固体聚合物电介质表面电荷测量系统设计与实验研究

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1、固体聚合物电介质表面电荷测量系统设计与实验研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：刘凯指导教师：唐炬教授专业：电气工程学科门类：工学重庆大学电气工程学院二O一五年五月DesignofSurfaceChargeMeasurementSystemandTestofPolymerInsulatingMaterialsAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegreeofEngi

2、neeringByLiuKaiSupervisedbyProf.TangJuSpecialty:ElectricalEngineeringCollegeofElectricalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay,2015重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要近年来，聚合物固体绝缘电介质广泛地应用于气体绝缘设备中，主要起导体支撑和绝缘的作用。然而，在外施电压作用下，聚合物电介质制成的固体绝缘子表面会逐步积聚电荷，积聚的电荷不仅会畸变绝缘子附近的电场分布

3、，还会为沿面放电过程的形成提供大量自由电荷，严重时可造成绝缘子沿面闪络，导致气体绝缘设备运行可靠性降低。相较于交流系统，直流电压下绝缘子表面电荷积聚现象更加严重，已成为直流气体绝缘设备安全运行的一大问题，受到本领域国内外学者的广泛关注。因此，研究直流高压下绝缘子表面电荷的积聚和消散特性，对于提高直流气体绝缘设备运行的可靠性具有十分重大的现实意义。本文研制了一套采用有源静电探头法测量固体绝缘表面电荷的实验系统，用于模拟直流下气体绝缘设备内部固体绝缘表面的电荷积聚过程，从而研究电荷的积聚和消散特性。该实验系统主要包

4、括测量探头、静电电位计、GIS模拟罐体、三维操控机构、运动控制系统、数据存储系统等。其中测量探头和静电电位计主要用于固体绝缘子表面积聚电荷的测量，可获取绝缘子表面电位分布信息；GIS模拟罐体用于模拟SF6气体绝缘设备内部的运行环境，能够承受-0.1~+0.5MPa气压；三维操控机构和运动控制系统主要用于控制测量探头对绝缘子表面进行全径向、全角度的扫描，其轴向移动精度和转动精度分别达到1mm和1°。在此基础上，研究了两种基于表面电位测量的表面电荷反演计算方法，即有限元矩阵分析法和模拟电荷法，通过具体的算例计算表明

5、，两种方法的计算结果较为接近，但模拟电荷法计算过程简单，精确度高，更改方便，优先推荐使用。接着采用平行平板电极，对直流高压下两种不同外形绝缘子表面电荷的积聚过程进行了初步的实验研究，发现加压时间、幅值的增长会促进绝缘子表面电荷的积聚，电压极性的改变会影响绝缘子表面电荷的分布，绝缘子表面的法向场强分量是绝缘子表面电荷积聚的根本原因，自由电荷通过气体侧传导的方式是绝缘子表面电荷积聚的主要途径。最后，采用电晕带电法使圆柱形绝缘子表面积聚电荷，研究正电荷、负电荷的消散过程，发现正、负电晕作用后，随着消散时间的延长，绝缘

6、子表面电荷总量呈近似指数衰减趋势，消散速度先快后慢，固体侧中和可能是表面电荷消散的主要途径，负电荷相较正电荷更易消散。关键词：聚合物电介质，表面电荷，测量，直流电压，积聚I重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTInrecentyears,polymerinsulatingmaterialiswidelyusedinthegasinsulatedequipment,playstherolesofsupportingandinsulating.Surfacechargecangraduallyaccumula

7、teoninsulatorsurfaceunderthestressofhighvoltage.Surfacechargeaccumulatedoninsulatorwillnotonlymakethelocalelectricfieldaberrant,italsoprovidesanumberoffreechargesfortheformationofthecreepingdischargeprocess.Surfacechargemayleadtosurfaceflashoveroccurredalong

8、insulatorinseriouscases.Thereduceddielectricstrengthhasbeenattributedtothepresenceofsuchcharge.ComparedwiththeACsystem,surfacechargeaccumulatedoninsulatormoreseriouslyundertheDCvoltage,ithindere