含有非线性介质的绝缘结构内瞬态电场仿真分析

以同轴电极中填充电导率或相对介电常数为非线性绝缘介质所构成的绝缘结构作为主要研究对象,分别仿真分析了在阶跃电压作用下非线性绝缘介质内瞬态电场分布.采用电场模拟软件ElecNet的瞬态2D求解器对同轴电极中填充非线性绝缘介质所构成的绝缘结构进行瞬态仿真分析.结果表明:相对介电常数非线性的绝缘介质只在初始状态时起到均化电场作用,稳态时绝缘利用系数较小;电导率和相对介电常数均为非线性绝缘介质,在整个过程中都能起到均化电场作用,改善电场的效果最好.     

非线性复合结构的界面极化特性

为了探讨非线性复合绝缘结构的界面极化特性,以平板电极结构下线性/非线性复合介质为研究对象,仿真分析了不同幅值阶跃电压和极性反转电压作用下双层介质中的电荷分布及电场分布。仿真发现:当线性介质与非线性介质的时间常数有交点时,在阶跃电压作用下,界面积聚电荷随外施电压幅值的增大而减少;当外施电压增加到2层介质时间常数相交的临界电压时,界面电荷极性反转,且随外施电压幅值增大而增多;外施电压幅值越高,界面极化建立速度越快,退极化速度越慢;在极性反转电压作用下,最大瞬时界面电荷和双层介质中的电场强度均比阶跃电压下的最大初始电场强度值高。从上述结果可以看出:阶跃电压作用下,场致增强型电导率非线性介质对界面积聚电荷具有一定的改善作用;但在电压极性反转瞬间,由于非线性介质承受较高电场强度,所以可能使绝缘系统的可靠性下降。     

非线性复合材料对不均匀电场的改善效果仿真分析

为改善绝缘介质空间电场的分布,针对实际运行中高压试验所采用的针-板电极以及330 kV电力系统中复合绝缘子的不均匀电场,建立其仿真模型,分析探讨了非线性复合材料对不均匀电场的改善效果及其内在作用机制。在直流和交流电压作用下,采用非线性复合材料局部替换高电场强度区域的绝缘材料,则其轴向电场强度最大值与平均值之比分别从9.06和5.22降为1.03和1.77。仿真分析结果表明,非线性复合材料可以有效改善绝缘介质空间电场分布;采用局部替换的方法可以使得绝缘材料的介质损耗和泄漏电流相对较小。     

非线性屏障层对HVDC电缆电场分布的影响

电缆绝缘中的电场分布是决定高压直流电缆输电线路长期可靠运行的主要因素,非线性材料能够在电场不均匀的情况下自行均化电场的分布,对电树枝的生长和空间电荷的产生起到明显的抑制作用。为此,尝试将非线性材料作为屏障层置于电缆屏蔽层与绝缘层之间,并采用多物理场耦合软件建立仿真模型,分别在不同温度梯度下研究屏障层结构对高压直流(HVDC)电缆绝缘中暂态和稳态电场分布、空间电荷的影响。仿真结果发现:与无屏障层相比,添加非线性屏障层的电缆绝缘中稳态及暂态电场强度最大值均有所降低,即屏障层结构能够抑制绝缘中空间电荷的注入,改善电场分布;屏障层越厚,绝缘中空间电荷越少,电场强度最大值越小,但界面电荷会有所增加。从上述结果可以看出:屏障层可均化电缆绝缘中的电场分布,但同时会引起界面电荷的积聚。因此在开发具有非线性屏障层结构的HVDC电缆时,屏障层厚度的选择应综合考虑界面电荷积聚和电场分布,从而达到改善电缆绝缘性能的目的。     

乙丙橡胶绝缘的表面击穿与沿面放电特性

为了探究乙丙橡胶绝缘的表面击穿特性和沿面放电行为,选择板–板电极、棒–环电极和针–板电极3种典型的电极结构来模拟不同电场分布,分别测量并分析了3种电极下外施交流和负极性直流电压时乙丙橡胶的表面击穿电压和击穿痕迹。在外施交流电压下,测量了不同电压下的沿面放电,分析了沿面放电起始和发展过程。试验结果表明:电场分布越均匀,表面击穿电压越大;板–板电极下的起始放电电压与电极间距成正相关性,而棒–环电极和针–板电极下的起始放电与起晕电压相关,其值在1.9~2.4 k V之间;在不同电场分布和放电阶段,发生的放电类型和放电谱图也有所差别,而且在沿面放电前期,放电脉冲幅值较小,约为1.2 V;但是在沿面放电后期,放电比较分散,放电脉冲幅值较大,最高可达43 V。据此可以对沿面放电发展的严重程度进行判断。     

含有非线性电场均化层的高压套管电场分布特性

直流套管是制约我国直流输变电技术发展和安全可靠运行的主要因素之一。该文提出了含有非线性电场均化层的高压套管技术路线，仿真研究了接地屏位置、长度以及非线性电场均化层几何尺寸、材料参数对高压套管电场分布的影响规律。分析表明：接地屏的位置和长度主要影响导杆表面电场值及其电场集中区域范围；电场均化层的长度、非线性参数、位置会对套管内部及表面电场分布产生显著影响；更长的电场均化层、较低的非线性材料阈值场强以及更远的电场均化层到导杆表面的距离均能有效均化套管电场。直流电场下含有非线性电场均化层的高压套管电场分布与交流电场下存在较大差异，具有高阈值场强的非线性电场均化层均场效果更优。非线性均压层能够有效改善高压套管的电场分布，无需采用电容均压结构。该工作将为非线性复合材料在高压套管中的应用提供参考。     

真空中典型沿面绝缘结构的电场分析

在高电压作用下,由复合绝缘介质构成的沿面绝缘结构的耐电强度远低于其绝缘材料自身的击穿场强,这一现象与其电场的分布特点密切相关。笔者针对真空中平行平板、平面和棒-板电极系统等多种典型沿面绝缘结构的电场分布进行了仿真计算,探讨了电极-介质结合处的间隙、圆台形绝缘子的圆锥角角度、平面电极的高度以及绝缘子介电常数等因素对电场分布的影响。仿真结果表明,接触间隙的存在导致局部电场的加强和电场方向的变化,间隙宽度越大、高度越小,间隙处电场畸变越大;圆锥角越大,绝缘子的介电常数越大,场强畸变也越大。该分析结果有利于真空中沿面绝缘结构的设计。     

直流电场下变压器油中电场分布特性

直流电场下油纸绝缘系统中,因油中和油/纸界面空间电荷的产生和积聚,会畸变原有电场分布。油中的电场分布特性在直流绝缘结构优化设计中非常重要,它呈现出的特性与交流下有较大的不同。采用一种基于Kerr电光效应的非接触式测量手段,实际测量了6 mm间隙平板电极结构下油中空间电场分布特性。实验结果表明:直流电场下,平板电极间油中电场为非均匀电场;空间电场测量值与施加于电极间的直流电场之比在0.87~1.05之间变化;相同的外加电压情况下,靠近正电极位置处的电场强度要高于靠近负电极位置的电场强度,并且从负电极至正电极呈单调递增趋势;按照施加于电极间的直流电场进行归一化的电场曲线大致可分为3个阶段;结合变压器油中载流子产生、迁移和扩散过程及变压器油的电导特性进行了初步的探讨。     

冲击电压下变压器油中空间电场测量方法及装置

冲击电压下油纸绝缘结构的电场分布特性是变压器绝缘设计的关键环节,目前主要利用仿真软件基于容性场等效进行变压器电场的计算,并在容性场计算结果的基础上乘以一定的裕度系数,作为冲击电压下变压器绝缘涉及的参考依据,但仿真结果缺乏实测手段的支撑和验证。该文提出了冲击电压下油纸绝缘空间电场分布的非接触式实时测量方法,构建了由光路系统、光电转换器件、密封腔体、冲击电源构成的油纸绝缘空间电场测量装置,并利用平板电极对装置性能进行了标定和检验。在17~47k V雷电冲击电压下获得了电场测量值曲线和电场实际值曲线,并用相关系数描述二者之间的吻合程度。结果表明本装置最小可测峰值为3.49k V/mm的雷电冲击电场,最大误差小于3.56%,满足冲击电场测量的试验需求。     

换流变压器在极性反转下的瞬态电场分布特性研究

对换流变压器器身主绝缘建立了瞬态电场计算模型,分别对绝缘介质进行了各向同性线性或非线性与各向异性线性或非线性计算分析。得到了实际换流变压器模型在极性反转试验电压下绝缘结构中瞬态电场变化的分布规律,为准确进行换流变压器绝缘结构设计提供了有价值的应用结论。     

基于Kerr电光效应的冲击电压下液体电介质空间电荷高速CCD测量

空间电荷的存在直接影响液体电介质的绝缘击穿性能,为了更好地研究空间电荷的动态变化过程,建立了基于Kerr电光效应的冲击电压下液体电介质空间电荷的高速电荷耦合器件(CCD)测量系统。运用高精度光电传感器的测量方法,得到了室温下液体碳酸丙烯酯的Kerr常数。进而通过高速CCD的动态光电测量,并结合图像处理技术,求取了冲击电压下平行板铜电极间电场和空间电荷的动态分布曲线。实验研究表明:在平行板铜电极间,当液体介质中电场达到一定程度时会出现空间电荷的注入与输运,使得极间电场呈现出中间高两边低的分布情况。另外还分析了空间电荷的分布和输运对液体绝缘特性的影响,该研究为分析冲击电压作用下液体介质中空间电荷的产生机制及空间电荷对流注放电的影响奠定了基础。     

基于改进电声脉冲测试系统的油纸绝缘混合体系空间电荷动态行为特性

目前国内外关于油纸绝缘介质空间电荷特性的研究全部基于油浸绝缘纸,且已有的电声脉冲测试系统无法实现对油隙与油浸纸组合而成的混合体系的空间电荷特性的测试。通过采用改进的电声脉冲测试系统首次对油隙与油浸纸板组合而成的混合体系的空间电荷动态行为特性进行研究,分析空间电荷积聚对油纸混合体系内部电场分布的影响。研究发现油纸绝缘界面处及油浸绝缘纸内部积聚的空间电荷和电场畸变程度与绝缘油和油浸纸板的电导率关系很大。由绝缘油劣化导致油纸绝缘系统的电导率提升更易引起油浸纸内部场强严重畸变,油浸纸内部最大场强约达到平均场强的2.5倍。而由油浸纸电导率增大引起的油纸绝缘系统的电导率提升减轻了油浸纸内部的电场畸变程度,但电荷快速迁移会导致介质热效应显著也易诱发击穿。消除绝缘结构界面引起的空间电荷积聚效应、限制空间电荷在绝缘介质内部的快速迁移或使电荷在介质内部分布更加均匀,从三方面出发将有助于抑制空间电荷的危害。     

Understanding treeing phenomena and space charge effect in gamma-irradiated XLPE cable insulation

In the present work, electrical trees were experimentally generated in virgin and gamma-irradiated XLPE cable insulation, under AC voltages. Fibrillar type of electrical tree structure forms from the defect site in gamma-irradiated specimens. Failure times due to electrical trees were analysed by adopting Weibull distribution studies. The results of the study indicate that gamma-irradiated specimens, where the rate of tree propagation is high, causing early failure of insulation. Pulsed electro acoustic emission (PEAE) technique was adopted to understand the space charge formation in XLPE cable insulation. The results of the study indicate that homo and hetero charges form near to the electrodes especially in gamma-irradiated XLPE cable insulation. Variations in space charge density at different voltage magnitudes with time were analysed. It is observed that the electric field in the insulating material becomes highly non-uniform on occurrence of hetero charges. It is also realized that on removal of applied voltage, the charge decay is less with gamma-irradiated specimens. Based on the present study, it could be concluded that Space charge density in insulating material and life of insulating material due to electrical tree formation shows inverse relationship.     

油纸绝缘内部合成电场数值模拟方法

油纸绝缘作为换流变压器的主绝缘介质,其内部电场的分布受外加电压以及空间电荷的影响,而传统的数值方法无法准确计算空间电荷的影响。提出一种基于电极肖特基发射理论和瞬态上流元法(TUFEM)求解载流子输运方程的方法,计算了考虑注入势垒、载流子迁移率、陷阱捕获系数以及载流子复合系数等参数影响下的单层油纸绝缘介质内部空间电荷运动分布特性。与试验结果对比表明瞬态上流元法的有效性。研究典型油纸绝缘介质结构内部合成电场强度畸变程度随温度梯度变化的特性。同时,计算得到极性反转电压下不同时刻的电荷运动和电场分布规律。该方法可推广在(特)高压直流换流变压器内绝缘电场计算和优化设计。     

硅橡胶/三元乙丙橡胶界面上空间电荷的形成

电缆的终端或护套绝缘与电缆绝缘构成的复合绝缘中，不同介质的分界面以及电极与介质的分界面一般为绝缘的薄弱点，而这主要是由于其附近积聚的空间电荷引起的局部电场强度过高所造成的。文中采用电声脉冲法，在不同的直流电场作用下，测量了硅橡胶/三元乙丙橡胶构成的双层介质中空间电荷的分布，并比较了涂硅脂前后的双层介质分界面处的空间电荷分布情况。研究发现，2层介质界面处的空间电荷形成与介质中载流子迁移方向、电极材料和介质材料均有关，而且2层介质界面处涂的硅脂可有效地降低分界面处的电场强度。     

非线性有限元法在出线装置复合绝缘结构电场计算中的应用

极性反转是换流变压器出线结构复合绝缘的一种特殊工作状态,极性反转时由于空间电荷作用可导致绝缘介质内部及界面处电场畸变。另一方面,绝缘介质电性能参数是温度的函数,因此温度梯度导致的电性能参数改变同样会影响绝缘结构在极性反转过程中的瞬态电场分布。基于此,为了较准确地模拟复合绝缘结构在考虑温度分布条件下的极性反转瞬态电场,提出应用非线性有限元法对以上2种瞬态电场影响因素进行耦合分析。首先研究了油浸纸复合绝缘体系电性能参数与温度的关系;然后详细介绍了基于非线性有限元法的瞬态电场计算流程,并通过双层同轴复合绝缘结构模型验证了其有效性;最后对实际换流变压器出线装置的油纸-环氧浸渍典型复合绝缘结构建立了二维轴对称仿真计算模型,在考虑材料非线性的条件下对其极性反转瞬态电场变化过程进行了仿真分析。计算结果表明传统模拟方法与考虑材料非线性时的结果存在较大差异,且极性反转过程中复合绝缘结构易出现畸变严重的局部高场强区。     

Measurement of the internal space charge distribution of ananti-electrostatic discharge polymer

Charged dielectrics can cause an electrostatic discharge (ESD) that damages electronic circuits because of the electromagnetic noise associated with the discharge. Newly developed anti-ESD polymers are expected to be `anti-ESD polymer insulating materials', but the mechanism of their action against ESD has not been explained. Since the anti-ESD polymers contain some kind of polymer solid electrolyte, they should be able to be characterized by the behavior of their internal space charge. By measuring the space charge distribution of an anti-ESD polymer using the pulsed electroacoustic method under DC electric field, we found that the polymer was effective in preventing ESD because the internal space charge near the surface partially compensates the electric field of the external charge on the surface. We also found indications that the internal space charge behavior is related to the dispersion of the polymer solid electrolyte     

高压下非均匀电场中局放机理的建模(英文)

Partial discharges in air in non-uniform electric field occur in surroundings made of high curvature elements.The equivalent electrode system,needle-plane refers both to external components of high voltage insulating systems and to micro sharpness in the internal structure of those systems.The ionization zone,accumulation of space charge and formation of corresponding current pulses depend on electrode configuration,voltage level,pressure,temperature and humidity of air.The assessment of pressure influence on discharge mechanism in non-homogenous electric field has been performed on the basis of empirical density distributions of discharge charges at different voltage levels,electrode distance,curvature of high voltage electrode and taking into account solid dielectric barrier in serial configuration.The measurement results obtained at variable voltage level yield the influence of electric field strength in the needle electrode zone.While increasing voltage,a deviation from normal distribution may be observed that reveals other forms of discharge.