绝缘子表面“电荷斑”剖析——民熔电气顾问的

? ? ? ?安装在不同电位的导体或导体与接地构件之间的能够耐受电压和机械应力作用的器件。民熔绝缘子种类繁多，形状各异。民熔不同类型绝缘子的结构和外形虽有较大差别，但基本是由绝缘件和连接金具两大部分组成的。

? ? ? ?民熔绝缘子是一种特殊的绝缘控件， 能够在架空输电线路中起到重要作用。早年间民熔绝缘子多用于电线杆，慢慢发展于高型高压电线连接塔的一端挂了很多盘状的绝缘体，它是为了增加爬电距离的，通常由玻璃或陶瓷制成，就叫绝缘子。民熔绝缘子不会由于环境和电负荷条件发生变化导致的各种机电应力而失效，这是民熔绝缘子重大的作用体现之一。

陶瓷绝缘子

? ? ? ? 直流电压下缩比气体绝缘金属封闭输电线路（GIL）绝缘子表面电荷进行测量时发现，绝缘子表面通常呈现两种不同的电荷分布，可分别称为电荷分布的“基本模式”和“电荷斑”模式。下面小课堂主要分享一下绝缘子表面的“电荷斑”模式。优异绝缘子也难免遇到一定的问题，但是它们必然有着对应的设计处理，就如下方的绝缘子。

设计突出的民熔绝缘子

? ? ? ?气体绝缘金属封闭输电线路是高压输电中常用的一种输电方式。它具有电磁干扰小、传输容量大、损耗小、环境适应性强等优点。它可以解决我国西电、北电、南电远距离大规模输送的难题，缓解我国能源供应与能源消费的区域分布不平衡。

? ? ? ?在实验室前期的研究工作中，从材料本征角度和三电流模型出发，研究了电荷积累的规律。结果表明，在中心电极结构下，绝缘子表面电荷积累主要受固体侧电流的控制。但同时也发现，由于局部放电等因素的影响，绝缘子表面会出现随机的“充电点”，这些“充电点”的积累机理与上述规律不同，不能反映绝缘材料特性对电荷积累的影响。本文对“电荷点”现象进行了研究。

? ? ? ?自20世纪70年代以来，有学者开始研究绝缘子表面电荷积累，并从体积电导率模型、切向电场强度模型和法向电场强度模型等方面分析了表面电荷积累的原因。

　　进入21世纪后，一些高校科研人员开展了这方面的研究，对影响电荷积累的因素以及电荷积累对闪络电压的影响提出了自己的看法，并通过相关实验加以验证。

　　在Gil高压输电系统中，绝缘子作为电隔离元件或支撑不同电位导体广泛应用于输电线路中。也正因为如此，绝缘子长期工作在高压高电场环境中，绝缘子表面不可避免地存在电荷积累现象，电荷积累会引起绝缘子表面电场的畸变，从而导致绝缘子表面电场的降低沿表面的闪络电压。因此，为了提高Gil输电系统的稳定性和可靠性，研究和分析绝缘子电荷积累现象及其积累机理，可为实际工程设计提供参考。

　　为了方便测量，将Gil中使用的盆式绝缘子按一定比例缩小，形成锥形绝缘子，其形状如下图所示。尺寸为外径100mm，内径12mm，边缘厚度5mm，中心厚度17.5mm。

三维图

? ? ? ?为了测试和测量直流电压下电荷积累，设计了一套集压力和测量于一体的实验系统。结构图如下图所示。高压电极通过锥形绝缘子的中心与直流高压连接，并通过保护电阻与直流高压连接；绝缘体周围有一圈铝法兰，通过法兰与接地的金属筒体连接，形成接地电极。

结构图

? ? ? ?压力达到一定时间后，高压被切断，有源电容探头移至绝缘子表面。一个电机控制探头沿锥形绝缘子的锥面径向移动，另一个电机控制探头沿中心轴旋转，使探头以螺旋线的形式扫描整个绝缘子的表面。

　　实验中，利用电机控制软件对探头沿绝缘子表面进行44周的扫描，在每个圆周上扫描360个点，得到360×44=个电位信息。通过有限元软件模拟，可以得到由电势到电荷密度的传递函数矩阵H。然后通过进一步的反演算法得到绝缘子表面电荷密度。

　　研究了直流电压作用下，降倍率Gil绝缘子表面电荷积累的电荷点模式。分析了其特点及原因。用最大类间方差法对绝缘子进行了分离和定量表征。得出以下结论：

　　1）在直流电压作用下，Gil绝缘子表面电荷积累可分为两种主要模式：基本模式和电荷点模式。

　　2）对灰度图像中“目标”与“背景”的识别方法进行了类比。采用最大类间方差法可以有效地分离“充电点”模式。

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