基于电流积分技术的XLPE绝缘动态电荷行为和高场电导特性

为研究交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘在不同电场下的动态电荷行为以及高场电导特性,介绍了基于电流积分电荷新技术的测试原理和系统搭建方法。测试结果表明,不同场强下的电荷动态(q(t))变化可以揭示XLPE绝缘介质的瞬时充电电流、吸收电流和传导电流特性。根据瞬时充电电荷q0计算获得XLPE绝缘介质的静态相对介电常数为2.2;通过对动态电荷变化微分可获得绝缘高场电导特性。高场电导结果表明XLPE欧姆区电导率为3.79×10–15S/m,高场电导曲线评估的XLPE电荷注入阈值场强约为10k V/mm。这些结果都与文献报道一致,验证了电流积分电荷测试的准确性和有效性。此外,对比了采用PEA的XLPE空间电荷分布测试结果,发现其电荷随电场增加与q(t)方法测试结果趋势一致,且电流积分电荷技术具有测试灵敏度高和测试温度范围宽的优势。最后,采用电流积分电荷技术测试分析了不同水树枝老化整体电缆(6.6 kV)绝缘的电荷积聚特性,通过电荷积聚量变化可评估整体电缆绝缘老化状态。     

界面电荷注入与积聚行为对直流GIS/GIL绝缘子沿面电场的影响分析

气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)和气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metalenclosed transmission line,GIL)运行电流大,设备内部存在明显的温度梯度分布,造成高压电极附近电荷的注入与迁移加剧,导致绝缘子内空间及表面电荷的积聚,畸变电场,容易诱发沿面闪络故障。为此文中建立了电—热耦合应力下直流盆式绝缘子内的电荷注入与积聚模型,研究了考虑电荷注入和迁移特性的绝缘子空间电荷及表面电荷积聚情况,并分析了不同负载电流下绝缘子沿面电场分布规律。研究结果表明:温度梯度下,导体—绝缘界面电荷注入会造成绝缘子内部同极性空间电荷的积聚,并且空间电荷积聚密度会随着负载电流的增大而增大;空间电荷的积聚会减弱高压电极附近电场强度,增强绝缘子凸侧表面法向电场强度,加剧表面电荷的积聚;空间及表面电荷的积聚会使绝缘子表面电势上升,导致接地电极附近电势差增大,电场强度显著增大,地电极三结合点处的场强由空载条件下的1.71 kV/mm增长为额定电流作用下的3.47 kV/mm,增加了103%。该研究结果有助于理解温度梯度下直流绝缘子表面电场畸变机理,并对直流绝缘子的优化设计和安全运行有一定的参考价值。     

高压直流电缆附件XLPE/SIR材料特性及界面电荷积聚对电场分布的影响

双层绝缘介质界面电荷积聚是导致高压直流电缆附件界面放电的重要原因.该文测量分析交联聚乙烯(XLPE)和硅橡胶(SIR)两种介质的介电性能、电导特性和导热特性;通过建立高压直流附件电-热仿真模型,研究不同温度下XLPE/SIR界面电荷积聚特性及局部电场畸变引起的附件内部电场变化规律.实验结果表明,室温下SIR的电导率略高于XLPE材料,随着温度的升高,XLPE的电导率增加较为明显,而SIR的电导率增加则相对缓慢,高温下两种介质电导率不匹配是导致界面电荷积聚的重要原因.室温下XLPE/SIR界面积聚负电荷面密度约为3.42×10?4C/m2,这部分电荷会增强电缆主绝缘电场,削弱应力锥根部电场畸变,主绝缘电场增加约36％,应力锥根部电场畸变下降约62％.当温度超过约36℃时,XLPE/SIR界面开始积聚正电荷,随着温度的升高,开始出现极性反转现象,造成应力锥根部局部电场畸变加重,70℃时最大畸变电场达到12kV/mm.     

交直流电场下油纸绝缘中的空间电荷积累特性

换流变压器阀侧绕组需承受交直流复合电场，研究油纸绝缘在复合电场下的电荷输运行为是掌握工况环境下的电场分布进而提高绝缘可靠性的必经之路。对不同老化程度油纸绝缘试样进行直流、正弦及交直流复合电场下的空间电荷检测，通过对比复合场与单一场下的电荷分布，分析不同类型电场分量承担的作用，并考虑非均一介质的局域态特性，研究空间电荷积累机制。结果表明：交流电场下存在电荷迟滞现象，材料本身的性质差异导致电荷注入和电荷迟滞在空间电荷分布中的贡献程度不同。交流电场下电荷积累量随外施电场频率变化，其本质上是电场频率对不同迁移率的载流子的筛选结果。复合电场下直流分量作用于电荷的定向迁移作用与交流分量的电荷迟滞作用在电荷分布中均有体现，交流分量频率上升使得电荷积累量上升。油纸绝缘在复合电场下的电荷积累特性研究为进一步探究实际工况下的绝缘老化机理提供支撑。     

采用优化模拟电荷法的三维电场计算

主要研究了采用遗传算法(GA)与模拟电荷法(CSM)相结合进行电器三维电场的数值计算,在对传统CSM方法深入研究及分析的基础上,采用GA作为优化方法对模拟电荷量及其几何位置进行优化求解,达到以较少的模拟电荷进行较高精度三维电场的数值求解,并运用此原理对球-板电极、球棒-板电极结构及冲击发生器的三维电场进行实例计算,证实其可行性及实用性。     

低密度聚乙烯/乙丙橡胶双层介质的界面空间电荷特性EI北大核心CSCD

多层介质复合绝缘结构的物理界面往往比介质本体更容易积累空间电荷,进而发生绝缘劣化,因此被认为是绝缘当中的薄弱点。通过对低密度聚乙烯/乙丙橡胶双层介质的高场电导特性和空间电荷分布测试,分析了界面空间电荷的形成机制和影响因素。结果表明:低密度聚乙烯/乙丙橡胶双层介质的界面空间电荷由Maxwell-Wagner(M-W)极化引起的极化电荷和阴极注入的电子电荷共同组成。由于低密度聚乙烯和乙丙橡胶的电导率的电场依赖性不同,导致界面极化电荷的极性和电荷量均随外施电场的升高而变化;阴极注入的电子在外施电场的作用下向阳极迁移,通过界面进入乙丙橡胶中后被其表面的深陷阱捕获,形成负极性界面电荷的积累,导致实际的界面空间电荷特性偏离M-W极化模型的计算值。     

切向电场主导下C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中环氧复合材料表面电荷积聚特性及机理研究北大核心CSCD

气固界面的电荷积聚问题是诱发沿面闪络的重要原因,而当前C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中电荷积聚特性的相关研究还不够充分。为研究C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中表面电荷积聚特性及机理,本文通过指型电极构建极不均匀电场,测量了环氧复合材料在C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中的表面电荷分布特性;进一步的,为理清表面电荷来源及迁移特性,测量了冲击电压下C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中材料表面电位,比较了附加背板电极前后的表面电荷分布。研究表明,C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体与SF_(6)中表面电位分布形态相似,均表现为高压电极附近积聚大量同极性电荷,地电极附近积聚少量异极性电荷。随着C4F7N含量升高,C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体抑制电荷积聚能力增强。表面电荷来源于气体电离和高压电极注入并且随着电场强度的改变,电荷来源也发生变化,切向电场促进了电荷沿表面向更大范围的迁移。该工作对于明确C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中表面电荷积聚特性及环保型绝缘气体的推广应用具有重要意义。     

绝缘子表面电场及电荷的测量

绝缘子表面电荷积聚及其引起的表面电场分布畸变是导致绝缘子表面闪络电压低的主要原因.对绝缘子表面电场及电荷分布进行测量有助于正确地设计绝缘子.为此,在阅读大量相关文献及进行技术调研的基础上,结合作者目前正在进行的研究,对绝缘子表面电场及电荷的测量技术进行了综述.首先简要分析了绝缘子表面电荷的来源(场致发射、局部放电、固体...     

聚酰亚胺薄膜表面电荷的开尔文力显微镜研究

为在微纳米尺度下研究无机纳米掺杂对聚酰亚胺表面电荷特性的影响,采用开尔文力显微镜测量了杜邦公司生产的原始聚酰亚胺薄膜和纳米掺杂耐电晕聚酰亚胺薄膜二种材料,在被导电微探针注入电荷后的表面电荷发生、发展特性。实验发现,在相同的电荷注入条件下,耐电晕薄膜上表面电荷积累量约为原始聚酰亚胺薄膜上电荷积累量的50%;耐电晕薄膜上电荷消散速度较快,约为原始聚酰亚胺薄膜上的4~5倍。分析可知,耐电晕薄膜由于掺杂了纳米颗粒Al2O3,使得薄膜的注入势垒增大、电阻率减小,这些因素减少了耐电晕薄膜表面电荷的积累,避免了局部电场畸变,进而增强了材料的耐电晕特性。     

计算高压直流线路地面电场和电晕损耗的简单方法

提出一种计算高压直流输电线路地面电场和电晕损耗的简单方法.从电晕建立的过程确定空间电荷.电晕情况下,认为导线对地电压由导线上电荷产生的电压和空间电荷产生的电压两部分构成.当导线电压超过起晕电压时,令一定量的电荷从导线表面发射到空间,并在电场作用下背离导线,当超出一定范围后即认为电荷消失.考虑空间电荷重新计算导线电压,并每隔一段时间重复上述行为,直到导线每次发射的电荷不变、电晕达到稳定状态时停止计算.通过对比分析,验证了所提方法的正确性.     

平行和交叉跨越直流模拟试验线段三维电场的一种计算方法

直流模拟试验线段常用来试验研究平行和交叉跨越高压直流输电线路的电场以验证理论研究结果的有效性,因此需要研究一定线段高度下线段长度对其电场的影响,为试验线段的几何结构参数设计提供依据.本文提出一种线段电荷所产生电位和电场的解析表达式,将其应用到优化模拟电荷法中求解平行和交叉跨越直流模拟试验线段的三维电场.通过计算和分析,...     

±1100 kV特高压直流导线表面标称电场及其影响因素研究

我国±1100 kV特高压直流(UHVDC)输电工程已经进入设计和建设阶段.近年来,特高压输电导线表面的电晕放电所引起的电磁环境现象逐渐受到学者的重视.当高压导线表面场强超过临界值时,导线周围的空气分子将被电离,发生电晕放电,形成正负离子或空间电荷.由于导线表面电场强度与诸如无线电干扰(RI)、可听噪声(AN)、地面处的合成电场和离子流密度等电磁环境参数密切相关,因而有必要计算并控制特高压输电导线的表面电场强度.使用模拟电荷法(CSM)计算了±1100 kV特高压直流输电子导线表面的标称电场分布,将高压导线表面的面电荷等效为成对的线电荷,子导线表面的电场强度可以使用线电荷获得.此外,还研究了导线高度、极间距、分裂间距和子导线半径等因素对子导线表面标称电场强度的影响.计算结果表明,与导线高度、极间距、分裂间距相比,子导线直径是影响子导线表面场强最显著的几何参数.当其他因素不变时,子导线表面场强的变化与子导线直径的变化在同一数量级;子导线表面场强的变化比导线高度、极间距、分裂间距的变化小一个数量级.最后还对线路无线电干扰和可听噪声进行了计算.     

基于雷电走向与场强最大方向一致原理的接地导体雷击范围的计算

通过用等效电荷代替整个放电通道电荷,研究了在该电荷作用下,两个接地导体感应电荷分布。同时,计算了空间电场分布,并分析了接地导体受到的雷击范围。     

正交电场下XLPE/SIR介质界面空间电荷特性

直流电缆附件绝缘和电缆绝缘的界面同时承受着沿着电缆径向的体电场和沿电缆轴向的界面电场,这两个电场在方向上相互正交,在界面上的分布和集中使得复合绝缘界面的空间电荷特性变得复杂。采用交联聚乙烯（cross linked polyethylene,XLPE）和硅橡胶（silicone rubber,SIR）制成双层试样模拟附件结构中的复合绝缘,通过界面贴覆铝箔针-板电极（针电极为正/负）、板-板电极三种电极形式为绝缘界面提供正交电场,运用电声脉冲法（pulse electro acoustic,PEA）分别测量了体电场、正交电场作用下XLPE/SIR界面空间电荷的分布情况。结果表明,在体电场和界面电场的正交电场作用下,XLPE/SIR界面的空间电荷峰值出现明显变化：试样加压20 min后,界面贴覆针电极为负的针-板电极时,界面电荷峰值随施加电场强度的增加先增大后减小,使XLPE侧电极在较低场强下即发生注入;界面贴覆针电极为正的针-板电极时,界面电荷峰值在电场作用下减小,加剧了SIR侧的正电荷注入;在界面板-板电极作用下,界面电荷峰值变化不大,但仍有所下降。     

热老化下双层聚酰亚胺薄膜绝缘特性研究北大核心CSCD

为研究热老化下介质直流和操作冲击结果的演变规律及其影响机制,文中以热老化处理的(190℃,220℃)双层聚酰亚胺薄膜(PI)为研究对象,采用等温松弛电流法(IRC)对不同热老化程度介质的空间电荷特性进行研究,基于双极性电荷输运模型(BCT),仿真研究陷阱密度对直流击穿结果的影响机制。基于局域态电荷吸收能量的频率依赖模型,数值分析空间电荷和介电参量对冲击击穿结果的影响机理。结果表明,随着热老化时间增加,介质陷阱密度逐渐减小,电荷注入效应增强,介质内部的电场畸变程度增大,故直流击穿场强逐渐下降;中低频区域介质tanδ值逐渐升高,局域态电荷的能量吸收能力增强,其更容易从陷阱逃脱,对绝缘结构产生破坏,导致冲击击穿电压逐渐下降。提高热老化温度后,上述现象更加严重。     

基于3D模拟电荷法的变电站工频电场计算

高压变电站内工频电场的计算与评测日益重要。为此,采用3D模拟电荷法（charge simulation method,CSM）对某变电站户外区域离地1．5m高度处工频电场进行了计算和分析。模拟电荷采用置于导体轴线上的线电荷模拟,电荷密度在线单元上呈线性分布。采用ANSYS前、后处理模块实现实体建模和计算云图的3D渲染;通过对一条1000kV特高压输电线路走廊内工频电场的计算,验证了3DCSM方法的正确性。对一个实际的110kV变电站的工频电场进行建模仿真,电场强度的数值分布规律同理论分析基本符合;在工作走廊上计算值同实测结果变化趋势一致,在电气设备不太密集的区域,计算值与实测值之间误差〈10％。该方法可以用来求解大模型开域场问题。     

气—固绝缘分界面电荷积聚模型及数值计算

气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated transmission line,GIL)绝缘子在直流电压长期作用下,会积聚表面电荷,引起绝缘子沿面闪络电压降低,导致闪络事故。因此研究绝缘子在长期直流耐受下的表面电荷积聚现象,对气—固界面在直流电压下的电荷积聚机理进行分析,建立更为完善的表面电荷积聚模型,具有重要的理论意义和工程价值。笔者基于3种已有的表面电荷积聚模型、分界面电荷弛豫方程和更为普适的稳态电荷密度方程,利用微元法对盆式绝缘子表面电荷分布进行了数值计算。结果表明:分界面电荷弛豫方程能够近似描述电荷积聚的动态过程;稳态电荷密度方程揭示了电荷积聚的必然性,且能够在不同条件下退化为已有的3种积聚模型;介质分界面的电荷分布与外加电场、气体与固体的介电常数和电导率密切相关。     

电场作用下变压器油中液滴荷电状态研究

为了研究电场作用下液滴荷电效应对其形变的影响,对油中液滴表面电荷状态开展了理论研究,并借助仿真建模软件搭建典型油道模型,模拟了外加电场条件下分散相液滴的表面电荷密度分布,获得了液滴表面电荷的变化趋势图及其表面所受的电场力分布图。研究结果表明：静置于油中的水分子由于“H+”优先取向,水滴带有正的初始表面电荷。随着电场强度不断增大,表面电荷密度呈现正增长趋势。从微观角度分析了电场下液滴的运动变形行为,可以进一步完善油中含有液滴时引起的放电机理,为变压器稳定运行提供实用价值。     

硅橡胶中空间电荷的形成机理

文中采用电声脉冲法，在不同的直流电场作用下，测量了硅橡胶中空间电荷的分布，并分析了其与加压时间的关系。同时测量了短路电极时空间电荷分布的变化，讨论了电极短路试样中残留电荷的分布及其影响。研究发现，在场强相对较低(5kV／mm)与较高(60kV／mm，70kV／mm)时，电极附近介质中的电荷分布均为异极性电荷，但其形成机理完全不同；而在中场强(10kV／mm，30kV／mm)下可出现同极性电荷。文章还讨论了Al和Cu电极在不同电场强度下的电子或空穴注入现象以及其在空间电荷形成中的作用。     

聚萘二甲酸丁二醇酯试样表面电荷迁移与消散机理

采用静电探头对负直流高压下聚萘二甲酸丁二醇酯(PBN)表面电荷密度进行测量.结果表明,负电荷累积于介质表面,其主要来源于电极向介质的电荷注入,被表面态俘获后,形成表面电荷.随加压时间延长,电荷从高压电极侧向接地极迁移,表面平均电荷密度增大.电荷密度最大值出现在高压电极附近,最小值出现在接地极附近.在表面电荷消散初始阶段,电荷密度衰减速度快,随着消散时间延长,电荷密度衰减速度变慢.