聚合物绝缘材料直流闪络特性及表面形貌实验研究

研究绝缘材料沿面闪络特性及闪络过程中材料表面形貌的变化,可以为提高绝缘材料沿面耐压性能及材料表面改性处理提供参考。文中采用正极性直流电压源,对大气环境下聚四氟乙烯(PTFE)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的沿面闪络特性及闪络前后表面形貌进行了实验研究。结果表明:绝缘材料直流闪络电压近似服从韦伯分布,可借助韦伯分布统计方法求出任意概率下的闪络电压。采用三维显微镜及原子力显微镜观测了闪络前后材料的表面形貌,发现材料表面的放电痕迹均在阴极附近更为严重,并且闪络后材料表面出现连续状沟壑,表面起伏变大、粗糙度变大。文中分析表明,绝缘材料的沿面闪络电压受电场畸变程度及材料表面形貌特性的影响,可为提高聚合物绝缘材料的沿面耐压性能提供一定的参考。     

基于紫外图像信息提取的离散液滴参数对复合绝缘子沿面放电特征的影响

为提高污湿环境下输变电设备外绝缘运行可靠性,本文针对绝缘子运行期间离散液滴的形成和诱导的沿面放电闪络现象,基于图像处理、特征提取和定量指标的紫外图像信息提取技术对不同的液滴静态参数(位置、体积和电导率)下的沿面闪络放电过程进行分析。得到了液滴诱发绝缘子放电的变化过程以及绝缘子起始放电电压和闪络电压与液滴的位置、体积和电导率之间的变化规律。研究结果有助于进一步分析表面液滴在污闪过程中的作用机理,对电力系统的安全稳定运行具有重要意义。     

平行平板型真空沿面闪络实验系统的放电诊断

为了研究真空沿面闪络实验结果的有效性问题,搭建了1套MHz猝发多脉冲平行平板型真空沿面闪络实验平台。利用示波器记录的电压信号、像普通电荷耦合元件(CCD)和像增强型电荷耦合元件(ICCD)相机记录的光学图像、绝缘体表面放电痕迹、电极表面放电痕迹等信息,对实验系统的高压放电现象进行了综合诊断并对实验系统进行了调试。诊断和调试结果表明:该实验系统在高压运行时除了有绝缘子沿面闪络外,还有绝缘隔板放电、水电阻表面放电、绝缘子体击穿和真空电极击穿等放电现象,这些放电现象用某单一的诊断信息来判断是不容易区分的;改进后的沿面闪络实验系统在圆台形绝缘子实验中仍然有9%的几率发生真空电极击穿。分析认为这是由于在击穿场强较高的沿面闪络实验系统中,真空电极击穿场强与绝缘子的沿面闪络击穿场强处于同一数量级所致,这是击穿场强较高的沿面闪络实验系统中存在的普遍问题。综合各种诊断信息,确认沿面闪络实验结果的有效性对于沿面闪络实验研究是十分必要的。     

具有强垂直分量结构沿面放电现象及特征

为了研究套管结构的外绝缘特性,特别是沿面闪络特性,并且预防和彻底杜绝外绝缘闪络事故的发生,该文针对具有强垂直电场分量试品的沿面闪络特性进行系统的研究分析。首先,试制可以在实验室电压下开展沿面放电的模型试品,搭建开展沿面放电过程及发展研究的试验平台,该平台可以在s级、μs级和ns级三种不同时间尺度下对沿面放电的放电过程以及瞬时电压电流特性进行完整记录;获得具有强垂直分量结构表面特有沿面放电形式的高速摄影拍摄结果,得到其沿面放电发展过程中特有的"羽毛状"电弧头部放电形式,并将放电过程与电压电流特性进行了一一对应。此外,该文还试制聚丙烯、硅橡胶、聚四氟乙烯三种不同绝缘材料的试品。通过对比相同电极结构不同复合绝缘介质的沿面放电规律差异,得到不同复合材料的沿面击穿电压和放电发展长度的定量发展曲线。最后,对模型试验结果和工程经验公式、理论计算结果进行综合对比,验证了试验结果的可靠性。     

聚四氟乙烯直流沿面闪络及表面特性的实验研究

为提高绝缘材料的耐沿面闪络能力,对聚四氟乙烯在指形电极下的沿面绝缘特性及沿面闪络前后材料表面的物化特性进行研究。测量了不同放电距离下的沿面闪络电压,并采用原子力显微镜和X射线光电子能谱仪分析闪络前后聚四氟乙烯表面形貌、表面粗糙度、表面化学成分的变化。结果表明:随着电极间距的增大,沿面闪络电压升高,闪络场强降低;随着闪络时间的增长,材料表面的凸起变大、变平,表面粗糙度增大,表面发生显著的物理变化;在沿面闪络过程中,材料表面化学基团发生变化,表面水接触角下降。     

绝缘特性对正极性脉冲下表面静电放电的影响

绝缘材料表面的静电放电现象会对电力设备以及通讯系统运行造成严重的影响，研究介质表面的静电放电特性及其影响因素有助于理解绝缘材料与表面静电放电的关系，对于绝缘材料的优化设计也具有重要的参考价值。为此使用静电放电枪在绝缘材料表面触发静电放电，利用粉尘图法复现了绝缘材料表面的电荷分布，通过二值化处理方法定量表征流注的发展程度，研究了绝缘材料的相对介电常数、表面电阻率和厚度等因素对表面静电放电的影响。结果表明：正极性静电放电下，绝缘材料表面的放电斑图形貌呈现梅花状；材料类型会对流注的发展产生不同的影响；绝缘材料表面电阻率减小会加快表面电荷的消散；绝缘材料越厚，沿面流注通道越长。因此，绝缘材料性能的变化导致介电常数、电荷注入方式、电荷附着效应等的变化，从而影响表面电荷的积聚形式和放电方式，最终使绝缘材料表面静电放电过程发生变化。     

低温温度梯度下环氧玻璃纤维材料表面电荷积聚行为及其对沿面闪络特性的影响

超导能源管道终端由于其特殊的运行环境,终端用绝缘材料在承受高电场的同时,也承受着近百摄氏度的低温温度梯度。为此基于超导电缆终端常用绝缘材料——环氧玻璃纤维材料,研究了低温温度梯度下绝缘材料表面电荷积聚特性及其对沿面闪络特性的影响机制。首先测量了环氧玻璃纤维材料在不同温度以及不同温度梯度下的沿面闪络特性;随后利用仿真软件建立了绝缘材料气-固界面的电荷迁移模型,分析了不同温度以及不同温度梯度对材料表面电荷积聚特性和表面电场分布特性的影响;最后结合试验结果与仿真结果,提出了低温温度梯度对绝缘材料沿面闪络的影响机制。试验结果表明：当温差ΔT=100K时,绝缘材料表面的局部放电起始电压与闪络强度分别为无温度梯度时的74.0%和75.9%。而仿真结果显示,低温温度梯度下绝缘材料表面电荷积聚现象明显,表面最高电场强度可达到不存在温度梯度时的10倍左右。因此,温度梯度下材料表面电荷积聚以及电场的畸变被认为是造成绝缘材料沿面绝缘强度下降的重要原因。该研究有助于理解低温温度梯度下材料表面电荷积聚特性及其对电场分布和闪络电压的影响机制,对低温下绝缘材料的绝缘特性研究以及绝缘优化设计具有重要意义。     

离散液滴诱发复合绝缘子沿面放电的紫外成像特征

针对绝缘子表面离散液滴参数变化及其诱发沿面放电闪络现象,采用紫外成像检测法研究液滴位置、体积对沿面放电闪络过程的影响,基于图像处理与特征统计,分析离散液滴作用下绝缘子沿面闪络各个阶段放电的紫外特征,得到了放电紫外成像的灰度直方图、紫外光子、直方图的灰度值与熵值随液滴体积与液滴位置的变化规律。研究结果有助于进一步掌握绝缘子在污湿环境下的放电闪络机理,对提高电力系统外绝缘运行可靠性具有重要意义。     

不同电场下环氧树脂直流沿面闪络特性及其闪络电压分析

研究绝缘材料在不同条件下的沿面闪络特性对掌握绝缘子的电气强度及保证电气设备安全稳定运行具有重要意义。为此,研制了具有不同电场分布形式的沿面放电电极,通过实验研究了环氧树脂在真空及空气环境中的直流沿面闪络特性,并采用韦伯分布分析了闪络电压的变化规律。结果表明,环氧树脂在极不均匀电场下的闪络电压比稍不均匀电场下低,真空中闪络通道和闪络电压的分散性比空气中大,真空闪络受固体绝缘介质的影响大于空气闪络。不对称电场下沿面闪络电压具有明显极性效应,并且真空与空气中的极性效应相反。此外,环氧树脂直流闪络电压服从韦伯分布,可借助该方法定量评估绝缘系统对外加电压变化的敏感性。位置参数的引入有效提升了闪络电压数据的拟合效果,通过特征闪络电压、0.1%闪络概率的闪络电压进一步完善了对绝缘材料沿面电气性能的评价方法。     

表面电荷积聚对绝缘子沿面闪络影响的研究

通过对典型绝缘子表面电荷分布特点的分析，研究了表面电荷与放电起始间的关系。研究表明在表面电荷作用下绝缘子沿面闪络起始电压会发生变化。对110kV三相共箱式GIS绝缘子的闪络实验表明，表面电荷可使绝缘子沿面闪络电压下降23．4％。对位移电流作用下的绝缘子沿面闪络先导发展模型进行改进，补充了表面电荷对该模型的影响。指出表面电荷产生的附加电场会影响流注电晕内部正负电荷的分离速度及放电的进一步发展。     

表面电荷对典型聚合物绝缘材料直流闪络电压的影响

积聚在聚合物绝缘材料上的表面电荷是导致电场畸变、诱发沿面闪络的重要原因。研究表面电荷对聚合物绝缘材料沿面闪络电压的影响,对于保障电气设备的绝缘安全具有重要意义。选取聚四氟乙烯、环氧树脂和硅橡胶为试样,通过针–板电极向试样表面注入电荷,采用静电电位计测量表面电荷密度,分析表面电荷积聚、衰减特性。测量有、无表面电荷及电荷衰减过程中不同时刻的直流闪络电压,计算表面电荷对闪络电压的静态和动态影响指数Lindex和Sindex,评估表面电荷对闪络电压的影响。结果表明:充电完成时表面电荷对各材料闪络电压的影响程度为:环氧树脂硅橡胶聚四氟乙烯;表面电荷衰减期间其对各材料闪络电压的影响程度为:硅橡胶环氧树脂聚四氟乙烯。     

不同电场下硅橡胶直流沿面闪络特性实验研究

为进一步探究聚合物绝缘材料的沿面闪络特性,搭建了沿面闪络实验平台,在不同电场下对硅橡胶(Si R)进行沿面闪络实验。通过图像处理技术及数值计算方法对沿面闪络光、电特性进行分析,探索并建立了沿面闪络光、电特性间的关联。结果表明:沿面闪络的光、电特性与电场分布有关。与稍不均匀电场相比,极不均匀电场下沿面闪络发光强度较低、放电通道分形维数较小;并且极不均匀电场下闪络电压较低,放电能量较小。沿面闪络的光、电特性存在一定关联。通常地,闪络电压、电流较大时,闪络通道的亮度较大且分布范围较广,沿面放电能量较高。因此,沿面闪络的光、电特性参数能够有效反映绝缘材料的沿面绝缘强度。     

SF_6中环氧树脂纳秒脉冲沿面闪络实验研究

针对气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)内盆式绝缘子所用的环氧树脂材料,在纳秒脉冲条件下开展沿面闪络老化实验研究。设计不同气压值下沿面闪络新型实验装置,在SF6环境中进行环氧树脂纳秒脉冲沿面闪络特性研究,并对沿面闪络前后材料老化区域的表面形貌和元素组成进行测试,分析环氧树脂材料老化前后表面理化特性的变化规律。实验结果表明,随着SF6气体压强的增大,环氧树脂纳秒脉冲沿面闪络电压升高。闪络老化后环氧树脂表面氧化铝颗粒凸显出来,且随着老化进一步加深,表面聚合物与放电产生的含氟物质发生反应生成有机氟化物,反应产物被电弧溅射出去覆盖在材料表面。而氧化铝颗粒填料的性质在闪络老化过程中并未发生明显变化。以上针对环氧树脂绝缘材料所开展的实验研究可为GIS内环氧树脂绝缘材料改性,以及增强其耐压性能和抗老化性能提供指导。     

固体绝缘表面状态对其闪络机理影响的研究进展

针对固体绝缘表面状态引起的沿面闪络放电问题,综述了固体表面物化特征因素及表面缺陷对沿面闪络过程影响的研究进展。研究发现,固体绝缘沿面闪络放电特性与其表面物化特征存在关联关系,主要受表面微观形貌、表面能态、表面陷阱分布密度及表面粗糙度等因素的影响,并认为闪络现象本质上是高电场下气固界面电荷的输运行为,而且由于固体绝缘表面的固化加工缺陷,对闪络过程的分析将需要考虑表面物化特性与表面缺陷的综合作用。根据对表面微裂纹所引起的沿面异常闪络现象研究,分析了表面缺陷的形成演变过程以及对闪络放电特性的影响机制,进而提出通过改变固体绝缘表面状态特征来提高闪络电压的方法,并深入探究气固界面的闪络机理。     

绝缘材料沿面闪络发展特性的研究进展

综述了目前国内外绝缘材料沿面闪络的研究现状,介绍了沿面闪络试验研究采用的典型电极结构和测量方法,沿面闪络传播途径、发光强度等特性变化,以及不同外界条件对沿面闪络发展特性的影响,提出了绝缘材料表面沿面闪络试验及理论研究需要深化和拓展的方向,为改善设备的绝缘和改进线路设计提供理论依据。     

复合材料的陷阱参数对其在真空中高压脉冲下沿面闪络特性的影响

长期以来真空沿面闪络现象一直制约着真空绝缘材料性能的提高，极大地限制了高功率脉冲设备的小型化和实用化进程。该文针对环氧基复合材料引入真空绝缘的背景，研究了脉冲电压作用下，复合材料的表面陷阱状况对其沿面绝缘特性的影响。通过对Simmons等温电流理论的进一步推导，完善了利用表面电位衰减测量材料表层陷阱能量分布的理论和方法，并分析了填料浓度对于材料表层陷阱的影响机制。在已有的二次电子发射雪崩(SEEA)闪络模型基础上，强调了深电子陷阱在沿面闪络过程中的作用，并定性分析了此过程中的物理机制和影响因素。复合材料中的深陷阱对于抑制材料表面的内二次电子发射有一定的作用，通过提高深陷阱的密度可以在一定程度上提高沿面闪络电压。     

空气中直流条件下聚甲基丙烯酸甲酯沿面闪络实验

为研究直流条件下沿面闪络现象及其对绝缘材料的影响,搭建沿面放电系统,对聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）进行了不同电极间距下的沿面放电实验,并对放电前后材料表面的形貌特征、水接触角和表面成分进行分析。结果表明：施加电压过程中,电极附近会出现浅紫色光晕,随着放电距离的增大,闪络电弧的波动性和强度增强。放电后,电极之间形成明显的放电痕迹,越靠近阴极,痕迹越明显。随着放电次数的增加,材料表面呈现淤泥状,粗糙度增大,水接触角降低。材料表面的C1s含量降低,O1s含量升高,大量的C-C键断裂,生成C-O键、O-C=O键等亲水性基团,进一步提高了材料的亲水性。分析表明：材料表面微观形貌和表面元素对闪络电压有一定影响,对材料改性以提高闪络电压具有一定指导意义。     

环氧复合绝缘材料表面处理方法对高气压下闪络特性的影响

分别采用放电等离子体、离子注入、表面直接氟化的方法对环氧复合绝缘样品进行处理。研究不同处理方法对绝缘材料表面状况及高气压c-C_4F_8/N_2混合气体中的负直流高压下闪络特性的影响。实验结果显示等离子体和离子注入方法对绝缘样品表面改性无法提高样品在高气压c-C_4F_8/N_2混合气体中的沿面闪络电压,并且放电会直接破坏表面结构,导致绝缘失效;采用表面直接氟化处理的环氧绝缘样品,闪络电压有所提高。测量表明,表面氟化引起环氧复合绝缘材料表面电位降低,电位衰减加快,表面陷阱能级下降,陷阱密度随氟化时间加长而增加。通过研究认为,目前放电等离子体和离子注入方法处理绝缘材料表面,在技术上还需要完善。表面直接氟化处理环氧材料表面可以提高其在高气压下闪络特性,但是耐受放电次数的减少将制约它的应用。     

支柱绝缘子直流污雨闪放电机理研究

实际运行环境中表面沉积污秽的支柱绝缘子在雨天气候条件下发生的污雨闪络是影响电站外绝缘安全稳定的重要因素。针对换流站支柱绝缘子的污雨闪问题,对涂有人工模拟自然污秽的支柱绝缘子试品,在人工模拟雨水的条件下完成大量的闪络试验,对支柱绝缘子的直流污雨闪特性及机理进行研究。通过对试验现象的观察发现:由支柱绝缘子伞裙边缘的水滴电晕引发的伞间空气击穿放电在绝缘子整个污雨闪的过程中具有重要地位;污雨闪试验过程中支柱绝缘子表面的干区及受潮状态与雾中污闪试验不同,导致沿面放电特点与污闪不同。此外,基于经典绝缘子污闪放电模型,建立描述支柱绝缘子污雨闪的放电模型,其中考虑了由水滴电晕引发的伞间空气间隙放电的作用。最后,对支柱绝缘子的污雨闪电压和污闪电压进行了比较,试验得到前者普遍高于后者,并分析二者存在差异的原因,其中支柱绝缘子的伞形结构对结果有明显影响。所做研究可为高压直流换流站外绝缘的设计、运行与维护提供技术参考。     

纳米SiO2/聚酰胺网超疏水复合材料沿面闪络特性研究

绝缘材料的沿面闪络特性受许多因素的影响,如表面粗糙度、纳米填料和化学官能团。本研究以聚酰胺网为支架,以疏水纳米二氧化硅颗粒为改性材料,基于溶解和再凝固的处理方法,将纳米填料嵌入聚酰胺网中。通过改变网孔尺寸确定微观结构,利用氟化纳米颗粒改变复合表面化学基团。研究了微结构/纳米填料对沿面闪络的耦合效应,同时赋予了材料超疏水...