固体电介质真空沿面闪络研究进展

针对真空中复合绝缘体系的耐电强度受到沿面闪络现象限制问题,综述了国内外真空沿面闪络相关的研究进展。研究发现,真空中固体绝缘介质的沿面闪络性能受老练方式、介质的表面特性及体特性、介质表面沉积电荷、绝缘体系的电场分布等因素影响。机理分析认为真空中的沿面闪络现象实质上是高场下电荷在气-固界面的输运行为,其过程涉及到介质表层中的电荷捕获/脱陷特性、二次电子的发射特性、以及气相中的气体(或解吸附气体)分子的碰撞电离/电子倍增等过程,沿面闪络的发展和形成是以上几个因素相互耦合作用结果。基于以上分析及认识,认为可以从改变材料表面特性及体特性和改善整个绝缘体系的电场分布方面,来提升真空沿面闪络电压。     

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。     

特约主编寄语 双碳驱动下气-固复合绝缘沿面放电特性与耐电性能提升新技术北大核心CSCD

气固绝缘系统广泛用于高电压装备,如气体绝缘开关设备、气体绝缘输电线路、开关柜以及特种电气设备等,扮演电气隔离、结构支撑和安全保护的角色。然而,理论和实践均表明气固界面(沿面)易发生放电和闪络,导致绝缘系统故障,严重威胁高压电器的安全稳定运行。目前基本了解了影响沿面闪络的多种因素,但对气固界面放电特性和机理的认识仍有不足,绝缘性能提升方法有待深入研究。     

聚四氟乙烯直流沿面闪络及表面特性的实验研究

为提高绝缘材料的耐沿面闪络能力,对聚四氟乙烯在指形电极下的沿面绝缘特性及沿面闪络前后材料表面的物化特性进行研究。测量了不同放电距离下的沿面闪络电压,并采用原子力显微镜和X射线光电子能谱仪分析闪络前后聚四氟乙烯表面形貌、表面粗糙度、表面化学成分的变化。结果表明:随着电极间距的增大,沿面闪络电压升高,闪络场强降低;随着闪络时间的增长,材料表面的凸起变大、变平,表面粗糙度增大,表面发生显著的物理变化;在沿面闪络过程中,材料表面化学基团发生变化,表面水接触角下降。     

表面粗糙度对绝缘材料真空闪络特性的影响

在高电场作用下,在真空、气体或液体介质中常常会发生沿固体绝缘表面的破坏性放电现象,即表面闪络,而发生闪络的电压往往远低于固体和氛围介质本身的击穿电压,其中尤以真空中的闪络现象最为严重.本文针对真空条件下PTFE和可加工陶瓷在冲击电压下的沿面闪络现象进行了观测和研究.发现改变绝缘材料粗糙度对其闪络特性有明显的影响,并对这些现象进行合理解释.     

变压器油中绝缘介质沿面闪络的研究进展

变压器油中固-液交界面沿面闪络现象会严重影响绝缘设备的耐压性能,变压器油中绝缘介质沿面闪络的研究已引起研究人员的关注。介绍了目前研究所采用的实验研究方法以及测量手段,关注纳秒脉冲条件下的闪络特性,在此基础上综述了国内外有关变压器油成分、施加电压波形、绝缘结构以及固体介电性能等因素对沿面闪络影响的研究现状,介绍了沿面闪络过程和一些实用的经验公式,最后提出了变压器油中绝缘介质沿面闪络领域亟待解决的难点问题。     

固体绝缘表面电荷对不均匀电场直流放电特性的影响

研究了固体绝缘表面电荷对不均匀电场直流电晕起始电压、伏安特性的影响。提出了确定最低直流闪络电压的实验方法,并分析沿面闪络过程受表面电荷的影响及其机理,对电气设备绝缘系统设计有实际意义。     

平板模型沿面工频沙尘闪络特性的试验研究及放电机制分析

风沙对电力系统外绝缘放电的影响已引起广泛关注,由于污秽绝缘子的闪络与沉积在绝缘子表面的污秽性质有关,沙尘环境下的沙粒性质、状态、大气环境等均对绝缘子闪络特性有影响。因此以典型的平板模型为研究对象,在沙尘模拟实验室,对沙尘环境下外绝缘沿面工频放电特性进行了试验研究和机制分析。得到了风沙速度、风沙带电量、沙粒沉积量及沙粒含水量等因素对沿面放电的影响规律;在有风有沙和有风无沙时,平板模型沿面闪络电压Uf随风速的增大而增大,当风速达到4.5m/s后增大趋势变缓;Uf受沙尘的电荷量影响较小;当干沙粒沉积在绝缘表面时,随着沉积密度的增加,Uf存在着极小值;同时,平板模型的闪络电压还与沉积沙粒的含水量有关。在此基础上分析了风沙环境下绝缘子的沿面闪络过程和放电机制,得出了无沙区域在沿面闪络过程中起重要影响这一结论。     

频变电应力下高频电力变压器绝缘沿面放电形态及发展过程

沿面放电是导致绝缘失效的主要原因之一。为研究高频电力变压器绝缘在频变电应力下的沿面放电形态及发展过程,搭建了高频沿面放电实验平台。首先在10~40 k Hz正弦电压下,测试了不同频率下的沿面放电起始、闪络电压及沿面寿命,然后采用恒压法开展沿面放电实验,记录了放电起始、发展至闪络的整个过程,获得了不同阶段的放电特征参量和放电相位谱图,并结合二次电子发射雪崩模型和陷阱理论,对沿面放电的发展演化过程进行了分析。实验及分析结果表明,电压频率的升高会导致沿面闪络电压的降低和沿面寿命的缩短;高频下聚酰亚胺的沿面放电形态为直线型,在放电的不同阶段,放电幅值、次数、相位谱图及其统计量均呈现出特定的变化规律,可作为沿面放电发展程度的评估指标;绝缘表面电荷分布和陷阱参数对沿面放电特性有重要影响,是进一步揭示沿面闪络机理的关键。     

基于改进局部阈值分割的绝缘毯表面微缺陷的无损智能评估方法北大核心CSCD

软质绝缘遮蔽用具的表面缺陷对其绝缘性能和使用寿命有重要影响,为解决人工检测漏检、误检率高的问题,文中提出基于机器视觉的绝缘毯表面微缺陷智能无损检测方法。针对不同环境下图像特点,选取改进Sauvola算法对图像进行局部阈值分割,结合形态学操作提取特征,实现表面微缺陷的识别;通过搭建沿面放电试验平台获取不同微缺陷对其沿面放电的影响,采用皮尔逊相关性系数分析了微缺陷的单个最大缺陷面积比和全部缺陷面积比与绝缘毯表面放电电压之间的相关性。结果表明:文中方法识别准确率95.3%,单次检测时间0.53 s,提升了检测准确性与效率;单个缺陷面积的大小与闪络电压呈负相关且为极强相关,单个缺陷越大沿面闪络电压下降越多,沿面闪络电压平均下降5%~22%,验证了识别结果的有效性,可为绝缘毯的现场外观检测提供依据。     

直流条件下PMMA的沿面放电参数与表面特性研究

为研究负极性直流条件下空气中聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的沿面放电参数和表面特性,分析了电极距离对闪络电压的影响,并采用韦伯(Weibull)概率分布分析了0.1%概率的沿面闪络电压。观察并分析了闪络前后材料表面的物化特性。结果表明:随着闪络次数的增加,材料粗糙度增大;距离电极越近,材料表面损伤越明显;材料老化后决定其闪络电压大小的主要因素是材料表面的微观形貌和化学特性。     

多能变换装备功率模块封装绝缘的“胶–固”沿面放电演化过程研究

多能变换装备功率模块易在有机硅凝胶和陶瓷基板界面形成沿面放电。该文对高频电应力下胶–固绝缘放电特性、气泡流注发展过程和陶瓷基板损伤特性进行研究,并基于有机硅凝胶的固–液两相性和自愈性,将沿面放电问题转化为气泡发展问题,探究胶–固绝缘失效规律和损伤机理。研究表明：胶–固沿面放电脉冲信号集中于电压极性反转后和峰值附近,放电次数和幅值随频率的升高先增加后减少,随温度的升高单调递增;通过不同脱气方式,揭示了硅凝胶内部气泡和基板烧结气隙是影响沿面放电的重要因素;基板损伤与胶–固界面流注特性有关,并对沿面放电发展具有显著影响。研究结果可为IGBT封装绝缘结构设计提供一定参考。     

恒压下GIS盆式绝缘子表面缺陷的长间歇性放电特性研究

局部放电检测是当前评估GIS状态和绝缘完整性的重要手段。实践表明,现场局放检测到的缺陷多为自由金属颗粒或悬浮放电,鲜有固体绝缘缺陷案例发现,涉及GIS绝缘盆子的突发性击穿或闪络故障时有发生,局放监测能否发现此类缺陷是该领域内亟待解决的重要问题。为此,设计了GIS绝缘子表面附着金属异物的缺陷模型,通过长时间施加恒定电压的方式,采用全实时检测系统对该模型放电的特高频信号进行了长时间记录,深入分析了此类放电的时序统计特性和PRPS、PRPD图谱特征,揭示了此种类型缺陷在运行电压下的长间歇放电现象和特点。基于固体绝缘材料的电化学击穿理论和空间电荷效应,对固体绝缘缺陷放电的间歇性特征进行了理论解释。所做研究对固体绝缘长间歇放电的检测和固体绝缘突发性闪络故障的预警具有重要的指导意义。     

C3F7CN/环氧树脂界面放电后固体绝缘的劣化特性

C3F7CN/CO2是当前最具潜力的SF6替代气体之一,而目前对C3F7CN/环氧树脂(EP)界面放电后固体绝缘劣化特性的研究则较少,不利于评估环保气体绝缘设备的绝缘状态.故文中模拟界面放电研究C3F7CN/CO2中EP的绝缘劣化过程,测试了其表面形貌、粗糙度、元素及化学键组成和冲击闪络电压,最后从气固介质相互作用方面...     

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。     

空气中微秒脉冲沿面放电对环氧树脂表面特性影响研究

为了获得常压条件下绝缘支撑材料环氧树脂的沿面闪络特性,通过微秒脉冲下连续沿面放电对环氧树脂表面造成老化损伤,获得老化前后的环氧树脂沿面闪络特性数据。在脉冲电压幅值为18 k V、频率为100 Hz、电极间距为10 mm的情况下,对环氧树脂表面进行沿面放电老化处理,对不同放电老化时间下的表面形貌、粗糙度及水接触角进行测量,分析放电对材料表面的老化影响。结果发现,放电老化后环氧树脂表面疏松,且有大量突起颗粒形成,表面极易吸水。此外对老化前后的环氧树脂表面进行闪络实验,结果发现,表面闪络电压随老化时间出现先降低后升高的现象。相关实验结果及分析为研究环氧树脂的沿面耐压性能提供了一定的参数数据。     

SF6气体中绝缘材料高频沿面放电特性的实验研究

为解决干式高频变压器存在的绝缘劣化和散热性能较差的缺陷,拟采用SF6气体作为高频变压器的绝缘材料与冷却媒介,而沿面放电通常是导致变压器绕组匝间绝缘失效的主要原因之一.通过搭建气-固沿面放电实验平台,选取聚酯薄膜及聚酰亚胺薄膜作为研究对象,研究高频方波下SF6气体中绝缘薄膜的沿面放电特性,分析电压频率以及气体压强对闪络电...     

GIS绝缘子表面固定金属颗粒沿面局部放电发展的现象及特征

为研究气体绝缘全封闭式组合电器(gas insulated switchgear,GIS)设备中绝缘子表面固定金属颗粒沿面局部放电发展的现象及其特征,搭建了一套220 kV GIS设备沿面放电缺陷发展实验平台,采用逐步升压法对绝缘子表面固定金属颗粒的沿面局部放电进行长期试验,观察到了放电起始、发展直至沿面闪络的现象。利用测量到的局部放电随时间变化的趋势图、散点图、二维柱状图、灰度图,描述了沿面局部放电发展的现象并获得了相应的图谱特征。试验结果表明:GIS设备绝缘子表面固定金属颗粒沿面局部放电发展现象呈现出电晕放电、电晕放电和沿面流注放电共存、沿面流注放电3个主要阶段。     

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。     

电场分量对交直流复合电场下油纸绝缘沿面放电特性的影响

油纸绝缘沿面放电现象与绝缘纸板表面的电场分布关系密切,因而使用无背面电极和有背面电极两种结构,研究了电场分量对交直流复合电压下油纸绝缘沿面放电特性的影响机制。研究结果表明:随着直流电压分量的不断增加,油纸绝缘的沿面闪络电压逐渐上升,且交流电压下的闪络电压最低;无背面电极结构下沿面闪络电压无极性效应,有背面电极结构中存在极性效应,且负极性直流电压分量作用下,由于纤维素中羟基的强电负性影响,致使沿面闪络电压较低;无背面电极结构时的闪络电压约为有背面电极结构时闪络电压的1.5倍,分析认为由于载流子受到强垂直电场分量作用,加剧了对绝缘纸板表面的碰撞,油纸绝缘空间电荷平衡状态易在较低交流电压分量作用下受到扰动而被破坏,进而诱发沿面闪络发生,致使沿面闪络电压逐渐下降,该下降趋势具有饱和现象;沿面闪络在交流电压分量接近波峰或者波谷位置处发生。