直流气体绝缘开关装置绝缘设计分析

张 磊

（山东农业大学，山东 泰安 271000）

0 引 言

近年来，我国在直流气体绝缘开关装置绝缘设计领域投入了大量精力。捕捉自由金属导电微粒、抑制绝缘子表面电荷积聚及替代SF6气体均属于相关研究的主要内容。为更好地满足我国直流输电领域的发展需要，本文围绕直流气体绝缘开关装置的绝缘设计展开具体研究。

1 直流气体绝缘开关装置绝缘设计要点

结合国内外相关研究，本文总结了直流气体绝缘开关装置绝缘设计要点，包括捕捉自由金属导电微粒、抑制绝缘子表面电荷积聚及替代SF6气体。

1.1 捕捉自由金属导电微粒

当微粒受到的重力小于静电力时，直流气体绝缘开关装置中的金属导电微粒会在高压导体与外壳间自由运动。为避免金属导电微粒附着于绝缘子表面，一般需要进行外壳内壁的微粒陷阱处理（开凹槽）。为保证金属导电微粒顺利落入陷阱，需要在绝缘子附近制作处于高压导体上的金属圆台。结合受力分析，金属圆台与金属导电微粒发生碰撞，将导致金属导电微粒落入陷阱，并远离绝缘子或者运动到重力大于静电力的区域[1]。

在负极性电压作用下，直流气体绝缘开关装置中的金属导电微粒会出现Firefly现象。金属导电微粒停留在高压导体表面，而高压导体与金属导电微粒的碰撞使得静电力的大小远远超过了重力，故金属导电微粒被束缚在高压导体上。为抑制Firefly现象，必须保证高压导体表面电场强度小于2 kV/mm（Firefly现象起始场强）。可采用在金属圆台末端设置金属屏蔽环的设计，同时将屏蔽环设计为高且窄的箍。考虑到直流气体绝缘开关装置中的断路器和隔离开关操作会引发机械振动，为避免振动导致金属外壳内壁静止的金属导电微粒变为运动状态，必须在内壁涂敷一层较薄的绝缘薄膜。环氧树脂、邻苯二甲酸树脂均可作为绝缘薄膜材料，如在金属外壳内壁涂敷电导率为9×1014Ω·cm、厚度为0～40 μm的环氧树脂，金属导电微粒向上运动的临界场强将提升3倍，同时较好地抑制机械振动引起的金属导电微粒运动。

1.2 抑制绝缘子表面电荷积聚

在直流电压作用下，介质均匀且各向同性，则有式（1）的表面电荷的密度时间变化规律。其中，ε1、ε2、γ1、γ2分别为固体介电常数、气体介电常数、固体电导率、气体电导率，A与B、τ0、U则分别为常数、电荷积聚时间常数、外施直流电压[2]。

结合相关研究，有如式（2）所示的电荷饱和时的法向场强与电荷密度之间的关系，其中En2为气体侧的法向场强。结合式（2），若交界面电场强度有法向分量，则可判定表面存在电荷积聚。

为抑制绝缘子表面电荷积聚，可优化改进绝缘子的形状。这种优化改进的目的是尽可能降低电场强度法向分量，高质量地抑制绝缘子表面电荷积聚。通过半圆锥形盆式绝缘子实现绝缘子表面电荷积聚抑制，同时提高沿面闪络电压比。此外，合理选择绝缘子材料也能较好地抑制绝缘子表面电荷积聚，抑制的关键在于保障电荷的积聚速度低于消散速度。

1.3 替代SF6气体

在替代SF6气体的研究中，CF3I、C4F7N、c-C4F8、C5F10O及C6F12O等SF6潜在替代气体受到了高度关注。在围绕这类气体开展材料相容性、生物安全性、分解特性、绝缘性能和物理化学特性的研究中，武汉大学唐炬团队张晓星教授发现C6F12O气体是一种较优异的SF6替代物，具备较优秀的绝缘和环保性能、2.7倍的介电强度、仅为1的GWP值以及较低的经济成本。

2 设计实例

2.1 绝缘子外形结构优化

半圆锥形盆式绝缘子具备较高的绝缘子表面电荷积聚抑制能力，因此绝缘子外形结构优化应采用半圆锥形盆式绝缘子。图1为常规盘形盆式绝缘子、圆锥形盆式绝缘子和半圆锥形盆式绝缘子的对比图，其中的E、Et、En、1 pu分别为合场强、场强切向分量、场强法向分量、半圆锥型盆式绝缘子的最大合场强，横坐标为沿绝缘子表面离中间导体与绝缘子结合处的距离，可直观了解半圆锥形盆式绝缘子具备的优势。同时，为进一步提升绝缘子性能，还需提高绝缘子表面的电场均匀性。因此，需要选择合适的电阻阶梯分布方式进行绝缘子表面覆膜。直流气体绝缘开关装置绝缘子的表面电阻分布情况必须在覆膜过程中得到重视[3]。

图1 不同盆式绝缘子凹面合场强及其分量的分布

2.2 金属外壳内壁覆膜

为进一步提升直流气体绝缘开关装置绝缘设计水平，需要通过金属外壳内壁覆膜的方式减小机械振动影响，抑制传导方式的微粒带电。对比苯二甲酸乙二醇酯、邻苯二甲酸酯、环氧树脂及聚丙稀薄膜等覆膜材料，选择邻苯二甲酸酯进行金属外壳内壁覆膜。

2.3 布置微粒陷阱和驱赶电极

微粒陷阱可用于捕捉自由金属导电微粒。绝缘子附近外壳内表面凹陷结构和两侧金属屏蔽作用的利用属于微粒陷阱的基本原理。受微粒陷阱局部场强较弱的影响，可实现金属导电微粒惰性化，较好地抑制其对绝缘子造成的伤害。结合金属自由导电微粒的运动特点，得出如图2所示的微粒抑制结构。该结构位于直流气体绝缘开关装置盆式绝缘子附近，设计中的外壳与开凹槽后的铝制板紧密连接，使二者拥有相同的电位。在两边金属的屏蔽作用下，槽内气隙空间电场实现大幅削弱。同时，在绝缘子导体上连接圆台状金属微粒驱赶电极（金属圆台），同时设置靠近绝缘子末端的金属屏蔽环。

图2 微粒抑制结构

结合图2发现，当圆台状金属微粒驱赶电极与金属导电微粒发生碰撞时，金属导电微粒将在水平方向力的作用下远离绝缘子，并最终落入微粒陷阱。圆台状金属微粒驱赶电极与金属屏蔽环结合处的电场，受凹陷的电极结构影响，该处电场较低。当高压导体表面的Firefly现象移动至该处时，电场力将大大削弱，受重力作用影响的金属导电微粒将落入微粒陷阱。由于铝制屏蔽层陷阱内电场显著低于开凹槽部分，使得向上的电场力被大幅削弱，被捕获的金属导电微粒很难再次跃迁，从而保障了直流气体绝缘开关装置的绝缘性。

3 结 论

综上所述，直流气体绝缘开关装置绝缘设计具备较强的现实意义。基于此，本文通过捕捉自由金属导电微粒、抑制绝缘子表面电荷积聚、替代SF6气体、绝缘子外形结构优化、金属外壳内壁覆膜、布置微粒陷阱和驱赶电极等内容，提供了可行性较高的直流气体绝缘开关装置绝缘设计路径，进一步提高了绝缘设计水平。同时，需要继续关注C6F12O气体的实际应用、抑制金属导电微粒的影响及保障表面电场的合理分布。