絕緣子表面電荷積聚模型忽略電荷面傳導作用，即kS，I=0。而根據實際環氧樹脂絕緣子參數選取絕緣子體電導率kV，I=3.33×10-18S/m；環氧樹脂絕緣子相對介電常數εr，I=4.5。

絕緣氣體方面，模型以0.5 MPa純SF6氣體為基準，則其離子生成率取30 IP/(cm3·s)[14，15]。此外，文獻[15]指出0.1 MPa下SF6氣體中正負離子的遷移率約為0.36 cm2/(V·s)，且SF6中離子遷移率隨氣壓的關系滿足

(1)

式中，b1、b2分別為SF6在第一種和第二種情況下的離子遷移率；p1、p2分別為SF6在第一種和第二種情況下的壓強值。

忽略溫度對氣壓的影響，則由式(1)得仿真模型中SF6氣體里的正負粒子遷移率為0.048 cm2/(V·s)。

1.2絕緣子表面電荷積聚物理模型

由于柱式絕緣子為軸對稱結構，在不包含導電微粒污染的情況下，本文建立的柱式絕緣子表面電荷積聚穩態模型如圖2所示。

圖2　柱式絕緣子表面電荷積聚穩態模型Fig.2　Steady-state model of surface charge accumulation on the post insulator

導電微粒對絕緣子表面電荷的主要影響形式有附著絕緣子表面和懸浮于絕緣子附近兩種。

對于附著在絕緣子表面的導電微粒，研究表明：導電微粒總位于絕緣子沿面閃絡的路徑上[17]。由于微粒尺寸較絕緣子小很多，其對表面電荷的影響可認為主要集中在微粒所在的路徑及微粒尖端。此外，微粒的位置與電極間的相對方向也具有重要影響[19]，當微粒沿高電極-地電極方向時，其對沿面閃絡電壓的影響最大[17]。因此，選取包含微粒的柱式絕緣子截面進行建模，既能夠反映出微粒對表面電荷積聚的最大影響情況，又能包含微粒尖端的特點。為確定微粒附著位置對表面電荷的影響，并考慮微粒與電極接觸的情況，共選取7個位置(如圖3中自下而上的點A～G所示)作為微粒附著點建立受附著導電微粒影響的柱式絕緣子表面電荷積聚模型并分別進行仿真分析。以線形微粒附著于E點為例，此時的電荷積聚模型如圖4所示。

圖3　受附著導電微粒影響的表面電荷積聚模型Fig.3　Surface charge accumulation model with a conducting particle attached on the post insulator

圖4　微粒附著E點時表面電荷積聚模型Fig.4　Surface charge accumulation model with a conducting particle attached at point E

對于懸浮在絕緣子附近的導電微粒，更多的情況是在氣體中，而不是與電極接觸；同時考慮高壓電極附近電荷濃度高和柱式絕緣子結構特點等因素，選取E點為懸浮微粒距絕緣子表面垂直距離的基準點。另一方面，由于微粒端部的電場強度最大，對表面電場的影響也最明顯。本文選取微粒軸線垂直于絕緣子軸線，并以此建立受懸浮導電微粒影響的絕緣子表面電荷積聚模型，基本結構如圖5所示。

圖5　受懸浮導電微粒影響的表面電荷積聚模型Fig.5　Surface charge accumulation model with a suspended particle

1.3電荷積聚的微觀機制

表面電荷的來源主要有：絕緣子體傳導、氣體側空間電荷積聚和絕緣子面傳導[20，21]。長期以來，研究人員通常基于宏觀的絕緣子體傳導率、氣體電導率和絕緣子面傳導率來分析表面電荷的積聚作用。而實際上，氣體側空間電荷的積聚作用是通過空間離子的產生、復合、遷移和擴散等微觀機制進行的(如式(2)、式(3)所示)，氣體電導率只是上述微觀機制的整體表現，以微觀機制代替宏觀的氣體電導率能夠從本質上認識電荷的積聚過程。具體而言，氣體中載流子的移動是由電場中的庫侖力引起的，而離子的擴散作用強弱由載流子濃度不均程度決定。基于前述分析，正負載流子濃度的動態變化可由正負離子的產生、復合、遷移作用表達。

(2)

(3)

在高電負性氣體中(如：SF6)，游離電子基本都會附著于氣體分子上，并形成負離子。忽略溫度對氣壓的影響和電極的場致發射，則可假設氣體中載流子僅為正負離子，則正負離子的復合系數kr由langevin原理可得

(4)

式中，ε為絕緣氣體介電常數。

基于絕緣子表面電荷的積聚過程，交界面處絕緣子側和氣體側電流密度如式(5)、式(6)所示，可作為絕緣子與氣體交界面處的重要邊界條件

J1=γ2En2

(5)

JG=eEn1(n+b++n-b-)-egrad(D+n++D-n-)

(6)

式中，JI、JG分別為絕緣子側和氣體側電流密度；γ2為絕緣子體電導率；En2、En1分別為交界面處絕緣子側和氣體側場強的法向分量。

對于電極處的邊界條件可由狄立克雷條件給出

Uh=U

(7)

Ug=0

(8)

式中，Uh、Ug分別為高壓電極和低壓電極電勢；U為外施電壓。

對于附著微粒情況，與電極接觸的微粒，其邊界條件為狄立克雷條件

Uw=Ui

(9)

式中，Uw為與電極接觸的微粒的電勢；Ui為微粒所接觸電極的電勢。

完全與絕緣子接觸的微粒，其與絕緣子接觸的邊界以式(5)為邊界條件，與氣體接觸的邊界以式(5)、式(6)為邊界條件。

對于懸浮微粒方面，以設置懸浮電位的方式作為微粒的邊界條件，即

∫?ΩD·nds=q

(10)

式中，D為微粒表面電位移矢量；n表示微粒表面法向方向；Ω為微粒所在區域；q為微粒帶電量。

2　不受導電微粒污染的絕緣子表面電荷積聚情況

2.1仿真計算及分析

關于絕緣子表面電荷積聚的機理已有清晰的研究，國內外學者普遍認為絕緣子表面電場的法向分量是引起電荷積聚的決定因素[20]。同時對絕緣子表面電荷的測量研究也很豐富，對于采用的實際絕緣子或絕緣子模型[6，22]，其表面電荷面密度的量級通常為μC/m2。

根據麥克斯韋電磁方程組，表面電荷與場強法向分量的關系為[20]

(11)

式中，σs為表面電荷密度；En1為絕緣子表面氣體側場強法向分量；ε0為真空介電常數；ε1、ε2分別為氣體和絕緣子的相對介電常數；γ1、γ2分布為氣體和絕緣子的電導率。

在GIL正常工況，其內SF6/N2混合氣體的電導率約為零，則穩態時絕緣子表面電荷面密度約為

(12)

基于不包含導電微粒污染的柱式絕緣子表面電荷積聚穩態模型，計算可得+800 kV時柱式絕緣子表面場強法向分量如圖6所示。

圖6　+800 kV 柱式絕緣子電勢及場強分布Fig.6　Potential and electric field distribution of the post insulator at +800 kV

由式(10)及±800 kV下絕緣子附近的場強分布可得，施加±800 kV直流電壓達到穩態時柱式絕緣子表面電荷面密度如圖7所示。

圖7　穩態時柱式絕緣子表面電荷面密度分布Fig.7　Steady surface charge density distribution of the post insulator

由圖7可知，靠近高壓電極處，電荷積聚明顯，最大值達22 μC/m2，且積聚電荷的極性與各自相鄰電極的極性相反，而絕緣子中央處積聚的電荷量接近于零(同文獻[23])。造成這一現象的原因，可從兩方面予以解釋。首先，根據式(12)，絕緣子表面的電荷面密度與氣體側的法向電場強度正相關，如圖6所示，在兩個電極附近的柱式絕緣子表面，法向場強較大且方向相反，而絕緣子中央處法向電場強度接近于零，因此，兩個電極附近積聚相反的電荷，而絕緣子中央處積聚的電荷量接近于零。其次，本文模型以0.5 MPa純SF6氣體為基準，則其離子生成率取30 IP/(cm3s)。根據文獻[14]，當離子生成率大于2.5 IP/(cm3s)時，氣體側的空間離子積聚占主導地位；當施加正電壓時，高壓電極附近法向電場由絕緣子指向氣體側，氣體側負離子向交界面漂移，積聚負電荷；而地電極附近法向電場由氣體側指向絕緣子，氣體側正離子向交界面漂移，積聚正電荷；施加負電壓時同理可得。由上述分析可以得到結論：積聚電荷的極性與各自相鄰電極的極性相反，而絕緣子中央處積聚的電荷量接近于零。此外，沿絕緣子外包絡線表面電荷分布存在一定波動性，這是由于柱式絕緣子模型采用實體建模，而不是采用圓柱模型近似，從地電極到高壓電極，絕緣子外包絡線并不是完全的一條直線。另一方面，在本文仿真模型中，假設的正負離子遷移率和離子數相同，在僅改變外施電壓極性的情況下，表面電荷的分布相同，只是電性相反，仿真模型側重于對電荷來源的定量表征，沒有極性效應的呈現，并沒有體現出文獻[6]中實驗得到的負極性時更易積聚電荷的特性。

2.2實驗對比分析

文獻[23]的研究表明：積聚電荷的極性與各自相鄰電極的極性相反，而絕緣子中央處積聚的電荷量接近于零，與本文仿真結果具有一致性。

文獻[6]基于平行平板電極系統研究直流電壓下圓柱形簡化絕緣子表面電荷的積聚情況，絕緣子高度h=40 mm。其中，以外施直流電壓為45.3 kV時的數據為例，其與本文中仿真數據的對比見表1。

表1　本文仿真數據與文獻[6]實驗數據對比Tab.1　Comparison between simulation data and experimental data of the ref [6]

比較可知，本文仿真結果的平均值接近文獻[6]實驗數據，而最大值明顯高于實驗結果。這可能與外施電壓幅值有關，文獻[6-10，23]表明，高壓電極處電荷積聚最為明顯。雖然文獻[6]中45.3 kV時系統場強與本文仿真模型中接近，但仿真中采用的±800 kV遠高于45.3 kV，靠近高壓電極處的電荷積聚不僅與場強有關，其受高壓電極的影響明顯增強，故仿真中電荷密度最大值將明顯高于文獻[6]實驗結果。

此外，本文仿真模型中絕緣子表面電荷面密度的量級為μC/m2，這與眾多測量絕緣子表面電荷面密度的實驗結果相同[6，22]。

3　附著導電微粒對表面電荷積聚的影響

3.1仿真計算及分析

電荷積聚是一個時變過程，且電荷積聚速率隨時間遞減。為模擬靜電場與電荷積聚的相互影響，采用COMSOL軟件中的Time-dependent求解器仿真電荷積聚的動態過程。同時，定義時刻t90%，即當t=t90%時，表面電荷達到穩態表面電荷的90%，此時表面電荷的分布及幅值基本穩定，且能夠體現表面電荷的主要特點。

基于受附著導電微粒影響的表面電荷積聚模型和1.3節中涉及附著微粒的邊界條件(式(5)、式(6)、式(9))進行計算，可得對應圖3中自下而上的微粒附著位置(點A～G)，導電微粒附著位置對表面電荷積聚的影響如圖8所示，其中，絕緣子外包絡線在微粒附著位置以微粒外表面為準。

圖8　導電微粒對表面電荷積聚的影響Fig.8　Influence of the conductive particles on the accumulation of surface charge

微粒不同附著位置表面電荷面密度最大幅值見表2。其中，未附著微粒的絕緣子表面穩態時表面電荷面密度最大幅值為22 μC/m2，位于F點附近。

表2　微粒不同附著位置表面電荷面密度最大幅值Tab.2　Maximum amplitude of surface charge density in different positions of attached particles

由圖8及表2可知，附著微粒能引起表面電荷積聚激增，微粒兩端附近出現新的表面電荷最大值，且B、C、D、E、F處電荷電性與微粒尖端所對電極極性相反，而A、G處電荷電性與微粒所接觸電極極性相同。這是因為附著微粒引起微粒尖端附近場強畸變，絕緣子表面法向分量也顯著提高；另一方面，附著B、C、D、E、F處的微粒引起的電荷集中是由電磁感應、電荷遷移等作用引起的，其電性分布類似與平行平板電極氣隙中的懸浮金屬導體達到的靜電平衡狀態，即導體表面感應出的電荷電性與其所對的電極的極性相反；而A、G處的微粒由于與電極接觸，其引起的積聚電荷電性與所接觸電極的電性一致。

此外，C、D、E處電荷激增約為未附著導電微粒時的40倍；而A、B、F、G處電荷激增為未附著導電微粒時的3倍左右。這可能是由于微粒尺寸較小，雖然微粒附著在電極附近(A、B、F、G處)時會引起微粒尖端附近場強增大，但是與沒有微粒附著時場強變化率不大；而微粒附著在絕緣子中間部位(C、D、E處)時，微粒尖端部位場強由未附著微粒時的接近于0顯著增強，場強變化率大。

微粒附著高壓電極(G處)時對電荷分布的影響比附著地電極(A處)時強。這與同軸圓柱電極系統中內導體附近電場比外殼內表面電場強有關，類似于高壓電極表面的尖刺對電場強度的影響大于地電極表面的尖刺的情況。

3.2實驗對比分析

文獻[24]基于平板電極系統中的圓柱形簡化絕緣子模型，在沖擊電壓下研究了附著線形金屬微粒的絕緣子表面的電荷積聚情況。沖擊電壓下的微粒對絕緣子表面電荷積聚的作用與直流電壓下具有類似的規律。比較文獻[24]實驗結果與本文仿真結果，兩者具有一致性：微粒尖端電荷積聚明顯，且附著絕緣子中部的微粒，其尖端積聚的電荷電性與微粒尖端所對電極極性相反(如圖9所示)。

圖9　400 kPa 90% N2+10% SF6混合氣體中施加1.2/49 μs，Up=108 kV沖擊電壓下附著絕緣子表面的微粒附近的電荷分布[24]Fig.9　Profile of the charge distribution on the particle contaminated spacer surface after LI 1.2/49 μs stress in 90% N2+10% SF6 gas mixture at 400 kPa，Up=108 kV[24]

4　懸浮導電微粒對表面電荷積聚的影響

4.1仿真計算及分析

Sakai K.I在對線形微粒的研究中發現：線形導電微粒的帶電量與其位置形態(如：在電極表面平躺或豎起)有關，并分別推導出靜止于電極表面的線形導電微粒在平躺和豎立時的帶電量[25]為

q線l=2πε0rLEw

(13)

(14)

式中，ε0為真空介電常數，ε0=8.85×10-12F/m；ε1為氣體相對介電常數；r為微粒半徑；Ew為微粒處電場強度值；L為線形微粒長度；q線l、q線s分別為在電極表面平躺和豎起的線形導電微粒的帶電量。

由于豎起的微粒是成為懸浮微粒的起始狀態，兩者電量具有連續性，則懸浮微粒的帶電量可由微粒所處位置的電場強度帶入式(14)求取。

同軸圓柱電極系統中，電場強度為

(15)

式中，Ri為內導體半徑，Ri=85 mm；R0為外殼內半徑，R0=400 mm；x為該點距內導體表面距離，對于微粒位于外殼內表面時，Ri+x=R0。

由式(14)和式(15)可得，微粒所帶電荷量范圍為[0.809， 38.034]nC，考慮微粒在氣隙中電荷量的變化與其位置的關系，選取E點出微粒帶電量q=+16 nC。

采用第3節中定義的t90%概念，并基于受懸浮導電微粒影響的表面電荷積聚模型及1.3小節涉及懸浮微粒的邊界條件(式(10))進行計算，可得懸浮微粒距絕緣子表面距離對表面電荷積聚的影響如圖10所示，其中圖10中的1、2、3、4、5分別表示微粒尖端距絕緣子表面距離為微粒直徑的1、2、3、4、5倍。

圖10　懸浮微粒對表面電荷積聚的影響Fig.10　Influence of suspended particles on the accumulation of surface charge

微粒距絕緣子距離12345+800kV,t90%/(μC·m-2)12.607.016.504.824.80-800kV,t90%/(μC·m-2)14.177.817.025.895.84

懸浮微粒位置與表面電荷面密度幅值的關系見表3。其中，1、2、3、4、5分別表示懸浮微粒距絕緣子表面距離為微粒直徑的1、2、3、4、5倍。沒有導電微粒影響時，E點附近穩態表面電荷面密度幅值約為5 μC/m2。

由圖10及表3得，當微粒靠近絕緣子表面時，將引起其正對絕緣子表面區域電荷積聚增加，但當微粒尖端距絕緣子表面距離大于4倍微粒直徑時，微粒對絕緣子表面電荷積聚的影響可忽略。由于微粒直徑很小(mm級)，因而懸浮微粒對表面電荷積聚的影響可忽略，微粒污染引起絕緣子表面電荷顯著變化的途徑為導電微粒附著絕緣子表面。

此外，懸浮微粒靠近絕緣子表面時，其引起積聚增強的表面電荷電性與其臨近的電極電性相反，這是由于微粒為良導體，在微粒所處位置電位絕對值高于相對應的氣隙及絕緣子部分，與微粒對應的絕緣子表面電場強度方向在+800 kV時由微粒尖端指向絕緣子表面，增強了絕緣子表面場強法向分量，故懸浮微粒引起此部分絕緣子表面積聚負電荷；同理，當外施電壓為-800 kV時，引起絕緣子表面積聚正電荷。

4.2實驗對比分析

文獻[16]分析了絕緣子和球形金屬微粒對GIS中電場的影響，其研究表明：球形金屬微粒對絕緣子表面電場的影響隨其距絕緣子表面垂直距離增大而降低，而當微粒距絕緣子表面的距離達到微粒尺寸的5倍時，微粒對絕緣子表面電場的影響幾乎可以忽略。絕緣子表面電荷積聚與其表面法向電場分量具有密切聯系，法向電場分量越大，電荷越易積聚[6-10]。由此可見，文獻[16]的實驗數據與本文仿真結論(當微粒尖端距絕緣子表面距離大于4倍微粒直徑時，微粒對絕緣子表面電荷積聚的影響可忽略)具有較好的一致性。

5　結論

本文利用多物理場仿真軟件COMSOL，以實體建模方式建立了在微粒污染情況下包含氣體側微觀機制的絕緣子表面電荷積聚模型，并分析了附著微粒和懸浮微粒與絕緣子表面電荷之間的關系。此外，結合前人實驗研究的數據證明了本文仿真方法與結果的正確性，研究表明：

1)絕緣子表面靠近高壓電極處，電荷積聚明顯，且積聚電荷的極性與各自相鄰電極的極性相反，而絕緣子中央處積聚的電荷量接近于零。

2)即使mm級的微粒附著在絕緣子表面也會成為表面電荷積聚的主要因素。附著微粒兩端能引起表面電荷積聚激增，微粒兩端出現新的表面電荷最大值，且其電荷電性與微粒尖端所對電極極性相反。

3)附著在中間部位的微粒(C、D、E點)引起電荷激增量約為未附著導電微粒時的40倍；而電極附近的微粒(A、B、F、G點)引起的電荷增量為未附著導電微粒時的3倍左右。此外，微粒附著高壓電極時對電荷分布的影響比附著地電極時強。

4)當懸浮微粒靠近絕緣子表面時，將引起其正對絕緣子表面區域電荷積聚增加，但當微粒尖端距絕緣子表面距離大于4倍微粒直徑時，微粒對絕緣子表面電荷積聚的影響可忽略。

5)本文仿真是基于確定性的靜態模型進行分析，而實際當中微粒運動、局部放電發生、氣體空間中微放電發生等具有隨機性的動態過程都會對電荷積聚產生影響，未來需要考慮這些因素開展進一步研究。

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Impact of Linear Metal Particle on Surface Charge Accumulation of Post Insulator Within DC GIL

Wang Jian1Li Botao2Li Qingmin1Liu Sihua1Ma Guoming1

(1.State Key Lab of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power UniversityBeijing102206China 2.State Grid Rizhao Power Supply CompanyRizhao276826China)

The paper aims to study the conductive particles’ effects on surface charge accumulation of the post insulator within DC GIL.Based on the Maxwell equations，the surface charge accumulation along the post-insulator is analyzed.Also，the particle pollution，as well as the rates of generating，recombination，migration，and diffusion of the positive and negative ions in the gas are taken into account.Further，from the microcosmic perspective，two surface charge accumulation models of the post-insulator with particle pollution are established.Based on these models，the impacts of both the attached particles and the suspended particles on charge accumulation are explored by COMSOL respectively.The effectiveness and correctness of the simulations are verified through the comparison of the experimental results and the ones provided by previous researchers.The results illustrate that，the accumulation of the surface charge surge may be caused by the conductive particles attached to the surface of the insulator.In addition，the surge caused by the particles attached to the middle part is more remarkable.The polarities at both ends of the particles are opposite to each other as well as to the electrodes they approach.The impacts of the floating particles on the surface charge accumulation can be neglected if the distance between the suspended particle and the insulator surface is more than 4 times of the particle diameter.

Surface charge，attached particles，suspended particles，microcosmic mechanism

2015-08-13改稿日期2016-03-10

TM851

王健男，1985年生，博士研究生，研究方向為GIL絕緣優化與機械承載能力等。

E-mail：wangjian31791@163.com

李慶民男，1968年生，博士，教授，研究方向為高電壓與絕緣技術等。

E-mail：lqmeee@ncepu.edu.cn(通信作者)

國家重點基礎研究發展(973)計劃資助項目(2014CB239502)。