SF6气体正极性电晕放电特性仿真研究

为了研究SF6气体正极性电晕放电特性,采用有限元仿真软件COMSOL的流体动力学-化学混合数学模型,对针-板间隙SF6气体正极性电晕放电过程进行了仿真,研究了不同外加电势、间隙距离、初始粒子数密度条件下的电晕放电特性.得到主要结论如下:放电过程可分电流上升、电流下降以及电流趋于稳定3个阶段,电流上升阶段是由于电子崩形成所致;电流下降阶段是由于针尖区域电子数量减少,电离反应减弱,正离子云团远离针电极所致;电流趋于稳定阶段是由于电子崩过程基本结束,正离子云团在远离针尖区域漂移速率减缓所致;脉冲电流上升和下降耗时与外加电势负相关、与间隙距离正相关;脉冲电流峰值及稳定值与外加电势正相关、与针-板间隙距离负相关;针尖粒子数密度由1×109～1×1014 m-3变化时,脉冲电流上升耗时、下降耗时、电流峰值以及电流稳定值与针尖初始粒子数密度关系不大.     

低SF6含量混合气体电晕放电特性仿真研究

低SF6含量混合气体绝缘介质最有可能替代SF6气体应用于气体绝缘设备中。本研究采用有限元-通量校正传输(FEM-FCT)法求解低SF6含量的SF6/N2混合气体二维流注电晕放电的数学模型,考虑了空间电荷对场域的畸变作用,研究了SF6/N2混合气体二维流注电晕的放电特性,展示了流注电晕放电发展过程中间隙内部各种带电粒子浓度和空间电场的分布。仿真表明:棒-板间隙中空间光电离对流注电晕发展的影响强于阴极光发射;外施电压幅值小时,流注形成和发展速度较慢,流注电晕相对稳定。     

低温SF6和SF6／N2中正针—板的放电特性

本文讨论了SF_6和SF_6/N_2气体当温度从10℃时降低到-50℃时正针-平板间隙的放电特性。结果表明,当SF_6气体压力或SF_6/N_2中的SF_6气体分压力大于电晕稳定效应的临界压力时,间隙的击穿电压随着温度的降低而下降;当温度降低到对应的液化温度时,击穿电压下降更伙,即出现一转折点。当气体压力小于电晕稳定效应的临界压力,或由于温度降低而使压力减小到临界压力时,电晕起始电压随温度的降低而下降。SF_6液化将使其绝缘能力降低,但并不是完全丧失其绝缘能力。     

非均匀场下SF6短间隙正电晕放电行为

为深入探索SF6气体放电过程的微观机制,对大气压下10mm针-板电极SF6气体间隙的正电晕放电通道中带电粒子行为进行了研究。在尖-板电极模型的基础上,考虑了SF6间隙放电过程带电粒子电离、附着、复合、扩散以及光致电离的影响,给出了SF6短气隙正电晕放电过程的电子、正离子和负离子时空行为的表征方程,以及与空间电荷场耦合的泊松方程,并采用通量校正输运法(flux-corrected transport,FCT)对粒子连续性方程进行求解,获得了放电过程中带电粒子的时空行为规律及空间电场分布发展规律,并从空间电荷密度、放电参数、电场强度等方面与实验结果相比较,验证了模型及算法的正确性。     

不同电极结构中SF_6/N_2混合气体正向流注电晕放电特性

宏观上假定气体放电过程中产生的正、负离子束和电子束为流体,采用二维流体动力学模型对SF6/N2混合气体正向流注电晕放电过程进行建模,利用通量校正传输法求解连续方程,通过求解耦合的泊松方程处理空间电荷畸变电场对放电的作用,仿真过程中假设带电粒子的输运参数是折算电场的函数,对比分析了平行板电极间隙、同轴电极间隙和棒-板电极间隙三种电极结构中正向流注电晕放电特性。结果表明:流注电晕的形成加强了流注头部与阳极间的场强,减弱了流注尾部与阴极的场强。只有流注头部所在位置的初始场强足够大时放电才能继续发展,否则放电转化为稳定的流注电晕放电。     

SF6气体中交流电晕放电电流及带电粒子的时空分布

SF_6气体中电晕放电微观物理化学过程的基础研究对于保障电网安全可靠运行非常重要。为此在负极性电晕放电脉冲形成机制研究工作的基础上,应用同样的针-板电极电晕放电的二维轴对称模型来研究交流50Hz下SF_6气体中电晕放电的微观物理化学过程,并采用在连续性方程中增加常数项和设置初始质量浓度这2种方法来模拟光电离,计算了交流电晕放电1个放电周期的电流及不同时刻带电粒子的时空分布。结果表明:在连续性方程中增加常数项模拟光电离能够获得负半周幅值附近的连续性电流脉冲,与试验结果更为接近;正负半周带电粒子的运动方向正好相反;电晕放电区域的高度为8mm,且有效放电半径≤0.20mm。放电区域的获取能够为进一步研究SF_6气体在交流50 Hz电晕放电中的分解产物的演化规律提供理论支撑。     

电晕放电若干特性的探讨

在较大分子的气体(如SF_6)中,正、负电晕起始电压有明显差别,而且随着气体压强增加而增大。而在较小分子的气体(如空气)中,正、负电晕起始电压基本相同。不仅Trichel(负电晕)脉冲是有规律的,在较低气压下的SF_6气体中,正电晕脉冲也是有规律的。电晕稳定效应不仅受气压影响,而且受尖端半径的影响。对于空气中的正电晕,当尖端半径很小时,击穿电压并不升高。     

电极介质覆盖SF6间隙纳秒脉冲电压放电特性研究

本文引入流体力学理论的对流-扩散机制,建立以自洽流体力学模型为基础的SF_6气体电极介质覆盖下的纳秒脉冲电压下的放电数学模型。采用MacCormack二阶精度反耗散的稳定格式,既顾了计算精度、计算量和收敛速度的要求,又克服放电过程间隙参量奇异性对计算结果的影响。同时计算分析了0. 4 MPa,纳秒脉冲电压上升沿20 ns条件下,幅值分别为10、14、19和25 kV,以及幅值15和25 kV条件下的20、30和40 ns下的SF_6气体电极介质覆盖下的纳秒脉冲放电特性,以及放电过程带电粒子的运动行为与间隙电场影响机制,获得了脉冲电压幅值和上升沿对其放电过程的位移电流、传导电流以及总电流之间制约关系。研究结果对拓宽SF_6应用领域具有参考价值。     

高空低气压电晕放电特性模拟试验研究

电晕放电对飞行器的运行安全造成严重威胁。为了解高空低气压环境下电晕放电特性,建立了由真空泵、真空计、密闭气罐、高压静电源、动态电位测试仪等组成的高空低气压电晕放电模拟试验系统。采用针–板电极结构模型进行了低气压环境下电晕放电模拟试验,并结合气体放电理论,从微观粒子运动角度对试验结果进行理论分析。结果表明:在5~30 k Pa范围内,随着气压的降低,起晕电压近似呈线性降低,Trichel脉冲幅值、上升沿时间以及重复频率逐渐增大,但脉冲持续时间基本不变,约为600 ns。该研究结论可为研究飞行器的电晕放电特性提供参考。     

基于FEM-FCT法的均匀电场下SF_6气体击穿特性

研究SF6气体放电过程中微观粒子的动力学特性,可以得到临界击穿场强等衡量气体绝缘能力的宏观参量,这些宏观参量对高压开关设备的设计和研发有重要作用。为此,根据流注理论建立了反映气体放电过程中微观粒子动力学特性的流体动力学模型,将有限单元法与通量校正传输法相结合,求解均匀电场下极间隙为0.5 cm时SF6气体的放电特性,得到了放电过程中带电粒子的动力学行为以及空间电荷对电场的影响。通过循环计算均匀电场中不同电压下SF6气体的放电过程,得到其临界击穿场强。在此基础上,计算不同压强下SF6气体的临界击穿场强,通过与已有的均匀电场中SF6气体临界击穿场强实验值进行对比,验证计算结果的准确性,并分析气体压强对SF6气体击穿特性的影响。计算结果表明:当压强为0.1 MPa时,极间距为0.5 cm的SF6气体在39 kV的外电压下发生击穿,间隙内的电场在6.8 ns时开始发生畸变,此时电子数密度最大值达到2.7×1017 m-3,随后SF6由绝缘状态发展为导电状态;当气体压强为0.1~0.4 MPa时,SF6的临界击穿场强与气体压强基本呈线性关系。数值计算结果与实验值基本相符,验证了其正确性。     

针电极在雷云电场下电晕电流的研究

本文在实验室模拟雷电实验的基础上,对雷云电场下的针尖电极电晕电流进行了现场实测,并通过理论分析和计算处理,总结出电晕电流与电场强度的变化规律,提出了针尖处电场强度和电晕电流的计算公式,其成果对防雷机理的进一步研究具有重要意义。     

多针电极结构双极电晕放电伏安特性

为提高电晕放电的能量密度和放电稳定性,提出了针阵列电极结构的双极电晕放电方式并研究了多针电极结构双极电晕放电的伏安特性。实验得出放电电流I随针尖半径a和电极间距d的增大而减小,随相邻针尖间距s的增大而增大,但当s≥40 mm时,相邻针尖的相互作用已很小,I几乎不变;d对火花击穿电压的影响较大,a对其的影响较小。由于电极结构的对称性,高压电极的极性对放电无明显的影响,正负电晕放电的伏安曲线和火花击穿电压均较为接近。将多针电极双极电晕放电电流I等效成电极间距为d/2的多针对板正、负电晕放电电流I1和I2相加,分析了I>I1+I2的原因,并推知其电离区内电子密度也有相应规律。     

针-板电极结构下三元混合绝缘油纸复合体系沿面放电特性研究

基于一种具有优良理化、电气性能的新型三元混合绝缘油,以矿物绝缘油纸复合体系为参比,在针-板电极结构下分析了三元混合绝缘油纸复合体系的沿面放电特性,并对两种绝缘油纸复合体系在针-板电极结构下的电场分布进行仿真;基于密度泛函理论,对天然酯分子和矿物绝缘油分子能带结构开展对比研究。结果表明:与矿物绝缘油纸复合体系相比,在沿面放电故障下,三元混合绝缘油纸复合体系具有更小的局部放电起始电压、闪络电压以及更大的最大放电量、放电脉冲数。两种绝缘油纸复合体系在针-板电极下的电场分布差异较小。三元混合绝缘油中棕榈油分子和大豆油分子的能隙均小于矿物油分子,因此在强电场作用下混合油分子更容易发生电离。     

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。     

SF6气体绝缘设备的放电特性研究

随着SF6气体绝缘设备在系统中的广泛应用,对其绝缘状态的监测、检验以及相应的缺陷类型识别,成为当前亟待解决的问题.通过建立缺陷模型,对SF6气体在不同状态下放电特性进行试验分析,得到了不同缺陷情况下SF6绝缘设备的放电类型特征参数,和特征气体组分.结果表明:典型特征气体可作为实际检测的比对标准,也可作为SF6气体绝缘设备故障诊断专家系统的数据资料.     

直流电压下尖板电晕放电及其声特性试验分析

为分析特高压输电线路电晕放电产生可听噪声的机理,开展了直流电压作用下单点电晕放电的试验分析,测量并分析了脉冲放电产生的声压信号及其特征。采用尖-板电极研究了单点直流电晕放电的幅频特性,获得了不同电压(0～35kV)、不同间隙(6～8cm)及不同极性下的放电电流波形及放电图片。研究表明,直流电晕放电由一系列单个的放电脉冲组成,脉冲上升沿与脉宽主要分别集中在10ns、30ns附近;单个放电脉冲的幅值、重复率随直流电压的增加而增加,放电重复性随直流电压的增加而变差,且放电有一定的随机性。根据尖板直流电晕放电的特点,搭建脉冲放电回路来模拟不同条件的电晕放电,以实现电晕放电参数的可控性。利用传声器在消声室测量了单次脉冲放电产生的可听噪声,初步获得了放电电压和声压之间的关联特征:随着放电电压增加,声压线性增加。     

针-板缺陷模型下局部放电量与SF6分解组分的关联特性

为了定量判断气体绝缘组合开关电器(GIS)内金属突出物缺陷所产生局部放电(PD)的严重程度,在自建的SF6放电分解实验平台上,用针-板缺陷模型产生PD使SF6发生放电分解形成特征组分,分别在不同电压等级下进行96h实验,采用气相色谱法对分解组分进行定量测定,同时用50Ω无感电阻检测PD量大小,深入研究了PD量与SF6气体分解组分之间的关联特性,结果表明,针-板缺陷PD下SF6分解可产生CF4、CO2、SO2F2、SOF2等组分,SO2F2和SOF2的体积分数及产气速率与每秒平均放电量Qsec关联性良好,SO2F2和SOF2的体积分数及产气均方速率随Qsec增大而增加,而(SOF2+SO2F2)与(CO2+CF4)的体积分数比值随Qsec近似呈线性增长,CF4与CO2以及SOF2与SO2F2的体积分数比值可作为较大Qsec的辅助判据,因此,可以通过SF6气体组分定量分析来判断GIS设备内部PD的程度。     

针-板电极下针尖曲率和铝箔尺寸对放电机理的影响

为研究电力设备中不均匀电场下的气体间隙击穿现象,通过搭建局部放电ns级放电电流测试系统,研究了针-板电极下针尖曲率半径和铝箔尺寸变化对放电特性的影响。在无铝箔覆盖时,随着针尖曲率半径的增大,电流脉冲幅值增大,其上升沿、下降沿和脉宽都减小。正极性放电电流幅值大于负极性放电电流,其电流脉冲上升沿和下降沿都要小于负极性放电,这可以用流注理论很好地进行解释。随着铝箔面积的增大,电流脉冲幅值和上升沿都减小,下降沿和脉宽增大。然而负极性脉冲上升沿在铝箔直径为5mm时出现最小值。当介质表面有铝箔覆盖,针尖曲率较小时,放电情形类似于无铝箔覆盖的情况;而当针尖曲率较大时,负极性脉宽小于正极性脉宽,其电流幅值大于正极性脉冲。由此推测,在针尖曲率较大铝箔覆盖时放电机理发生了改变,产生了不同于流注放电的另一种放电。     

脉冲气体开关用SF6混合气体放电特性的研究

脉冲功率技术在大功率激光、Z箍缩、高功率微波和材料合成等领域均有非常广泛的应用,气体开关是脉冲功率装置中关键元件之一.为了获得开关间隙中不同气体电介质时开关工作性能、开关寿命等的变化规律,笔者针对一种典型结构的场畸变气体开关,采用工程中常用的正负充压回路方式,通过改变SF6/N2、SF6/Ar混合比、气压和电极间距等实...     

工频交流电晕放电下SF_6气体分解物形成的影响因素

六氟化硫(SF6)作为一种理想的绝缘和灭弧气体广泛应用于气体绝缘电力设备。以往的研究和运行经验表明SF6气体分解物与电力设备的绝缘状态有密切的关联。因此,分析SF6气体分解物是监测气体绝缘电力设备绝缘状态的有效手段之一。本文用针-板电极模型模拟SF6气体中的工频交流电晕放电,以色谱-质谱法作为检测手段,研究不同影响因素下工频交流电晕放电中SF6气体分解组分的形成规律,如持续施加电压、放电时间、气体压力、电极间距等,分析影响因素对SF6气体分解物形成的作用规律。