CN109256244B - 一种直流输电管道 - Google Patents

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Abstract

本申请属于电力技术设备生产制造技术领域，特别是涉及一种直流输电管道。现有的盆式绝缘子在直流电压下表面容易积聚电荷，而表面电荷积聚将导致局部电场畸变，使得绝缘子更容易发生沿面闪络。本申请提供一种直流输电管道，所述直流输电管道中设置有直流气体绝缘金属封闭输电线路绝缘子，所述直流气体绝缘金属封闭输电线路绝缘子包括中央嵌件，所述中央嵌件外侧设置有绝缘件，所述绝缘件外侧设置有法兰；所述绝缘件包括第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面沿水平方向轴对称。平衡了沿面切向和法向分量，使得在切向场强满足要求的情况下，大大降低法向场强，从而实现直流下绝缘子表面的电荷积聚的显著抑制。

Description

一种直流输电管道
技术领域
本申请属于电力技术设备生产制造技术领域，特别是涉及一种直流输电管道。
背景技术
电能的传输，和变电、配电、用电一起，构成电力系统的整体功能,是电力系统整体功能的重要组成环节。发电厂与电力负荷中心通常都位于不同地区，通过输电，把相距甚远的(可达数千千米)发电厂和负荷中心联系起来，使电能的开发和利用超越地域的限制。
气体绝缘金属封闭输电线路(Gas-insulated transmission lines，简称GIL)包括直流GIL和交流GIL。在直流电压下，气体绝缘金属封闭输电线路同轴圆柱气体间隙中电场恒定，电场分布取决于固体绝缘材料的形状和电导率，而绝缘材料的电导率又在很大程度上受温度、电场强度及加压时间等诸多因素的影响。
电流通过输电管道进行传输，输电管道中大多用到盆式绝缘子，现有的盆式绝缘子在直流电压下表面容易积聚电荷，而表面电荷积聚将导致局部电场畸变，使得绝缘子更容易发生沿面闪络。
发明内容
1.要解决的技术问题
基于电流通过输电管道进行传输，输电管道中大多用到盆式绝缘子，现有的盆式绝缘子在直流电压下表面容易积聚电荷，而表面电荷积聚将导致局部电场畸变，使得绝缘子更容易发生沿面闪络的问题，本申请在前期研究的基础上，提供了一种直流输电管道，其表面电荷积聚相比现有方案有明显的降低。
2.技术方案
为了达到上述的目的，本申请提供了一种直流输电管道，所述直流输电管道中设置有直流气体绝缘金属封闭输电线路绝缘子，所述直流气体绝缘金属封闭输电线路绝缘子包括中央嵌件，所述中央嵌件外侧设置有绝缘件，所述绝缘件外侧设置有法兰；
所述绝缘件包括第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面沿水平方向轴对称。
可选地，所述第一表面包括顺次连接的第一弧面、第二弧面和第三弧面，所述第一弧面与第二弧面之间设置有第一夹角，所述第二弧面与所述第三弧面之间设置有第二夹角，所述第一夹角与所述第二夹角大小相同。
可选地，所述第一夹角为165°，所述第二夹角为165°。
可选地，所述绝缘件为环氧树脂复合绝缘件，所述绝缘件的电阻率为1017Ω·cm。
可选地，所述中央嵌件与中央导体相连接。
可选地，所述直流输电管道中设置有绝缘气体，所述绝缘气体包括SF6/N2混合气体或者C3F7CN/CO2混合气体。
可选地，所述SF6/N2混合气体气压为0.7MPa，所述SF6/N2混合气体中SF6为20％，所述N2为80％。
可选地，所述C3F7CN/CO2混合气体气压为0.6～0.7MPa，所述C3F7CN/CO2混合气体中C3F7CN为8％，所述CO2为92％。
可选地，所述直流输电管道包括耐压筒，所述直流气体绝缘金属封闭输电线路绝缘子与所述耐压筒相连接。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的一种直流输电管道：
本申请提供的一种直流输电管道，直流输电管道中设置有直流气体绝缘金属封闭输电线路绝缘子，包括中央嵌件，中央嵌件外侧设置有绝缘件，绝缘件外侧设置有法兰；绝缘件包括第一表面和第二表面，第一表面与第二表面沿水平方向轴对称；绝缘件的第一表面与第二表面沿水平方向轴对称，平衡了沿面切向和法向分量，使得在切向场强满足要求的情况下，大大降低法向场强，从而实现直流下绝缘子表面的电荷积聚的显著抑制。同时，本申请中的绝缘件采用电阻率1017Ω·cm量级的环氧树脂复合材料，也起到对直流电压下绝缘子表面的电荷积聚的显著抑制作用。在直流输电管道中使用SF6/N2混合气体，采用N2缓冲，大大降低了SF6的用量，使得直流输电管道更加环保。再者直流输电管道在输电管道外壳没有感应发热，传热性能大幅提升，因此，根据交直流发热量的不同进行折算，可以适当减小输电管道尺寸，相较于相同电压等级尺寸缩小23％，降低成本，节省空间。
附图说明
图1是本申请的直流气体绝缘金属封闭输电线路绝缘子的横截面示意图；
图2是本申请的直流气体绝缘金属封闭输电线路绝缘子的俯视图；
图中：1-中央嵌件、2-绝缘件、3-法兰、4-第一表面、5-第二表面、6-第一弧面、7-第二弧面、8-第三弧面，9-第一夹角、10-第二夹角、11-通孔。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
中心对称图形：在平面内，把一个图形绕着某个点旋转180°，如果旋转后的图形能与原来的图形重合，那么这个图形叫做中心对称图形，这个点叫做它的对称中心。
轴对称：把一个图形沿着某一条直线折叠，如果直线两旁的部分能够互相重合，那么称这个图形是轴对称图形(symmetric figure)，这条直线就是对称轴。
SF6气体已有百年历史，它是法国两位化学家Moissan和Lebeau于1900年合成的人造惰性气体，1940年前后，美国军方将其用于曼哈顿计划(核军事)。1947年提供商用。当前SF6气体主要用于电力工业中。SF6气体用于4种类型的电气设备作为绝缘和/或灭弧；SF6断路器及GIS(在这里指六氟化硫封闭式组合电器，国际上称为"气体绝缘开关设备"(GasInsulated Switchgear))、SF6负荷开关设备，SF6绝缘输电管线，SF6变压器及SF6绝缘变电站。80％用于高中压电力设备。
参见图1～2，本申请提供一种直流输电管道，所述直流输电管道中设置有直流气体绝缘金属封闭输电线路绝缘子，所述直流气体绝缘金属封闭输电线路绝缘子包括中央嵌件1，所述中央嵌件1外侧设置有绝缘件2，所述绝缘件2外侧设置有法兰3；
所述绝缘件2包括第一表面4和第二表面5，所述第一表面4与所述第二表面5沿水平方向轴对称。这里的第一表面4是指绝缘件2正面，第二表面5是指绝缘件2反面，正反两面凹凸度为0°，两面是一样的；也就是说正反两面沿着水平方向的中轴线是对称的，即第一表面4与第二表面5沿水平方向轴对称，绝缘件2为水平方向的轴对称图形。整个直流气体绝缘金属封闭输电线路绝缘子横截面是一个中心对称图形。由于正反面凹凸度为0°，使得整个直流气体绝缘金属封闭输电线路绝缘子在切向场强满足要求的情况下，大大降低法向场强，从而实现直流下盆式绝缘子表面的电荷积聚的显著抑制。
可选地，所述第一表面4包括顺次连接的第一弧面6、第二弧面7和第三弧面8，所述第一弧面6与第二弧面7之间设置有第一夹角9，所述第二弧面7与所述第三弧面8之间设置有第二夹角10，所述第一夹角9与所述第二夹角10大小相同。进一步说明，正反面的凹凸度为0°。
可选地，所述第一夹角9为165°，所述第二夹角10为165°。
可选地，所述绝缘件2为环氧树脂复合绝缘件，所述绝缘件2的电阻率为1017Ω·cm。这里的绝缘件2采用电阻率1017Ω·cm量级的环氧树脂复合材料，相较于传统绝缘子，电阻率大幅提升，抑制电荷积聚，电场应以电荷积聚饱和后的异极性雷电冲击电压作用下沿面切向电场强度为评价依据。
可选地，所述中央嵌件1上设置有通孔11，所述通孔11的数量为4个。
可选地，所述直流输电管道中设置有绝缘气体，所述绝缘气体包括SF6/N2混合气体或者C3F7CN/CO2混合气体。SF6气体具有很强的温室效应，被《京都议定书》明确列为限制使用的绝缘气体，SF6/N2混合气体采用N2缓冲，大大降低了SF6的用量。
可选地，所述SF6/N2混合气体气压为0.7MPa，所述SF6/N2混合气体中SF6为20％，所述N2为80％。
可选地，所述C3F7CN/CO2混合气体气压为0.6～0.7MPa，所述C3F7CN/CO2混合气体中C3F7CN为8％，所述CO2为92％。
可选地，所述直流输电管道包括耐压筒，所述直流气体绝缘金属封闭输电线路绝缘子与所述耐压筒相连接。
直流输电能够大幅减少占地面积、节约成本、而针对气体绝缘输电线线路这种输电方式，直流下的相关装备还没有工业应用，从而适应直流输电这种形式的特殊要求。
绝缘子分为盆式绝缘子和支柱绝缘子两种形式，本申请是对传统的盆式绝缘子进行的改进。
本申请涉及的直流输电管道，导体外径为60毫米，外壳内经为210毫米，壳体厚度为8毫米；本申请使用的直流气体绝缘金属封闭输电线路绝缘子直径为210毫米，同时直流输电管道中使用支柱绝缘子，直径为210毫米，三支柱对称布置，支柱绝缘子的绝缘件也采用电阻率1017Ω·cm量级的环氧树脂复合材料制成；微粒捕捉器厚宽比为0.8，安装在距绝缘子4cm～12cm的位置，捕捉率成功率可达50％以上。
利用动力学仿真模型优化设计直流绝缘件的具体原理及方法
研究表明通过形状优化设计和绝缘材料改性，平衡绝缘子沿面法向场强和切向场强可有效提高其绝缘性能。基于前期研究所建立的直流绝缘子表面电荷积聚多物理场耦合仿真模型计算了直流电应力和热应力耦合作用下，绝缘材料体电导率对于绝缘子表面电荷积聚特性及沿面电场分布的影响规律，为直流GIL绝缘子绝缘材料的优化设计奠定理论基础。
从仿真结果可以看出，绝缘子上下表面均主要积聚正电荷，且分布相似。当盆式绝缘子体电导率由kv增大至10kv时，在上、下表面靠近导杆区域内，绝缘子表面电荷密度随之增大；若继续增大体电导率至100kv，相比于体电导率为10kv时的稳态电荷分布，盆式绝缘子上、下表面电荷分布规律和积聚电荷密度几乎不再变化。当盆式绝缘子体电导率由kv减小至0.1kv时，上、下表面电荷密度均有略微减少；若继续减小盆式绝缘子体电导率至0.01kv，在上、下表面积聚电荷密度明显降低，且靠近中心导杆部分极性由正极性变为负极性，最大电荷密度减小52.9％；当盆式绝缘子体电导率继续减小至0.001kv时，接近中心导杆附近区域将大量积聚负极性电荷，并且明显高于体电导率为0.01kv时的情况。
根据上述仿真结果，对于表面电导率为ks，体电导率为kv的盆式绝缘子在直流应力下的上下表面的电荷积聚分布情况由体电导决定，因此绝缘子表面积聚正电荷。当表面积聚正电荷时，流过绝缘子的电流密度的法向分量JIn减小，通过气体JGn的电流密度的法向分量与沿绝缘子表面的电流Jτn增加。稳态条件为JIn-JGn-Jτn＝0。由于JIn远大于其他量，只有当绝缘子侧法向电场强度EIn减小到非常小时才能达到稳定状态。
随着体电导率的进一步提高，绝缘子表面电荷密度随体电导率增大而增大。然而，JGn和Jτn也随着表面电荷的增加而增加。因此，绝缘子表面电荷密度不与体电导率成比例地增加。可以看出，即使绝缘子体电导率增加两个数量级，表面电荷几乎不再改变。相反，如果绝缘子体电导率减小很多，主导的电荷积聚机制变为沿绝缘子表面导电，并且积聚的电荷由正极性变为负极性。
因此可以通过降低体电导率减小盆式绝缘子上的表面电荷积聚。但体电导率不应减小过多，否则表面电荷积聚将从正极性变为负极性，并且切向电场强度显著增加；在直流绝缘子绝缘材料的改性中，体电导率应该降低两个数量级。以此为选择依据，选用常温下体电阻率>1×1017Ω·m的环氧树脂复合材料，作为直流盆式绝缘子浇注用料。将上述材料电学参数代入所提出的电荷积聚仿真模型，并基于贝塞尔方程建立绝缘子几何形状函数。
本申请提供的一种直流输电管道，直流输电管道中设置有直流气体绝缘金属封闭输电线路绝缘子，包括中央嵌件1，中央嵌件1外侧设置有绝缘件2，绝缘件2外侧设置有法兰3；绝缘件2包括第一表面4和第二表面5，第一表面4与第二表面5沿水平方向轴对称；绝缘件2的第一表面4与第二表面5沿水平方向轴对称，平衡了沿面切向和法向分量，使得在切向场强满足要求的情况下，大大降低法向场强，从而实现直流下绝缘子表面的电荷积聚的显著抑制。同时，本申请中的绝缘件2采用电阻率1017Ω·cm量级的环氧树脂复合材料，也起到对直流电压下绝缘子表面的电荷积聚的显著抑制作用。在直流输电管道中使用SF6/N2混合气体，采用N2缓冲，大大降低了SF6的用量，使得直流输电管道更加环保。再者直流输电管道在输电管道外壳没有感应发热，传热性能大幅提升，因此，根据交直流发热量的不同进行折算，可以适当减小输电管道尺寸，相较于相同电压等级尺寸缩小23％，降低成本，节省空间。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (7)

1.一种直流输电管道，其特征在于：所述直流输电管道中设置有直流气体绝缘金属封闭输电线路绝缘子，所述直流气体绝缘金属封闭输电线路绝缘子包括中央嵌件(1)，所述中央嵌件(1)外侧设置有绝缘件(2)，所述绝缘件(2)外侧设置有法兰(3)；
所述绝缘件(2)包括第一表面(4)和第二表面(5)，所述第一表面(4)与所述第二表面(5)沿水平方向轴对称；
所述绝缘件(2)为环氧树脂复合绝缘件，所述绝缘件(2)的电阻率为1017Ω·cm；
所述直流输电管道中设置有绝缘气体，所述绝缘气体包括SF6/N2混合气体或者C3F7CN/CO2混合气体。
2.如权利要求1所述的直流输电管道，其特征在于：所述第一表面(4)包括顺次连接的第一弧面(6)、第二弧面(7)和第三弧面(8)，所述第一弧面(6)与第二弧面(7)之间设置有第一夹角(9)，所述第二弧面(7)与所述第三弧面(8)之间设置有第二夹角(10)，所述第一夹角(9)与所述第二夹角(10)大小相同。
3.如权利要求2所述的直流输电管道，其特征在于：所述第一夹角(9)为165°，所述第二夹角(10)为165°。
4.如权利要求1所述的直流输电管道，其特征在于：所述中央嵌件(1)与中央导体相连接。
5.如权利要求1所述的直流输电管道，其特征在于：所述SF6/N2混合气体气压为0.7MPa，所述SF6/N2混合气体中SF6为20％，所述N2为80％。
6.如权利要求5所述的直流输电管道，其特征在于：所述C3F7CN/CO2混合气体气压为0.6～0.7MPa，所述C3F7CN/CO2混合气体中C3F7CN为8％，所述CO2为92％。
7.如权利要求1所述的直流输电管道，其特征在于：所述直流输电管道包括耐压筒，所述直流气体绝缘金属封闭输电线路绝缘子与所述耐压筒相连接。
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