空气中针板直流正负电晕发展过程实验研究

为了探明干燥空气中直流电压下电晕放电发展过程,搭建了局部放电测试系统,开展了针–板模型不同极间距离下的正负电晕放电实验。实验结果表明,随实验电压的增加,正电晕逐步经历猝发性流注放电、周期性流注放电、辉光放电及刷状放电等过程;负电晕逐步经历Trichel放电初期和中期、锯齿状放电及辉光放电等过程。当在电压增幅相同下针–板间距增加时,正电晕流注阶段脉冲幅值及重复率变化较小,刷状流注阶段脉冲幅值与重复率变化较大,增加幅度均减小,脉冲幅值峰值减小,重复率峰值增加;负电晕Trichel放电阶段,脉冲幅值增加幅度减小,脉冲幅值峰值减小,重复率增加幅值减小,重复率峰值相近。正负电晕发展过程变化不同,原因均可归结于针-板间正负空间电荷迁移速率不同,电荷迁移过程中加强或削弱电离区域电场方式不同导致电离电荷的聚集、消散方式不同。     

针-板电极下针尖曲率和铝箔尺寸对放电机理的影响

为研究电力设备中不均匀电场下的气体间隙击穿现象,通过搭建局部放电ns级放电电流测试系统,研究了针-板电极下针尖曲率半径和铝箔尺寸变化对放电特性的影响。在无铝箔覆盖时,随着针尖曲率半径的增大,电流脉冲幅值增大,其上升沿、下降沿和脉宽都减小。正极性放电电流幅值大于负极性放电电流,其电流脉冲上升沿和下降沿都要小于负极性放电,这可以用流注理论很好地进行解释。随着铝箔面积的增大,电流脉冲幅值和上升沿都减小,下降沿和脉宽增大。然而负极性脉冲上升沿在铝箔直径为5mm时出现最小值。当介质表面有铝箔覆盖,针尖曲率较小时,放电情形类似于无铝箔覆盖的情况;而当针尖曲率较大时,负极性脉宽小于正极性脉宽,其电流幅值大于正极性脉冲。由此推测,在针尖曲率较大铝箔覆盖时放电机理发生了改变,产生了不同于流注放电的另一种放电。     

冲击电压下SF_6间隙临界半径现象形成机理

为探究冲击电压下SF_6气体放电特性和机理,研制了陡前沿冲击试验装置。固定电极间距,研究了电极曲率半径对SF_6间隙击穿特性的影响。结果表明:冲击电压下,SF_6间隙放电呈现出长空气间隙中所谓的"临界半径"效应,即随电极曲率半径减小,间隙50%击穿电压减小,曲率半径小于"临界半径"Rcr时,击穿电压基本不变;Rcr不仅随气压减小而增加,也随波头时间减小而增加;气压一定,负极性VFTO和雷电冲击下的临界半径值分别较正极性VFTO和雷电冲击下的大;正、负极性VFTO下临界半径分别较正、负极性雷电冲击下的大;负极性电压下,临界半径在物理上更接近于丝状流注区域,正极性电压下,临界半径更接近于均匀流注区域。"临界半径"现象与SF_6气体中流注–先驱–先导放电发展过程相关,因此提出了先导击穿的临界电荷判据来对临界半径现象进行了解释。     

直流电晕电流时域脉冲特性的统计分析

为了研究直流正负电晕电流时域脉冲的特性,基于实验室开发的高频电晕电流高压端测量系统,开展了不同条件下直流正负电晕的线板放电实验。基于大量实验数据,统计、对比了正、负极性电晕脉冲的幅值、上升时间、半波时间和重复频率等特征参数随导线电压及导线半径变化的规律。实验结果表明：导线电压对单个正、负脉冲波形的影响较小,主要影响脉冲的重复频率;负脉冲的上升时间平均值为20~30 ns,半波时间的平均值为90~110 ns;正脉冲的上升时间平均值为40~50 ns,半波时间的平均值为140~160 ns;随着导线电压的升高,正、负脉冲重复频率均迅速增大,但相同电压下,正脉冲的重复频率显著小于负脉冲的重复频率,负脉冲重复频率约为正脉冲的15~25倍。     

直流单点电晕放电可听噪声时域特性实验研究

为了研究直流电晕放电产生的可听噪声时域特性,基于实验室搭建的电晕放电测试平台,获得了正负极性直流单点电晕放电产生的可听噪声的时域波形,并对放电产生的可听噪声的时域特性进行了分析。同时,基于该实验平台,也获得了可听噪声脉冲与电晕电流脉冲在时间上的关联特性。实验结果表明:直流电晕放电产生的可听噪声时域波形具有双极性脉冲性质,正极性电晕放电产生的噪声脉冲幅值和脉冲上升时间比负极性电晕放电产生的噪声的相应值大;在时域上可听噪声脉冲与电晕电流脉冲具有一一对应关系。结合实验结果与正负极性电晕放电通道的发展过程,定性地解释了正负极性电晕放电噪声特性的差异及电晕放电噪声与电晕电流在时间上存在一一对应的原因。     

电压形式对SF_6分解特性的影响研究

为了研究电压形式对SF_6气体放电分解特性的影响,搭建了SF_6气体分解实验平台,对比研究了SOF_2、SO_2F_2、SO_2等3种含氟含硫气体在正负极性直流及交流电压下的生成情况。结果表明:正极性电压下的平均局部放电量和最大放电量明显大于负极性电压;电荷分布随电压极性变化,正极性电压下的SF_6分解率高于负极性电压;受到峰值电压、极性反转、电荷分布等的影响,交流电压下的SF_6分解率高于正极性直流电压。     

温度变化对SF_6/N_2混合气体放电特性的影响

不同温度下SF_6/N_2混合气体的周围离子平均自由行程和热运动速度不同,使SF_6/N_2混合气体放电过程呈现不同特性。为此,在极不均匀电场、雷电冲击电压下研究了温度对SF_6/N_2混合气体放电特性的影响。在正负极性的雷电冲击电压下分别测量冲击击穿电压和预放电电流波形,并分析了不同温度下SF_6/N_2混合气体的预放电现象、步长时间、电晕起始场强及击穿场强。此时试验温度范围设为-20~20℃。结果表明:步长时间、电晕起始场强、击穿场强呈现较大的随机性。负极性雷电冲击电压下步长时间均长于正极性雷电冲击电压下步长时间。负极性冲击电压下10%SF_6-90%N_2混合气体的电晕起始场强和击穿场强随着温度升高而增高。本研究结果对柜式气体绝缘开关设备和气体绝缘金属封闭输电线路设计具有一定的研究意义。     

不均匀电场SF_6/N_2混合气体击穿特性的实验研究

文中对SF_6/N_2混合气体在不均匀场下的击穿特性展开研究,通过测量棒—板电极在不同电极间距、混合比、压强下的正、负极性击穿电压值,分析电场不均匀度及气体压强对SF_6/N_2混合气体极性效应的影响。研究结果表明:在0.1 MPa时,击穿电压随着电极间距的增大而增大,N_2负极性的击穿电压高于正极性的击穿电压,在电极间距为12 mm时,负极性击穿电压是正极性击穿电压的1.71倍,而SF_6气体与N_2极性效应相反,表现为正极性的击穿电压略高于负极性的击穿电压;电极间距为4 mm时,随气体压强的升高负极性击穿电压增大,正极性的击穿电压出现饱和效应甚至出现击穿电压跌落现象,SF_6气体体积分数为20%时,0.4 MPa下的正极性击穿电压是0.35 MPa的91.3%。SF_6/N_2混合气体的极性效应随着混合气体中SF_6气体所占比例的下降发生极性反转现象。     

基于波形参数法的电场畸变对局部放电特性影响分析

通过搭建局部放电纳秒级放电电流测试系统,研究了针-板电极的畸变电场下局部放电的特性,以及针尖曲率半径和铝箔尺寸变化对放电特性的影响。研究表明,不同电场畸变条件下放电存在较大差异。当介质表面无铝箔覆盖时,正极性放电电流幅值大于负极性放电电流,其电流脉冲上升沿和下降沿都要小于负极性放电,这可以用流注理论很好的进行解释。当介质表面有铝箔覆盖,针尖曲率较小时,放电情形类似于无铝箔覆盖的情况;而当针尖曲率较大时,负极性脉宽小于正极性脉宽,其电流幅值大于正极性脉冲。由此推测,在针尖曲率较大铝箔覆盖时放电机理发生了改变,产生了不同于流注放电的另一种放电。本文的研究为波形参数法区分不同放电类型打下了基础。     

正极性电晕放电脉冲特性仿真研究

正极性电晕放电脉冲由于其幅值较大,持续时间较长,在特高压交直流输电线路无线电干扰产生中占主导地位。为了深入研究正极性电晕脉冲发展的微观物理过程及其重复机制,文中基于流体动力学模型,用背景电离来代替光电离为正极性流注的发展提供种电子,对间距为1 cm,施加电压为17.5 k V的同轴电极进行了正极性电晕放电特性仿真,得到了一组较为规则的正极性电晕电流脉冲,脉冲幅值为15～25 mA。而后对初始脉冲不同发展阶段的空间电场分布特性和3种带电粒子(正离子、电子和负离子)空间浓度分布特性进行了分析讨论,对死区时间内的电场和正离子空间演化特性进行了描述,并给出了新的脉冲发展时空间电场分布。通过仿真发现,正流注在向前发展时,等离子体通道内的场强非常小,而流注头部场强较大。流注停止发展,逐渐消散时,通道内和流注头部的正离子在电场力的作用下向外迁移,导线表面电场逐渐恢复,当恢复至可以引发初始电子崩的起晕场强时,新的电晕脉冲发生。     

特高压电晕笼内正负极性导线的可听噪声频谱特性规律研究

为深入研究特高压直流线路正负极导线的电晕放电机制和电晕可听噪声特性规律,基于国家电网公司特高压直流试验基地的电晕笼,对6?720 mm2导线的可听噪声频谱进行了测试和分析。利用电晕笼中间网的可拆卸功能,对电晕笼内正极、负极、正负双极导线的可听噪声进行测试,分别得出了不同电压下正极噪声、负极噪声、临近正负极导线位置的噪声频谱特性规律,并进行了对比和分析。还分析了考虑背景噪声时,在不同导线表面电场强度下电晕可听噪声A声级与其8 kHz分量的稳定性。利用曾提出的8 kHz分量法来对正极噪声、负极噪声、临近正负极导线的双极噪声在不同导线表面电场强度下的噪声特性进行了分析,得出了8 kHz分量法可适用于正极噪声和双极噪声的结论。     

短间隙放电中的电晕型先导特性

该文针对短间隙(15mm)气体预击穿过程中电晕型先导存在的可能性进行了进一步的研究。采用放电电流脉冲分析、电磁波检测、PRPD谱图和高速相机拍摄的方法对短间隙两种棒–板放电结构(尖–板和球–板)进行了实验。研究表明:在尖–板结构预击穿阶段,电流脉冲上升沿和电磁波脉冲发展初期存在分段现象,球板结构没有,计算表明这两段的速度是和先导速度以及先导头部的流注速度对应。曝光时间为200ns和200us的照片证实了尖–板电极放电中的"茎"结构。上述结果说明,在短间隙尖–板放电预击穿阶段中长刷状电晕转化为电晕型先导。电晕型先导和普通电晕放电的电磁波在PRPD谱图中存在明显不同,上升延时间对电流幅值和电流变化率的影响解释了电磁波幅值差异。这种放电阶段的划分以及PRPD谱图对先导的表征有助于对电晕局放严重程度的判断。     

邻近直流导线时交流电晕电流脉冲特性试验

本文搭建交直流并行线路电晕放电试验平台,研究邻近直流电压时交流单点电晕放电下的电晕电流脉冲特性。并对交流电晕电流脉冲的分布模式、重复频率以及波形等特征参数进行统计分析。试验结果表明,邻近的正极性直流电压会促进交流负半周电晕放电而抑制交流正半周电晕放电,邻近的负极性直流电压作用正好相反。直流电压对交流负半周电晕电流脉冲波形参数无明显影响,而正半周电晕电流脉冲的幅值会随负极性直流电压的增加有所升高。同时发现,随着交流电压幅值的升高,促使其正半周发生电晕放电所需要的负极性直流电压幅值也相应地升高,并基于电晕放电的发展过程中电离强度的计算提出种子电子的缺失是造成该现象的原因。最后,在电晕放电离子云模型基础上,提出脉冲序列发展的过程中电离区域电场强度恒定不变的假设,从而对邻近直流电压影响下的交流电晕电流脉冲波形参数特性给出了合理的解释。     

SF_6/CF_4混合气体中聚四氟乙烯绝缘表面直流闪络特性

文中对电极间距为5 mm的指形电极下SF_6/CF_4混合气体中聚四氟乙烯绝缘表面直流闪络特性展开研究,分别测量了当SF_6/CF_4混合气体中SF_6混合比为0%~100%、压强为0.1~0.4 MPa时绝缘试样的直流沿面闪络电压,研究压强、混合比、电压极性等因素对绝缘试样直流沿面闪络特性的影响。实验结果表明:混合气体中SF_6混合比一定时,在0.1~0.4 MPa气压范围内,绝缘试样的直流闪络电压随气压升高而呈线性增加;0.3 MPa的20%SF_6/80%CF_4气体中绝缘试样的负极性直流闪络电压为52.34 kV,是相同气压下纯SF_6气体中的61.4%;在较低气压下SF_6/CF_4混合气体中绝缘试样的负极性直流闪络电压比正极性低,而当气压高于某临界值时,负极性直流闪络电压比正极性高,沿面闪络电压出现极性效应反转现象;40%SF_6/60%CF_4中负极性闪络电压达到纯SF_6中的65%,该研究可以为SF_6/CF_4混合气体替代SF_6应用于高压直流气体绝缘电气设备中提供参考。     

不同极性激光触发真空开关触发机制研究

激光触发真空开关(LTVS)的触发特性主要取决于初始等离子体的产生及发展特性。基于可拆卸真空腔体搭建实验电路,改变激光功率密度、激光焦斑面积、电场强度、电极间距等参数,结合不同极性下LTVS内初始等离子体产生及发展过程,分析相应条件下锥靶LTVS的触发特性。实验结果表明:正极性LTVS触发特性明显优于负极性LTVS。增加激光功率密度、增加激光焦斑面积、增加间隙内电场强度及缩短电极间距可有效减少LTVS触发时延。随着激光功率密度的增加,LTVS触发时延逐渐降低且趋于稳定;正负极性LTVS触发时延差距随激光功率密度增加明显减小,在激光功率密度为14.98×10~7W/cm~2时两者差距仅为6.5ns。     

电晕电流及其辐射信号特性的研究

为得到电晕放电辐射场的时域和频域特征,采用针板结构首先对电晕电流及其辐射场进行了理论分析,然后在此基础上对电晕电流及其辐射信号进行了实验研究。实验表明,电晕电流脉冲波形具有明显的极性效应:①负极性下先发生电晕放电,但正极性放电发生时,脉冲幅值比负极性时大;②负电晕电流脉冲波形的上升时间小于正电晕电流。实验结构不同,电晕放电辐射场的特征不同:利用第①种实验结构得到的放电波形的上升时间为十几个ns,频率分布范围集中在20～100MHz;利用第②种实验结构得到的放电波形的上升时间为几个ns,频率在200～600MHz。该结论对于下一步研究空中带高压物体的电晕放电辐射信号特征具有参考价值。     

极不均匀场下SF_6/CF_4混合气体中环氧树脂绝缘子沿面闪络特性研究

文中通过实验手段研究SF_6/CF_4混合气体中环氧树脂复合材料绝缘子试样的直流沿面闪络特性,实验中采用针—板电极结构模拟极不均匀电场情况,分析了气体压强、SF_6混合比以及电压极性对闪络电压的影响规律。实验中,电极间距为5 mm,实验气压为0.1~0.4 MPa。实验结果表明:当混合气体中SF_6混合比为40%时,在实验气压范围内,绝缘子闪络电压可达到相同气压SF_6中闪络电压的60%以上。针—板电极下SF_6/CF_4混合气体闪络电压的协同效应在正、负极性下区别显著,负极性下的协同效应较弱。同时,绝缘子闪络电压具有明显的极性效应,并且随着气压的升高出现了极性反转的现象,这是由于不同气压下正、负电荷对空间电场的畸变作用不同而导致的。综合环保要求和沿面闪络特性,文中研究成果为GIS设备提供了潜在的SF_6替代方案。     

SF6气体中交流电晕放电电流及带电粒子的时空分布

SF_6气体中电晕放电微观物理化学过程的基础研究对于保障电网安全可靠运行非常重要。为此在负极性电晕放电脉冲形成机制研究工作的基础上,应用同样的针-板电极电晕放电的二维轴对称模型来研究交流50Hz下SF_6气体中电晕放电的微观物理化学过程,并采用在连续性方程中增加常数项和设置初始质量浓度这2种方法来模拟光电离,计算了交流电晕放电1个放电周期的电流及不同时刻带电粒子的时空分布。结果表明:在连续性方程中增加常数项模拟光电离能够获得负半周幅值附近的连续性电流脉冲,与试验结果更为接近;正负半周带电粒子的运动方向正好相反;电晕放电区域的高度为8mm,且有效放电半径≤0.20mm。放电区域的获取能够为进一步研究SF_6气体在交流50 Hz电晕放电中的分解产物的演化规律提供理论支撑。     

SF6气体正极性电晕放电特性仿真研究

为了研究SF6气体正极性电晕放电特性,采用有限元仿真软件COMSOL的流体动力学-化学混合数学模型,对针-板间隙SF6气体正极性电晕放电过程进行了仿真,研究了不同外加电势、间隙距离、初始粒子数密度条件下的电晕放电特性.得到主要结论如下:放电过程可分电流上升、电流下降以及电流趋于稳定3个阶段,电流上升阶段是由于电子崩形成所致;电流下降阶段是由于针尖区域电子数量减少,电离反应减弱,正离子云团远离针电极所致;电流趋于稳定阶段是由于电子崩过程基本结束,正离子云团在远离针尖区域漂移速率减缓所致;脉冲电流上升和下降耗时与外加电势负相关、与间隙距离正相关;脉冲电流峰值及稳定值与外加电势正相关、与针-板间隙距离负相关;针尖粒子数密度由1×109～1×1014 m-3变化时,脉冲电流上升耗时、下降耗时、电流峰值以及电流稳定值与针尖初始粒子数密度关系不大.     

大气压空气中管-板电极结构重复频率纳秒脉冲的放电特性

由于重复频率窄脉冲气体放电具有的高过电压倍数,能够稳定地激励大气压空气等离子体,近年来受到了广泛关注。为此,利用上升沿15ns、半高宽30～40ns的负极性ns脉冲激励大气压管-板电极结构空气放电,通过电压电流测量,放电图像拍摄和X射线探测研究了ns脉冲气体放电模式和X射线辐射特性。结果表明,ns脉冲放电存在电晕、弥散...