基于表層梯度電導(dǎo)調(diào)控的直流三支柱絕緣子界面電場優(yōu)化方法

胡 琦 李慶民 劉智鵬 劉 衡 A. Manu Haddad

基于表層梯度電導(dǎo)調(diào)控的直流三支柱絕緣子界面電場優(yōu)化方法

胡 琦1李慶民1劉智鵬2劉 衡2A. Manu Haddad3

（1. 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)） 北京 102206 2. 北京市高電壓與電磁兼容重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)） 北京 102206 3. 先進(jìn)高壓工程研究中心（卡迪夫大學(xué)） 卡迪夫 CF24 3AA）

氣-固界面和嵌件-環(huán)氧界面的電場強(qiáng)度集中效應(yīng)被認(rèn)為是導(dǎo)致直流三支柱絕緣子發(fā)生沿面閃絡(luò)和支腿炸裂的重要原因，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化難以同時有效調(diào)控兩個界面的電場分布，迫切需要更合理的調(diào)控手段。通過電-熱-流多物理場仿真，研究直流三支柱絕緣子界面電場分布特性，指出電荷積聚是造成界面處場強(qiáng)集中的主要原因。據(jù)此提出基于“類U型”梯度電導(dǎo)的絕緣子雙界面電場聯(lián)合調(diào)控策略，通過嵌件-環(huán)氧界面高電導(dǎo)涂層和氣-固界面非線性電導(dǎo)涂層的協(xié)同使用，使得三支柱絕緣子體電導(dǎo)和表面電導(dǎo)呈“類U型”梯度分布，可降低絕緣子內(nèi)部及表面電荷積聚程度，從而優(yōu)化界面電場分布。進(jìn)一步研究雙界面涂層對直流三支柱絕緣子界面電場的調(diào)控作用，并針對電場調(diào)節(jié)與損耗控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對涂層電導(dǎo)參數(shù)的優(yōu)化。研究結(jié)果表明：當(dāng)嵌件-環(huán)氧界面涂覆材料電導(dǎo)率不小于10-12S/m、氣-固界面非線性電導(dǎo)材料參數(shù)處于“臨界飽和線”上時，支柱絕緣子嵌件-環(huán)氧界面最大電場強(qiáng)度可從4.48kV/mm降至0.04kV/mm，氣-固界面最大切向電場強(qiáng)度從2.47kV/mm降至1.73kV/mm。參數(shù)優(yōu)化后的雙界面梯度電導(dǎo)涂層，可使界面電場集中效應(yīng)得到有效抑制，同時將絕緣子最大電場與功率損耗控制在允許范圍內(nèi)，為高壓直流三支柱絕緣子的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)依據(jù)。

直流氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL） 三支柱絕緣子 界面涂層 梯度電導(dǎo) 界面電場優(yōu)化

0 引言

三支柱絕緣子廣泛應(yīng)用于氣體絕緣金屬封閉輸電線路(Gas Insulated Metal-Enclosed Transmission Line, GIL)中，起到支撐導(dǎo)體和電氣絕緣的作用，具有保證外殼和導(dǎo)體同心度、提供熱膨脹或機(jī)械應(yīng)變補(bǔ)償?shù)确矫娴膬?yōu)勢，是GIL基礎(chǔ)單元常用的關(guān)鍵部件。此外，在GIL的斜井、拐角、高落差線段，三支柱絕緣子安裝更簡便，可以延長設(shè)備直線段長度、大幅度降低工程安裝工作量和成本，滿足GIL特殊線段的安裝需求[1-3]。然而，三支柱絕緣子界面放電故障頻發(fā)，包括氣-固界面的沿面閃絡(luò)[2]，以及金屬嵌件-環(huán)氧界面放電引發(fā)的擊穿炸裂[3]，嚴(yán)重危害GIL設(shè)備的安全運(yùn)行。目前普遍認(rèn)為，造成上述現(xiàn)象的主要原因是絕緣子與金屬電極、絕緣氣體的電學(xué)性能差異顯著，界面電場分布不均，特別是接地嵌件與環(huán)氧樹脂的交界面，呈現(xiàn)“低電位高場強(qiáng)”的特征[4]；而且，在直流電壓應(yīng)力下，GIL電場會由初始的電容場分布向穩(wěn)定的電阻場分布過渡，這種容阻場轉(zhuǎn)變的過程會造成三支柱絕緣子界面積聚大量電荷，使界面電場分布發(fā)生畸變，進(jìn)一步降低絕緣子界面放電起始電壓[5-8]。

然而，國內(nèi)外目前針對GIL用三支柱絕緣子的研究主要集中于加工工藝改進(jìn)[9]、力學(xué)性能提升[10]及電氣性能優(yōu)化[11]。其中，對于電氣性能優(yōu)化的研究集中于結(jié)構(gòu)優(yōu)化對交流三支柱絕緣子電場分布的調(diào)控作用[11-12]，但對直流電壓下三支柱絕緣子的界面電場分布特性及調(diào)控措施卻鮮有研究。因此，研究電荷積聚對直流三支柱絕緣子界面電場分布的影響，提出調(diào)控界面電場分布的有效策略，對減少三支柱絕緣子界面放電故障、提高直流GIL絕緣性能具有重要意義。

針對直流絕緣子界面處的場強(qiáng)集中效應(yīng)，可以采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化、本體材料改性、界面梯度電導(dǎo)涂層等方法進(jìn)行優(yōu)化。其中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化容易受到溫度梯度、沖擊電壓等外界條件的影響，是被動調(diào)控界面電場的策略，對界面電場的優(yōu)化效果有限[13]；本體材料改性雖然可優(yōu)化界面電場分布，但也同時改變了絕緣子原有的力學(xué)性能，絕緣子的力學(xué)性能無法保證[14]；界面梯度電導(dǎo)涂層不改變絕緣子的體性能，通過控制界面處的電導(dǎo)梯度分布來調(diào)控絕緣子電荷分布，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化界面電場分布的目的，常被用于直流盆式絕緣子氣-固電場調(diào)控中[15]。杜伯學(xué)等學(xué)者指出可以通過磁控濺射條件或梯度氟化的方法實(shí)現(xiàn)界面高電導(dǎo)的梯度分布，調(diào)控直流盆式絕緣子氣-固

界面電場分布，最大可提升37%的閃絡(luò)電壓[15-16]。然而，絕緣材料電導(dǎo)率對溫度存在很強(qiáng)的依賴關(guān)系，固定的電導(dǎo)梯度分布難以滿足絕緣子不同溫度梯度的運(yùn)行條件。非線性電導(dǎo)絕緣材料因其電導(dǎo)率隨電場變化呈現(xiàn)自適應(yīng)梯度分布，也可以看作是一種梯度電導(dǎo)調(diào)控方法[14]。李進(jìn)等學(xué)者發(fā)現(xiàn)非線性電導(dǎo)環(huán)氧復(fù)合涂層不僅可以使空載條件下最大電場強(qiáng)度降低40%，而且可以有效改善高溫度梯度下氣-固電場分布[17]；將SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的環(huán)氧復(fù)合材料涂覆于直流盆式絕緣子氣-固界面，可以提升60%的閃絡(luò)電壓[18]。但該研究中僅考慮了非線性電導(dǎo)涂層對直流盆式絕緣子氣-固界面電場的調(diào)控作用，并未考慮對直流三支柱絕緣子的適用性。實(shí)際上，絕緣子形狀對界面電場分布、界面電荷積聚過程有很大的影響。與盆式絕緣子相比，三支柱絕緣子電場分布極不均勻，法向場強(qiáng)集中于腹部，切向場強(qiáng)集中于支腿處，嵌件-環(huán)氧交界面電場強(qiáng)度也更大[12]；而且，三支柱絕緣子的不均勻電場分布將導(dǎo)致局部電荷積聚更加嚴(yán)重。因此，現(xiàn)有的盆式絕緣子的非線性電導(dǎo)涂層不能適用于直流三支柱絕緣子兩個界面的電場調(diào)控中，難以有效指導(dǎo)直流三支柱絕緣子界面絕緣優(yōu)化設(shè)計(jì)。

因此，本文通過電-熱-流多物理場仿真計(jì)算，研究了電荷積聚和溫度梯度對直流三支柱絕緣子氣-固界面和嵌件-環(huán)氧界面電場分布的影響。據(jù)此，針對直流三支柱絕緣子的兩個關(guān)鍵界面，提出基于“類U型”梯度電導(dǎo)的雙界面電場聯(lián)合優(yōu)化策略，降低絕緣子內(nèi)部及表面電荷積聚程度，優(yōu)化界面電場分布。進(jìn)一步研究了雙界面涂層對直流三支柱絕緣子界面電場的調(diào)控作用，并針對電場調(diào)節(jié)與損耗控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對涂層電導(dǎo)參數(shù)的優(yōu)化，為直流GIL三支柱絕緣子的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)依據(jù)。

1 直流三支柱絕緣子電-熱-流多物理場仿真模型

本文建立的直流GIL三支柱絕緣子的幾何模型如圖1所示，由中心導(dǎo)桿、嵌筒、絕緣子腹部、絕緣子支腿、嵌件和接地外殼組成。圖中，絕緣子材料為環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂與絕緣氣體之間存在氣-固界面，環(huán)氧樹脂與嵌筒、嵌件之間存在金屬-環(huán)氧界面。

直流電壓下，三支柱絕緣子界面電荷積聚過程與絕緣材料電導(dǎo)率密切相關(guān)，而電導(dǎo)率與溫度存在強(qiáng)依賴關(guān)系。為研究直流三支柱絕緣子界面電場分

圖1 三支柱絕緣子幾何模型

布特性，計(jì)算了直流GIL內(nèi)的熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射過程[10]。

式中，為溫度；為導(dǎo)熱系數(shù)；c為表面?zhèn)鳠釤嵬浚粸镹usselt數(shù)；i、o分別為換熱面內(nèi)、外溫度；i、o分別為管道內(nèi)、外徑；為等效表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；rc為輻射傳熱熱通量；為氣-固傳熱面等效面積；B為Stefan-Boltzmann常數(shù)；為固體表面發(fā)射率。

基于絕緣子體內(nèi)傳導(dǎo)、絕緣子表面?zhèn)鲗?dǎo)和氣體側(cè)傳導(dǎo)這三種電荷積聚物理過程，構(gòu)建了直流三支柱絕緣子電-熱-流多物理場電荷積聚模型。表面電荷積聚暫態(tài)方程可表示為

2 界面電場集中的關(guān)鍵因素及應(yīng)對方法

2.1 絕緣子界面電場集中的關(guān)鍵因素分析

基于上述模型，仿真計(jì)算的直流三支柱絕緣子徑向截面溫度分布如圖2a所示。三支柱絕緣子溫度從中心導(dǎo)桿附近到接地外殼附近呈梯度遞減的趨勢。導(dǎo)桿溫度為333K時，接地外殼溫度為302K，最大溫差可達(dá)31K。溫度的梯度分布會導(dǎo)致絕緣子電導(dǎo)率隨導(dǎo)桿距離的增大呈梯度遞減，如圖2b所示。

圖2 三支柱絕緣子徑向溫度及電導(dǎo)率分布

在直流電壓和溫度梯度的作用下，三支柱絕緣子氣-固界面電荷密度分布如圖3a所示。同極性正電荷主要集中在直流三支柱絕緣子腹部，最大電荷密度為+31.9μC/m2；異極性負(fù)電荷集中于絕緣子支腿底部，最大電荷密度為-20.3μC/m2。說明當(dāng)GIL設(shè)備處于潔凈狀態(tài)時，三支柱絕緣子內(nèi)部及表面?zhèn)鲗?dǎo)的電流比氣體側(cè)電流對界面電荷積聚的影響更大，絕緣子電導(dǎo)分布是氣-固界面電荷積聚及電場分布的關(guān)鍵因素。氣-固界面電荷的不均勻分布導(dǎo)致直流三支柱絕緣子支腿處沿面切向電場強(qiáng)度顯著增大，最大切向電場強(qiáng)度由交流電壓下的1.48kV/mm增大至2.47kV/mm，增長了66.9 %，如圖4a所示。

圖3 三支柱絕緣子積聚電荷分布

圖4 三支柱絕緣子界面電場分布

此外，溫度梯度導(dǎo)致絕緣材料電導(dǎo)率呈梯度變化，直流三支柱絕緣子內(nèi)積聚同極性空間電荷，具體分布如圖3b所示。由于嵌件-環(huán)氧界面電場強(qiáng)度高、溫度梯度大，附近空間電荷積聚最為嚴(yán)重，電荷密度最大值可達(dá)3.8mC/m3?？臻g電荷的積聚導(dǎo)致嵌件-環(huán)氧界面成為直流三支柱絕緣子電場最為集中的區(qū)域，最大電場強(qiáng)度高達(dá)4.48 kV/mm，如圖4b所示。

綜上所述，直流三支柱絕緣子電荷積聚是造成界面處電場強(qiáng)度集中的關(guān)鍵因素，必須采取合理措施調(diào)控絕緣子電荷分布，抑制直流三支柱絕緣子界面電場集中效應(yīng)。

2.2 基于“類U型”梯度電導(dǎo)的絕緣子雙界面電場聯(lián)合調(diào)控方法

由2.1節(jié)可知，溫度梯度會引起三支柱絕緣子材料電導(dǎo)率空間梯度變化，越靠近接地側(cè)的材料電導(dǎo)率越低、電荷輸運(yùn)能力越弱，導(dǎo)致絕緣子接地側(cè)附近積聚大量空間及界面電荷，界面電場畸變。因此，本文提出采用嵌件-環(huán)氧界面涂層和氣-固界面涂層協(xié)同的方法，在不改變絕緣子本體性能的基礎(chǔ)上，增大絕緣子接地側(cè)材料的體電導(dǎo)率和表面電導(dǎo)率，降低空間及界面電荷積聚程度，同時優(yōu)化嵌件-環(huán)氧界面和氣-固界面電場分布。圖5為涂覆雙界面涂層的直流三支柱絕緣子示意圖，絕緣子體傳導(dǎo)電流和表面?zhèn)鲗?dǎo)電流可以等效為兩個電阻支路的并聯(lián)電路模型。

圖5 涂覆界面涂層的三支柱絕緣子模型

針對嵌件-環(huán)氧界面，可以在絕緣子澆注前對接地嵌件表面進(jìn)行處理，涂覆一層高電導(dǎo)率的材料。嵌件-環(huán)氧界面高電導(dǎo)涂層的引入加大了該區(qū)域的體電導(dǎo)率，使三支柱絕緣子體電導(dǎo)率整體呈現(xiàn)兩端高、中間低的“類U型”梯度分布，如圖6a所示。絕緣子接地側(cè)附近積聚的正極性空間電荷通過涂層傳輸至地電極，積聚的電荷密度降低，甚至出現(xiàn)負(fù)極性空間電荷的累積，降低嵌件-環(huán)氧界面電場強(qiáng)度。

針對氣-固界面，界面涂層主要通過調(diào)控絕緣子表面電流對氣-固界面電荷進(jìn)行抑制，從而達(dá)到優(yōu)化界面電場分布的目的。絕緣子氣-固界面閃絡(luò)電壓與沿面切向電場強(qiáng)度密切相關(guān)，而三支柱絕緣子腹部區(qū)域切向電場強(qiáng)度極小，電場優(yōu)化的必要性不大；此外，由于表面?zhèn)鲗?dǎo)電流與切向電場強(qiáng)度密切相關(guān)，腹部區(qū)域的表面?zhèn)鲗?dǎo)電流可忽略不計(jì)，難以通過界面涂層的方法改變該區(qū)域的電場分布。因此，只需要在三支柱絕緣子支腿區(qū)域氣-固界面涂覆界面涂層。已有研究表明，非線性電導(dǎo)涂層對氣-固界面電場的調(diào)控作用要優(yōu)于均勻電導(dǎo)涂層[13]。因此，在三支柱絕緣子支腿區(qū)域氣-固界面引入非線性電導(dǎo)涂層，可以加大該區(qū)域材料的表面電導(dǎo)率，使三支柱絕緣子表面電導(dǎo)率呈“類U型”梯度分布，如圖6b所示，降低了氣-固界面電荷積聚程度，自適應(yīng)地優(yōu)化界面電場分布。

圖6 三支柱絕緣子的“類U型”梯度電導(dǎo)分布

3 雙界面涂層的電場調(diào)控效果與參數(shù)優(yōu)化

3.1 雙界面涂層對界面電場的調(diào)控作用

式中，為電場強(qiáng)度（kV/mm）；參數(shù)為歐姆電導(dǎo)率（S/m）；參數(shù)為非線性系數(shù)（mm/kV）。

圖7 涂覆雙界面涂層后絕緣子電荷分布

圖8 涂覆雙界面涂層后絕緣子界面電場分布

直流三支柱絕緣子涂覆雙界面涂層后，電導(dǎo)呈“類U型”梯度分布，降低了電荷積聚程度，有效地抑制了絕緣子界面的電場集中效應(yīng)。但該方法的應(yīng)用也存在一定弊端，當(dāng)三支柱絕緣子整體承受電壓恒定時，嵌件-環(huán)氧界面高電導(dǎo)涂層的引入雖然降低了界面處的電場強(qiáng)度，但同時伴隨著絕緣子本體部分承受電壓的增大，絕緣子本體內(nèi)的電場強(qiáng)度會有所提升。此外，氣-固界面非線性電導(dǎo)涂層的使用加大了絕緣子表面電導(dǎo)率，泄露電流增大，損耗功率增大了兩個數(shù)量級，涂覆涂層后絕緣子本體最大電場強(qiáng)度與損耗功率如圖9所示。

因此，在使用雙界面涂層對直流三支柱絕緣子界面電場進(jìn)行調(diào)控時，兩個涂層的電導(dǎo)參數(shù)的選擇非常重要。涂層電導(dǎo)率過低，則界面電場調(diào)控效果不佳；涂層電導(dǎo)率過高，則可能引起絕緣子本體電場強(qiáng)度過高、泄露電流過大等問題。以下通過仿真研究涂層材料電導(dǎo)參數(shù)對界面電場分布的影響，為直流三支柱絕緣子雙界面涂層電導(dǎo)參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖9 涂覆涂層后絕緣子本體最大場強(qiáng)與損耗功率

3.2 雙界面涂層電導(dǎo)參數(shù)優(yōu)化

在嵌件-環(huán)氧界面已經(jīng)涂覆電導(dǎo)率為10-12S/m的界面涂層的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究氣-固界面涂層材料非線性電導(dǎo)參數(shù)和對氣-固界面電場分布與損耗功率的影響。本文依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置參數(shù)的取值范圍為1×10-14~1×10-11S/m，參數(shù)的取值范圍為0.2~2 mm/kV[22]。

圖11a給出了直流三支柱絕緣子氣-固界面最大切向電場強(qiáng)度隨非線性電導(dǎo)涂層材料參數(shù)的變化規(guī)律。未涂覆涂層時，直流三支柱絕緣子最大切向場強(qiáng)為2.47kV/mm；涂覆涂層后，絕緣子最大切向場強(qiáng)明顯下降。隨著參數(shù)和的增大，直流三支柱絕緣子最大切向電場強(qiáng)度先快速下降，最后趨于平穩(wěn)。對此，可做如下解釋：當(dāng)氣-固界面涂層電導(dǎo)參數(shù)和較小時，表面電荷積聚的主要途徑是絕緣子體傳導(dǎo)和氣體側(cè)傳導(dǎo)，此時涂層電導(dǎo)參數(shù)的增大提高了絕緣子表面電導(dǎo)率，有助于表面電荷沿材料表層疏散，因此絕緣子最大切向電場強(qiáng)度快速下降；但隨著涂層電導(dǎo)參數(shù)的繼續(xù)增大，通過表面?zhèn)鲗?dǎo)積聚的電荷逐漸增多[23]，此時絕緣子表面電導(dǎo)率的增大不再抑制表面電荷積聚，非線性電導(dǎo)涂層對氣-固界面最大切向電場強(qiáng)度的調(diào)控效果達(dá)到飽和。

為便于定量表征，本文定義最大切向電場強(qiáng)度下降至初始值的70%即1.73 kV/mm時的涂層參數(shù)集合，作為直流三支柱絕緣子氣-固界面電場調(diào)節(jié)作用的“臨界飽和線”。當(dāng)涂層參數(shù)處于飽和區(qū)時，歐姆電導(dǎo)率和非線性系數(shù)的增加對絕緣子氣-固界面的電場調(diào)控效果影響不大，反而會因?yàn)檫^高的電導(dǎo)率引起功率損耗的快速增長，如圖11b所示。因此，針對直流三支柱絕緣子氣-固界面非線性電導(dǎo)涂層而言，應(yīng)使涂層電導(dǎo)參數(shù)和控制在“臨界飽和線”上?？紤]到直流三支柱絕緣子結(jié)構(gòu)形式、電壓等級、負(fù)載電流等參數(shù)對該臨界線的影響，可對臨界線做出相應(yīng)的修正。

圖11 涂層材料參數(shù)對直流三支柱絕緣子氣-固界面電場分布及功率損耗的影響

3.3 雙界面涂層的應(yīng)用實(shí)例分析

圖12 直流三支柱絕緣子電場分布和損耗功率

針對三支柱絕緣子嵌件-環(huán)氧界面，目前已經(jīng)應(yīng)用的界面涂覆材料主要包括以橡膠為基體的導(dǎo)電材料和以環(huán)氧樹脂為基體的不導(dǎo)電材料[24]，主要目的是提升界面力學(xué)性能。相關(guān)的涂覆工藝較為成熟，首先是對嵌件進(jìn)行噴砂或滾花處理，然后在嵌件表面涂覆界面材料，隨后將嵌件裝入模具中，進(jìn)行澆注、固化等工藝。從本文計(jì)算結(jié)果來看，為抑制界面處的電場集中效應(yīng)，直流三支柱絕緣子嵌件-環(huán)氧界面涂層更適合采用導(dǎo)電橡膠材料；如果采用環(huán)氧界面劑時，可以添加適量導(dǎo)電顆粒使復(fù)合材料電導(dǎo)率不小于10-12S/m。

針對三支柱絕緣子氣-固界面，非線性電導(dǎo)涂層材料一般是通過在環(huán)氧樹脂基體中添加非線性電導(dǎo)填料（ZnO、SiC等）的方式制備。合理控制填料的粒徑、形貌、摻雜量等方式，可以使涂層電導(dǎo)參數(shù)和控制在“臨界飽和線”上，優(yōu)化直流三支柱絕緣子氣-固界面電場分布。相關(guān)的涂覆方法包括浸漬法、刷涂法、磁控濺射等，但是這些方法目前大多局限于實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)的應(yīng)用，絕緣子本體與氣-固界面涂層的交界面的長期穩(wěn)定性是制約氣-固界面涂層大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的瓶頸，提升界面涂層的長期穩(wěn)定性、開發(fā)工業(yè)化涂覆技術(shù)仍需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

1）提出基于“類U型”梯度電導(dǎo)的三支柱絕緣子雙界面電場協(xié)同調(diào)控策略。通過嵌件-環(huán)氧界面高電導(dǎo)涂層和氣-固界面非線性電導(dǎo)涂層的協(xié)同使用，使得三支柱絕緣子體電導(dǎo)和表面電導(dǎo)呈“類U型”梯度分布，可降低絕緣子內(nèi)部及表面電荷積聚程度，從而優(yōu)化界面電場分布。

2）為定量表征涂層參數(shù)的影響，以電場強(qiáng)度與電導(dǎo)損耗為調(diào)控目標(biāo)，給出了直流三支柱絕緣子氣-固界面電場調(diào)節(jié)作用的“臨界飽和線”。具體算例表明，當(dāng)嵌件-環(huán)氧界面涂覆材料電導(dǎo)率不小于10-12S/m、氣-固界面非線性電導(dǎo)材料參數(shù)處于“臨界飽和線”上時，直流三支柱絕緣子嵌件-環(huán)氧界面最大場強(qiáng)可降至0.04kV/mm，同時氣-固界面最大切向場強(qiáng)降至1.73kV/mm。

3）參數(shù)優(yōu)化后的雙界面梯度電導(dǎo)涂層，使界面電場集中效應(yīng)得到了有效抑制，同時將絕緣子最大電場與功率損耗控制在允許范圍內(nèi)，為高壓直流三支柱絕緣子的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

[1] 劉鵬, 吳澤華, 朱思佳, 等. 缺陷對交流1100kV GIL三支柱絕緣子電場分布影響的仿真[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2022, 37(2): 469-478.

Liu Peng, Wu Zehua, Zhu Sijia, et al. Simulation on electric field distribution of 1100kV AC tri-post insulator influenced by defects[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(2): 469-478.

[2] 張博雅, 張貴新. 直流GIL中固-氣界面電荷特性研究綜述Ⅰ：測量技術(shù)及積聚機(jī)理[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(20): 4649-4662.

Zhang Boya, Zhang Guixin. Review of charge accumulation characteristics at gas-solid interface in DC GIL, part Ⅰ: measurement and mechanisms[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(20): 4649-4662.

[3] 黎衛(wèi)國, 張長虹, 楊旭, 等. 500kV GIL三支柱絕緣子炸裂故障分析與防范措施[J]. 電瓷避雷器, 2019(3): 221-227.

Li Weiguo, Zhang Changhong, Yang Xu, et al. Analysis and protecting measures on burst fault of three-pillar insulator of 500 kV GIL[J]. Insulators and Surge Arresters, 2019(3): 221-227.

[4] 吳澤華, 王浩然, 田匯冬, 等. 特高壓GIL三支柱絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)分析與優(yōu)化[J]. 高電壓技術(shù), 2018, 44(10): 3165-3173.

Wu Zehua, Wang Haoran, Tian Huidong, et al. Structural parameter analysis and optimization of tri-post insulator on UHVAC GIL[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44(10): 3165-3173.

[5] 鄭忠波, 陳楠, 李志闖, 等. 操作沖擊電壓下C4F7N/CO2混合氣體252kV GIL間隙及沿面放電特性[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(14): 3055-3062.

Zheng Zhongbo, Chen Nan, Li Zhichuang, et al. Discharge characteristics of 252kV gas insulated transmission lineunder switching impulse voltage in C4F7N/CO2mixtures[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(14): 3055-3062.

[6] 王健, 李伯濤, 李慶民, 等. 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[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(15): 213-222.

Wang Jian, Li Botao, Li Qingmin, et al. Impact of linear metal particle on surface charge accumulation of post insulator within DC GIL[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(15): 213-222.

[7] 侯志強(qiáng), 郭若琛, 李軍浩. 直流電壓下SF6/N2混合氣體沿面局部放電特性[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(14): 3087-3096.

Hou Zhiqiang, Guo Ruochen, Li Junhao. Partial discharge characteristics of the surface discharge in SF6/N2of the mixed gas under DC voltage[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(14): 3087-3096.

[8] 王淵, 馬國明, 周宏揚(yáng), 等. SF6/N2混合氣體中直流疊加雷電沖擊復(fù)合電壓作用下絕緣子閃絡(luò)特性[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(14): 3084-3092.

Wang Yuan, Ma Guoming, Zhou Hongyang, et al. Flashover characteristics of spacers in SF6/N2-filled under composite voltage of DC and lightning impulse[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(14): 3084-3092.

[9] 田浩, 林生軍, 張鵬飛, 等. 不同工藝對特高壓GIL三支柱絕緣子組織均勻性的影響[J]. 絕緣材料, 2018, 51(12): 67-73,78.

Tian Hao, Lin Shengjun, Zhang Pengfei, et al. Effect of different processes on structure uniformity of UHV GIL three post insulator[J]. Insulating Materials, 2018, 51(12): 67-73,78.

[10] 高璐, 賈云飛, 汲勝昌, 等. 環(huán)保型1100 kV GIL用三支柱絕緣子多物理場耦合仿真及校核[J]. 高電壓技術(shù), 2020, 46(3): 987-996.

Gao Lu, Jia Yunfei, Ji Shengchang, et al. Multi-physical field analysis and verification of tri-post insulator on environment-friendly 1100kV GIL[J]. High Voltage Engineering, 2020, 46(3): 987-996.

[11] 吳澤華, 田匯冬, 王浩然, 等. 特高壓GIL啞鈴型三支柱絕緣子優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2020, 44(7): 2754-2761.

Wu Zehua, Tian Huidong, Wang Haoran, et al. Optimization design method for UHVAC GIL dumbbell type tri-post insulators[J]. Power System Technology, 2020, 44(7): 2754-2761.

[12] 魯加明, 周振華, 曹偉偉, 等. GIL用三柱式支撐絕緣子結(jié)構(gòu)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2015(9): 52-55.

Lu Jiaming, Zhou Zhenhua, Cao Weiwei, et al. The structure study of three colums support insulator with GIL[J]. Machinery Design & Manufacture, 2015(9): 52-55.

[13] 張博雅, 張貴新. 直流GIL中固-氣界面電荷特性研究綜述Ⅱ：電荷調(diào)控及抑制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(22): 5145-5158.

Zhang Boya, Zhang Guixin. Review of charge accumulation characteristics at gas-solid interface in DC GIL, part Ⅱ: charge control and suppression strategy[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(22): 5145-5158.

[14] 李進(jìn), 王澤華, 陳允, 等. 高壓氣體絕緣輸電設(shè)備用功能梯度材料研究進(jìn)展[J]. 高電壓技術(shù), 2020, 46(7): 2471-2477.

Li Jin, Wang Zehua, Chen Yun, et al. Research progress on functionally graded materials for high voltage gas insulated transmission apparatus[J]. High Voltage Engineering, 2020, 46(7): 2471-2477.

[15] Li Jin, Liang H C, Du B X, et al. Surface functional graded spacer for compact HVDC gaseous insulated system[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2019, 26(2): 664-667.

[16] Du B X, Ran Zhaoyu, Li Jin, et al. Novel insulator with interfacial σ-FGM for DC compact gaseous insulated pipeline[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2019, 26(3): 818-825.

[17] 李進(jìn), 張程, 杜伯學(xué), 等. 直流GIL用非線性電導(dǎo)環(huán)氧絕緣子電場仿真[J]. 高電壓技術(shù), 2019, 45(4): 1056-1063.

Li Jin, Zhang Cheng, Du Boxue, et al. Electrical field simulation of epoxy spacer with nonlinear conductivity for DC GIL[J]. High Voltage Engineering, 2019, 45(4): 1056-1063.

[18] Du B X, Liang H C, Li J, et al. Interfacial E-field self-regulating insulator considered for DC GIL application[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2019, 26(3): 801-809.

[19] 周宏揚(yáng), 馬國明, 劉姝嬪, 等. 基于電–熱多物理場耦合模型的直流GIL絕緣子表面電荷積聚及其對沿面電場影響的研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2017, 37(4): 1251-1260.

Zhou Hongyang, Ma Guoming, Liu Shupin, et al. Study on surface charges accumulation on insulator and its effects on the surface electrical field in DC-GIL with electro-thermal coupling model[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(4): 1251-1260.

[20] Ma Guoming, Zhou Hongyang, Lu Shijie, et al. Effect of material volume conductivity on surface charges accumulation on spacers under DC electro-thermal coupling stress [J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2018, 25(4): 1211-1220.

[21] 杜乾棟, 張喬根, 趙軍平, 等. 材料電導(dǎo)率對盆式絕緣子沿面電場與電荷分布的影響[J]. 高電壓技術(shù), 2018, 44(12): 3865-3871.

Du Qiandong, Zhang Qiaogen, Zhao Junping, et al. Influence of electric conductivity of materials on field and surface charge distribution of basin-type insulator[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44(12): 3865-3871.

[22] 李進(jìn), 王雨帆, 梁虎成, 等. 高壓直流GIL盆式絕緣子非線性電導(dǎo)參數(shù)優(yōu)化[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2021, 41(1): 166-173, 407.

Li Jin, Wang Yufan, Liang Hucheng, et al. Parameter optimization of nonlinear conductivity spacer for HVDC GIL[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 41(1): 166-173, 407.

[23] 羅毅, 唐炬, 潘成, 等. 直流GIS/GIL盆式絕緣子表面電荷主導(dǎo)積聚方式的轉(zhuǎn)變機(jī)理[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(3): 5039-5048.

Luo Yi, Tang Ju, Pan Cheng, et al. The transition mechanism of surface charge accumulation dominating way in DC GIS/GIL[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(3): 5039-5048.

[24] 陳允, 于洋, 崔博源, 等. 1100kV盆式絕緣子界面處理工藝及質(zhì)量管控措施[J]. 絕緣材料, 2015, 48(5): 44-49.

Chen Yun, Yu Yang, Cui Boyuan, et al. Study of interface treatment process and quality control measures for 1100 kV basin-type insulator[J]. Insulating Materials, 2015, 48(5): 44-49.

Interfacial Electric Field Optimization of DC Tri-Post Insulator Based on Gradient Surface Conductance Regulation

Hu Qi1Li Qingmin1Liu Zhipeng2Liu Heng2A. Manu Haddad3

（1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University Beijing 102206 China 2. Beijing Key Lab of HV and EMC North China Electric Power University Beijing 102206 China 3. Advanced High Voltage Engineering Research Centre Cardiff University Cardiff CF24 3AA UK）

Electric field concentration at the gas-solid interface and the insert-epoxy interface is considered to be the principal culprit that leads to surface flashover and outrigger burst of the DC tri-post insulator. Previously available structure optimization encounters difficulty in effectively addressing the electric field distribution of the two interfaces simultaneously, which poses imperative challenge for practical solutions. In the proposed research of this paper, the electric field distribution characteristics of the DC tri-post insulator interfaces were studied by electric-thermal-fluid multi-physics simulations, which indicated interfacial charge accumulation contributed most of the electric field concentration. A joint control strategy of electric field for dual-interfaces of the tri-post insulators based on "U-shaped" gradient conductance was proposed. Through synergistic utilization of high-conductivity coating for the insert-epoxy interface and non-linear conductivity coating for the gas-solid interface, the bulk conductance and surface conductance of the tri-post insulator present a "U-shaped" gradient distribution, which will reduce the internal and surface charge accumulation of the insulator, thereby optimizing the interfacial electric field distribution. The regulation effect of the dual interfacial coatings on electric field concentration was then studied, and the conductivity parameters of the coatings were optimized based on hybrid regulation targets for both electric field and power loss control. The presented research showed that, if the insert-epoxy interface coating conductivity was controlled less than 10-12S/m and the nonlinear gas-solid interface coating conductivity was well above the "saturation critical line", the maximum e-field strength of the insert-epoxy interface decreased from 4.48kV/mm to 0.04kV/mm, while the maximum tangential field strength of the gas-solid interface decreased from 2.47kV/mm to 1.73kV/mm. Parameter-optimized dual interfacial gradient conductance coatings can effectively suppress the interfacial electric field concentration, and the maximum electric field strength as well as the power loss can also be controlled within an allowable range, which provides fundamental reference for optimal design of high-voltage DC tri-post insulators.

DC gas insulated metal-enclosed transmission line（GIL）, tri-post insulator, interfacial coating, gradient conductance, interfacial electric field optimization

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210505

TM216

胡 琦 男，1996年生，博士研究生，研究方向?yàn)橹绷鱃IL氣固界面電荷積聚特性。E-mail：15650758736@163.com

李慶民 男，1968年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)、放電物理。E-mail：lqmeee@ncepu.edu.cn（通信作者）

2021-04-13

2021-06-16

國家自然科學(xué)基金（51737005, 51807060）和北京市自然科學(xué)基金（3202031）資助項(xiàng)目。

（編輯 郭麗軍）