表面电荷积聚对冲击电压下绝缘子沿面放电的影响

绝缘子的表面缺陷会导致表面电荷积聚，使绝缘子表面的电场发生畸变，影响冲击电压下绝缘子的沿面放电。研究了表面电荷对绝缘子沿面放电进程的影响，发现表面电荷积聚可以降低绝缘子沿面放电的起始电压。外施冲击电压的极性与绝缘子表面电荷极性是否相同会影响绝缘子的电晕起始时刻、由流注向先导的转变时间间隔和流注电晕电流。表面电荷对GIS支撑绝缘子的50％冲击闪络电压和伏秒特性也有一定的影响。     

高频电压下表面电荷分布对沿面放电发展过程的影响

为了探究高频电压下表面电荷积聚对气-固绝缘沿面放电发展过程的影响,搭建了沿面放电测试平台与表面电荷测量系统。首先,采用20 kHz和30 kHz高频正弦电压,基于针-板电极结构,实验研究了沿面放电形态的发展与放电特性参数的演化规律。其次,对放电发展不同阶段聚酰亚胺薄膜的表面电荷分布进行了测量,得出了表面电荷的时空分布特性。最后,通过扫描电镜与傅里叶变换红外光谱分析方法,对材料表面微观形貌和化学结构变化进行了测试,探究了材料物化缺陷特性对表面电荷积聚的影响。研究结果表明,高频下沿面放电呈现极性效应,正半波放电幅值大于负半波,且放电中期正半波峰值处会出现较大幅值的放电,峰值处放电次数在后期明显增加;材料表面积聚负极性电荷,沿面放电导致的物化缺陷加剧了表面电荷的积聚;负极性表面电荷在电压正、负半波对针电极附近电场分布的不同影响,是沿面放电极性效应的主要产生原因。与高频电压相比,工频电压下负极性表面电荷积聚量较少,且沿面放电呈现出不同的极性效应。     

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。     

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。     

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。     

冲击电压下残余电荷对沿面放电发展的影响

固体绝缘的表面是高压电力设备绝缘的最薄弱环节,很多绝缘事故都是由沿面放电造成的。发生放电后,电荷会在绝缘表面积聚,会很大程度上影响下一次放电的产生与发展。为此,通过观测在极性交替变化的冲击电压作用下沿同轴圆柱形聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)绝缘表面放电的发展以及测量放电后表面残余电荷电位的分布,来研究残余电荷对沿面放电的影响。研究表明,在改变冲击电压的极性后,由于反极性残余电荷的影响,放电会被促进,放电通道会沿着前一次放电的通道向前发展,并且会比前一次放电距离略长,放电的强度会增强,放电的发展速度也会加快。在沿着放电通道方向,表面电荷电位梯度可以明显分为两部分:在放电头部的20mm区域,电位梯度较大,为流注放电;而在后面的主干部,电位梯度平缓,为先导放电。     

交直流复合电场下油纸绝缘界面电荷对沿面闪络电压的影响

在交直流复合电场下,换流变压器的油纸界面会积聚电荷,使得油纸界面的电场发生畸变,容易引发沿面放电。为揭示交直流复合电场下油纸界面电荷对其沿面闪络电压的影响,采用针-板沿面放电模型,测量了交直流复合电场下油纸绝缘的沿面闪络特性,通过静电电容探头法测量了直流电压作用下沿面放电模型油纸界面的电荷分布。研究发现,负极性直流叠加交流电压下的油纸沿面闪络电压高于正极性直流叠加交流电压下的情况。原因是油纸界面积聚了与外施直流电压极性相同的界面电荷以及相同条件下油纸界面积聚的负极性电荷密度要大于正极性电荷密度。     

附着金属颗粒的绝缘介质沿面放电微观发展过程

利用"三电极"结构,研究附着金属颗粒直径和介质介电常数对流注平均沿面发展速率、流注到达阴极时发光强度的影响;并通过COMSOL建立了包含金属颗粒影响的等离子体沿面放电模型,揭示金属颗粒和介电常数对沿面放电微观发展过程的影响机制。结果表明:金属颗粒直径越大,颗粒对背景电场的畸变作用越大,流注前端最大电场强度数值越大,导致流注平均沿面发展速率以及流注端部到达阴极时的发光强度越大;绝缘介质介电常数越大,介质表面电荷密度越大,流注通道内部电荷更易附着,流注前端最大电场强度值越小,导致流注平均沿面发展速率以及流注到达阴极时的发光强度越小。     

脉冲电应力下空气-聚酰亚胺绝缘沿面放电过程数值模拟

沿面放电是导致高频电力变压器气-固绝缘系统失效的主要原因之一。为研究空气-聚酰亚胺界面放电发展过程,该文基于流体动力学理论,通过对粒子输运方程、泊松方程和等离子化学反应的耦合表征,并充分考虑带电粒子在绝缘介质表面的反应过程和累积条件,建立了负极性脉冲电应力下空气-聚酰亚胺沿面放电等离子体模型。模型采用简化反应集定义空气放电涉及的粒子反应,模型复杂程度大幅降低。为避免求解过程中粒子密度出现负值,采用对数形式有限元法求解所建模型,实现了针-棒电极结构下1cm间隙沿面放电发展过程的动态模拟,得到了放电过程中带电粒子密度、表面电荷密度及电场分布等参量的时空演化规律,并通过实验从放电发展形态和表面电荷累积两方面验证了模型可靠性。基于该仿真模型,进一步探究了沿面放电的影响因素,结果表明,沿面放电平均传播速度与温度正相关,与气压负相关;界面二次电子发射系数越大,放电发展越迅速,表面电荷积聚越严重。     

高电压直流复合绝缘子表面电荷积聚的有限元数值模拟及影响分析

空间直流电场和伞裙表面电荷静电将造成高电压直流工程用复合绝缘子伞裙表面快速并大量积聚电荷,引起绝缘子沿面电场畸变且闪络电压降低,从而导致高电压直流工程用复合绝缘子的绝缘性能和耐老化性能下降。以FXBW6-10/70型号的高电压直流输电线路用复合绝缘子为例,建立复合绝缘子二维仿真模型,采用有限元法对表面存在有电荷的高电压直流复合绝缘子进行电气特性分析,研究表面积聚电荷的正、负极性以及电荷积聚量对伞裙轴向和径向电场分布的影响规律,采用改进的电容探头测量伞裙表面积聚电荷随时间的动态变化过程,验证有限元仿真的有效性。结果表明:导线侧三交汇点处场强最大值与伞裙表面积聚的负极性电荷量呈负相关,与伞裙表面积聚的正极性电荷量呈正相关;伞裙表面积聚电荷存在由伞裙内侧逐步向伞裙边沿扩散的动态特性。     

SF_6/N_2混合气体中沿面放电实验研究的现状与进展

由于SF6的强温室效应,其在GIS中的使用受到越来越大的阻力,为了减少SF6气体用量,采用SF6/N2混合气体是一种可行的替代方法。沿面绝缘是GIS中最为薄弱的环节,对SF6/N2混合气体中沿面放电的研究现状进行了综述。研究表明电荷在绝缘表面的积聚会很大程度畸变电场,从而造成沿面闪络电压下降,SF6/N2混合气体中存在着流注与先导放电,基于数值仿真的流注放电发展过程并不能完全反映SF6/N2混合气体中放电发展的全过程,流注到先导放电的转化机理的得出需要在仿真与实测结果的相互验证后得出。     

直流电压下GIS盆式绝缘子表面电荷及电场分布特性仿真研究

GIS中盆式绝缘子表面在外施直流电压时会积聚大量电荷使得沿面闪络电压大幅降低,从而引发一系列电气设备故障。基于上述问题,文中分析了盆式绝缘子表面电荷的来源与传导途径,采用有限元仿真计算方法构建了二维轴对称仿真模型以及设定相关参数,研究了电压极性、不同电压幅值以及电压极性反转对盆式绝缘子表面电荷分布的影响。结果表明,在直流电压下,凹面主要积聚与外施直流电压极性相反的电荷,凸面主要积聚与直流电压极性相同的电荷,且凹面积聚的电荷密度更大;在极性反转后-100 kV直流电压下,盆式绝缘子表面原先积聚的电荷密度呈现先增大后逐渐减小的趋势,随后转换极性并达到饱和,电场在靠近高压端以及盆式绝缘子沿面0～20 mm处的畸变程度较为明显。电场在盆式绝缘子表面电荷极性发生变化前出现峰值,相比较电荷达到饱和状态,此时盆式绝缘子凹面最大场强增加46%,凸面最大场强增加5.4%。该研究可为直流电压下盆式绝缘子表面电荷分布特性提供指导。     

正极性直流电压下油纸绝缘针板电极局放脉冲波形与局放机理

为研究直流电压下油纸绝缘局放脉冲波形特性,建立了正极性直流电压下针板局放平台,记录局放脉冲与流注形状,同时构建了电场与电荷密度分布仿真模型。根据流注形状可将局放分为:电晕放电、树状放电、单流注放电、多流注放电。仿真表明局放类型与油纸界面电荷及空间电场有关。除电晕放电,其余局放波形均为无过零振荡的单峰脉冲,且随电压幅值增加或油隙宽度降低,脉冲上升沿与下降沿变陡,放电幅值增加。为讨论局放机理,探究脉冲波形与流注演变的时间对应关系,建立了局放电路模型。研究表明,局放脉冲上升沿对应流注发展过程,下降沿对应纸面电荷积累过程。局放脉冲本质是外电路对被流注部分"短路"的缺陷充电而产生的电流脉冲。该文可为油纸绝缘局放特性研究及基于局放的油纸绝缘状态诊断提供理论参考。     

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。     

介电常数和表面性能对沿面流注发展的定量影响

绝缘介质表面流注发展是沿面闪络中重要的物理过程,研究介质表面流注发展特性有助于揭示绝缘介质和流注放电之间的作用关系,加深对沿面闪络机制的认识。利用光电倍增管测量了绝缘介质表面的流注发展特性,其中被测绝缘介质是由两种厚度为5 mm的绝缘介质层层相叠组成的。通过改变被测试品中两种绝缘介质的体积,可以定量的估计绝缘介质的介电常数(容性)和表面性能对沿面流注发展特性的影响。试验中,测量了尼龙和聚四氟乙烯、复合绝缘材料和聚四氟乙烯两种组合试品的表面流注稳定传播电场和传播速度,发现绝缘介质表面性能对流注发展的影响很大。此外,3种绝缘介质中复合绝缘材料的表面性能最不利于流注的传播。     

交流电压下气固界面电荷积聚与放电特性研究进展

在高电压长时间作用下,固体绝缘表面容易积聚电荷,并有可能诱发绝缘子沿面闪络,进而影响电力系统的安全可靠运行。研究交流电压下固体绝缘表面的电荷积聚特点及放电特性,对于提高绝缘子的沿面闪络电压、改善绝缘子制造水平等都具有重要意义。该文结合目前正在进行的研究工作,针对当前交流电压作用下电荷积聚和放电特性研究中的关键问题,如电荷测量方法、电荷积聚原因、分布特点、影响因素以及表面电荷与沿面闪络电压的关系等进行阐述,对近年来相关的电荷积聚与放电特性研究进展进行总结,并对下一步的研究工作进行展望并提出建议,旨在为未来交流电压作用下绝缘子表面电荷的相关研究提供参考。     

温度和正极性电压对直流GIL盆式绝缘子表面电荷积聚的影响

直流GIL盆式绝缘子表面电荷积聚是导致绝缘子沿面闪络电压降低的主要因素。为此基于不同温度和正极性电压研究了直流GIL盆式绝缘子的表面电荷积聚特性。在绝缘气体电流密度与场强、绝缘子固体电导率与温度的非线性关系基础上,建立了绝缘子表面电荷积聚时变数学模型;通过该模型研究了不同温度下盆式绝缘子表面电荷积聚特性,以及绝缘子表面电荷积聚在不同正极性电压下的主导机制。研究结果表明:电压和温度是表面电荷积聚中气体电导和固体电导平衡的主要影响因素之一;1 kV直流电压作用时绝缘子气体侧电导占主导地位,而且表面电荷密度随温度升高而减小;400 kV直流电压作用时绝缘子固体侧电导占主导地位,而且表面电荷密度随温度升高而增大。另外研究了在400 kV电压下表面电荷积聚对绝缘子表面切向电场的影响,结果表明绝缘子上下表面的最大切向电场强度随着表面电荷积聚从初始到稳态的过程而逐步增加,而且温度越高,稳态时的最大切向电场强度越大。因此表面电荷积聚是使绝缘子沿面电场强度增大的主要因素之一,温度加剧了表面电荷积聚的程度,从而致使表面切向电场强度进一步增大。     

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。     

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。     

直流电压下油纸绝缘沿面闪络特性及数值模拟

变压器油纸绝缘沿面放电起始与发展的物理过程较为复杂,放电机理尚未明确.本文通过对油间隙放电针-板电极模型和油纸绝缘沿面放电针-板电极模型进行试验测量和数值模拟,获取并分析油间隙放电和油纸绝缘沿面放电在不同纸板厚度、不同沿面距离下的放电特性和放电机理.结果表明:直流电压下,油纸绝缘沿面闪络电压低于油间隙击穿电压的原因在于绝缘纸板的存在不仅改变了电场的分布,使针尖处平行电场分量增大,流注放电的起始电压降低,还阻碍了空间电荷的扩散,加剧电场畸变程度,提升流注的发展速度.另外,由于绝缘纸板的存在,油纸绝缘沿面放电流注的起始过程也不同于油间隙放电流注的起始过程,存在着流注通道向绝缘纸板贴合的过程.增大纸板厚度可使针尖处平行电场分量增加,流注放电的起始电压降低,流注的发展速度变缓,沿面闪络电压降低.油纸绝缘沿面闪络电压随沿面距离的增加而增大,其呈现非线性变化是由于流注在向自持放电阶段发展的过程中,受外施电压的作用逐渐减弱,空间电荷畸变电场的作用占主导地位.