考虑电压上升影响的“针-板”空气间隙直流负流注放电特性研究

负流注放电过程是一个高度非线性动力学过程,且发展过程复杂。该文针对“针–板”电极结构、1cm空气间隙,建立短空气间隙负流注放电模型并通过仿真试验验证模型合理性,分析外加上升时间及电压幅值对负流注放电发展过程空间电场强度、带电粒子浓度、流注发展速度、放电电流变化特性的影响。随负流注由“针”电极向“板”电极发展,放电区域内的轴线电场强度、电子浓度在短暂升高后呈现先降低后升高的变化趋势;随外加电压上升时间增大,流注头部的电场强度和电子浓度呈非线性上升趋势,外加电压上升时间T=0.01ns上升到T=2ns时,流注发展平均速度降低3.38mm/ns;随外加电压幅值增大,负流注头部的电场强度及电子浓度呈非线性上升趋势,外加电压幅值U₀=–20k V上升到U₀=–25k V时,流注发展平均速度上升2.7mm/ns。     

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。     

1m棒–板间隙雷电冲击放电电场测量

放电区域电场的定量测量是研究长空气间隙放电机理的重要手段,也是近年国内外研究的热点。简要介绍了自主研制的光电集成电场测量系统,并将其应用于棒–板间隙在正极性雷电冲击电压作用下流注放电区域电场的测量。首先测量未发生放电时棒–板间隙轴线上的几何电场,并与计算结果进行对比;其次,测量流注产生后放电区域内、外的电场强度,并结合高速摄像机拍摄到的流注放电图片对测量结果进行分析。测量结果为流注通道与空间电荷的物理模型建立提供了依据。     

棒极外形对SF6棒-板短间隙流注放电特性的影响

为研究SF_6绝缘设备中可能存在的不均匀电场环境对绝缘性能的影响,从微观角度解释不均匀电场对SF_6流注放电特性的影响,建立流体动力学-化学反应混合模型,数值仿真棒-板间隙的SF_6流注放电过程。改变棒尖端外形以及棒极半径,仿真锥尖头、球头、平头等3种棒电极下棒-板短间隙的SF_6流注放电特性。结果表明:棒极外形对SF_6短间隙放电特性影响显著,不同外形棒极在初始放电阶段存在不同的电场分布,锥尖头棒尖端外形流注注头电场峰值最大,发展速率更快,流注发展速率随放电间隙的增大而减小,而平头棒尖端外形流注的放电通道半径最大。棒极半径的增大使流注头部电场强度以及平均电子能减小,流注发展速率减慢。     

棒-板长间隙正极性流注生长概率模型及应用

为研究长空间隙放电分散性和放电路径随机性,建立了结合传统流注放电理论和分形生长理论的正极性流注生长概率模型。首先基于经典的流注起始判据,计算了棒-板间隙流注起始电压;选择空间电位和电子崩形成时间作为流注生长控制变量,结合泊松方程、电荷连续性方程和欧姆定律描述流注通道内部的电荷转移,仿真流注的持续发展过程;当流注到达板电极后,选择放电树枝中电位梯度最大的通道作为最后的主放电通道。分析表明,该模型可描述流注区空间电荷随时间的积累过程,棒-板间隙击穿时间的分散性以及放电路径的随机性;由其计算得的棒-板间隙主放电通道分形维数与试验结果相吻合,同时基于该模型对棒-导线-板间隙放电选择概率分布的计算结果也与试验所得规律一致。     

温度对棒—板间隙正流注电晕放电特性的影响研究

目前国内外温度对棒板间隙流注电晕放电特性影响的研究仍不完善.文中基于低温环境流注放电试验平台,利用光电倍增管、ICCD、CCD等弱光检测设备对低温下棒—板间隙的正流注传播特性进行了试验研究和理论分析.研究结果表明,温度降低对棒—板间隙正流注放电具有抑制作用,体现在发光强度和分叉程度随温度降低而减小;在流注电晕存在的电压...     

初始电子浓度对空气中针板间隙正极性流注放电的影响

为揭示环境中初始电子浓度对气体放电过程的影响,利用等离子体流体力学模型研究了大气压下5mm针-板空气间隙的流注放电过程。采用的等离子体流体力学模型包括了电子、正负离子连续性方程和电场的泊松方程。研究发现:5mm针板空气间隙下流注放电的通道半径约为0.1～0.3mm;随着间隙中初始电子浓度的增加,流注头部电场强度逐渐减小,流注发展的平均速率逐渐增大,流注贯穿间隙的时间逐渐减小;初始电子浓度对板电极表面电场强度、流注通道内电场强度和流注通道半径的影响可以忽略。     

毛刺缺陷影响下的球-板间隙流注放电特性

利用由光电倍增管和电场传感器组成的光电联合检测系统,进行正极性操作冲击电压下不同距离间隙带毛刺球-板电极间隙放电试验,并以棒-板与球-板放电试验进行对照,得到初始流注下的50%放电电压（U50%）和物理特征参数并进行对比。结果表明：在带有毛刺缺陷的球-板电极间隙中,初始流注起始时延、初始流注场强跃升幅值和光功率跃升幅值...     

低温次大气压不均匀电场空气流注放电特性研究EI北大核心CSCD

搭建空气放电实验平台,并构建仿真模型,通过实验和仿真对低温次大气压不均匀电场空气流注放电特性展开研究。结果表明:当约化场强E/N相同时,海拔高度与流注分叉数目、流注传播速度、电流峰值以及电流衰减时间均呈负相关,与流注半径呈正相关,但仿真得到的流注传播速度和电流与实际相比略有不同;预电离区域的存在导致针-板和针-针电极结构下的放电形态不同;随着方波电压频率的增大,二次放电通道对于一次放电通道的依赖性逐渐增大。随着方波电压占空比的增大,二次放电通道仅在一次放电通道尾部有所体现。     

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。     

正极性雷电冲击电压下流注起始特性研究

流注是长空气间隙放电的主要过程,其起始特性具有重要的理论价值与广泛的工程应用。以往对直流电压作用下流注起始特性的研究较多,对冲击电压特别是电压上升率较大的雷电冲击电压下流注起始特性研究很少。采用基于光电集成技术的高压侧电流测量系统与空间电场测量系统,对1 m棒–板间隙在正极性雷电冲击电压下流注起始特性进行研究,提出了新的流注起始观测手段,获得不同半径棒电极、不同电压上升率下的流注起始电压与场强,拟合得到考虑电压变化率的流注起始场强判据,并验证了所提出判据的广泛适用性。另外,还对正极性雷电冲击电压作用下流注起始时延的变化规律进行研究,定量测量了流注的起始时延,为研究流注起始时延的概率分布奠定基础。     

气体成分对水中脉冲放电产生过氧化氢的影响

通过化学方法检测了水中脉冲放电产生的H2O2,通过拍摄照片研究流注长度的变化。实验发现,在分别通入氮气和氧气的情况下,随着气体流量和放电时间的增加,H2O2的浓度逐渐增加;在电极间距为5cm,所加电压为35kV时,通氮气比通氧气生成的H2O2多,通氮气时流注长度较通氧气时要长。在电极间距为3cm,所加电压为21kV时,通氧气比通氮气生成的H2O2多,而流注长度差异不大。     

初始种子电子团对短空气间隙流注放电行为的影响

流注放电过程中初始种子电子团的形成数量及位置具有随机性,为揭示初始种子电子团对流注放电行为的影响,建立流体动力学-化学反应混合模型,数值仿真大气压下棒-板间隙为5 mm的流注放电过程。模型包括电子、正负离子连续性方程、电子平均能量方程和电场的泊松方程以及23种粒子间化学反应。分别在模型中对密度峰值和分布位置预设置3个不同数值,研究初始种子电子团密度峰值和分布位置对空气间隙流注放电行为的影响。结果表明:初始种子电子团密度峰值的增加只会加速流注的形成,不会影响流注的时空变化规律;而分布位置的改变会影响流注的时空发展特性,初始位置与棒电极的距离越远,形成的流注到达板电极的时间愈短。     

基于光电倍增管的流注发展速度测量

由于流注发出光的光谱绝大部分位于300~400 nm区域内,为研究流注放电的重要物理特性,建立了基于光电倍增管的流注发展速度测量试验平台,在棒-板间隙放电试验的基础上,利用2个前面接了1 mm宽的窄缝的光电倍增管放置在垂直棒-板间隙轴线的位置,一个对准棒电极头部,另一个对准距离棒电极一定距离处。利用该平台,测量了不同间隙长度下,不同半径棒电极施加直流的流注起始电压时的流注发展速度;以及棒电极上外加不同幅值的1.2/50μs冲击电压时的流注发展速度。从测量结果看出,不论外加电压是直流电压或是冲击电压,流注发展速度都随着外加电压的增大而增加,尤其在冲击电压作用下,在试验的电压幅值138~280 k V范围内,流注发展速度也从111.1 cm/μs变大到222.2 cm/μs,且随着外加冲击电压的增大几乎线性增加。     

可替代型气制变压器油中流注分叉特性及其机理研究

以基于天然气制油技术的异构非环烷基变压器油和传统的环烷基变压器油作为研究对象，在正极性雷电冲击电压下对25 mm针-板电极结构中的油中流注分叉形态进行了观测。对获取的流注放电图像进行多重分形分析，求取多重分形参量作为流注分叉模式的分类评价指标。结果表明：当外加电压低于加速电压时，两种油样中流注分叉过程均可归为侧枝和主枝平稳增长分别占主导的两阶段模型；当外加电压高于加速电压时，环烷基油中流注分叉过程为侧枝平稳增长、主枝平稳增长和跃迁式增长分别占主导的三阶段模型，而气制油中流注分叉过程只包含主枝平稳增长和跃迁式增长两个阶段。进一步的理论分析表明，气制油成分较高的电离能导致空间电荷与原生电场的博弈效应减弱是造成其在加速电压下流注分叉模型发生突变的主要原因。     

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。     

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。     

海拔2200m地区正极性操作冲击下大尺寸球–板间隙放电转化特性EI北大核心CSCD

在我国中西部海拔超2000m地区,曲率半径达0.25~1m的屏蔽球金具在特高压直流输电换流站阀厅中应用广泛,其与地面、墙壁形成的球–板间隙直接影响整个输电系统的绝缘安全及经济成本,因此研究高海拔地区大尺寸球–板长间隙放电转化特性具有重要的理论意义和工程价值。该文在海拔2200m的青海特高压试验基地开展3m间隙距离下,曲率半径为0.30、0.65、0.80m的球–板间隙正极性操作冲击放电试验;对比分析3种电极结构各放电阶段的瞬时光功率、空间电场强度、高电位电流等光电特征物理参量;计算其初始流注注入电荷量、电场强度空间分布、初始流注长度、流注茎温度等物理特征值;研究间隙结构对大尺寸电极放电转化特性的影响。结果表明:间隙距离一致,球电极曲率半径越大时,初始流注长度越长、产生空间电荷量越多、流注茎温度上升速率越快、流注逐渐成为放电过程的主导。研究结果可为今后高海拔地区换流站阀厅选择合适的屏蔽结构、有效增强间隙操作冲击绝缘水平及减小设备尺寸等提供参考。     

短空气间隙流注放电的实验观测技术综述

流注放电是气体间隙放电的重要阶段,流注放电的机理、仿真及实验研究是高压放电等离子体领域研究的重点之一,其中流注放电的实验研究是流注放电机理及仿真研究的基础。然而流注放电具有多时空尺度、多粒子碰撞、多物理场耦合等复杂特点,这对流注放电的实验观测提出了巨大的挑战。该文针对短空气间隙流注放电的实验观测,分别从短空气间隙流注放电实验设置和短空气间隙流注放电过程观测技术2个方面综述了国内外相关实验方法、平台及取得的研究进展。在此基础上,该文对目前短空气间隙流注放电研究所需要解决的关键问题和未来的发展趋势进行了探讨,认为未来短空气间隙流注放电实验研究进一步发展的关键在于建立更高精度与更高时空分辨率的多物理量同步观测系统,观测并分析单个流注发生发展的完整过程;探索新的实验手段和测量技术,获取电子平均能量等关键特征参数;深入研究数字图像处理技术,挖掘放电光学图像蕴含的更深层次的特征信息,进而完善对流注放电机理的研究。     

长空气间隙负极性操作冲击放电特性研究(Ⅰ)—试验研究

长空气间隙在负极性操作冲击电压下具有非线性放电特性。为了研究典型长空气间隙的负极性放电特性,利用7 500 kV冲击电压发生器产生20/2 500μs和80/2 500μs两种负极性操作冲击电压波,开展了间隙距离为1～10 m的棒–棒间隙、棒–板间隙和棒–线间隙的负极性放电特性试验研究,并与其他学者的试验结果进行对比分析。试验结果表明:随着间隙长度的增加,棒–棒间隙、棒–板间隙、棒–线间隙的50%放电电压都趋于饱和,但棒–板间隙的饱和趋势最为明显;当间隙长度为4 m时,棒–板间隙与棒–棒间隙的50%放电电压大小关系发生翻转;间隙的平均击穿场强随着间隙距离的增大而减小。该研究揭示了1～10 m长空气间隙的负极性操作冲击放电特性,加深了对长空气间隙放电特性的认识。