直流电压下聚合物表面电荷测量方法及积聚特性

固体绝缘介质表面电荷积聚现象是研发高压直流气体绝缘装置的重要考虑因素,这些积聚的表面电荷会导致绝缘介质局部电场畸变,大大降低装置的绝缘水平。因此,研究直流电压下聚合物表面电荷积聚现象具有重要意义,如何实现对绝缘子表面电荷分布进行准确的测量,成为该领域一个重要的课题。针对这一问题,采用静电探头法测量缩比气体绝缘输电线路(gas-insulated line,GIL)中圆锥绝缘子的表面电位,研究针对这种"平移改变"系统的表面电荷的反演计算方法。研究采用数值模拟的方法获得了从电荷到电位的传递函数矩阵,应用了基于维纳滤波的数字图像处理技术,对传递函数矩阵的病态特性进行了改善,大大降低了系统噪声,提高了反演计算的稳定性。研究分析了测量结果的空间分辨率和计算精度,发现该系统的空间分辨率可以达到1.8mm。采用该算法,分别研究了空气和SF6中直流电压下绝缘子表面电荷的积聚情况,发现绝缘子表面电荷呈均匀分布的"基本模式"和随机分布的"电荷斑"两种模式。"基本模式"的极性与所加电压极性相同,表明固体侧体电流是电荷积聚的主要来源。     

圆台形绝缘子的表面电荷密度反演算法

直流气体绝缘输电线路(GIL)中盆式绝缘子的表面电荷是诱发沿面闪络的重要原因,如何准确地测量和计算表面电荷分布仍然是一个重要的研究课题。基于多点测量技术,研究了绝缘子表面电荷密度和电场分布的反演计算方法,评估了测量系统的空间分辨率,并在计算中考虑了静电探头的影响。采用信噪比(SNR)和峰值均方根误差(PMSE)估计了该反演方法的准确度。在0.1 MPa SF6气体中,采用静电探头法测量了直流电压下金属微粒附着的缩比盆式绝缘子的表面电位分布,并计算得到了绝缘子表面电荷密度分布。结果表明,电荷密度分布图中可以清晰地发现金属微粒的位置,算法的空间分辨率和电荷分辨率分别为2.0mm和0.95p C/(mm~2·mV)。电荷密度分布和电位分布存在较大差异,电位分布不能用来代替实际的电荷密度分布。该算法可应用于旋转对称结构绝缘材料的表面电荷密度计算,可为直流GIL绝缘子表面电荷分布特性研究提供理论指导。     

基于表面电位测量的表面电荷反演计算

目前无法直接测量得到表面电荷分布,而必须根据测量结果进行复杂的表面电荷反演计算。为此,对表面电荷反演计算方法进行了研究。基于绝缘子表面电位测量,对日本学者Ootera等人提出的表面电荷反演计算方法进行了改进,将原先的对关联矩阵2次求逆简化为1次求逆。使用改进后算法,以直流电压下空气和SF6气体中盆式绝缘子表面电位的测量结果为算例,计算得到的自由电荷面密度空间分布与改进前算法的结果一致。与改进前算法相比,改进后算法进一步得到了绝缘子表面视在电荷与极化电荷的面密度分布,并发现同一气体环境下自由电荷与视在电荷面密度峰值有明显差异,空气中相差370pC/cm2,SF6气体中相差530pC/cm2。     

表面电荷对典型聚合物绝缘材料直流闪络电压的影响

积聚在聚合物绝缘材料上的表面电荷是导致电场畸变、诱发沿面闪络的重要原因。研究表面电荷对聚合物绝缘材料沿面闪络电压的影响,对于保障电气设备的绝缘安全具有重要意义。选取聚四氟乙烯、环氧树脂和硅橡胶为试样,通过针–板电极向试样表面注入电荷,采用静电电位计测量表面电荷密度,分析表面电荷积聚、衰减特性。测量有、无表面电荷及电荷衰减过程中不同时刻的直流闪络电压,计算表面电荷对闪络电压的静态和动态影响指数Lindex和Sindex,评估表面电荷对闪络电压的影响。结果表明:充电完成时表面电荷对各材料闪络电压的影响程度为:环氧树脂硅橡胶聚四氟乙烯;表面电荷衰减期间其对各材料闪络电压的影响程度为:硅橡胶环氧树脂聚四氟乙烯。     

电容探头法测量绝缘子表面电荷的标度算法

气体绝缘开关装置中,表面电荷积聚会降低绝缘子的沿面闪络电压。为了改善气体绝缘开关装置的绝缘设计,需要对绝缘子表面电荷分布进行准确测量。采用传统的标度方法无法准确的求得绝缘子表面电荷密度。目前可能的解决办法有两种:①结合电场数值计算理论进行多点标度;②采用二维傅立叶变换及数字图像处理技术来解决该问题。通过对两种标度算法的综述及分析比较,认为第①种标度算法可以实现对任意结构的绝缘子表面电荷分布进行标度,但存在标度耗时过长的缺点;而第②种标度算法可以极大地缩短标度计算耗时,但其应用条件比较苛刻。但相对于传统的标度方法,这两种标度方法能较为准确的求出绝缘子表面电荷的分布。     

基于图像复原技术与约束最小二乘方滤波器的绝缘子表面电荷反演算法

该文借鉴图像复原技术的处理手段,提出一种针对平移不变系统的绝缘子表面电荷反演算法.通过二维傅里叶变换将电位-电荷间的矩阵运算转换至频域,并利用约束最小二乘方(CLS)滤波器抑制噪声干扰,进而实现了表面电位分布到表面电荷密度分布的推导.进一步,结合仿真算例讨论该算法的实现流程与计算精度,并与常见的维纳滤波法和模拟电荷法的计算结果进行对比;通过引入偏差系数定量分析不同算法对目标信号的复原能力与对噪声信号的抗干扰能力.最后,综合表面电位测量实验与粉尘图法验证算法的有效性.结果表明,该文所述CLS-filter算法能有效滤除测量过程中引入的噪声信号,提升电荷反演稳定性,且在高等级噪声干扰下的计算精度显著优于现有算法.该算法所得电荷分布与粉尘图谱较为吻合,计算结果具备一定的准确性与可靠性.     

GIS中绝缘子表面电荷积聚的观测与分析

在高电压绝缘研究领域,绝缘子表面电荷的测量属于静电测量的范畴,不能用常规的仪器仪表进行测量,特别是在真空或SF6气体等特殊环境中。为了能准确地反映绝缘子表面的带电情况,采用反馈式静电计及其相应的静电探头,对积聚在绝缘子表面的电荷进行了研究,发现电荷量随着施加电压幅值的不同而不同。利用有限元分析软件对相同结构的绝缘子进行了电场计算,与测量结果对比分析表明,绝缘子表面的法向场强分量是气-固交界面处引起表面电荷积聚的根本原因。     

基于静电探头法的表面电荷密度分布及电场分布的改进反演算法研究

积聚在绝缘材料表面的电荷会畸变电场并降低绝缘水平,因此表面电荷积聚现象引起越来越广泛的关注。该文首先讨论了表面电荷密度分布与静电探头输出电位之间的关系,进而提出一种根据输出电位分布反演计算表面电荷密度和电场分布的改进反演算法。该算法利用二维离散傅里叶变换(2D-DFT)将时域中的卷积运算转化为频域中的乘积运算,大大减小了计算量。考虑了测量过程中静电探头对表面电位的影响,并采用维纳滤波技术减小噪声信号的影响。此外研究了电荷分布半径对噪声抑制以及算法精确度的影响,并评估了测量系统的空间分辨率以及算法的计算准确度。利用改进算法计算了雷电冲击电压下PMMA样品的表面电荷密度以及表面电场。结果表明:计算得到的电荷密度与电场分布具有良好的分辨率,当静电探头与材料表面间距1mm时,该测量系统分辨率达到0.3341mm,均方误差峰值仅为0.23%;减小网格单元的大小可以有效地抑制噪声干扰,对于提高算法精度具有重要作用。因此,该改进反演算法具有良好的分辨率和准确度,可准确计算绝缘材料表面积聚的电荷密度及电场分布。     

直流电压下环氧绝缘材料电气性能对电荷积聚的影响

为研究环氧绝缘材料电荷积聚过程的影响因素,减少材料表面电荷积聚效应,采用高阻计对直流电压下环氧绝缘材料不同时间点的体积电阻率和表面电阻率等关键电气性能进行测量,并采用直流试验装置,借助电容探头法进行直流高压下的表面电荷测量。通过相关理论研究,获得了环氧绝缘材料电阻率随直流电压作用时间的关系,建立了环氧绝缘材料电气性能与电荷积聚的关系,并明确了环氧绝缘材料电气性能的改进措施,对于减少直流电压下,环氧绝缘材料的表面电荷积聚,提高输变电设备直流绝缘子运行可靠性具有实际意义。     

直流电压下气固交界面表面电荷积聚现象的实验分析

为了研究直流电压下气体绝缘设备中气固交界面的表面电荷积聚现象,采用电容探头法对施加了直流电压后的盆式绝缘子进行了表面电位的测量,并通过数值计算得到了不同电压幅值和电压极性下的表面电荷分布.实验结果表明,整个系统中的最大场强未达到空气的起始放电场强时,绝缘子表面没有明显的电荷积聚.而当最大场强超过空气的起始放电场强时,电...     

真空环境下介质表面电荷分布的测量方法

对比分析了真空中介质表面电荷分布测量中三类较实用的方法:表面电位法、静电容探头法、普克尔斯效应反射法,阐述了真空中介质表面电荷测量方法的研究新成果,最后提出了这一领域留待解决的新问题。     

Dynamic observation of needle-plane surface-discharge using theelectro-optical Pockels effect

Dynamic observation of surface charge distribution is the main advantage of the electro-optical Pockels effect technique over the dust figure technique, the photographic Lichtenberg figure technique, and the static potential probe scanning method. This technique is demonstrated here to observe the surface charge distribution deposited by partial discharge during application of one period of an 8 kV sinusoidal voltage to a needle-dielectric plane electrode system with zero gap spacing. Polarity effect and backdischarge are prominent in ac surface discharges. The observed polarity effect in the charge pattern shows that if the dielectric surface is initially free of surface charge, positive `streamer' channels burst out intermittently and radially from the needle tip resulting in a spoke-like surface charge distribution, while negative streamers expand almost uniformly in all radial directions resulting in a nearly circular surface charge distribution. This behavior results in quasi-permanent positive surface charges. Residual negative surface charge from prior discharges has a considerable influence on the trajectory of subsequent positive streamer discharges, i.e. causing deviation of positive streamer channels from the radial direction; whereas residual positive surface charge has little influence on the radial development of surface charge from subsequent negative discharges. This measurement technique has a potential for widespread application in investigating the dynamics of surface charging phenomena     

Acoustic and optical methods for measuring electric chargedistributions in dielectrics

Much progress had been made during the last two decades in acoustic and optical methods for measuring charge distributions in dielectrics. A review on this topic is given, which mainly covers the past research activities associated with that at our laboratory. For acoustic methods, we will discuss and compare the pulsed electroacoustic (PEA) and pressure wave propagation (PWP) methods and present some of the results that enabled us to gain physical insights into the charge dynamics within solid plate samples and coaxial cables. For optical methods, we will discuss the Pockels effect technique that is used for the dynamic measurement of surface charge distributions, and the Kerr effect technique that is developed for measuring electric field distributions within liquid dielectrics     

Resolution and signal processing technique of surface charge density measurement with electrostatic probe

When an electrostatic probe is used to measure the surface charge on an insulating plate of constant thickness, the measuring system is regarded a shift-invariant system and the relation between the surface charge density and the probe output can be treated in the spatial frequency domain. The distribution of the surface charge density on an insulating plate just after occurrence of a surface discharge is measured by a Pockels probe, which is regarded as a kind of electrostatic probe without the guard electrode, and restored by Wiener inverse filter. The performance of a Pockels probe and a conventional electrostatic probe are compared quantitatively in terms of the spatial resolution. In the case that the measured object is 3 mm thickness PMMA plate and is charged up to 10 nC/cm/sup 2/ in atmospheric air, it is estimated that the spatial resolution of the Pockels probe with 0.2 mm gap is 1.5 mm and that of the conventional electrostatic probe with the grounded guard electrode with 3 mm gap is 2.2 mm.     

固体绝缘材料空间及表面电荷测量方法

积聚电荷的测量对于研究高压绝缘材料介电及绝缘性能方面起着相当重要的作用。近年来,国内外学者对固体绝缘材料内部及表面电荷测量方法进行了大量的研究,并取得了一些有意义的进展。本文对积聚在固体绝缘介质中的空间电荷和表面电荷的测量方法以及需要解决的问题进行综述。     

高压直流绝缘材料表面电荷积聚研究进展

随着直流输电技术的发展,直流气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)因其具有占地面积小、可靠性高、维护少等优点已得到越来越多的关注。相比交流GIS,直流GIS盆式绝缘子存在严重的表面电荷积聚问题,导致其沿面闪络特性下降,制约着直流GIS的工程应用。目前关于高压直流下绝缘材料表面电荷积聚特性及抑制措施的研究已成为国际上的热点,本文对此进行系统性的综述,包括:表面电荷测试的常用技术和电荷反演算法,表面电荷的积聚途径及相应来源,表面电荷积聚的仿真模型,表面电荷积聚的影响因素及调控措施。最后,对表面电荷积聚下一步的研究工作给出了建议。     

基于普克尔效应光学电压互感器的研究现状与设计

介绍了基于普克尔效应光学电压互感器的基本原理,分析比较了几种常见的基于普克尔效应的光学电压互感器传感头的结构;介绍了基于普克尔效应的光学电压互感器的国内外发展现状;设计了一种基于普克尔效应的横向调制反射式光学高压互感器。     

极性反转电压下非线性电导硅橡胶复合材料电荷积聚特性

直流电缆附件是直流输电系统的薄弱环节,为研究非线性电导对极性反转电压下电缆附件硅橡胶绝缘电荷积聚特性的影响,通过添加SiC颗粒制备具有非线性电导的硅橡胶复合材料试样,利用三电极法和表面电位测量系统获得试样的电导率和表面电荷特性。实验结果表明：由于试样中SiC晶粒的晶格振动引起载流子晶格散射,高温会造成试样电导率降低;试样表面电荷平面分布特性表明,电晕电压极性反转后,平板试样内部残留的原极性电荷与表面的异极性电荷提高了局部电场强度,使试样的电导率升高,加速了表面电荷向试样内部迁移和异极性电荷中和过程,抑制了表面电荷的积聚。     

极性反转电压下非线性电导硅橡胶复合材料电荷积聚特性

直流电缆附件是直流输电系统的薄弱环节,为研究非线性电导对极性反转电压下电缆附件硅橡胶绝缘电荷积聚特性的影响,通过添加SiC颗粒制备具有非线性电导的硅橡胶复合材料试样,利用三电极法和表面电位测量系统获得试样的电导率和表面电荷特性。实验结果表明：由于试样中SiC晶粒的晶格振动引起载流子晶格散射,高温会造成试样电导率降低;试样表面电荷平面分布特性表明,电晕电压极性反转后,平板试样内部残留的原极性电荷与表面的异极性电荷提高了局部电场强度,使试样的电导率升高,加速了表面电荷向试样内部迁移和异极性电荷中和过程,抑制了表面电荷的积聚。     

全尺寸直流电缆脉冲电声法（PEA）空间电荷测量系统设计及声信号衰减与色散补偿

脉冲电声法（PEA）空间电荷测量是交联聚乙烯（XLPE）绝缘直流电缆材料选型与评价的主要技术手段,被广泛应用于直流电缆薄膜试样。但应用该方法测量厚尺寸平板试样和大尺寸同轴试样以研究材料体效应对空间电荷的影响时,声波信号在材料中传播时的衰减与色散将直接影响电荷密度测量的精度和空间分辨率。提出了在空间电荷校准过程中利用理论计算直流电场的方法确定内外电极表面的电容电荷密度,然后计算确定在绝缘介质中传播的脉冲声波信号传递函数（该函数含有衰减和色散系数）,再对原始信号进行反卷积分运算以去除系统响应。在频域利用测量信号乘以传递函数获得脉冲声波信号经过衰减、色散恢复后的信号,从而保证大尺寸直流电缆试样测量中电荷密度及空间分辨率的测量精度。同时,设计了全尺寸直流电缆空间电荷测量系统,并在LabVIEW环境下开发了数据采集与处理系统。