空气中不同表面粗糙度PMMA表面电荷动态特性研究

绝缘材料的表面物化特性会对其绝缘性能产生重要影响,为研究绝缘材料表面形貌与表面电荷的关系,通过对有机玻璃(PMMA)进行电晕充电,分析电压极性、表面粗糙度、打磨方式对材料表面电荷动态特性的影响。结果表明:打磨处理后PMMA表面电荷动态特性发生改变,在负极性电压下,顺序打磨后材料表面电荷积聚量较未打磨的少,乱序打磨后材料表面电荷积聚量增多。对于电荷消散速率,当材料表面粗糙度较小时,顺序打磨后消散速度较未打磨的快,随着表面粗糙度的增大,消散速度变慢;乱序打磨后电荷消散速度变慢,随着粗糙度的增大,电荷消散速度减慢的现象更为明显。实验中材料表面电荷消散途径主要沿介质表面消散,且负极性表面电荷的消散速率大于正极性表面电荷的消散速率。     

固–气界面电荷消散特性及其动力学过程

直流电场下气体绝缘设备中固体绝缘介质表面电荷的积聚会导致固–气界面的局部电场畸变,从而降低系统的绝缘水平。研究固–气界面电荷的消散特性可为高压直流气体绝缘装置的研发提供重要的理论基础。利用针–板电极向绝缘材料表面注入电荷,在不同条件下进行固–气界面电荷消散实验。采用静电探头法测量试样表面的电位分布,并通过反演计算得到电荷密度分布。结果表明:处在气体氛围中的环氧树脂材料,其表面电荷主要是通过与气体中离子中和消散,消散过程与气体中电场的分布有关。处在开放空间中的试样,表面电荷密度越大的地方电场越集中,因而迁移至此的异号带电粒子更多,表面电荷消散也更快,最后在试样表面会逐渐形成"火山口"形的电荷分布。基于固–气界面电荷消散的三种途径,构建了固–气界面电荷消散的动力学模型,分别考察了通过体电导消散、面电导消散,以及与气体中离子中和消散3种不同消散机理主导下的固–气界面电荷消散特性。研究发现,对于体积电导率小于10?15S/m的材料,表面电荷主要通过与气体中离子中和消散;对于体积电导率大于10?14S/m的材料,表面电荷主要通过体电导消散,各处消散速率基本一致;未经特殊处理的绝缘材料,表面电导率较小,对表面电荷消散的作用有限。     

碳化硅表面改性对固体绝缘介质表面电荷聚散特性的影响研究

为了揭示涂覆碳化硅对固体绝缘介质表面电荷聚散特性的影响机制,本研究建立了基于静电探头的固体绝缘表面电荷的测量实验平台,通过对表面涂覆碳化硅的PMMA试样进行测定,获取了不同条件下固体绝缘介质的表面电荷分布特性。结果表明:涂覆碳化硅对绝缘材料表面电荷积聚的影响较小,而当碳化硅含量超过45%时,绝缘材料表面电荷消散速率明显加快,且由于碳化硅体积电导率与外加电场存在非线性关系,阈值电场随着涂覆碳化硅含量增加而降低,在涂覆较高含量碳化硅后,固体绝缘材料因积聚一定量的表面电荷使其表面等效电导率明显提升,表面电荷消散速率加快,对固体绝缘介质表面积聚的电荷起到了调控作用。     

空气中不同温度下环氧树脂绝缘子表面电荷消散过程的实验研究

表面电荷的消散与绝缘材料的表面电阻率和体积电阻率有关,而温度的变化会影响绝缘材料的表面电阻率和体积电阻率。为了研究环氧树脂绝缘子在不同温度下的表面电荷消散规律,建立了一套测量系统,采用有源静电探头法,对空气中在针板电极下的环氧树脂圆板绝缘子施加直流电压后进行了表面电位的测量。研究结果表明:各种配方的环氧树脂圆板绝缘子在不同温度下的消散过程都近似呈指数衰减规律;环氧树脂圆板绝缘子的表面电荷消散主要通过沿表面消散的方式进行;表面电阻率越高,表面电荷消散速率就越小;套管在实际运行过程中温度会高于常温,在选用环氧树脂材料时,应考虑其在工作温度范围内的电阻率变化,在保证绝缘强度的同时,尽量选择表面电阻率小的环氧树脂材料,以减少绝缘子表面电荷积聚。该研究结果对超大型直流穿墙套管中的环氧树脂绝缘支撑件的工程设计有借鉴意义。     

固体绝缘材料表面电荷特性的研究进展

固体绝缘材料在电气、航空航天等领域得到了广泛应用,积聚在气体-固体或真空-固体交界面处的表面电荷被认为是导致电场畸变、造成固体材料表面绝缘性能下降的重要因素,因此成为研究者关注的热点问题之一。论文总结了近年来固体绝缘材料表面电荷特性的相关研究,分别从测量方法、反演算法、电荷积聚和消散规律及机理、表面电荷对材料绝缘性能的影响及表面电荷的调控方法这5个方面对表面电荷特性的研究现状进行评述,并对后续的研究给出了建议,旨在为今后固体绝缘材料表面电荷的相关研究提供参考。     

电极接触方式对环氧树脂表面电荷积聚与消散特性的影响

直流电压下绝缘子表面电荷积聚会造成电场畸变，导致气–固界面沿面放电甚至绝缘失效，因此研究表面电荷积聚与消散特性具有重要意义。为了研究电极接触方式对环氧树脂表面电荷积聚与消散特性的影响，通过在电极–环氧树脂制备而成的绝缘子接触面涂抹/不涂抹导电胶来模拟电极–绝缘子间的两种接触状态，即紧密接触/非紧密接触。进而研究金属和固体电介质间不同的接触方式对直流电压下绝缘子表面电荷积聚和消散特性的影响。实验结果表明：当电极与绝缘子间紧密接触时，材料表面主要积聚与施加电压极性相同的电荷，而当电极与绝缘子间非紧密接触时，材料表面主要积聚与施加电压极性相反的电荷。同时，随加压时间延长不同接触方式下的电荷积聚总量也有显著差异。而在消散过程中，两种接触方式下表面电荷都以沿面迁移为主导，电荷分布区域呈显著的收缩现象，且紧密接触方式下的电荷消散速度快于非紧密接触方式。     

表面电荷对典型聚合物绝缘材料直流闪络电压的影响

积聚在聚合物绝缘材料上的表面电荷是导致电场畸变、诱发沿面闪络的重要原因。研究表面电荷对聚合物绝缘材料沿面闪络电压的影响,对于保障电气设备的绝缘安全具有重要意义。选取聚四氟乙烯、环氧树脂和硅橡胶为试样,通过针–板电极向试样表面注入电荷,采用静电电位计测量表面电荷密度,分析表面电荷积聚、衰减特性。测量有、无表面电荷及电荷衰减过程中不同时刻的直流闪络电压,计算表面电荷对闪络电压的静态和动态影响指数Lindex和Sindex,评估表面电荷对闪络电压的影响。结果表明:充电完成时表面电荷对各材料闪络电压的影响程度为:环氧树脂硅橡胶聚四氟乙烯;表面电荷衰减期间其对各材料闪络电压的影响程度为:硅橡胶环氧树脂聚四氟乙烯。     

固体绝缘材料空间及表面电荷测量方法

积聚电荷的测量对于研究高压绝缘材料介电及绝缘性能方面起着相当重要的作用。近年来,国内外学者对固体绝缘材料内部及表面电荷测量方法进行了大量的研究,并取得了一些有意义的进展。本文对积聚在固体绝缘介质中的空间电荷和表面电荷的测量方法以及需要解决的问题进行综述。     

绝缘材料表面污秽颗粒积聚规律研究北大核心CSCD

绝缘材料表面污秽颗粒积聚规律的不同会引起绝缘材料表面闪络电压的不同,从而对输电线路的安全运行造成影响。为了研究材料表面污秽颗粒积聚规律,文中利用人工气雾室,通过改变电极两端电压及环境相对湿度,对硅橡胶和钢化玻璃两种绝缘片进行人工积污试验,分析了材料类型、环境湿度、施加电压对污秽颗粒积聚速率、颗粒粒径、积污量等的影响。结果表明材料、电场以及环境湿度对表面污秽颗粒积聚均有影响:环境湿度对于绝缘材料表面污秽颗粒积聚效应的影响主要在污秽粒径大小及积污总量上;而电场强度不仅对绝缘材料表面污秽颗粒的粒径大小及积污总量上有影响,而且在污秽颗粒积聚速率上也有影响。同时通过理论分析,发现湿度对材料表面积污的影响主要是由污秽颗粒表面水膜附着程度以及材料亲水性能决定,而电场材料对表面积污的影响主要由材料电荷存储能力、污秽颗粒极化作用和电凝并效应共同决定。     

直流电压下环氧绝缘材料电气性能对表面电荷消散过程的影响

为了研究电荷消散过程的影响因素,采用高阻计对直流电压下环氧绝缘材料的体积电阻率和表面电阻率等关键电气性能进行测量,并采用电容探头法用直流试验装置测量直流高压撤去后的表面电荷消散情况。通过相关理论研究,建立了环氧绝缘材料电气性能与电荷消散的关系,并提出了环氧绝缘材料电气性能的改进措施,即适当增大环氧绝缘材料的体积电阻率和减小表面电阻率,可以减少电荷的积聚量,加快直流电压下环氧绝缘材料表面电荷的消散。     

不同类型变压器油的油纸复合绝缘空间电荷积聚与消散特性研究

在施加和撤去不同强度的直流电场下,研究了不同类型变压器油所构成的油纸绝缘体系空间电荷的积聚和消散特性.结果表明:与石蜡基变压器油相比,环烷基变压器油具有更高的环烷烃含量和适宜的芳烃含量,以及更高的电荷迁移速率,由它们构成的油纸绝缘体系在施加和撤去高压直流电场后,油纸之间电荷积聚量更小且更容易消散,从而有利于换流变压器中油纸绝缘材料中电荷的消散.     

伽玛线辐射对环氧树脂表面电荷消散特性的影响

应用在核电站、宇宙航天器等辐射环境中的环氧树脂绝缘材料因表面电荷积聚而易于引发沿面放电事故,研究高能辐射对材料表面电荷动态特性的影响对保障电气设备的绝缘安全具有重要意义。为此,选取厚1.5mm的环氧树脂薄板为试样,采用60 Co伽玛射线源以10kGy/h的辐射率辐射试样,总辐射量为100和1 000kGy。通过直流电晕向试样表面注入电荷,采用静电电位计测量不同时刻的表面电荷分布,分析伽玛线辐射对电荷消散特性的影响。结果表明:表面电荷呈双指数规律消散;随着总辐射量从0增大至1 000kGy,表面电荷的消散速度加快。伽玛线辐射引发的化学反应使试样表层的羰基和羟基数量增加,表面陷阱能级变浅,因而提高了电荷的消散速度。     

等离子体射流快速改性促进表面电荷衰减

随着高压直流输电迅猛发展,绝缘材料在直流电压下表面电荷积聚现象严重威胁直流输电系统的安全可靠运行。为加快绝缘材料表面电荷的消散,采用大气压等离子体射流,以TEOS为前驱物,在环氧树脂表面沉积SiO_x薄膜。对改性前后材料表面化学组成、表面电导率、表面电荷特性、表面陷阱分布以及耐压特性进行多参数测量,研究等离子体射流改性前后环氧树脂表面特性。实验结果表明:等离子体处理在环氧树脂表面引入大量以Si-O-Si及Si-OH基团为主的无机基团,且表面电导率提高2个数量级。随着改性时间的延长,表面电荷的初始积聚量减少,消散速度加快,陷阱能级深度变浅;沿面闪络电压呈现先增后降的趋势,在改性180s时闪络电压提高到最高值9.0k V。研究结果表明:通过大气压等离子体射流在聚合物表面沉积薄膜能够提高环氧树脂绝缘性能,为其工程应用提供了有效的改性方法。     

温度梯度下油纸绝缘空间电荷特性的数值仿真

作为换流变压器等直流高压输电设备中的主要绝缘材料,油纸绝缘在直流电压下的绝缘特性受其内部空间电荷的影响。同时,油纸绝缘在工作运行中往往承受较大的内外温度差异的作用,而温度差异对油纸绝缘中空间电荷特性的影响尚不明确。为此在实验研究基础上,建立了一种基于双极性载流子输运和陷阱势垒理论的油纸绝缘介质电荷迁移模型,经数值计算得到单层与双层油纸中温度梯度效应,即油纸低温侧积聚异极性电荷从而畸变低温侧电场,并通过仿真结果与实验结果的比对,验证了仿真模型的可靠性;利用仿真模型,进一步研究了载流子迁移率、油纸厚度、低温电极温度对温度梯度效应的影响,研究表明:油纸材料迁移率及电极注入电荷速率均随温度升高而增大是油纸中温度梯度效应的主要原因;载流子迁移率越大,油纸厚度越小,低温电极温度越低,油纸绝缘中的温度梯度效应越严重。     

面向工程化的高压直流GIL绝缘子表面电荷主动消散与检测方法探讨北大核心CSCD

绝缘子表面电荷积聚是高压直流GIS/GIL需要重点关注的绝缘问题,近年来关于绝缘子表面电荷积聚机理、消散、检测等方面的研究工作取得了很大进步。论文对面向工程化的直流GIL绝缘子表面电荷主动消散和检测方法进行探讨;提出表面电荷本征积聚和外诱积聚的概念,为直流GIL在设计、运行、维护阶段减少电荷积累铺平了道路;对基于X射线辐照的绝缘子表面电荷GIS/GIL罐体外的主动消散方法进行讨论,提出基于嵌入式静电传感器的绝缘子表面电荷积聚严重程度的评估方法,为直流GIL工程化提供理论和技术支撑。     

低温温度梯度下环氧玻璃纤维材料表面电荷积聚行为及其对沿面闪络特性的影响

超导能源管道终端由于其特殊的运行环境,终端用绝缘材料在承受高电场的同时,也承受着近百摄氏度的低温温度梯度。为此基于超导电缆终端常用绝缘材料——环氧玻璃纤维材料,研究了低温温度梯度下绝缘材料表面电荷积聚特性及其对沿面闪络特性的影响机制。首先测量了环氧玻璃纤维材料在不同温度以及不同温度梯度下的沿面闪络特性;随后利用仿真软件建立了绝缘材料气-固界面的电荷迁移模型,分析了不同温度以及不同温度梯度对材料表面电荷积聚特性和表面电场分布特性的影响;最后结合试验结果与仿真结果,提出了低温温度梯度对绝缘材料沿面闪络的影响机制。试验结果表明：当温差ΔT=100K时,绝缘材料表面的局部放电起始电压与闪络强度分别为无温度梯度时的74.0%和75.9%。而仿真结果显示,低温温度梯度下绝缘材料表面电荷积聚现象明显,表面最高电场强度可达到不存在温度梯度时的10倍左右。因此,温度梯度下材料表面电荷积聚以及电场的畸变被认为是造成绝缘材料沿面绝缘强度下降的重要原因。该研究有助于理解低温温度梯度下材料表面电荷积聚特性及其对电场分布和闪络电压的影响机制,对低温下绝缘材料的绝缘特性研究以及绝缘优化设计具有重要意义。     

电晕条件下绝缘伞裙电荷不均匀积聚现象的研究

为研究绝缘伞裙表面电荷分布不均匀的影响因素,对绝缘伞裙试品开展电晕电荷积聚实验,测量试品材料表面电位分布,计算绝缘伞裙表面电荷密度。结果表明:复合硅橡胶绝缘伞裙表面电荷饱和时的电荷密度峰值为-12μC/m~2;空气流动会对电荷积聚产生一定的影响,电荷密度分布不变但电荷密度峰值减小了14%;球电极偏置对电荷密度分布影响很大,电荷密度峰值出现在电极偏置的区域;绝缘伞裙表面的突起毛刺对电荷的积聚几乎没有影响;球电极表面毛刺和凹坑通过影响电极的电晕状况,对绝缘伞裙表面电荷的分布有较大影响。     

直流电压下环氧绝缘材料电气性能对电荷积聚的影响

为研究环氧绝缘材料电荷积聚过程的影响因素,减少材料表面电荷积聚效应,采用高阻计对直流电压下环氧绝缘材料不同时间点的体积电阻率和表面电阻率等关键电气性能进行测量,并采用直流试验装置,借助电容探头法进行直流高压下的表面电荷测量。通过相关理论研究,获得了环氧绝缘材料电阻率随直流电压作用时间的关系,建立了环氧绝缘材料电气性能与电荷积聚的关系,并明确了环氧绝缘材料电气性能的改进措施,对于减少直流电压下,环氧绝缘材料的表面电荷积聚,提高输变电设备直流绝缘子运行可靠性具有实际意义。     

基于X射线短时照射的高压直流GIS/GIL绝缘子表面电荷主动消散方法

直流气体绝缘开关装置及气体绝缘输电管道(GIS/GIL)绝缘子长期运行过程中会积聚大量表面电荷,易引起绝缘子异常闪络。近年来国内外学者开展了大量卓有成效的工作,深刻揭示了绝缘子表面电荷的积聚和消散机理,但GIS/GIL不打开罐体条件下,绝缘子表面电荷的快速消散问题一直没有解决。该文首次提出基于X射线短时照射的绝缘子表面电荷主动消散新方法,试验研究发现X射线照射30s即能使空气中绝缘子表面电荷几乎完全消散。对基于X射线照射的绝缘子表面电荷消散机理进行了探讨,认为X射线可能通过促进气体侧电荷沿传导及绝缘子表面电荷脱陷而实现其快速消散。由于X射线能够穿透GIS/GIL金属罐体,相关实验结果为GIS/GIL不打开罐体条件下实现绝缘子表面电荷快速消散提供了可能途径,对进一步推进直流GIS/GIL工程化具有重要意义。     

切向电场主导下C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中环氧复合材料表面电荷积聚特性及机理研究北大核心CSCD

气固界面的电荷积聚问题是诱发沿面闪络的重要原因,而当前C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中电荷积聚特性的相关研究还不够充分。为研究C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中表面电荷积聚特性及机理,本文通过指型电极构建极不均匀电场,测量了环氧复合材料在C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中的表面电荷分布特性;进一步的,为理清表面电荷来源及迁移特性,测量了冲击电压下C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中材料表面电位,比较了附加背板电极前后的表面电荷分布。研究表明,C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体与SF_(6)中表面电位分布形态相似,均表现为高压电极附近积聚大量同极性电荷,地电极附近积聚少量异极性电荷。随着C4F7N含量升高,C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体抑制电荷积聚能力增强。表面电荷来源于气体电离和高压电极注入并且随着电场强度的改变,电荷来源也发生变化,切向电场促进了电荷沿表面向更大范围的迁移。该工作对于明确C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中表面电荷积聚特性及环保型绝缘气体的推广应用具有重要意义。