电场分布

高压特高压直流输电：远距离、大容量、高效率。 绝缘问题是核心问题之一：在某些绝缘设备或部件中，电场分布极不均匀，最大场强远远超出平均电场，例如高压电缆终端、绝缘子高压端、阀侧套管等。 高压电缆附件多层绝缘界面是典型的电场畸变区。 交流电缆应力锥结构并不能根本上解决电场均化问题，根源在于直流电场分布依赖于绝缘的电阻率。 不均匀电场加剧聚合物绝缘（硅橡胶、乙丙橡胶、聚乙烯、环氧树脂）6的老化过程导致绝缘过早失效。亟需合理改善电场分布，缓和局部高电场。 强电场加剧杂质电离、电极注入，导致电荷积聚。 非线性电导复合绝缘：当“三结合点”处电场应力集中时，电导“自适应”增大从而缓和电场分布。

以某换流站500 kV出线双联耐张瓷绝缘子串为研究对象，研究了双联瓷绝缘子串串间放电现象的成因。开展了电阻测试、剖面染色等实验，建立了双联瓷绝缘子串电场与放电仿真模型，获得了双联绝缘子串空间电场分布规律。研究结果表明：水汽侵入水泥黏合剂缝隙导致多个绝缘子阻值下降形成大量零值绝缘子（西侧20片、东侧4片）。由于两侧零值绝缘子数量差距较大，产生122 kV串间电位差是串间放电的主要成因。

共气室结构的双断口隔离开关（double-fracture disconnect switch，DDS）在不停电耐压试验过程中存在因试验侧断口击穿而影响运行侧断口绝缘性能的风险，在设计阶段需要对其电场分布和击穿特性进行研究。为此，以新研发的110 kV三相共箱式GIS双断口隔离开关为例，采用有限元方法对电场进行仿真分析，得到其在现场不停电工频耐压试验中的内部电场强度分布。根据电场的计算结果，采用基于汤逊放电理论的击穿判据，研究不停电试验中两个断口的击穿特性，证明了在DDS现场不停电交流耐压试验过程中，试验侧断口击穿不会对运行侧的绝缘性能造成影响。研究结果可以为在运的DDS二期扩建时的不停电扩建与现场绝缘试验工作提供安全保证的理论支撑，也为未来新型DDS设备研发过程中的绝缘校核提供了更加翔实的理论依据。

在该技术研发前，胶浸纸穿墙套管和换流变阀侧套管严重制约了我国特高压直流输电工程建设。 通过开展±800kV胶浸纸直流穿墙和换流变压器阀侧套管核心技术科研攻关，攻克了特高压直流套管绝缘、载流、温升、电场分布控制、核心材料、抗震等关键技术，研制成功国内首支±800kV胶浸纸直流穿墙套管和±800kV胶浸纸换流变阀侧套管。 该产品具有电压等级高、温升低、整体强度高、局部放电量低等优点，主要技术指标达到同类产品国际领先水平，并在“青海-河南”±800kV特高压直流输电工程和乌东德±800kV柔性直流工程挂网运行，解决了我国特高压直流输电工程建设中的又一难题。

随着电网规模的持续增大，因异物导致的输电线路跳闸故障呈居高不下的态势，部分异物故障甚至造成输电线路 停运，造成重大经济损失。110kV及以下线路因绝缘等级相对不是很高，更容易发生异物故障，本文提出了一种复合绝缘子 与玻璃绝缘子混连来抑制异物故障的措施，以110kV输电线路为研究对象，搭建了三维仿真模型，首先分析了混连前后对复 合绝缘子运行的影响，以此为基础，分析了混连前后异物存在情况下电场及电位分布特性。研究表明，混连运行方式改善 了复合绝缘子电场分布，并且由于绝缘子两端均压环电位差减小，大幅降低了异物故障发生的可能性。

针对大型电力变压器和油纸绝缘套管受潮缺陷导致的绝缘性能下降问题，本项日系统梳理总结变压器油纸绝缘套管典型缺陷，仿真分析不同缺陷类型的电场分布特性，建立油纸绝缘套管复合工况试验平台，试验研究油纸绝缘套管典型缺陷劣化机理及关键特征量，提出基于DS等特征量的油纸套管受潮检测方法，并在全网范围推广应用；项目通过建立大型变压器外部大气水分、器身内部气相及固体绝缘中水分交互扩散、迁移的微观动力学模型，揭示了大型变压器充气状态下绝缘受潮与水分动态平衡机理，研发适于大型变压器绝缘受潮现场干燥的低频短路加热与移动气相干燥装置，提出了变压器现场绝缘干燥技术作业规范，解决了大容量变压器绝缘老化受潮后绝缘现场干燥难题。项日研究成果作为南方电网500kVG0E型主变套管重大隐患排查治理工作的主要依据，2017年至2018年，成功应用于全网范围内197支G0E型油纸绝缘套管的FDS普测分析工作，其中，有效检测出绝缘缺陷套管5支，缺陷检测准确率达100%。 项目提出的大型变压器现场绝缘恢复技术的工艺流程成果在多个直流工程中获得应用，在从西、贺州、普洱、东方4座变电站共14台变压器的现场绝缘状态评估及绝缘恢复工作取得良好效果。 项目研究成果有效降低变压器、套管绝缘失效带来的系统运行风险，提高了南方电网主网的安全稳定运行水平，对提高系统可靠性具有突出工程价值，对全网五省区生产、商业用电和居民生活用电起到保障作用，具有十分重要的社会效益。解决了大容量换流变压器运输、贮存受潮后绝缘现场恢复难题。

为研究低频输电下GIS（气体绝缘金属封闭开关设备）中单相盆式绝缘子的沿面闪络特性，采用电-热-流体多物理场耦合仿真，考虑因集肤效应引起的温升变化以及材料性能参数的温度依赖特性，计算得到不同工作频率下盆式绝缘子的电磁损耗、温升特性与沿面电场分布。基于时间-体积理论，综合考虑温度对气固界面电场分布以及有效载流子产生速率的影响，计算得到不同电压幅值和频率下盆式绝缘子的沿面闪络概率。仿真结果表明：低频输电方式能够有效缓解电磁损耗，降低GIS罐体内的最高温度，在相同绝缘结构配置下具有更高的沿面闪络电压。研究成果可为校核不同工作频率下气体绝缘高压电气设备的绝缘水平提供理论依据。

项目的实施可为电网电缆输电线跆故障智能诊断系统的工程化应用草定基础，也为进一步研究和全面实现电力电缆线路的故厚预警预报提供重要技术支荐，主要应用优势体现在以下几个方面： (1)构建电力电缆多源测试数据、运行状况、电缆基础参数与电力电缆运行状态的关联体系，以单条电力电缆为最小单元的电力电缆风险评估软件的应用可获得相关电缆运行状态的科学评估结果，为电缆线路运维部门主动规避故障风险提供辅助决策信息。同时，以电力电缆有限元分析软件为辅助，提出了有选择、有差别、有针对、有偏重的电力电缆运维检修工作策略，以达到电力电缆运维检修工作的经济最优。 (2)提出了基于有限元法的电缆三维立体电场分析方法，揭示了电缆本体及附件从缺陷产生到故障的电场分布演化机理，发现了其故障下的电势梯度和电场强度变化特征，实现了从电缆故障表象到原因的逆推。在实用性、先进性等各方面部达到了新的技术高度。 (3)提出丁工频、振荡波、超低频不同激励源下局部放电的等效评估方法，揭示丁三种不同激励源输入参数与电缆局部放电响应特性的关联关系，确定丁振荡波、超低频电压试验在电缆绝缘缺陷诊断中的最优应用场景。提出丁基于改进BP神经网络算法的电缆放电模式识别方法，从三维放电谱图中提取了正负半波的偏斜度、峰值个数等七个权值最优的特征量，准确辨识电缆产品质量不良、施工工艺不当的典型缺陷，解决了电缆局部放电类型识别率低的难题。本项目具备非常广阔的推广应用前景。

随着电网建设的快速推进，跨区域长距离输电不可避免地会受到特殊气候和极端环境的影响，输变电设备的沿面放电问题日益突出，主要体现在：一是高海拔问题。在气压低、温差大、紫外线强等恶劣运行环境下，输变电设备面临放电电压降低、复合材料老化的问题；二是覆冰问题。在导线覆冰厚度 5mm 以下地区，超、特高压绝缘子串多次发生冰闪事故，仅以导线覆冰厚度来表征绝缘子覆冰严重程度与现场情况不符；三是大雨闪络问题。我国站用套管多次发生大雨闪络事故，多是由于外形设计不合理，需要从雨帘物理阻隔等角度对雨闪特性开展深入研究。上述问题国内外研究较少，亟待开展技术攻关，从而解决特殊气候条件下超/特高压输变电设备沿面外绝缘关键技术难题。 该项目经 6 个单位历时 5 年联合攻关，取得了四方面自主创新成果：（1）基于平原地区和4300m 海拔实际环境下试验研究，获得了超特高压各类线路和站用绝缘子污闪特性曲线和适用于 5000m 及以下海拔地区修正系数，填补了 2000m 以上海拔修正空白，全面系统地解决了高海拔地区输变电设备污秽外绝缘配置问题。（2）在 4300m 海拔建成了国际上首个复合材料长期带电老化试验站，获得了硅橡胶憎水性、硬度与运行时间的关系；基于近 10 万支高海拔运行复合绝缘子调研和抽检测试，提出了高海拔复合绝缘子运行性能评估方法。（3）发现冰棱饱和桥接现象，提出以桥接度作为评价绝缘子串覆冰程度的新思路，实测获得交直流覆冰绝缘子串电场分布规律，揭示了冰闪过程中电弧放电的机理；提出了覆冰区防冰闪外绝缘配置方案并实现工程应用。（4）研制超、特高压等级长尺寸绝缘子淋雨装置，揭示了平均直径、雨量、伞间距、表面材质等对雨闪电压的影响规律，提出了站用外绝缘设备防大雨闪络的解决方案并实现了工程应用。该项目获发明专利 4 项，实用新型专利 1 项，发表论文 17 篇，编制标准 3 项，培养高科技电力人才 10 人。 鉴定意见认为该项目成果整体达到国际领先水平。成果已在国家电网公司得到全面应用，且具有广阔的推广应用前景。保障了特殊气候地区输变电工程的安全稳定运行，促进了经济发展和社会和谐，进一步提升了我国在国际电力行业内的科技引领地位。

飘挂物引起变电站内设备闪络故障已经成为电力系统跳闸事故的重要原因之一，严重威胁电力系统安全稳定。由于飘挂物引起变电站线路闪络过程难以被监测，本文利用某500kV变电站220kV母线跳线闪络故障建立三维仿真模型，通过研究不同位置、不同形状以及不同材料飘挂物下落过程中间隙电场分布情况，给出了长空气间隙飘挂物跌落引起闪络的特点和机理。同时研究飘挂物下落位置跟造成闪络所需最短长度的关系，给变电站内线路飘挂物防护提供理论指导。