短空气间隙放电流注分叉特性实验研究

短间隙流注放电通道在发展过程中产生的流注分叉现象能使放电所输出的能量和产生的活性物质分布更加均匀。为此,研究了短空气放电间隙长度和电极形状对流注分叉的影响。使用输出电压峰值为52 kV,电压上升时间约35 ns的脉冲电源分别对间隙长度≤5 cm的针–板、针–棒间隙进行放电,实验测试了不同间隙长度下流注的分叉特性。实验结果表明:间隙长度大于某一值(针–板间隙为3.5 cm,针–棒间隙为3 cm)时,观察到的流注分叉数目和分叉的发光强度随着间隙长度的增大而减少;而当间隙长度小于该值时,所拍摄的放电照片中流注通道很宽而且明亮,且很少有分叉。另外,相对于针–板间隙而言,在针–棒间隙中分叉的流注更容易向棒电极两端运动,产生重连接现象的概率更高。     

纳秒脉冲电压下变压器油预击穿特性的仿真分析

以针—球电极间隙变压器油为研究对象,基于场致电离机理,建立用于表述液体电介质流注预放电过程中载流子的产生及输运的偏微分方程,结合电场泊松方程,以及热扩散方程,仿真研究纳秒脉冲电压下变压器油预击穿特性。得到了预击穿过程中电场强度随电压幅值、极性以及脉冲上升沿时间的变化规律。仿真结果表明:流注速度随电压幅值的增大而增大;负流注相比于正流注轴向传播距离小径向传播距离大;负流注起始放电电压高于正流注,且起始速度大于正流注;正脉冲上升沿时间越短所形成流注半径越大,上升沿时间大于50 ns的负脉冲条件下产生的流注易消散。本文的研究工作和取得的结论有助于加深对变压器油中放电起始、发展过程的认识以及对液体电介质放电机制的理解。     

初始电子浓度对空气中针板间隙正极性流注放电的影响

为揭示环境中初始电子浓度对气体放电过程的影响,利用等离子体流体力学模型研究了大气压下5mm针-板空气间隙的流注放电过程。采用的等离子体流体力学模型包括了电子、正负离子连续性方程和电场的泊松方程。研究发现:5mm针板空气间隙下流注放电的通道半径约为0.1～0.3mm;随着间隙中初始电子浓度的增加,流注头部电场强度逐渐减小,流注发展的平均速率逐渐增大,流注贯穿间隙的时间逐渐减小;初始电子浓度对板电极表面电场强度、流注通道内电场强度和流注通道半径的影响可以忽略。     

正极性雷电冲击电压下5m棒-板空气间隙放电特性试验研究

开展了正极性雷电冲击电压下5 m棒-板间隙的放电试验,同步测量获得了放电电压、放电电流和图像。根据放电不同阶段的电流特性,辨识了初始电流放电、二次流注放电和先导放电过程,并研究了电压幅值和电极形状对上述放电阶段的影响。试验结果表明,初始流注放电产生的空间电荷与电压幅值和电极曲率半径均正相关,其抑制作用使得流注起始时延的平均值近似为常数;二次流注的平均速度为700～1 060 cm/μs,其随着电压幅值的增加逐渐增大,而随着曲率半径的增大而减小;先导发展的平均速度为29～111 cm/μs,随电压幅值的增加线性增大,而随电极曲率半径增大有所降低。     

基于光电倍增管的流注发展速度测量

由于流注发出光的光谱绝大部分位于300~400 nm区域内,为研究流注放电的重要物理特性,建立了基于光电倍增管的流注发展速度测量试验平台,在棒-板间隙放电试验的基础上,利用2个前面接了1 mm宽的窄缝的光电倍增管放置在垂直棒-板间隙轴线的位置,一个对准棒电极头部,另一个对准距离棒电极一定距离处。利用该平台,测量了不同间隙长度下,不同半径棒电极施加直流的流注起始电压时的流注发展速度;以及棒电极上外加不同幅值的1.2/50μs冲击电压时的流注发展速度。从测量结果看出,不论外加电压是直流电压或是冲击电压,流注发展速度都随着外加电压的增大而增加,尤其在冲击电压作用下,在试验的电压幅值138~280 k V范围内,流注发展速度也从111.1 cm/μs变大到222.2 cm/μs,且随着外加冲击电压的增大几乎线性增加。     

组合空气间隙放电路径选择性试验

为了研究空气间隙放电路径发展的分散性和随机性,分别对棒–棒间隙、棒–双棒组合间隙击穿特性,放电路径选择特性及放电路径发展随机特性开展研究。试验中考虑了下棒电极头部形状和下棒电极布置方式的影响,并通过静电场仿真计算分析间隙电场不均匀系数对50%放电电压的影响,以及下棒电极头部周围静电场强度对放电路径选择特性的影响;同时采用图像处理技术计算了电极表面放电初始发展角θ,以表征高压棒电极表面放电发展随机特性。试验和仿真结果表明:间隙距离为0.4~1.2 m时,间隙电场不均匀系数越大,间隙50%放电电压越低。间隙距离相同情况下,下棒电极头部曲率越大,头部周围场强越大,越容易产生迎面流注,则被击中的概率越大;间隙距离对放电路径选择性有影响,下棒电极头部形状相同的情况下,间隙距离越小,该间隙下棒电极头部周围电场强度越大,越容易产生上行流注,则被击中的概率越大。空气间隙距离增大会减少下棒电极对高压棒电极放电初始发展方向的约束力,高压棒电极头部表面下行流注的发展方向随机性增强。     

海拔2200m地区正极性操作冲击下大尺寸球–板间隙放电转化特性EI北大核心CSCD

在我国中西部海拔超2000m地区,曲率半径达0.25~1m的屏蔽球金具在特高压直流输电换流站阀厅中应用广泛,其与地面、墙壁形成的球–板间隙直接影响整个输电系统的绝缘安全及经济成本,因此研究高海拔地区大尺寸球–板长间隙放电转化特性具有重要的理论意义和工程价值。该文在海拔2200m的青海特高压试验基地开展3m间隙距离下,曲率半径为0.30、0.65、0.80m的球–板间隙正极性操作冲击放电试验;对比分析3种电极结构各放电阶段的瞬时光功率、空间电场强度、高电位电流等光电特征物理参量;计算其初始流注注入电荷量、电场强度空间分布、初始流注长度、流注茎温度等物理特征值;研究间隙结构对大尺寸电极放电转化特性的影响。结果表明:间隙距离一致,球电极曲率半径越大时,初始流注长度越长、产生空间电荷量越多、流注茎温度上升速率越快、流注逐渐成为放电过程的主导。研究结果可为今后高海拔地区换流站阀厅选择合适的屏蔽结构、有效增强间隙操作冲击绝缘水平及减小设备尺寸等提供参考。     

棒极外形对SF6棒-板短间隙流注放电特性的影响

为研究SF_6绝缘设备中可能存在的不均匀电场环境对绝缘性能的影响,从微观角度解释不均匀电场对SF_6流注放电特性的影响,建立流体动力学-化学反应混合模型,数值仿真棒-板间隙的SF_6流注放电过程。改变棒尖端外形以及棒极半径,仿真锥尖头、球头、平头等3种棒电极下棒-板短间隙的SF_6流注放电特性。结果表明:棒极外形对SF_6短间隙放电特性影响显著,不同外形棒极在初始放电阶段存在不同的电场分布,锥尖头棒尖端外形流注注头电场峰值最大,发展速率更快,流注发展速率随放电间隙的增大而减小,而平头棒尖端外形流注的放电通道半径最大。棒极半径的增大使流注头部电场强度以及平均电子能减小,流注发展速率减慢。     

正极性雷电冲击电压下空间电荷电场测量研究

很多绝缘问题本质上都与电场相关,电场测量是高电压领域的重要研究手段。空间电荷导致电场畸变是流注理论的基础,因此定量测量空间电荷的泊松电场对于研究空气间隙的放电机制有重要意义。利用光电集成电场传感器测量了1m棒–板间隙未发生放电条件下各点的轴向电场,并与数值仿真结果进行对比,验证了电场传感器进行定量测量的可靠性;对3种电极条件下1m棒–板间隙空间电荷区域外部轴线上各点的电场时域波形进行测量,将空间电荷形成的泊松电场与外加电压形成的拉普拉斯电场分开,定量测量了不同电压幅值下、不同空间位置的泊松电场幅值与变化规律。研究结果为建立并验证空间电荷模型奠定了基础。     

交流电压下变压器油中流注发展时空演化的光-电信号特征研究

流注放电多具有电离程度高、发展速度快及树状分叉等典型特征,是介质击穿前发生的各类放电起始、发展现象的统称。研究变压器油中流注现象对于加深液体介质放电机理的认识以及提升油纸绝缘性能具有重要意义。本文通过搭建流注光-电特性检测平台,获取了交流电压下针板电极结构中流注放电的光-电脉冲电流序列和光学图像。结果表明,负流注主要包括单个脉冲、幅值递增序列、幅值递减序列及幅值先增后减序列四种典型序列模式。负流注通道形状为球状,但较难向前发展,导致击穿电压较高;正流注电流脉冲序列为正脉冲簇形式,通道形状为细丝状且发展过程中伴随着随机分叉现象。结合流注发展电流序列和空间发展图像,对正、负流注起始与时空演化机理进行阐述,根据电容模型和流注通道压力平衡方程计算了正、负流注发展时的半径、速度特征参量,得到负流注通道半径约为80?m,正流注直径为60～80?m,平均速度约为3km/s,计算结果与实验现象相符。     

不同电极结构中SF_6/N_2混合气体正向流注电晕放电特性

宏观上假定气体放电过程中产生的正、负离子束和电子束为流体,采用二维流体动力学模型对SF6/N2混合气体正向流注电晕放电过程进行建模,利用通量校正传输法求解连续方程,通过求解耦合的泊松方程处理空间电荷畸变电场对放电的作用,仿真过程中假设带电粒子的输运参数是折算电场的函数,对比分析了平行板电极间隙、同轴电极间隙和棒-板电极间隙三种电极结构中正向流注电晕放电特性。结果表明:流注电晕的形成加强了流注头部与阳极间的场强,减弱了流注尾部与阴极的场强。只有流注头部所在位置的初始场强足够大时放电才能继续发展,否则放电转化为稳定的流注电晕放电。     

毛刺缺陷影响下的球-板间隙流注放电特性

利用由光电倍增管和电场传感器组成的光电联合检测系统,进行正极性操作冲击电压下不同距离间隙带毛刺球-板电极间隙放电试验,并以棒-板与球-板放电试验进行对照,得到初始流注下的50%放电电压（U50%）和物理特征参数并进行对比。结果表明：在带有毛刺缺陷的球-板电极间隙中,初始流注起始时延、初始流注场强跃升幅值和光功率跃升幅值...     

直流母线金属缺陷下空气放电机理的数值模拟

为探究直流母线金属缺陷下干燥气体条件空气正流注的产生机理和对放电特性的影响,采用有限元仿真软件COMSOL的等离子体模型,对线-板电极下80%的氮气和20%的氧气混合空气气体正流注放电进行模拟,研究有金属颗粒存在的空气正流注放电特性,从微观角度流注放电过程中的各种粒子数密度、电场、电势分布和空间电荷密度等变化趋势。研究结果表明母线电压幅值以及初始电子浓度均对空气放电过程中的电子数浓度峰值、电场强度峰值和空间电荷密度峰值产生影响,同时加快流注的发展速度、影响电势分布。在工程中,金属微粒的存在对于气体的绝缘性能有影响。     

1m棒–板间隙雷电冲击放电电场测量

放电区域电场的定量测量是研究长空气间隙放电机理的重要手段,也是近年国内外研究的热点。简要介绍了自主研制的光电集成电场测量系统,并将其应用于棒–板间隙在正极性雷电冲击电压作用下流注放电区域电场的测量。首先测量未发生放电时棒–板间隙轴线上的几何电场,并与计算结果进行对比;其次,测量流注产生后放电区域内、外的电场强度,并结合高速摄像机拍摄到的流注放电图片对测量结果进行分析。测量结果为流注通道与空间电荷的物理模型建立提供了依据。     

棒-板长间隙正极性流注生长概率模型及应用

为研究长空间隙放电分散性和放电路径随机性,建立了结合传统流注放电理论和分形生长理论的正极性流注生长概率模型。首先基于经典的流注起始判据,计算了棒-板间隙流注起始电压;选择空间电位和电子崩形成时间作为流注生长控制变量,结合泊松方程、电荷连续性方程和欧姆定律描述流注通道内部的电荷转移,仿真流注的持续发展过程;当流注到达板电极后,选择放电树枝中电位梯度最大的通道作为最后的主放电通道。分析表明,该模型可描述流注区空间电荷随时间的积累过程,棒-板间隙击穿时间的分散性以及放电路径的随机性;由其计算得的棒-板间隙主放电通道分形维数与试验结果相吻合,同时基于该模型对棒-导线-板间隙放电选择概率分布的计算结果也与试验所得规律一致。     

负极性纳秒脉冲下变压器油预击穿特性

以针-针电极间隙变压器油为研究对象,基于场致电离机理,建立用于表述液体电介质流注预放电过程中载流子的产生及输运的偏微分方程,结合电场泊松方程,仿真研究了负极性纳秒脉冲下,变压器油预放电过程。得到了预击穿过程中电场强度和空间电荷密度随电压幅值以及脉冲上升沿时间的变化规律。研究工作和取得的结论有助于加深对变压器油中放电起始、发展过程的认识以及对液体电介质放电机制的理解。     

均匀场中负流注放电形成过程粒子模拟

为研究均匀场中负流注放电的形成过程,采用粒子模拟方法对平行平板间隙中均匀场作用下高电压流注放电通道的形成和发展进行模拟,获取流注形成发展过程的瞬态物理图像和流注通道中心场强的变化图像。模拟结果表明:电子崩向阳极发展过程中,头部呈辐射状发展,尾部细长,电子集中在电子崩头部,当电子崩转变为流注后,流注通道中形成非平衡等离子体,通道头部和尾部局部场强增大,流注头部存在高能电子;在流注通道内的电子数密度分布图中观察到流注通道存在明显的分叉现象,不同气压和场强下通道分叉现象存在差异;场强一定时,流注发展速度受气压影响较小;气压一定时,随着场强增大,高能电子出现时间缩短,流注发展速度明显提高,通道中电子数密度显著增大,电离程度加深。     

考虑载流子密度扰动的植物绝缘油中初始流注放电仿真

在现有泊松方程及电流连续性方程的放电模型基础上,通过引入载流子密度波动源建立具有多分支流注形貌的放电改进模型;通过COMSOL软件仿真分析了雷电冲击电压为120kV、160kV和200kV时的放电结果。结果表明:改进模型的流注分支形貌比原模型更接近试验结果;最大场强主要分布在流注头部,且均超过2×108 V/m,其中200kV时由二次流注引起的场强和电荷变化最为明显。此外,3种电压下的z轴流注发展长度和速度还表明流注分支间电荷的相互排斥对流注有抑制作用。而对比电压上升沿时间分别为5ns、10ns、50ns和120ns时的流注形貌还发现:电压上升沿时间越短,流注半径越大,分支越多。该文的研究成果有助于分析放电过程中载流子密度波动对流注分支的影响机理。     

基于ETG-通量校正传输法的短间隙SF_6/N_2混合气体流注放电数值仿真

利用粒子输运方程及耦合泊松方程,研究了短间隙中10%~90%SF_6/N_2混合气体在不同阶段的流注放电特性。针对流注头部粒子空间分布出现陡梯度问题,基于不均匀的三角元网格剖分,采用Euler-Taylor-Galerkin(ETG)格式对粒子连续性方程进行时间离散,利用通量校正传输法(FCT)对离散后的方程进行求解,可以明显提高计算准确度和减小数值扩散。基于以上算法,考虑电子与SF_6/N_2中性混合气体的电离、复合、吸附以及光电离等过程,对短间隙气体流注放电过程进行了仿真。仿真结果表明,初始场强的大小影响流注的发展,随着流注发展,流注头部空间电荷加剧了两极板间的电场畸变,间隙击穿时流注头部电子浓度达到10~(20)/m~3,最大空间场强达到114k V/cm;光电离对加速流注的形成和发展有很大的影响;仿真结果也验证了ETG-FCT法应用于气体放电研究的有效性。     

基于电荷累积的棒-板间隙流注放电过程仿真

棒-板间隙放电过程的建模与仿真对于长空气间隙放电机理研究及特高压输电工程的外绝缘设计具有重要意义。为此建立了棒-板间隙动态流注分形发展模型,在已有的分形流注模型的基础上,提出了基于动态边界修正的电场计算方法以及基于电荷累积的时间参数求取方法。通过对间隙空间进行网格剖分,求解电场分布方程与电荷累积方程,得出间隙电场变化以及流注步进式发展的时间及动态电荷累积。本模型针对流注起始、流注发展、放电结束和电荷累积等过程进行了建模,并运用模型对于不同电压幅值(230 k V、590 k V)1 m棒-板间隙雷电冲击(2.0/50μs)流注放电过程进行了仿真,并和试验结果进行了对比分析。结果表明,雷电冲击电压为230 k V时,流注发展长度约为20 cm,流注发展时间为5.02μs,流注发展平均速度为3.98×104 m/s,流注通道电荷累积总量达到23.2μC;雷电冲击电压为590 k V时,1 m棒-板间隙被击穿,流注发展时间为9.92μs,流注发展平均速度为1.01×105 m/s,击穿前其速度达到1.60×105 m/s,整个击穿过程流注电荷累积总量为258.3μC。新的模型在放电通道长度变化,放电过程电场波形,流注发展过程电荷粒子的累积等方面均与试验结果基本一致,具有一定合理性。