金属导体表面电场强度测量方法研究

• 作 者: 程文利
• 出 处: 华北电力大学(北京)
• 发表日期: 2021年06期
• 关键词: 电场强度 电气设备 电轴法 高压导体 镜像法

随着电网电压等级的提高,电力设备绝缘水平要求增加,电力设备的成本明显地提高。高压电气设备在正常运行期间会承受很高的电压,并且产生的很高的电场强度,而绝缘故障是导致电气设备故障的主要原因。电气设备绝缘强度的变化与诸多因素有关,其绝缘水平往往取决于其电极表面和内部电介质的电场强度。为此,专家学者对高压电气设备产生的电场强度的测量进行了大量的研究工作,并取得了丰硕的成果,研制了基于不同场强测量原理和测量方法的传感器。然而,现在应用比较广泛地电场传感器只能测量远离电气设备的空气间隙中的场强,无法直接测量电极表面的电场强度。本文提出了金属导体表面电场强度测量方法,设计了电场强度测量的物理模型。电场强度测量是在物理模型高压金属导体表面的许多不同点上进行的。将镜像法与电轴法相结合,得到了高压导体表面不同位置电场的解析解。并将计算结果与实测结果进行了比较。它们之间的相对误差小于5%。验证了该方法的有效性。本文提出的电力设备故障诊断方法可用于小型电力设备的研究、在线检测、状态评估和电网安全稳定研究。本文主要工作如下:(1)以麦克斯韦方程组为基础,提出了高压电气设备设备金属电极表面电场强度的测量方法,建立了电场强度测量系统的等效电路模型,并详细地说明了电场强度的测量模型;与此同时,还介绍了本论文的的基础理论,包括:有限元分析理论、静电场的镜像法原理以及静电场的电轴法原理。其中静电场的镜像法以及电轴法是本论文金属导体表面电场强度解析值的计算依据,为场强解析值和实验值的对比、分析奠定基础。(2)描述了基于镜像法、电轴法的架空母线简化模型表面的场强解析法,计算出当距地距离保持不变,方位角变化时以及方位角保持不变,距地距离变化时切片表面平均场强随电压的变化规律,表明切片上的平均电场强度和切片中心的解析电场强度的误差大小和正、负性与线电荷在二维场中的位置密切相关。另外,分析了当高压导线对地高度足够高时,平均电场强度与解析电场强度在切片表面中心的差值。这对于电力系统特别是变电站母线的电场强度测量方法的应用具有重要意义。(3)描述了在实验室内搭建的电场强度实验测量平台,针对场强实验测量模型,解释说明了设计与距离地面有一定高度的单个空心导体的实验模型的原因,是因为架空母线表面场强有解析解,从而可以利用实验值和解析值的对比、分析验证测量方法的正确性。应用有限元法和场路耦合方法研究其输出特性。还详细的说明了组成场强测量物理模型的各种装置及各自的特点。另外,对场强实验测量采用了两种测量方式,并分析了改变导体方位角和对地距离对场强测量结果的影响,也指出了其根本影响因素是周围的环境干扰(导体)和附近其他实验设备的影响。