水中超长脉冲放电的预击穿过程研究

水中放电具有丰富的物化效应,在能源、环境、医疗等领域得到广泛的应用。预击穿过程对放电效应影响显著,很有必要厘清该过程中放电的发展机理。该文重点关注超长脉冲条件下(100ms)水中针–板间隙的预击穿过程。研究表明,不同于脉冲条件下的流注发展主导模式以及直流条件下的气泡运动主导模式,超长脉冲条件下遵循气泡循环演化–流注猝发击穿的预击穿模式。当电压等级较低时,放电经初始液相扰动阶段后,针电极表面产生的大量气泡进入生长形变—脱离/破裂的循环演化过程。但在发散式液体对流的带动下,气泡群落难以形成贯通链路引发间隙击穿。当电压等级较高时,气泡不断扩张至临界尺寸后,内部电离放电并转变为(亚音速)流注,打破了循环演化过程,迅速使间隙击穿。进一步的分析表明,超长脉冲下气泡能否持续发展为流注并引发最终击穿,取决于使电极表面处气泡的生长膨胀(发展助力)与脱离破裂(发展阻力)间的动态平衡状态。     

水间隙击穿放电模式对激波强度的影响分析

液体中脉冲大电流放电产生强有力的激波被广泛应用于工业生产、生物医疗等领域,如何稳定、高效地获得高强度的激波是该技术的关键。基于搭建的液电脉冲激波实验平台,该文研究了正极性针–板放电模式对激波强度的影响。通过高速摄像机拍摄流注通道发展过程,发现流注可能呈现出两种不同的发展模式:树枝状亚音速流注与丝带状超音速流注。试验结果表明放电电压对水中间隙击穿放电模式及对应的激波强度有明显影响。通过改变放电电压,可以实现对水中间隙击穿放电模式的调控。亚音速流柱的发展过程属于电热击穿过程,阳极尖端首先出现可见的气泡簇,在外部不均匀电场的作用下气泡簇内部明亮流注沿着尖端向阴极发展,形成树枝状的流注通道。此后,气泡簇包裹的丛林状流注通道不断向阴极发展,当流注头部发展到与阴极距离足够小时,水中间隙击穿并产生强烈的激波。超音速流注的出现可导致间隙的快速动态击穿,电容器上的能量可实现快速释放,形成更为强烈的激波。针对本试验条件,充电电压提升到22.5kV时,亚音速流注将向超音速流注转化,预击穿过程的击穿时延及泄漏能量将迅速降低。研究表明超音速流柱模式的能量转换效率更高,即使在相同的施加电压下,超音速流柱对应激波强度可以达到亚音速流柱模式下的2~4倍。     

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。     

针–板电极下水中亚音速流注形态与发展过程

为了研究针–板电极形式下的水中亚音速流注形态及发展过程的机理,该文建立了水中流注放电综合观测平台,并从微观物理的角度,探讨了电压极性对流注形态的影响。流注的起始阶段可分为:电极尖端液体介质的密度扰动、微气泡的形成和以微气泡为基础的流注形成。阴、阳极流注的差异在于流注形态和传播方式的不同。对于阳极流注,其形态在传播过程中会发生变化:在大部分时间内以气泡簇的形式缓慢的生长(20~80m/s);在发展最后阶段,气泡簇顶端生长出树状亮流注(第二类流注),以极高的速度传播((29)30km/s)。对于阴极流注,其形态为多分叉的树枝状亮流注,发展方式为周期性的分叉生长,平均流注发展速度约100~350m/s,并在最后阶段有明显的速度抬升。电子和离子迁移率巨大的差距,以及沉积电荷引起的界面不稳定性,造成了显著的极性效应,使得阴极流注的起始电压更高,传播速度更快,形态更加发散。     

基于分形理论的水中流注放电仿真

水中流注放电的特性及流注发展机理研究对于污水处理、杀菌消毒、水下声源和高压绝缘具有重要的意义。基于分形理论,构建了考虑气泡生长过程的水中流注放电仿真模型,并仿真研究了不同电压幅值和溶液电导率下的放电特性。结果表明,随着外施电压和溶液电导率的增大,通道电荷量和流注发展速度均增大,而放电预击穿延时减小。计算得到的流注发展速度、预击穿延迟时间随水溶液电导率的变化等与已报道的实验相符。     

油流速度对含气泡变压器油击穿特性的影响

变压器油中不可避免地存在气泡,使其绝缘性能大幅下降。由于强迫油循环或温差热对流的作用,变压器内部的绝缘油始终处于流动状态,油道中的气泡会随油流而运动,目前流动状态下含气泡变压器油的击穿机理尚不清楚。为了探究油流速度对含气泡变压器油击穿过程的影响,该文搭建流动变压器油循环装置及放电观测平台,开展大量不同流速条件下的击穿实验,同步采集放电信号、外施电压信号及击穿影像。结果表明,根据预击穿阶段气泡行为的差异,击穿类型可以分为三类;流动状态下含气泡变压器油的工频击穿电压始终高于静止状态,随着油流速度的增大,击穿电压呈先上升后基本保持稳定的趋势;油流速度通过改变气泡破裂所形成微气泡群的排布以及气泡"尖端"的发展方向对击穿电压有影响。     

均匀电场重频脉冲作用下的水中气泡击穿

均匀电场重频脉冲作用下处理室放电问题是高压脉冲电场(pulsed electric field,PEF)技术遇到的难题。目前现有水中空气泡的击穿研究无法说明这种平均电场强度较低(<70 kV/cm)的情况下的击穿现象。为了解决这一问题,设计了金属平板电极与水溶液电极间的气体击穿实验,利用等效实验研究了有水溶液电极的大气压下短间隙(<1 cm)的气体击穿现象。通过实验得到了液体做电极的空气气隙的击穿电压,证明了阴极种类以及重频脉冲参数对击穿电压的影响,得到了均匀电场作用下水溶液中气泡的内部电场与气泡形状参数和气液介电常数的关系式。研究结果表明PEF处理室的完全击穿是由水溶液中的气泡击穿所引起的,受阴极二次电子发射系数γ的影响,并预测了水中空气泡击穿场强,为合理设计PEF处理室提出重要参考依据。     

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。     

雷电冲击下天然酯的长间隙击穿特性仿真研究

天然酯作为一种环保低碳液体电介质，被普遍认为是矿物油的良好替代品，但其在高场强、长间隙下的放电特性及绝缘性能尚不清晰。该文以天然酯绝缘油为研究对象，基于电流体动力学方程，考虑多种参与电离的甘油三酯分子的电离能、分子数密度和温度对载流子迁移率的影响，建立天然酯流注放电仿真模型，研究不同雷电冲击电压和放电间隙的流注发展特性及典型分子的电离情况，分析流注模式转换与甘油三酯分子电离的联系，以及油隙对击穿电压的影响。结果表明，天然酯的击穿特性不同于矿物油；流注模式转换与高电离能分子电离有关；间隙小于100 mm时，该模型有利于对雷电冲击电压与油隙关系进行模拟判断。该文可为研究天然酯流注发展特性提供新的思路和依据。     

金属颗粒对绝缘油流注发展特性的影响研究

变压器在制造、运行和维修等过程中,其内部绝缘油难免会引入金属颗粒,为探究金属颗粒对油纸绝缘性能的影响,文中搭建并调试了油纸绝缘雷电冲击放电试验平台等,开展了金属颗粒对绝缘油流注发展特性影响试验研究,研究了不同浓度金属颗粒对绝缘油流注起始电压与发展过程中形态的影响,并通过COMSOL仿真平台进行验证。结果表明,金属颗粒会促进油中流注的起始与发展过程,流注停止长度和发展速度与颗粒浓度呈正相关,而绝缘油流注起始电压与击穿电压与颗粒浓度呈负相关,金属颗粒的引入会使得流注形态更加发散。分析认为油中金属颗粒与流注的相互作用是降低流注起始电压,加速流注发展,进而降低绝缘油击穿电压的主要原因。     

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。     

大气压下湿度对气隙流注放电及击穿的影响

空气中存在的水汽会使空气介电特性发生改变，严重影响输电线路外绝缘特性。为此通过理论及实验研究了湿度对流注放电的影响。理论方面通过Wieland近似法对湿空气的放电参数进行修正，对比分析了干洁空气与湿空气的放电参数，计算了不同湿度下针板气隙流注放电参数，提出了湿空气下流注起始、传播判据以及击穿电压计算方法。实验方面搭建流注放电室，进行棒板间隙流注放电实验，实验结果与理论计算结果相符。湿空气放电参数表明：低电场下(E/p<0.3V/(cm·Pa))湿度增大对电离系数影响不大，强电场情况下湿度对电离系数有着明显的促进作用；低电场时附着系数随湿度增大而增大，强电场时附着系数随湿度增大而减小；针板间隙流注计算结果表明湿度增大会使流注峰值电子密度、流注半径增大，流注传播速度加快；棒板击穿实验及击穿电压计算结果表明，当湿度较低时，湿度对击穿电压的影响不大，当相对湿度达到约94%时，湿度增大使得击穿电压明显提升。     

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。     

TiO2纳米粒子表面修饰对变压器油冲击击穿性能的影响

采用液相法制备了乙酸、己酸和油酸修饰的TiO2纳米粒子及其改性变压器油,利用透射电子显微镜（TEM）和傅里叶红外光谱仪（FTIR）测试表征了纳米粒子的形貌和表面修饰状态,通过测试变压器油改性前后的正冲击击穿电压和流注发展形态,研究了纳米粒子表面修饰对变压器油击穿性能的影响规律。结果表明：表面修饰纳米粒子极大地提高了变压器油的正冲击击穿电压,并显著延长了击穿时间。其中,乙酸修饰纳米粒子的改性效果最佳,将冲击击穿电压从纯油的84.73 kV提高到116.42 kV,提高了37.4%,击穿时间延长至纯油的1.68倍。纳米粒子表面修饰增大了油中浅陷阱的密度,改变了油中流注的发展形态,显著抑制了流注的发展速度,从而提高了变压器油的冲击击穿性能。     

同轴电极固液界面放电的碎石模式

为了提高高压脉冲碎石效率,开展了同轴电极固液界面碎石实验研究。采用高电压脉冲放电原理,设计了同轴电极平面布置在固体介质表面,利用液体绝缘的高电压脉冲放电碎石实验装置,开展了不同液相绝缘介质中不同固相介质条件下的高电压脉冲碎石实验。经过对记录的电压电流波形进行比较分析,抽取了可能的区分不同放电模式的参数特征。结果表明:液体介质击穿时延比相应环境下固体介质击穿时延大,且击穿时延与液体介质的导电粒子含量负相关;液体介质击穿电阻变化系数比其环境下固体介质击穿电阻变化系数大至少一个数量级。根据分析得出击穿时延与击穿过程电阻变化系数可以作为判别放电模式的参数特征。     

纳秒脉冲下固液交接面闪络特性研究进展

为研究固液界面闪络特性,根据它与液体体击穿相似,介绍了当前最主要的液体体击穿机理:电子理论和气泡理论。在此基础上介绍两个窄脉冲下固液交接面闪络可能的模型并评述了窄脉冲闪络的独特性。     

百纳秒脉冲下水压对水开关击穿特性的影响

以俄罗斯西伯利亚研究院通过实验总结出的液体介质气泡击穿理论的全新阐述作为理论基础,开展了300 NS短脉冲下高压强水介质开关的击穿实验,获得了该条件下水介质击穿场强及耐压时间与水中压强关系的数据。结果表明在300 NS脉冲电压实验平台下,当水介质场强变化率为2~3 MV/CM时,水介质击穿电压和耐压时间均随着水中压强的提高而呈上升趋势,且趋势越来越显著。     

大气压下不同气体的流注放电特性

大气压下气体放电通常表现为丝状放电形式。流注或先导放电是其气体击穿的起始阶段,相对于低气压下暗放电或辉光放电具有更复杂的演化特性。为了研究不同气体的流注传播特性,采用流体模型对1 cm平板电极中大气压下氮气、氧气,以及氮气混合20%、1%和0.01%氧气的双向流注传播过程进行了仿真计算。光电离作为源项加在流体模型中,在数值仿真时采用解多组Helmholtz方程代替Zheleznyak积分计算。仿真结果表明:氧气含量较低时,流注会出现分叉现象;氧气中流注发展速度较快;氧气中正流注通道半径较大。     

正极性雷电冲击电压下天然酯绝缘油油纸沿面流注动态变化规律研究

油纸绝缘复合电介质沿面放电是电力设备内绝缘的研究基础,其在雷电冲击电压下的绝缘特性是变压器绝缘设计的重要参数之一。为了获得油纸沿面流注传播与消散过程中电学、空间电荷分布演化规律及其关联关系,以交界面平行于施加电场方向的油纸系统为研究对象,通过构建适用于绝缘油油纸沿面流注动态变化特性的试验观测系统,可同步获得正极性雷电冲击电压下流注传播和消散过程中的电压、放电电流和放电通道流注阴影图像。利用该平台还测量了油纸沿面正极性雷电冲击击穿电压。试验结果表明,在正极性雷电冲击电压下天然酯绝缘油油纸绝缘相对介电常数差异并不会促进油纸沿面流注的传播过程,而粘度对于油纸沿面流注侧向分支影响显著。粘度越低,空间电荷在迁移过程中所受到的阻力越小,流注头部空间电荷在受到表面电荷的斥力后越容易往油中扩散,空间电荷在绝缘油中所形成的空间电场使得油纸沿面流注的主分支能够在绝缘油中传播,增加了油纸沿面流注传播距离,从而使低粘度天然酯绝缘油油纸沿面正极性雷电冲击击穿电压略高于其纯油击穿电压。     

绝缘子表面污层位置对流注放电的影响

为研究流注的产生和传播对污闪过程的影响因素,利用3电极结构,通过光电倍增管得到的光脉冲信号来检测流注在极板间的传播过程,得到了流注的传播概率曲线和传播速度。通过比较测量结果,对绝缘子表面不同位置涂覆污秽层时的传播特性进行研究。研究表明:污秽带的位置对流注的稳定传播电场影响很大,污秽带涂覆在绝缘子表面上、中、下3个位置时,流注放电的稳定传播电场分别为503、598、646 kV/m;外加电场相同时,流注的传播速度随着污秽带向下移动而不断减小。仿真计算的结果表明:污秽带涂覆不同位置时绝缘子表面电场分布畸变很明显,污秽带位置不同,电场畸变也有所不同,在污层区域平均电场有明显减小。污层影响绝缘子表面的电场分布,导致流注传播特性产生变化。