正极性雷电冲击电压下空间电荷电场测量研究

很多绝缘问题本质上都与电场相关,电场测量是高电压领域的重要研究手段。空间电荷导致电场畸变是流注理论的基础,因此定量测量空间电荷的泊松电场对于研究空气间隙的放电机制有重要意义。利用光电集成电场传感器测量了1m棒–板间隙未发生放电条件下各点的轴向电场,并与数值仿真结果进行对比,验证了电场传感器进行定量测量的可靠性;对3种电极条件下1m棒–板间隙空间电荷区域外部轴线上各点的电场时域波形进行测量,将空间电荷形成的泊松电场与外加电压形成的拉普拉斯电场分开,定量测量了不同电压幅值下、不同空间位置的泊松电场幅值与变化规律。研究结果为建立并验证空间电荷模型奠定了基础。     

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。     

基于电荷累积的棒-板间隙流注放电过程仿真

棒-板间隙放电过程的建模与仿真对于长空气间隙放电机理研究及特高压输电工程的外绝缘设计具有重要意义。为此建立了棒-板间隙动态流注分形发展模型,在已有的分形流注模型的基础上,提出了基于动态边界修正的电场计算方法以及基于电荷累积的时间参数求取方法。通过对间隙空间进行网格剖分,求解电场分布方程与电荷累积方程,得出间隙电场变化以及流注步进式发展的时间及动态电荷累积。本模型针对流注起始、流注发展、放电结束和电荷累积等过程进行了建模,并运用模型对于不同电压幅值(230 k V、590 k V)1 m棒-板间隙雷电冲击(2.0/50μs)流注放电过程进行了仿真,并和试验结果进行了对比分析。结果表明,雷电冲击电压为230 k V时,流注发展长度约为20 cm,流注发展时间为5.02μs,流注发展平均速度为3.98×104 m/s,流注通道电荷累积总量达到23.2μC;雷电冲击电压为590 k V时,1 m棒-板间隙被击穿,流注发展时间为9.92μs,流注发展平均速度为1.01×105 m/s,击穿前其速度达到1.60×105 m/s,整个击穿过程流注电荷累积总量为258.3μC。新的模型在放电通道长度变化,放电过程电场波形,流注发展过程电荷粒子的累积等方面均与试验结果基本一致,具有一定合理性。     

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。     

正极性操作冲击下球–板长间隙流注–先导转化模型

流注–先导转化是长空气间隙放电发展过程中最为重要的能量转化节点,针对换流站阀厅中大量存在的由屏蔽球和周围接地体组成的球–板长空气间隙类型,研究其流注–先导转化过程及机理具有重要的学术意义和工程价值。该文开展正极性标准操作冲击下球–板长间隙放电试验,利用光电联合检测系统采集放电过程瞬时光功率和电场强度等光电信息,测量流注–先导转化实测时长ta,对比由经典Gallimberti流注–先导转化模型获得的计算时长ts,发现经典模型适用于仅生成单根流注茎且注入电荷量较少的小尺寸电极放电分析;搭建考虑流注放电对流扩散和流注茎形态特征的流注–先导转化修正模型,依据电场跃升计算初始流注注入电荷量Qz和放电电流Iz,确定流注茎根数n和流注茎半径r,仿真获得流注–先导转化修正时长tsz,并与实测时长ta和计算时长ts进行对比。分析结果表明,考虑大直径电极流注茎根数及初始流注注入电荷量增多影响的流注–先导转化修正模型能显著提高计算精度。该文研究成果为今后建立更加完善的球–板长空气间隙放电先导起始模型奠定了基础。     

短空气间隙放电流注分叉特性实验研究

短间隙流注放电通道在发展过程中产生的流注分叉现象能使放电所输出的能量和产生的活性物质分布更加均匀。为此,研究了短空气放电间隙长度和电极形状对流注分叉的影响。使用输出电压峰值为52 kV,电压上升时间约35 ns的脉冲电源分别对间隙长度≤5 cm的针–板、针–棒间隙进行放电,实验测试了不同间隙长度下流注的分叉特性。实验结果表明:间隙长度大于某一值(针–板间隙为3.5 cm,针–棒间隙为3 cm)时,观察到的流注分叉数目和分叉的发光强度随着间隙长度的增大而减少;而当间隙长度小于该值时,所拍摄的放电照片中流注通道很宽而且明亮,且很少有分叉。另外,相对于针–板间隙而言,在针–棒间隙中分叉的流注更容易向棒电极两端运动,产生重连接现象的概率更高。     

含毛刺缺陷的球-板长空气间隙流注放电特性

换流站阀厅均压屏蔽球表面的毛刺缺陷会对其放电特性产生较大影响,为此搭建以光电倍增管、光电集成电场传感器为主要检测手段的光电联合测量系统,分别开展3 m棒-板、球-板、带毛刺球-板长空气间隙的正极性操作冲击放电试验,获得了放电发展瞬时光功率及空间电场信号。试验结果表明:3种间隙结构的初始流注起始时延、初始流注场强跃升幅值、畸变电场恢复时间等放电过程特征参数有较大差异。以球-板间隙为基准,棒-板间隙的上述3个参数降低幅度最为明显,而当球表面存在3 mm微小毛刺时,上述参数值分别降低了33.4%、68.7%、68.8%,并且与棒–板间隙参数值相近,表明毛刺的存在很大程度上改变球-板间隙的放电特性,因此应严格控制均压屏蔽球表面加工和安装工艺,避免毛刺及其他缺陷产生。该研究成果对于加深长间隙放电过程机理认识、提升间隙绝缘性能具有重要意义。     

正极性上行先导特性的模拟试验方法

开展负极性雷电地闪过程中地面物体正极性上行先导特性的模拟试验研究是完善雷电屏蔽分析模型的基础,选择正确的模拟试验方法十分必要。分析了采用棒–棒、棒–板及板–棒等典型放电间隙结构的模拟试验方法的电场特征,研究了各种方法获得的正极性先导特性,并通过与自然雷电下的电场特征及上行先导特性进行对比,评价了各模拟试验方法的等价性。结果表明:采用棒–棒间隙和棒–板间隙无法模拟自然雷电下地面物体附近的电场空间分布特性;采用板–棒间隙可以模拟自然雷电下地面物体附近的电场空间分布特性,但传统的冲击电压发生器无法产生与自然雷电下行先导趋近地面过程中电场时变规律相同的冲击电压。因此,提出了研发一种基于电力电子技术、能够模拟自然雷电下电场时变规律的高压任意波形发生器,并结合板–棒间隙结构,形成正确有效的正极性上行先导特性模拟试验方法。     

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。     

组合空气间隙放电路径选择性试验

为了研究空气间隙放电路径发展的分散性和随机性,分别对棒–棒间隙、棒–双棒组合间隙击穿特性,放电路径选择特性及放电路径发展随机特性开展研究。试验中考虑了下棒电极头部形状和下棒电极布置方式的影响,并通过静电场仿真计算分析间隙电场不均匀系数对50%放电电压的影响,以及下棒电极头部周围静电场强度对放电路径选择特性的影响;同时采用图像处理技术计算了电极表面放电初始发展角θ,以表征高压棒电极表面放电发展随机特性。试验和仿真结果表明:间隙距离为0.4~1.2 m时,间隙电场不均匀系数越大,间隙50%放电电压越低。间隙距离相同情况下,下棒电极头部曲率越大,头部周围场强越大,越容易产生迎面流注,则被击中的概率越大;间隙距离对放电路径选择性有影响,下棒电极头部形状相同的情况下,间隙距离越小,该间隙下棒电极头部周围电场强度越大,越容易产生上行流注,则被击中的概率越大。空气间隙距离增大会减少下棒电极对高压棒电极放电初始发展方向的约束力,高压棒电极头部表面下行流注的发展方向随机性增强。     

非均匀电场测量系统的研究与设计

当输电线路跨越民房或蔬菜大棚等时,下方电场因复杂环境的畸变作用而分布不均,敏感点内狭小区域电场的准确测量成为电磁环境研究的关键问题.目前,国内对非均匀电场测量原理和系统研究较少,文中结合现有系统测量原理和方法,通过球形和盒形两种测量系统对电场的影响结果分析,设计了球面上三对沿X、Y、Z轴相互垂直排布的用于狭小空间测量的非均匀电场测量系统,结合悬浮体电场测量原理分析非均匀电场值计算方法,仿真验证了非均匀电场测量误差在10％以内.测量系统实际测量误差在8％以内,从而有效的验证了小尺寸测量系统可有效测量非均匀电场.     

基于Kerr电光效应的变压器油中直流电场测量系统

在直流电场下油纸绝缘系统中,空间电荷的存在会对系统的绝缘性能造成影响。通过实时测量得到绝缘系统中的电场分布和电荷分布具有重要意义。Kerr电光效应法因不会对绝缘系统中电场分布造成影响而得到很多研究者的关注。由于实验系统中包含较复杂的光学器件及微弱信号检测单元,其实现具有一定的难度。文章采用光电二极管作为光接收器件,采用一种交流电压调制方法,结合锁相放大器实现了对微弱信号的检测;通过检测输出光强中直流和所施加的交流信号分量,计算得到了待测直流电场的数值。试验结果表明该系统具有较好的线性度。     

直流输电线路下地面合成电场的无线同步测量系统研究

受电晕放电及环境气候的影响,直流输电线路下的地面合成电场大小会在一定范围内随机变化,研制方便、有效的地面合成电场同步测量系统对直流线路电磁环境研究和评价具有重要意义。研制了基于ZigBee的地面合成电场分布式无线测量系统。分析了无线测量网络的节点构成和组网过程,重点分析了基于同步广播报文的节点时间同步方法和基于改进时分多址接入(time division multiple access,TDMA)机制的数据传输协议,其以很小的算法开销和能量开销实现了电场数据的同步采集与可靠传输。现场测量试验证明:该电场测量系统操作方便,测量结果能准确反映地面合成电场的实际分布情况。     

静电放电近区辐射电场的时域测试与实验分析

为研究静电放电近区辐射电场的时域测试技术及其时频域特征,利用2种不同的测试方法分别对接触式和空气式静电放电(ESD)产生的近区辐射电场进行了测试,并对实测结果进行了对比分析。结果表明,具有微分特性的测试系统对ESD辐射电场信号中的低频分量衰减严重,使得其实测波形中的频谱能量主要分布在较高频段,在时域上表现为单个或一系列尖脉冲形式,且其幅值与被测辐射场的幅值及其前沿上升/下降时间均有关,由此得到的分析结果无法真实反映被测辐射场的时频域特征;而自行研制的光纤传输式瞬态电场测试系统对ESD辐射电场中的大部分频率分量均具有自积分特性,利用该测试方法实测得到的ESD辐射电场时域波形能直接反映其时、频域特征,更适合用于ESD辐射电场的时域测试。     

平行板型三维脉冲电场传感器的研制

宽频带传感器是脉冲电磁场测量的关键设备之一,目前用于脉冲电场测量的传感器大都是单极化形式,只能测量半空间、单极化方向上的电场。为此,研制了一种可用于脉冲电场测量的三维平行板型结构传感器,它由三维电场天线和光发射机组成,与相应的光纤传输系统配合,可以对三维脉冲电场进行同时、全空间测量。应用FDTD法对三维电场测量天线模型进行了数值模拟,重点分析了三维天线的极间耦合、三维场分量的合成与频率特性。计算结果表明,平行板型三维电场天线可以满足脉冲电场测量要求。根据数值模拟的结果实际制作了三维电场传感器并对该传感器进行了实验验证。测量结果表明,该三维电场传感器的性能达到了设计要求。     

数字式无线工频电场测量仪的研制

有源电场探头在高压电场测量中应用广泛.笔者说明了球形和柱形有源电场探头的测量原理,计算了圆柱形探头对电场的畸变,并介绍了一种有源无线数字式工频电场测量系统.该系统所用的圆柱形探头尺寸小(Φ=26 mm,H=13 mm),通过2.4 GHz无线信号通讯,可在计算机或手机屏幕上直接读出被测点的场强值,并可看到被测点电场的波...     

特高压真型塔操作冲击放电电场测量

鉴于研究长空气间隙放电特性对于发展特高压输电技术具有重要意义,开发了光电集成电场传感器,并建立了双通道的电场测量系统。利用球板间隙冲击电场对测量系统进行了校验,并且用冲击信号均匀电场考察了测量系统的时域波形性能,证明了测量系统对电力系统的冲击信号具有较小的误差和良好的时域特性。利用该系统在特高压真型酒杯塔中相塔窗内开展了操作波放电电场测量实验,得到了电场峰值和波形,并与计算值进行了对比,分析了电晕、流注和先导等因素的影响。实验结果表明,光电集成电场测量系统可以用于特高压长空气间隙放电的研究工作。     

光电集成强电场测量系统及其应用研究

为研发高性能强电场测量系统,在分析高压电场测量的特殊要求后,介绍了光电电场测量系统的基本原理、最新进展及其在高压测量领域的优势。通过对光电集成电场测量系统及传感器体系结构、关键参数的分析,研制了一种光电集成强电场传感器并测量它的输入输出特性。用研制的测量系统测量棒板间隙击穿过程冲击电场与复合绝缘子工频场,证明光电集成电场测量系统在高压测量研究领域的广阔应用前景。     

基于有限元仿真和微分进化算法的电场测量仪支架优化

首先通过实验分析研究了测量仪支架结构、环境湿度、支架材质对工频电场测量误差的影响;然后通过有限元仿真计算软件搭建了高压输电线路测量仿真模型,对高压工频电场环境及测量仪支架介入后的畸变电场进行仿真计算,并利用大量仿真结果建立了基于BP神经网络的电场测量误差预测模型;最后采用分子微分进化算法以测量误差最小化为目标对测量支架结构参数进行优化求解。研究结果表明,所优化设计得到的新型电场测量仪支架可有效减小测量误差和增强对湿度环境的适应性。