绝缘介质表面流注传播特性与闪络特性的关系

绝缘介质表面流注发展过程是沿面闪络中最为重要的物理过程。利用紫外仪拍摄了空气中和不同绝缘介质表面流注传播路径,发现绝缘介质表面流注拥有‘沿面’路径和‘空气’路径两个路径。带伞裙的绝缘子表面流注"沿面分量"不能越过伞裙传播到达上极板,只有"空气分量"可以到达上极板。通过提高平板间所加电压,研究了空气间隙和绝缘子闪络特性,分析了流注稳定传播场强和50%闪络电压的关系。利用照相机拍摄了光滑绝缘子和不同伞裙结构下绝缘子沿面闪络的路径,将流注发展路径和沿面闪络路径进行对比,建立了光滑绝缘子及不同伞裙结构绝缘子表面流注路径和沿面闪络路径之间的关联。     

伞裙结构对绝缘子表面流注发展特性的影响EI北大核心CSCD

绝缘子伞裙结构的设计要考虑诸多影响因素,合理的设计绝缘子的伞裙结构可以提高沿面闪络电压,保证输电线路供电的可靠性。研究了伞裙结构对沿面预放电(流注放电)特性的影响,从如何抑制沿面流注放电的角度探讨了绝缘子伞裙结构的设计。从沿面流注放电的试验结果发现:光滑圆柱绝缘子表面流注拥有两个分量,即"沿面分量"和"空气分量",而带伞裙的绝缘子表面流注"沿面分量"不能越过伞裙传播到达上极板,只有"空气分量"可以到达上极板。此外,带伞裙绝缘子表面流注稳定传播场强大于光滑绝缘子表面流注稳定传播场强。沿面流注稳定传播场强与伞裙直径成正比,而相同电场下的流注传播速度则和伞裙直径成反比。伞裙位置对流注传播特性也有很大影响,在一定距离范围内,伞裙越靠近流注起始位置,流注传播越困难。     

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。     

伞裙结构对绝缘子表面流注发展特性的影响

绝缘子伞裙结构的设计要考虑诸多影响因素,合理的设计绝缘子的伞裙结构可以提高沿面闪络电压,保证输电线路供电的可靠性。研究了伞裙结构对沿面预放电(流注放电)特性的影响,从如何抑制沿面流注放电的角度探讨了绝缘子伞裙结构的设计。从沿面流注放电的试验结果发现:光滑圆柱绝缘子表面流注拥有两个分量,即"沿面分量"和"空气分量",而带伞裙的绝缘子表面流注"沿面分量"不能越过伞裙传播到达上极板,只有"空气分量"可以到达上极板。此外,带伞裙绝缘子表面流注稳定传播场强大于光滑绝缘子表面流注稳定传播场强。沿面流注稳定传播场强与伞裙直径成正比,而相同电场下的流注传播速度则和伞裙直径成反比。伞裙位置对流注传播特性也有很大影响,在一定距离范围内,伞裙越靠近流注起始位置,流注传播越困难。     

低温环境下绝缘介质表面流注放电特性

目前国内外关于低温条件下绝缘介质表面流注传播特性的研究较少,针对流注的相关试验研究主要在常温下进行。为研究低温低湿环境下绝缘介质表面流注的传播特性,在冰箱冷冻室内利用"三电极"结构研究了均匀场下绝缘介质表面流注的传播特性。主要的测量手段是利用3个光电倍增管来监测流注在介质表面的传播过程。测量了在不同温度下不同绝缘介质表面流注的传播概率,通过数据拟合得到流注的稳定传播场强,并且测量了在不同外加电场强度下流注传播速度的变化规律,最后研究了不同温度条件下流注传播特性的差异。试验结果表明:在低温低湿环境下,流注在绝缘介质表面传播的过程中拥有"沿面分量"和"空气分量"2个分量,流注的稳定传播场强比同条件下纯空气中流注的稳定传播场强大;对于同一种绝缘介质,稳定传播场强与温度近似呈指数下降关系,温度越低,流注的稳定传播场强越大;流注的传播速度随温度的降低而减小,但"沿面分量"的速度受影响的程度较大,大约在(3~8)×10~5 m/s内,而"空气分量"的变化则不太显著,在(1.5~3.0)×10~5 m/s范围内。     

气压与湿度对绝缘介质表面流注发展特性影响的试验研究

目前,正在建设和规划的特高压线路大多将经过高海拔地区,沿线复杂的气象条件(气压、湿度)将使输电线路及电力设备的绝缘状况面临严峻的考验。因此,有必要重点研究气压、湿度变化对绝缘介质沿面闪络特性的影响,为特高压输电线路的绝缘设计提供理论依据。通过研究流注放电特性,从放电机制上探讨环境因素(气压、湿度)对沿面闪络特性的影响。在"三电极"结构中,利用光电倍增管测量了不同气压、湿度条件下绝缘介质表面流注传播特性。试验结果表明:流注稳定传播场强分别与气压、湿度成正比例关系;在相同的电场强度下,流注平均传播速度、流注头部发光强度都分别与气压、湿度成反比例关系。因此,流注在低气压、低湿度情况下容易发展,流注稳定传播场强较小,相同电场强度下,流注平均传播速度、流注头部发光强度较大。     

涂抹RTV的绝缘介质表面流注传播特性的研究

近年来RTV涂料广泛应用于输电线路绝缘子上,用来提高绝缘子在污秽状态下的绝缘能力。在长期的运行中,RTV涂层在表面局部放电的作用下将逐步丧失憎水性,绝缘能力也将下降。RTV涂层沿面局部放电将加速RTV涂层的老化,因此,有必要深入研究RTV涂层表面局部放电特性。介质表面局部放电的过程包含电晕放电、流注放电和电弧放电。流注放电是物理过程最复杂的,因此,本文将着重研究RTV涂层的表面流注放电特性。在"三电极"结构中,利用3个光电倍增管测量洁净和涂抹RTV涂料的绝缘介质流注传播特性。发现涂抹RTV涂料的尼龙介质表面流注稳定传播场强增加;相同电场强度下,流注传播速度降低。此外,不同厂家的RTV涂料在流注传播特性上存在差异,有些涂料不利于流注的发展,因此,将造成不同的涂料应用于输电线路时表面局部放电状况也会存在差异。     

空气中沿面流注放电表面电荷分布特性的仿真研究北大核心CSCD

绝缘子表面积聚的电荷会畸变电介质表面电场进而引发沿面闪络。为研究空气氛围中绝缘介质表面在沿面流注放电发展过程中动态电荷积聚情况,在自主开发的二维流体沿面放电仿真模型中增加化学反应体系,模拟了正负极性沿面放电在起始及发展过程中流注自身特性以及介质表面电荷分布特性的演化过程。研究发现施加电压为负极性时,介质表面始终累计负电荷,沿面流注头部累积电荷量极高,流注头部后方界面处电场极性反转,正离子向介质表面运动;施加电压为正极性时,沿面流注头部累积正电荷,尾部电子朝介质表面扩散,介质表面总电荷量为负值。     

冰面流注发展特性试验研究

目前国内外关于流注在冰层表面传播特性的研究还比较少,少数学者研究了在棒板电极结构下不均匀场中冰面流注的传播特性。为此在冰箱冷冻室内利用"三电极"结构研究了均匀场下冰层表面流注的传播特性,利用3个光电倍增管来观测流注在表面的传播过程。分析了流注在冰层表面传播过程中2个分量的变化情况。测量了流注的传播概率,通过数据拟合得到了流注的稳定传播场强;计算了在不同外加电场条件下流注在冰层表面的传播速度;测量了流注头部发光强度的变化规律。试验结果表明,流注在冰层表面传播过程中,只有沿面分量能够达到阴极,空气分量会在传播过程中消失。流注的稳定传播场强比较低,传播速度却很快,同时流注头部的发光强度随着传播距离的增加而不断减小。     

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.     

沿冰层表面流注传播场稳定性的实验研究与分析(英文)

The electric field required for stable propagation of a positive streamer along an ice surface was investigated by measuring the currents associated with the streamer discharge.The influence of the surface properties,namely the existence of a water film on the ice surface and surface contamination,was analyzed.Results showed that in the presence of an ice surface,except in case of low conductive surface,streamers propagate stably with an external field lower than that generally measured for propagation in air alone(approximately 5 kV/cm).For higher contamination levels,the stability field was found to be slightly influenced by the temperature,while for lower contamination levels,it decreased significantly with an increase in temperature.     

不同湿度下空气的流注放电特性

目前流注放电过程的相关研究主要是针对氮气和空气流注放电过程进行的数值模拟研究。实际的输变电工程间隙的空气中不可避免含有一定量水分子,为研究湿度对空气中的流注放电过程的影响,采用流体模型仿真了干燥空气和分别含80 Pa、400 Pa、1 867 Pa水蒸气的空气的双向流注传播过程,光电离作为源项加在流体模型上。水蒸气对光电离的影响主要有2方面:一是吸收函数;二是发射光强。仿真结果表明:不同空气湿度下正、负流注头部电子数密度均为1.6×1014 cm-3和0.7×1014 cm-3,平均传播速度均约为1.5×108 cm/s,流注头部半径约为0.4 mm;不同空气湿度下,若光电离强度均达到1021 cm-3·s-1量级能够提供足够多的种子电子,则湿度对流注传播特性影响不大,其主要原因是不同湿度下的电子输运系数和反应系数差别很小。     

正流注传播动力学特性随气压湿度的变化

为了解流注传播电场测量中大气参数的影响,利用“三电极系统”研究了不同气压湿度条件下正流注的传播电场和传播速度。利用两个光电倍增管检测流注在平行极板间的传播,获得了流注传播电场的概率分布及平均传播速度,得到了无外加脉冲电压时流注传播的“稳态电场”与相对空气密度、湿度间的经验公式,并和其它研究者提出的公式进行了比较。研究表明:流注传播的“起始电场”和“稳态电场”随着外加脉冲电压的减小而增大,随着气压和湿度降低而减小;电场强度相同时,流注平均传播速度随着气压和湿度的增大而减小,其数量级为105m/s。     

大气压氦气冷等离子体射流放电一维数值模拟

为了明确大气压冷等离子体射流的形成机理,采用一维流体模型研究了针-板电极下大气压氦气冷等离子体射流中等离子体子弹的传播过程,得到并分析了等离子体子弹的空间结构。模拟结果表明,等离子体子弹实际上就是等离子体射流头部的电离区域,其传播过程即为该电离区域的推进过程。Penning电离可以为等离子体射流的传播提供种子电子。驱动电压的极性对等离子体射流的性质有着重要的影响,与正脉冲驱动等离子体射流不同,负脉冲驱动下的等离子体射流具有一个较窄的阴极位降区,且内部没有准中性区域。     

低气压下流注放电特性的研究

流注的产生和传播是空气间隙击穿中一个重要的物理过程,研究低气压下流注的产生和传播过程有助于理解空气间隙的击穿放电,对高海拔地区输电线路及输变电设备的设计和运行有着重要的意义。在可调节气压湿度的有机玻璃罐中,利用“三电极”结构,应用光电倍增管测量了不同气压湿度下,流注传播概率和平均传播速度随平板间电场强度的变化。通过数据拟合得到了流注稳态传播电场和相对空气密度以及湿度之间的经验公式。建立流体模型,对流注传播的动力学特性进行了仿真计算,得到的流注稳态传播电场及平均传播速度和实验测量得到的结果吻合得很好。结果表明：流注的传播场强随湿度、气压的增大而增大;在相同的电场强度下,流注平均传播速度随湿度、气压的增大而减小。利用仿真计算模型计算得到流注传播过程中的各个参数,分析了流注传播动力学特性随气压湿度变化的机制。     

基于分形理论的水中流注放电仿真

水中流注放电的特性及流注发展机理研究对于污水处理、杀菌消毒、水下声源和高压绝缘具有重要的意义。基于分形理论,构建了考虑气泡生长过程的水中流注放电仿真模型,并仿真研究了不同电压幅值和溶液电导率下的放电特性。结果表明,随着外施电压和溶液电导率的增大,通道电荷量和流注发展速度均增大,而放电预击穿延时减小。计算得到的流注发展速度、预击穿延迟时间随水溶液电导率的变化等与已报道的实验相符。     

Behavioral characteristics of nanosecond pulsed discharge in coaxial electrodes

The environmental improvements by pulsed discharge plasma, a type of nonthermal plasma, have received much attention all over the world. The observation of discharge plasmas is beneficial for better understanding of the plasma physics of this growing field. Recently, nanosecond (ns) pulsed discharge with a short pulse duration of 5 ns achieved the higher energy efficiency on ozone generation and NO removal. However, the underlying mechanisms of these high efficiencies remain unclear. In the present study, the effects of electrode geometry on propagation process of ns pulsed discharge in coaxial electrodes were investigated using an ICCD camera. As the results, increasing wire diameters from 0.2 to 2.0 mm lead the different streamer discharge parameters; propagation velocity of streamer heads from 4.8 mm/ns to 12.5 mm/ns, peak of discharge current from 243 to 328 A, respectively. Therefore, it is concluded that the wire diameter is one of the paramount parameters to control the characteristics of the ns pulsed streamer discharge.     

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。     

长空气间隙放电研究的挑战与进展

开展空气间隙放电的理论研究,是支撑我国特高压工程建设、提升电力系统雷击防护水平的现实需求。通过分析特高压下长空气间隙放电的工程需求,以及雷电绕击输电线路的先导发展模型、电气几何模型所面临的理论困境,归纳了当前长空气间隙研究所面临的主要挑战——物理模型的内在复杂性、测试手段的局限性及数值求解方法的不确定性。同时,基于过去30多年测量、计算方法的长足进步,指出目前我国开展长空气间隙放电研究的重大机遇。另外,还简要总结了国内外长空气间隙放电研究的发展历程及流注先导模型在不同历史时期的典型成果,详细介绍了清华大学在973项目的支持下,在长空气间隙放电的微观机理与宏观过程研究方面的最新进展,并对未来的研究方向与目标做了初步展望,包括:1)明晰不同尺度流注起始及发展的规律;2)更深入认识流注转化为先导的规律及机理;3)清晰描述先导的发展过程特征参数;4)建立更完备的长空气间隙击穿模型,能够更准确地预测长空气间隙的放电特性;5)建立更科学的雷击闪络先导发展模型及雷击闪络风险评估方法;6)提出工程实用的更优化的长空气间隙结构。