CN111403128B - 一种用于直流输电的支柱绝缘子及直流输电设备 - Google Patents

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Abstract

本申请的实施例提供一种用于直流输电的支柱绝缘子及直流输电设备，涉及电力设备领域，消除了颗粒物对支柱绝缘子的潜在风险。该支柱绝缘子包括：高压端均压环、绝缘支柱、接地端均压环、以及嵌套在绝缘支柱外的电荷调控环。其中，高压端均压环用于均匀高压侧的电场分布；接地端均压环用于均匀接地侧的电场分布；绝缘支柱用于支撑高压导流杆，并隔绝高压侧与接地侧的电压。电荷调控环用于：确定在运行工况的直流电场下，积聚和高压侧异极性或同极性的表面电荷，且积聚的表面电荷的数量大于绝缘支柱积聚的表面电荷的数量，形成电场，电场用于吸附封闭区域内的颗粒物。本申请实施例应用于直流输电中的支柱绝缘子。

Description

一种用于直流输电的支柱绝缘子及直流输电设备
技术领域
本申请的实施例涉及电力设备领域，尤其涉及一种用于直流输电的支柱绝缘子及直流输电设备。
背景技术
直流输电设备通常使用支柱绝缘子承担绝缘支撑件的功能，且通常采用的是金属封闭六氟化硫(化学式：SF6)气体的绝缘结构。例如，穿墙套管、气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal enclosed transmission line，GIL)。
直流输电设备在生产、运输、安装及运行等过程中会不可避免地在其封闭区域内部产生金属、杂质等颗粒物。这些颗粒物的自由运动会急剧降低SF6气体的绝缘强度，甚至会引发支柱绝缘子表面的电场畸变、加剧绝缘子沿面电荷运动，从而导致支柱绝缘子整体绝缘失效。
目前，工程上使用微粒陷阱捕获装置约束金属、杂质等颗粒物，来避免其影响支柱绝缘子的绝缘性能。但是，这种方式仅是对颗粒物进行收集，并不能完全有效的约束和消除颗粒物，以及颗粒物对支柱绝缘子带来的潜在风险。
发明内容
本申请的实施例提供一种用于直流输电的支柱绝缘子及直流输电设备，消除了颗粒物对支柱绝缘子的潜在风险。
第一方面，本申请提供一种用于直流输电的支柱绝缘子，该支柱绝缘子应用于支撑直流输电设备中的高压导流杆。直流输电设备包括高压导流杆、金属外壳、以及封闭区域内的绝缘气体。支柱绝缘子包括：高压端均压环、绝缘支柱、接地端均压环、以及电荷调控环。
其中，高压端均压环与直流输电设备的高压导流杆电连接。接地端均压环与直流输电设备的金属外壳电连接。绝缘支柱的两端分别连接高压端均压环和接地端均压环，并且绝缘支柱分别与高压端均压环、接地端均压环绝缘。电荷调控环嵌套在绝缘支柱外部，且与绝缘支柱绝缘。
高压端均压环用于均匀高压侧的电场分布。接地端均压环用于均匀接地侧的电场分布。绝缘支柱用于支撑高压导流杆，并隔绝高压侧与接地侧的电压。电荷调控环用于确定在运行工况的直流电场下，积聚和高压侧异极性或同极性的表面电荷，且积聚的表面电荷的数量大于绝缘支柱积聚的表面电荷的数量，形成电场，电场用于吸附封闭区域内的颗粒物。
上述方案中，首先，电荷调控环能够在运行工况的直流电场下，积聚大量表面电荷而形成电场。这样，当直流输电设备内有金属、杂质等颗粒物时，会由于静电感应作用被吸引接近电荷调控环。其次，由于电荷调控环能够积聚比绝缘支柱更多的表面电荷，所以当电荷调控环和绝缘支柱都积聚了表面电荷时，电荷调控环上表面的法向电场分量较大，更易于吸附颗粒物，并与颗粒物进行作用。
可选的，电荷调控环形成的电场还用于：在电荷调控环和接地端均压环之间放电，使得颗粒物发生相变。
可选的，电荷调控环形成的电场还用于：在电荷调控环和金属外壳之间放电，使得颗粒物发生相变。
由于电荷调控环积聚的大量表面电荷会产生较强的电场，当电场的电场强度超出电荷调控环的表面绝缘强度时，会发生沿面放电或对地放电。这时，沿面放电或对地放电产生的能量在一方面能够使得金属、杂质等颗粒物发生液化、升华等相变，从而形成复合物最终沉积在高压端均压环、接地端均压环、金属外壳等不影响表面绝缘位置。因此，避免了颗粒物对支柱绝缘子的潜在风险。
可选的，电荷调控环与高压端均压环的距离，大于电荷调控环与接地端均压环的距离。
根据电场有限元计算分析，将电荷调控环放置于靠近接地端均压环的一侧，当电荷调控环带有表面电荷时，它对高压侧的电场分布的影响，小于对接地侧的电场分布的影响，可以避免电荷调控环聚集的表面电荷产生的电场，影响到绝缘支柱表面的绝缘特性。同时，将电荷调控环放置于靠近接地端均压环的一侧，还能够保证在电荷调控环表面产生较高的法向电场分量，在电荷调控环对低压侧均压环或金属外壳放电时，仍能维持电荷调控环和高压侧之间的绝缘。
可选的，构成电荷调控环的材料包括以下任意一种：掺杂改性的氮化硅、掺杂改性的氧化铝、掺杂改性的氧化锆、表面改性的环氧树脂。
由于掺杂改性的氮化硅、掺杂改性的氧化铝、掺杂改性的氧化锆、表面改性的环氧树脂都是易于积聚表面电荷，且能够耐受表面放电的材料。因此，使用掺杂改性的氮化硅、掺杂改性的氧化铝、掺杂改性的氧化锆、表面改性的环氧树脂中的任意一种或多种材料作为电荷调控环更易于积聚表面电荷，形成电场，最终消除颗粒物。同时，由于这些材料能够耐受表面放电，因此在消除颗粒物的同时，表面放电不会对电荷调控环的绝缘特性造成影响。
可选的，电荷调控环是与绝缘支柱同轴的环状凸起。
可选的，电荷调控环沿绝缘支柱的轴向的尺寸为20mm-30mm。
可选的，电荷调控环沿绝缘支柱表面的径向的尺寸为5mm-10mm。
当电荷调控环的尺寸太小时，难以实现消除颗粒物的作用，而当电荷调控环的尺寸太大时，会影响到绝缘支柱表面的绝缘特性，因此，电荷调控环的尺寸应该控制在上述尺寸范围内。
可选的，电荷调控环的表面粗糙度小于第一阈值。
第二方面，本申请提供一种直流输电设备，该直流输电设备包括高压导流杆、金属外壳、以及如上述第一方面的支柱绝缘子。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中直流特高压输电设备的结构示意图；
图2为现有技术中用于直流特高压输电的支柱绝缘子的结构示意图；
图3为本申请的实施例提供的用于直流特高压输电的支柱绝缘子的立体结构示意图；
图4为本申请的实施例提供的用于直流特高压输电的支柱绝缘子的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
我国能源禀赋的特征决定了大规模西电东送、北电南供势在必行。目前电能的远距离、大容量传输主要依靠直流输电技术，尤其是直流特高压输电技术。而绝缘支撑件是直流输电设备的核心组件之一，绝缘支撑件的性能决定了设备运行和电能传输的可靠性。
直流输电设备通常使用支柱绝缘子承担绝缘支撑件的功能，且直流输电设备中通常采用的是金属封闭六氟化硫(化学式：SF6)气体的绝缘结构。
具体的，以直流特高压输电设备为例，参见图1所示，现有技术中直流特高压输电设备的结构通常包括高压导流杆101、金属外壳102、绝缘气体103、以及支柱绝缘子104。其中，支柱绝缘子104的一端与高压导流杆101电连接，另一端与金属外壳102电连接。在直流特高压输电设备的封闭区域内包含有绝缘气体103，该绝缘气体103通常为SF6气体。
结合图1，参见图2所示，支柱绝缘子104通常作为绝缘支撑件用来固定直流特高压输电设备的高压导流杆101。支柱绝缘子104的结构通常包括高压端均压环201、绝缘支柱202、以及接地端均压环203。其中，高压端均压环201与高压导流杆101电连接，接地端均压环203与金属外壳102电连接。绝缘支柱202两端分别连接高压端均压环201和接地端均压环203，且绝缘支柱202与高压端均压环201、接地端均压环203绝缘。
直流特高压输电设备在生产、运输、安装和运行等过程中会不可避免地在其封闭区域内部产生金属、杂质等颗粒物。这些颗粒物的自由运动会急剧降低SF6气体的绝缘强度，甚至会引发支柱绝缘子表面的电场畸变、加剧支柱绝缘子沿面电荷运动，从而有可能破坏支柱绝缘子的表面绝缘功能，导致支柱绝缘子整体绝缘失效。
目前，工程上使用微粒陷阱捕获装置收集金属、杂质等颗粒物，来避免其影响支柱绝缘子的绝缘性能。然而，这种方式存在一些潜在的风险。首先，金属、杂质等颗粒物可能在被捕获之前，已经对支柱绝缘子的绝缘性能造成了不可逆的破坏。其次，在绝缘气体的密封结构中，位于同心圆中心的高压导流杆作为直流特高压电能的载体，产生的热量会造成高压导流杆、金属外壳、以及外界环境的温度梯度，从而在直流特高压输电设备中形成循环气流，气流有可能将金属、杂质等颗粒物从微粒陷阱捕获装置中吹出。最后，当微粒陷阱捕获装置约束了大量的金属、杂质等颗粒物时，也存在着微粒相互撞击因而逃逸的风险。所以，这种方式仅是对颗粒物进行收集，并不能完全有效的约束和消除颗粒物，以及颗粒物对支柱绝缘子带来的潜在风险。
针对上述问题，本申请提供了一种用于直流特高压输电的支柱绝缘子，参见图3所示。该支柱绝缘子应用于如图1所示的直流特高压输电设备。
本申请实施例提供的用于直流输电的支柱绝缘子包括高压端均压环301、绝缘支柱302、电荷调控环303、以及接地端均压环304。其中，绝缘支柱302的第一端连接高压端均压环301，且绝缘支柱302与高压端均压环301绝缘。绝缘支柱302的第二端连接接地端均压环304，且绝缘支柱302与接地端均压环304绝缘。高压端均压环301与直流特高压输电设备的高压导流杆电连接。接地端均压环304与直流特高压输电设备的金属外壳电连接。
电荷调控环303嵌套在绝缘支柱302外面，且电荷调控环303与绝缘支柱302绝缘。具体的，电荷调控环303是与绝缘支柱302同轴的环状凸起。
高压端均压环301用于均匀高压侧的电场分布。接地端均压环304用于均匀接地侧的电场分布。绝缘支柱302用于支撑高压导流杆，并隔绝高压侧与接地侧的电压。
具体的，高压端均压环301与接地端均压环304由铜、铝等电导率较高的合金制成，可采用电力系统中常用的与绝缘支柱相配合的均压环。图3中示出的高压端均压环301、接地端均压环304的形状与几何尺寸并不构成对本申请中支柱绝缘子的限定。
绝缘支柱302可采用基于新型材料陶瓷及陶瓷改性材料等的绝缘支柱，也可采用一些电力系统中常用的以环氧树脂为基体的绝缘支柱。图3中示出的绝缘支柱302的形状与几何尺寸并不构成对本申请中支柱绝缘子的限定。
电荷调控环303用于：确定在运行工况的直流电场下，积聚的表面电荷电荷和高压侧的电荷异极性或同极性，且积聚的表面电荷的数量大于绝缘支柱302积聚的表面电荷的数量，形成电场，电场用于吸附直流特高压输电设备的封闭区域内的颗粒物。
可选的，电荷调控环303形成的电场还用于：在电荷调控环和接地端均压环之间放电，使得颗粒物发生相变。
可选的，电荷调控环303形成的电场还用于：在电荷调控环和金属外壳之间放电，使得颗粒物发生相变。
具体的，当电荷调控环303形成的电场的电场强度超出电荷调控环303的表面绝缘强度时，电荷调控环303会发生沿面放电和/或对地放电。这样，放电时产生的能量会使得颗粒物发生相变。
上述方案中，首先，电荷调控环303能够在运行工况的直流电场下，积聚大量表面电荷而形成电场。这样，当直流特高压输电设备内有金属、杂质等颗粒物时，会由于静电感应作用被吸引接近电荷调控环303。其次，由于电荷调控环303能够积聚比绝缘支柱302更多的表面电荷，所以当电荷调控环303和绝缘支柱302都积聚了表面电荷时，电荷调控环303上表面的法向电场分量较大，更易于吸附颗粒物，并与颗粒物进行作用。最后，又由于电荷调控环303积聚的大量表面电荷会产生较强的电场，当电场的电场强度超出电荷调控环303的表面绝缘强度时，会发生沿面放电或对地放电，且仍能维持电荷调节环303和高压端均压环301之间的绝缘。这时，沿面放电或对地放电产生的能量在一方面能够使得金属、杂质等颗粒物发生液化、升华等相变，从而形成复合物最终沉积在高压端均压环301、接地端均压环304、金属外壳等不影响表面绝缘位置。因此，避免了颗粒物对支柱绝缘子的潜在风险。
示例性的，结合上述图3，本申请实施例提供的支柱绝缘子沿图3中虚线A-a的方向所得的剖面结构如图4所示。支柱绝缘子包括高压端均压环301、绝缘支柱302、电荷调控环303、以及接地端均压环304。
可选的，电荷调控环303与高压端均压环301的距离，大于电荷调控环303与接地端均压环304的距离。
根据电场有限元计算分析，在将电荷调控环303放置于靠近接地端均压环304的一侧时，当电荷调控环303带有表面电荷时，它对高压侧的电场分布的影响，小于对接地侧的电场分布的影响，避免了电荷调控环303聚集的表面电荷产生的电场，影响到绝缘支柱302表面的绝缘特性。同时，将电荷调控环303放置于靠近接地端均压环304的一侧，还能够保证在电荷调控环303表面产生较高的法向电场分量，从而在电场放电时，仍能维持电荷调节环303和高压端均压环301之间的绝缘。
可选的，构成电荷调控环303的材料包括以下任意一种：掺杂改性的氮化硅、掺杂改性的氧化铝、掺杂改性的氧化锆、表面改性的环氧树脂。具体的，可以选用掺杂改性的氮化硅或它的复合材料、掺杂改性的氧化铝或它的复合材料、掺杂改性的氧化锆或它的复合材料、掺杂改性的氧化铝陶瓷、表面改性的环氧树脂等，其中的一种或多种作为本申请中电荷调控环303的材料。
由于掺杂改性的氮化硅或它的复合材料、掺杂改性的氧化铝或它的复合材料、掺杂改性的氧化锆或它的复合材料、掺杂改性的氧化铝陶瓷、表面改性的环氧树脂等，都是易于积聚表面电荷，且能够耐受表面放电的材料。因此，使用掺杂改性的氮化硅或它的复合材料、掺杂改性的氧化铝或它的复合材料、掺杂改性的氧化锆或它的复合材料、掺杂改性的氧化铝陶瓷、表面改性的环氧树脂中的任意一种或多种材料作为电荷调控环303更易于积聚表面电荷，形成电场，最终消除颗粒物。同时，由于这些材料能够耐受表面放电，因此在消除颗粒物的同时，表面放电不会对电荷调控环303的绝缘特性造成影响。
可选的，电荷调控环303沿绝缘支柱302的轴向的尺寸为20mm-30mm。
可选的，电荷调控环303沿绝缘支柱302表面的径向的尺寸为5mm-10mm。
当电荷调控环303的尺寸太小时，难以实现消除颗粒物的作用，而当电荷调控环303的尺寸太大时，会影响到绝缘支柱302表面的绝缘特性，因此，电荷调控环303的尺寸应该控制在上述尺寸范围内。
可选的，电荷调控环303的表面粗糙度小于第一阈值。具体的，由于物体表面粗糙度越大，越不易积聚表面电荷，因此，电荷调控环303的表面粗糙度应小于第一阈值。其中，第一阈值的取值可以是管理人员根据电荷调控环的材料和自身的经验进行取值。
另外，本申请还提供了一种直流输电设备，该直流输电设备包括高压导流杆、金属外壳、以及上述的支柱绝缘子。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于直流输电的支柱绝缘子，所述支柱绝缘子用于支撑直流输电设备中的高压导流杆；所述直流输电设备包括高压导流杆、金属外壳、以及支柱绝缘子，所述金属外壳内部的封闭区域内填充有绝缘气体；所述支柱绝缘子包括高压端均压环、绝缘支柱、接地端均压环；
所述绝缘支柱的第一端连接所述高压端均压环，且所述绝缘支柱与所述高压端均压环绝缘；所述绝缘支柱的第二端连接所述接地端均压环，且所述绝缘支柱与所述接地端均压环绝缘；所述高压端均压环与所述高压导流杆电连接；所述接地端均压环与所述金属外壳电连接；
所述高压端均压环用于均匀高压侧的电场分布；所述接地端均压环用于均匀接地侧的电场分布；所述绝缘支柱用于支撑所述高压导流杆，并隔绝高压侧与接地侧的电压；
其特征在于，所述支柱绝缘子还包括嵌套在所述绝缘支柱外的电荷调控环，所述电荷调控环与所述绝缘支柱绝缘；
所述电荷调控环用于：确定在运行工况的直流电场下，积聚和高压侧异极性或同极性的表面电荷，且积聚的表面电荷的数量大于所述绝缘支柱积聚的表面电荷的数量，形成电场，所述电场用于吸附所述封闭区域内的颗粒物；
所述电荷调控环形成的电场还用于：
在所述电荷调控环和所述接地端均压环之间放电，使得所述颗粒物发生相变。
2.根据权利要求1所述的支柱绝缘子，其特征在于，
所述电荷调控环形成的电场还用于：
在所述电荷调控环和所述金属外壳之间放电，使得所述颗粒物发生相变。
3.根据权利要求1-2任一项所述的支柱绝缘子，其特征在于，
所述电荷调控环与所述高压端均压环的距离，大于所述电荷调控环与所述接地端均压环的距离。
4.根据权利要求1-2任一项所述的支柱绝缘子，其特征在于，
构成所述电荷调控环的材料包括以下任意一种：掺杂改性的氮化硅、掺杂改性的氧化铝、掺杂改性的氧化锆、表面改性的环氧树脂。
5.根据权利要求1-2任一项所述的支柱绝缘子，其特征在于，
所述电荷调控环沿所述绝缘支柱的轴向的尺寸为20mm-30mm。
6.根据权利要求1-2任一项所述的支柱绝缘子，其特征在于，
所述电荷调控环沿所述绝缘支柱表面的径向的尺寸为5mm-10mm。
7.根据权利要求1-2任一项所述的支柱绝缘子，其特征在于，
所述电荷调控环是与所述绝缘支柱同轴的环状凸起。
8.根据权利要求1-2任一项所述的支柱绝缘子，其特征在于，
所述电荷调控环的表面粗糙度小于第一阈值。
9.一种直流输电设备，其特征在于，包括高压导流杆、金属外壳、以及权利要求1-8任一项所述的支柱绝缘子。
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