空气中沿面流注放电表面电荷分布特性的仿真研究北大核心CSCD

绝缘子表面积聚的电荷会畸变电介质表面电场进而引发沿面闪络。为研究空气氛围中绝缘介质表面在沿面流注放电发展过程中动态电荷积聚情况,在自主开发的二维流体沿面放电仿真模型中增加化学反应体系,模拟了正负极性沿面放电在起始及发展过程中流注自身特性以及介质表面电荷分布特性的演化过程。研究发现施加电压为负极性时,介质表面始终累计负电荷,沿面流注头部累积电荷量极高,流注头部后方界面处电场极性反转,正离子向介质表面运动;施加电压为正极性时,沿面流注头部累积正电荷,尾部电子朝介质表面扩散,介质表面总电荷量为负值。     

壁电荷对介质阻挡放电特性的影响

为了研究壁电荷对介质阻挡放电特性的影响,实验测量了不同驱动电压幅值、气体间隙距离和介质板厚度下的介质阻挡放电的电压-电流特性,并运用气体放电理论和简化的理论模型对实验结果和介质阻挡放电的发展过程进行了分析。结果表明,由于壁电荷的作用使得DBD放电发生的时刻在驱动电压正负半周期不对称,相邻两次放电间隔长短交替;随着驱动电压幅值的增加,介质板厚度或气体间隙距离的减小,DBD微放电增多,传输电荷量增多,介质表面累积电荷量增多,壁电荷对介质阻挡放电的影响增大;当壁电荷足够多时,甚至会出现反向放电。     

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。     

大气压氦气介质阻挡斑图放电与辉光放电的转换条件及其演化过程

为研究在大气压氦气中斑图放电与辉光放电的转换,利用高频高压电源进行了大气压氦气介质阻挡放电(DBD)试验。通过测量外加电压与回路电流随时间变化的波形,并利用增强型电荷耦合器件(intensified chargecoupled device,ICCD)相机同时拍摄电极侧面和底面的短时曝光放电图像,研究了斑图放电和辉光放电的放电模式以及2种放电模式的转换规律。研究结果显示:放电起始时放电空间出现斑图放电,每个斑图放电单元经历了由汤森放电向辉光放电的演化过程;放电起始后降低外加电压,可得到稳定的单脉冲辉光放电;升高外加电压,回路电流逐渐变成双脉冲,斑图放电单元面积变小,放电单元数增多,放电逐渐均匀;外加电压升高到回路电流变为3脉冲及以上时放电转化为多脉冲辉光放电。以上结果证明:单个回路电流波形不能用来判断放电的均匀性;随着外加电压的升高,斑图放电向辉光放电的转换过程实质上是局部辉光放电向整体辉光放电的演化过程。     

大气压短间隙Ar介质阻挡辉光放电的模拟分析

为了分析短间隙Ar介质阻挡放电(DBD)大气压辉光放电(APGD)的放电机理,建立了一维自洽流体模型,采用有限元法进行计算。得到了气体间隙压降、放电电流密度以及介质表面电荷的演化波形,及放电电流密度峰值时粒子和电场的分布。结果表明,该APGD为容性放电,每半个周期内发生一次击穿放电;表面电荷有着抑制当前放电,降低下一次放电起始电压的作用;依据场强与粒子分布可将放电空间分为阴极位降区、负辉区、正柱区及阳极辉光区,说明该放电为典型的辉光放电。在此基础上分析了材料介电常数ε对放电的影响,表明随着ε的增大,放电电流与表面电荷的幅值也相应增大,击穿时间略有提前。     

介质阻挡放电小点连线超四边形发光斑图的时空结构

为了研究小点连线超四边形发光斑图的时空结构,进行了纯空气的介质阻挡放电实验,首次观察到了小点连线超四边形发光斑图。采用光电倍增管,对斑图不同位置放电丝的光信号进行采集,经分析可知:小点连线超四边形发光斑图是由3套不同的子结构相互嵌套组成。在每半个电压周期内放电顺序为:大点–小点–小点连线,并且小点及小点连线放电是随机的,放电均发生在电压的上升沿。通过高速照相机拍摄的瞬时照片可知:大点的放电时刻主要集中在第一个电流脉冲的前部;小点及小点连线在其之后,且连续半个电压周期内放电位置不重合,进一步证明了它们的放电随机,这与光信号的结果相符。对大点放电以后的电流脉冲进行积分,结果表明连续正、负半周期的电荷量大小相等、极性相反,对下一周期放电无影响。经分析可知介质板表面积累的壁电荷分布对小点连线超四边形发光斑图的形成及其时空动力学行为具有重要影响。     

大气压氦气多脉冲辉光放电径向光学演化过程

介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)的径向演化及其影响因素对研究低温等离子体的机制具有重要的参考价值。采用铟锡氧化物(indium tin oxide,ITO)透明电极,进行了大气压氦气介质阻挡三脉冲辉光放电试验,利用增强型电子耦合器件(intensified charge-coupled device,ICCD)拍摄放电的侧面短时曝光照片来诊断放电模式,拍摄放电的底面短时曝光照片并绘制其发光灰度值在电极表面的三维分布图来研究放电的径向演化过程。结果表明:放电首先在圆形电极的边缘区域发生,逐渐向电极中心发展,最后又转向电极边缘并逐渐减弱;随着电流脉冲次序的增加,放电在电极中心发展越来越充分;电极结构的限流作用同外施电压和介质表面电荷一样,对径向位置上不同时刻的放电演化过程起着重要作用。     

大气压氖气介质阻挡多脉冲放电现象研究

为了探讨大气压氖气介质阻挡放电的多脉冲现象的本质,实验测量了多脉冲放电的电压电流波形,建立了多脉冲放电的电路模型,并利用ICCD高速相机研究了多脉冲辉光放电模式的演化过程。研究结果表明,多脉冲中的各次脉冲气隙电压的变化和单脉冲中气隙电压的变化趋势相同,即在气隙击穿前,气隙电压逐渐上升,在气隙击穿后突然下降。由于介质阻挡产生的异号电荷和外加电场的共同作用,使得多脉冲中每个电流脉冲对应的气隙击穿电压峰值出现逐渐下降的趋势。ICCD高速时间分辨图像表明,多脉冲的每个脉冲放电的底面演化过程与单脉冲时的辉光放电是十分相似的,都呈现出径向发展的过程,但相邻放电脉冲其放电的径向发展过程呈现互补现象,即若一个从内到外另一个就从外到内。这说明放电总是以活性粒子存活数量较多的地方作为放电的起始位置。同时,实验结果说明不能通过电流脉冲个数的多少判断放电是否均匀,多脉冲放电也可能是均匀放电。     

采用高速照相机研究介质阻挡放电超四边斑图的时空结构

为了研究介质阻挡放电中超四边形斑图的时空结构,首次采用三通道高速照相机,在外加电压的半个周期内,对此斑图的不同电流脉冲进行瞬态拍照。实验发现:稳定的超四边斑图能在不同的实验条件下得到;在外加电压的每半周期内,超四边斑图的放电电流由3个明显的脉冲组成,其中2个脉冲位于电压绝对值的上升沿,1个位于其下降沿;超四边斑图由3套四边形子结构组成,其中上升沿放电的小点四边形和大点四边形相互嵌套,而在下降沿放电的小点位于大点的中心。经分析发现,壁电荷在超四边斑图时空结构的形成中起到了重要的作用。     

空隙和试口几何形状对局部放电的影响

解析表达法是为研究局部放电的能量损耗和表面电荷而发展的。两者都取决于空隙的形状和容量。与能量损耗相比，表面电荷还取决于绝缘厚度，试品形状和试品中空隙的位置。表面电荷与有关介电常数成正比，介质的介电常数圆形或近似球形空隙的能量损耗没有或很少影响。由此表明对于介质内部的局放特性来说，放电能量是一种可适合测量的量。     

多层油纸绝缘介质不同局放阶段的陷阱参数演变规律

陷阱是影响绝缘介质中电荷输运特性的重要因素,研究不同局放阶段绝缘介质陷阱参数演变规律对深入研究放电机理具有重要意义。为此,考虑车载变压器的匝间绝缘结构特点,设计了3层油纸绝缘缺陷模型,进行局部放电试验,选取起始到击穿不同放电阶段的试样,采用等温表面电位衰减方法研究不同放电阶段3层绝缘纸试样的表面电荷衰减特性,据此计算相应阶段试样表面电荷的陷阱分布规律,探究陷阱分布对局部放电的影响。研究结果表明:Nomex纸以深陷阱为主,随着放电的发展,第1层绝缘纸陷阱能级增加,第2、3层绝缘纸陷阱能级下降;陷阱能级和陷阱密度降低导致绝缘纸中自由电荷变化率增加,自由电荷数量增多,放电的剧烈程度增加;电荷的传输特性是局部放电过程中不同层绝缘纸陷阱参数演变规律不同的重要原因。     

介质阻挡放电的电荷传输特性研究

对介质阻挡放电空间的电荷传输特性进行研究,可以在实际应用中优化设计、提高放电效率。通过在实验室建立的介质阻挡放电装置,研究了外加电压幅值、气隙距离、阻挡介质的厚度和介电常数等因素对放电空间传输电荷的影响试验结果表明,放电空间在一个周期传输的电荷量随外加电压幅值和介质介电常数的增加而增加,随气隙距离和介质厚度的增加而减小。     

纳秒脉冲下真空绝缘子表面电荷的三维分布形态EI北大核心CSCD

表面电荷的积聚会改变电场分布,也会参与放电的电子倍增过程,导致真空绝缘子的沿面闪络电压显著降低。工程中的真空绝缘子是45°圆台形,现有的表面电荷二维测量不能满足研究要求。为研究表面电荷分布特性,研制了表面电荷三维测量平台,获得了表面电荷的三维分布形态。在正极性脉冲电压作用下,表面电荷全部为正,在负极性脉冲电压作用下,表面电荷全部为负。靠近上电极表面电荷密度大。随着脉冲电压幅值和次数的增加,电荷积聚量明显增大。表面电荷的积聚使闪络电压有一定程度的降低。45°圆台绝缘子上电极处的强电场导致的场致发射是表面电荷产生的原因。     

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。     

气—固绝缘分界面电荷积聚模型及数值计算

气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated transmission line,GIL)绝缘子在直流电压长期作用下,会积聚表面电荷,引起绝缘子沿面闪络电压降低,导致闪络事故。因此研究绝缘子在长期直流耐受下的表面电荷积聚现象,对气—固界面在直流电压下的电荷积聚机理进行分析,建立更为完善的表面电荷积聚模型,具有重要的理论意义和工程价值。笔者基于3种已有的表面电荷积聚模型、分界面电荷弛豫方程和更为普适的稳态电荷密度方程,利用微元法对盆式绝缘子表面电荷分布进行了数值计算。结果表明:分界面电荷弛豫方程能够近似描述电荷积聚的动态过程;稳态电荷密度方程揭示了电荷积聚的必然性,且能够在不同条件下退化为已有的3种积聚模型;介质分界面的电荷分布与外加电场、气体与固体的介电常数和电导率密切相关。     

大气压下氦气介质阻挡辉光放电过程的Lissajous图形分析

为研究介质阻挡放电(DBD)过程中等效电容的变化情况,利用高频高压电源,进行了大气压氦气介质阻挡单脉冲和多脉冲辉光放电试验,利用外施电压、回路电流计算得到放电Lissajous图形,并与直接测量的Lissajous图形进行了对比。确定了放电电流波峰和波谷在Lissajous图形上的对应位置,计算了放电截止和放电进行阶段气隙和介质的等效电容,分析了等效电容变化的原因,并且探讨了放电的物理过程。结果表明:计算得到的Lissajous图形与测量所得的Lissajous图形一致;介质等效电容在放电截止阶段保持不变,但在放电进行阶段随电流脉冲变化而变化,并且在电流峰值处最大;放电物理过程主要受到外施电压和介质表面电荷量的变化速率影响。     

沿面型介质阻挡放电的数值仿真计算

沿面型介质阻挡放电因较平行板介质阻挡放电能产生均匀的较大面积等离子体层和在流动控制等新技术中的突出应用而得到学术界和应用界的广泛关注。为更好地研究和揭示沿面型介质阻挡放电的放电机理与演化规律,利用Comsol软件的等离子体模块对大气压空气中该放电进行二维数值模拟。考虑空气放电时O2-、N2-、O2+、电子等8种粒子及16种放电粒子化学反应,得到了放电过程中粒子浓度变化过程与放电空间的电场分布。分析讨论放电起始阶段电荷的运动情况后表明,电子在起始阶段主要受电场控制以漂移运动为主,其后在扩散和漂移的共同作用下分布范围不断扩大。验证分析放电的不对称性并与实验结果相对照后,指出正是由于表面电荷的积累导致了放电的不对称性。     

正直流电压下油纸绝缘针板电极局放流注仿真研究

为了更好地研究直流电压下油纸绝缘系统针板电极局部放电的电荷分布特性,文中基于流体动力学扩散—漂移方程和双极电荷传输方程搭建仿真模型用以模拟空间电荷的分布,研究了电荷产生的和流注发展的过程与放电特性,得到了局部放电过程中电荷,电场和电势的发展趋势。研究表明:油纸绝缘针板电极的局放过程分为流注击穿油隙与电荷在纸板上积累两个阶段,油隙的击穿过程中,流注头部的电场强度与净电荷密度会不断增加,形成自持放电;当流注到达绝缘纸板表面并在纸面积累电荷,将形成屏蔽层,导致流注的电场分布与电荷分布减弱,逐渐形成零电场区域,使流注中断,电荷发生扩散。     

介质阻挡放电中带有沿面放电的点线四边形斑图的形成研究

为了研究带有沿面放电的点线四边形斑图的形成,采用空气-氩气介质阻挡放电装置,在降压过程中首次观察到了带有沿面放电的点线四边形斑图,该斑图由带线亮点、不带线亮点和连线构成,且连线构成的四边形结构与斑图成45°。斑图的演化经历了4个过程:类六边形斑图、带有沿面放电的点线四边形斑图、格子四边形斑图和随机放电丝。采用高速录像机对该斑图进行短曝光录像,发现连线是由带线亮点的沿面放电形成的。采用光电倍增管对斑图中不同位置放电丝的光信号进行采集,发现亮点在电压上升沿和下降沿都有放电,且在上升沿是多次放电,在下降沿放电是带连线亮点先于不带连线的亮点。利用发射光谱法,研究了斑图中不同亮点的分子振动温度和电子密度,计算结果得知:分子振动温度是带线亮点小于不带连线亮点,而电子数密度却相反。最后讨论了极板表面不同区域积累的壁电荷量对此斑图的形成及其时空动力学行为的影响。     

介质阻挡放电中四边形发光斑图的时空结构

为了研究介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)中四边形发光斑图的时空结构,采用高速相机,首次在外加电压的半个周期内,对此斑图进行了时空分辨研究。在空气-氩气介质阻挡放电中,随着外加电压的增加,放电丝的分布经历了随机放电丝—六边形斑图—四边形斑图—混沌的转变过程。经长时间观察发现,四边形斑图非常稳定。在外加电压的每半个周期内,四边形斑图相应的放电电流由2个明显的脉冲组成。实验采用高速相机,分别在2个电流脉冲时间内对放电过程进行了拍照,结果发现每个电流脉冲分别对应1套稀疏的四边形子点阵发光斑图,2套子点阵互相嵌套形成所观察到的四边形发光斑图。