大电流条件下气体火花开关电极烧蚀的研究进展

气体火花开关在各类脉冲功率装置中应用广泛,但放电产生的热等离子体将对电极材料产生烧蚀,烧蚀产物(金属蒸汽、液滴等)也会对开关绝缘造成污染,影响开关工作特性、缩短开关寿命,因而受到特别关注。在过去几十年间,国内外学者针对电极烧蚀机理及其影响因素开展了广泛研究,得到了常见电极材料在不同放电条件下的烧蚀特征;近年来,随着材料科学与诊断技术的进步,电极烧蚀研究集中在新型电极材料与烧蚀表征两方面。为此回顾了不同实验条件下电极烧蚀现象的相关研究,描述了电极烧蚀的基本特征,归纳了影响烧蚀的主要因素,介绍了电极与绝缘子表面烧蚀形貌的测试方法,介绍了电极烧蚀产物表征与分析的实验方法,论述了电极烧蚀对开关工作特性的影响规律。最后,分析并提出了电极烧蚀的一般评估方法,指出了电极烧蚀研究的热点问题和发展方向,对今后继续深入开展该领域的研究工作具有一定借鉴意义。     

石墨电极烧蚀机理及实验

对于高性能的单次脉冲而言,石墨比传统金属材料更适合于在高能量转移情况下的脉冲放电工作环境。本文以热力学理论的热传导模型为出发点,结合实验中对烧蚀量的测量验证,探求石墨在高能脉冲放电情况下烧蚀的理论解释。依据热力学原理,建立了电极烧蚀过程的简化数学模型。由于石墨电极具有特殊的热力学性质,因此在微秒级或是放电持续时间更长的放电中,电极表面的温升过程时间较放电时间而言可以忽略不计。此时可近似认为开关电荷转移量与电极烧蚀量呈线性关系。该结论可以从实测数据中得到验证。     

水中脉冲放电电极的烧蚀特性

为研究水中大功率脉冲放电电极的烧蚀特性,研制了基于液电效应、脉冲功率、频谱共振理论的页岩储层改善装置,该装置最高脉冲电压为30 kV,最大脉冲频率为50 Hz,充分满足页岩储层共振需求。利用COMSOL有限元仿真软件求解装置水中二维轴对称的放电模型,得到剧烈放电阶段水间隙的温度场分布变化特性,以及电极表面的温度分布特性和烧蚀特性。模拟结果表明:剧烈放电初始阶段阳极温度更高,并呈现钟形向阴极快速发展;剧烈放电尾声,阴极附近的温度更高;放电结束后,电极表面温度最高点呈现出与电极同圆心的圆环状,越靠近圆环,电极表面温度越高;放电结束后阳极的熔池半径为阴极的1.45倍,阳极的熔池深度为阴极的2.25倍,导致阳极烧蚀程度比阴极严重,该结论与试验结果相符;并通过仿真得到了不同电极间隙距离、不同水压工况对电极烧蚀程度的影响。     

大电流放电条件下气体火花开关电性能研究

针对钼、钨铜合金和钨3种主电极材料的气体火花开关,进行大电流放电实验,研究气体火花开关电性能随放电次数的变化规律。结果表明,随放电次数增多,气体火花开关的击穿电压呈现逐渐下降趋势,下限工作电压逐渐升高;实验后开关电极表面形成了大量裂纹、烧蚀坑和突起等烧蚀特征。对比3种开关可知,在多次放电过程中钨开关的电性能较稳定,开关工作寿命最长;钼开关电性能参数波动较大,且开关在实验后期失效,开关寿命最短;钨铜合金开关的下限工作电压值偏高,且波动较大,击穿电压较稳定,开关寿命较长。因此可优先选用具有优异抗烧蚀性能的钨作为长寿命气体火花开关电极材料。     

真空开关的触发失效与主电极烧蚀特性研究

通过对真空开关的导通与失效机理进行研究,将其分为触发机构和主电极两个部分。关于触发机构的失效机理,主要研究绝缘电阻、触发电流和主放电电流大小的变化对触发极烧蚀的影响;用真空电弧的机理分析主电极烧蚀,对导通过程中电弧的发展进行仿真,了解主电极烧蚀特性。通过对真空开关的触发失效和主电极烧蚀特性进行研究,更好地了解真空开关的导通机理。     

密封腔体、大电流条件下重复频率长寿命气体开关的烧蚀特性

为进一步提高铜钨合金(质量分数为30%的铜和70%的钨)二电极自击穿气体开关的性能,在干燥空气为绝缘气体、气腔温度最高达80℃、不可换气的有限密闭腔体(1.2 L)内,以及30 kV自击穿电压、75 kA通流能力、0.1 Hz重复频率且工作寿命达至少5 000次等极端工作条件下,实验研究了电极烧蚀量、表面烧蚀特性随放电次数的变化,进而分析了开关工作性能及失效原因。结果表明:阴极电极头烧蚀更为严重,电极烧蚀率为6.3×10-6cm3/C,阳极电极头的电极烧蚀率为5.5×10-6 cm3/C,阴、阳极电极头表面均存在大量蚀坑、凸起和裂纹;自击穿电压呈现较明显上升趋势,5 800次放电时加压至45 kV开关未击穿,判定开关失效;聚四氟乙烯绝缘子表面损失大量氟元素并新增铜、钨等元素。因此推断开关失效的主要原因为在密封腔体、大电流条件下,电极烧蚀的喷溅产物与绝缘子表面发生复杂化学反应并生成强电负性气态产物,造成开关自击穿电压骤升。     

含盐度对水中大功率脉冲放电电极的烧蚀影响

为研究不同含盐度对水中脉冲放电电极的烧蚀影响,研制了水中脉冲放电实验装置,装置分为地面电源系统、铠装电缆与脉冲放电系统,最高脉冲放电电压可达18 kV。基于实验平台开展了水中含盐度0‰、10‰和20‰条件下阳极的烧蚀程度对比,并记录了不同含盐度下的放电电压、电流波形。结果表明：当脉冲电容电压一定时,含盐度对水间隙与空气开关的能量分配有较大影响。含盐度越高,则在预击穿阶段的泄漏电流和消耗的能量就越高,导致主放电阶段释放的能量降低,形成的冲击波强度变弱;水中含盐度越高,则阳极表面的烧蚀斑点直径越小,阳极的烧蚀速率越低;采用SEM电镜观察了单个烧蚀斑点的形貌,解释了造成特殊烧蚀形貌的原因。     

高压XLPE电缆阻水缓冲层烧蚀机理研究现状

近年来高压电缆阻水缓冲层事故频发,已严重威胁到输电系统的安全性。本文对目前国内外缓冲层失效的相关研究现状进行综述,并提出可能的预防措施。首先,统计了近年来文献报道的电缆缓冲层烧蚀导致的失效事故,梳理了失效缓冲层存在的共同特征。然后,在介绍阻水缓冲层基本结构及作用的基础上,结合文献扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）及X射线衍射（XRD）实验结果对缓冲层中白斑现象进行解释,提出使用中性阻水粉可有效地抑制白斑的产生。根据缓冲层烧蚀的相关研究,将缓冲层烧蚀机理分为局部放电致烧蚀以及电流热效应致烧蚀,并讨论了研究中仿真建模存在的问题。最后,对现有缓冲层相关研究进行总结与展望,提出减小铝护套与缓冲层之间的空隙以及防止缓冲层受潮可有效减缓缓冲层的烧蚀,但如何实现需进一步研究。     

两间隙毛细管等离子体发生器触发放电数值模拟

两间隙毛细管等离子体发生器利用触发间隙放电产生等离子体射流连通主放电间隙,引发主放电形成高温等离子体射流。建立一个一维流体模型对两间隙毛细管触发放电进行模拟,对考虑管壁烧蚀和不考虑管壁烧蚀条件下的触发放电的特性进行计算,分析触发放电过程对主间隙击穿的影响。由于管壁烧蚀补充毛细管内由于开口端流出的质量损失,因此在放电期间毛细管内的气体压强、流速和温度基本保持稳定状态;管壁烧蚀降低了放电时毛细管内的气体温度,但加快了高温区向毛细管开口端的传播速度,因而缩短了主间隙的击穿时延。     

径向电流集中诱发的高压交联聚乙烯电缆缓冲层烧蚀研究

为研究皱纹铝护套高压交联聚乙烯绝缘电缆缓冲层烧蚀机理,首先,通过对发生烧蚀的110 kV XLPE绝缘电缆进行故障分析,提出电缆径向电流集中是导致烧蚀故障的原因.其次,建立故障电缆的仿真模型,计算缓冲层与皱纹铝护套接触部分的电流密度最大值及其分布情况,并通过模型试验与公式计算验证仿真结果,发现皱纹铝护套波谷嵌入缓冲层的深度和缓冲层体积电阻率影响着径向电流的大小与分布.最后,通过设计模拟试验,证明径向电流集中是导致缓冲层烧蚀的原因之一,并在恒温箱中对模拟烧蚀试验的环境条件进行控制,通过偏光显微镜对比试验样品和烧蚀铝护套的表面形貌.结果表明:模拟烧蚀试验中发生的烧蚀过程与实际故障电缆中的烧蚀过程相同,且随着缓冲层中电流密度最大值的增大,烧蚀的起始时间缩短.本文揭示了皱纹铝护套烧蚀故障径向电流集中的物理机理,为相关故障诊断及防护提供了理论和试验依据.     

AC and DC conductivity studies in pulsed laser ablated (Ba,Sr)TiO3 thin films

Abstract

A comparison of the ac conductivity of laser ablated (Ba, Sr)TiO₃ thin films was made for films grown at different substrate temperatures. The ac conductivity was studied as a function of frequency and ambient temperature ranging from room temperature to 460°C. Conductivity results from ac and dc measurements were compared in their an respective Arrhenius plots revealing interesting coincidences. The value of the activation energies computed from the Arrhenius plot of à _ac with 1000/T ranged from 0.97 to 1.3 eV in the high temperature region to 0.36 to 0.54 eV in the low temperature region for different samples. The activation energies obtained from pure dc measurement for fields greater than 100 kV/cm across the samples were in the range of 1.06 to 1.32 eV for different samples. The similarity in results suggests a common origin in the de conduction process in the concerned temperature range and was attributed to ionic conduction resulting from oxygen vacancy motion which has been observed to be significant at high temperatures and high fields. For high temperature grown samples the value of activation energy computed from the Arrhenius plots was comparatively less than those grown at lower substrate temperatures. The difference was attributed to the microstructure and the effect of grain boundaries on the motion of oxygen vacancies leading to the conduction process.     

Effect of Buffer Layer on the Properties of Laser Ablated PZT Thin Films

Lead zirconate titanate (PbZr _x Ti_1?x O₃) or PZT ceramics are a class of piezoelectric materials that are currently experiencing widespread use in industry as electromechanical devices. PtSi/ZnO/PZT thin films were deposited by pulsed laser deposition at relatively low substrate temperature. The PZT thin films on PtSi substrates and on ZnO buffer layer were deposited at substrate temperature 300°C. The composition analysis shows that the film deposited at low temperature is stoichiometric. The films exhibit ferroelectric nature with coercive field of 19.6 kV/cm for 800 nm thick film. The leakage current density of the films shows a good insulating behavior.     

Plasma‐quenching efficiency of ablated vapor of polymer containing nitrogen atoms using inductively coupled thermal plasma technique

The plasma‐quenching efficiency of the ablated vapor of polymers containing nitrogen atoms was numerically investigated by the inductively coupled thermal plasma technique. Polyamide66 (PA66), which contains nitrogen atoms, was used as a polymer material, and was injected into Ar thermal plasma in a numerical simulation. The simulation model considered heating, melting, and evaporation of polymer powders, and then plasma‐quenching phenomena due to polymer ablation. The thermodynamic and transport properties of the ablated vapor were also taken into account. It was found that PA66 vapor has a greater plasma‐quenching efficiency than other polymer materials of PTFE, POM, PMMA, and PE. The calculated results were confirmed to be valid by comparison with experimental results in terms of the ablated vapor distribution and powder velocities. © 2011 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 178(2): 11–20, 2012; Published online in Wiley Online Library ( wileyonlinelibrary.com ). DOI 10.1002/eej.21185     

Effect of polymer ablation gas on arc quenching properties around current zero

The influence of polymer ablation on arc properties such as the temperature distribution and arc conductance in the current decay process was investigated by numerical approaches. A numerical thermofluid model was developed for a simplified circuit breaker with POM or PTFE ablation. In this model, thermal plasma‐polymer solid coupling phenomena such as melting and evaporation were taken into account without any empirical model based on measurements, unlike other existing numerical thermofluid models. The dominant process for the decay of arc conductance was examined by changing the thermodynamic parameters such as the melting and boiling temperatures of solid polymers, or the thermal conductivity and electrical conductivity of the ablation gas. It was found that the gas density, thermal conductivity, and electrical conductivity of the ablation gas were more effective for decaying arc conductance than any other thermodynamic parameters. © 2012 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 180(3): 32–45, 2012; Published online in Wiley Online Library ( wileyonlinelibrary.com ). DOI 10.1002/eej.22274     

复合聚四氟乙烯耐电弧烧蚀及其介电性能的试验研究

为了提高高压断路器喷口材料的耐电弧烧蚀性能,采用在聚四氟乙烯(PTFE)中添加三氧化二铝或二氧化钛,降低电弧能量对PTFE的烧蚀,同时试验研究复合聚四氟乙烯介电性能的变化规律。研究结果表明:在PTFE中添加无机填料可以明显改善耐电弧烧蚀性能,填料的添加量和粒径是影响复合PTFE电弧烧蚀量的重要因素;复合聚四氟乙烯的相对介电常数和介质损耗角正切随着填料添加量的增加而增大;随着温度的升高,聚四氟乙烯的相对介电常数减小,介质损耗角正切增大。试验结果对于实际应用具有重要的理论指导意义。     

硅基纳米线太阳电池电极接触性能的改善

通过银诱导湿法腐蚀的方法在晶硅衬底上制备了硅纳米线阵列。硅纳米线阵列具有很好的陷光作用和超低的表面反射,在300~1 000 nm光波长范围,即使没有Si3N4减反射膜,反射率能降低到5%。为了克服电极接触性能差的缺点,用激光刻蚀的方法选择性地刻蚀掉电极下的硅纳米线阵列,形成电极接触的平坦区域。采用对准丝网印刷的方法将电极印刷在平坦区域。测试结果显示激光刻蚀技术的引入有效改善了电极的接触性能,串联电阻从~1.81Ω降低到了~0.64Ω。     

SF6断路器喷口用复合PTFE电气性能的研究

高压SF6断路器喷口用聚四氟乙烯(PTFE)的粒径、填料的种类、粒径和添加量,对复合PTFE介电性能和耐电弧烧蚀性能都有着明显影响。应用正交设计软件设计了多种因素、每种因素不同水平组合的试验方案,研究了添加Al2O3, BN,MoS2的复合PTFE的电气性能受多种因素影响的变化规律。结果表明,添加无机填料能有效提高喷口材料耐电弧烧蚀性能,当填料种类不同时,复合FTFE的电弧烧蚀量依次为:复合MoS2的PTFE烧蚀量>复合Al2O,的PTFE烧蚀量> 复合BN的PTFE烧蚀量:复合PTFE相对介电常数随填料添加量的增加而增大,随温度的升高而减小;介质损耗角正切随填料的增加及温度的升高而增大。应用正交设计软件的分析功能,对电弧烧蚀试验结果进行了分析,得出填料添加量对烧蚀量的影响最为显著,其次为填料粒径,再次为填料粒径和PTFE粒径的交互作用。     

高压断路器喷口材料的试验研究

在分析高压SF6 断路器开断大电流时 ,电弧对喷口烧蚀机理的基础上 ,进行了喷口材料改性试验研究。得出聚四氟乙烯中加入MoS2 ,BN ,光致蓄光材料 (PL) ,复合聚四氟乙烯的介电性能、光学性能、耐电弧烧蚀性能和线膨胀系数的变化规律。研究结果为提高喷口的耐电弧烧蚀性能、改善喷口材料的介电性能和工艺性提供了理论依据。     

高压电缆缓冲层烧蚀缺陷的超声检测实验

高压电缆缓冲层烧蚀故障是近年来频发的电缆故障类型，然而目前的烧蚀缺陷检测手段难以满足存量电缆的检测需求。本文首次研究了基于铝护套内表面粗糙度的高压电缆缓冲层烧蚀缺陷的超声检测方法。首先，开展了潮湿条件下的缓冲层烧蚀模拟实验，并对烧蚀后的铝片开展了激光共聚焦显微镜测试以及电化学阻抗谱分析，发现随着烧蚀时间的增加，铝片的表面粗糙度逐渐增大，同时铝片表面的腐蚀程度逐渐加深，对应的缓冲层烧蚀缺陷逐渐加重，表明铝片的表面粗糙度与潮湿条件下缓冲层的烧蚀程度存在关联。其次，对烧蚀后的铝片开展了超声检测实验，并通过相邻超声回波信号的幅值比推算出了铝片腐蚀面的粗糙度，与实验测得的粗糙度具有相同的变化趋势。本文结果表明超声检测可用于检测缓冲层烧蚀缺陷的严重程度，为高压电缆缓冲层烧蚀缺陷超声检测方法的应用奠定了研究基础。