改善不均匀电场的非线性复合材料研究进展

电场分布不均匀现象是高压电力绝缘设备及部件广泛存在的难题,给高压设备的设计、制造带来很大的技术难度和成本,并且危及设备长期运行的安全可靠性。采用具有与外加电场相关的非线性压敏电导或介电特性的复合材料,可以实现材料性能参数与空间电场大小的自适应匹配,达到智能地改善绝缘介质空间电场分布均匀性的效果。为此,详细综述了用于改善电力绝缘不均匀电场分布的非线性电导复合材料在国际上的基础和应用研究成果,并指出了该领域预期的发展方向是研究兼具非线性电导和介电特性的"smart"复合材料,实现自适应调控电力设备内部的电场分布。另外迫切需要揭示纳米颗粒与绝缘材料的界面特性及界面模型,为进一步调控绝缘材料的电场特性等提供理论支撑。     

不均匀电场造成绝缘电缆放电原因分析

根据笔者经验总结,绝缘电缆发生放电现象有三种基本原因：一是必须有不均匀电场存在,二是绝缘距离不达标,三是绝缘介质不合格。笔者根据以上经验成功解决了实际问题,现介绍如下。     

含有非线性介质的绝缘结构内瞬态电场仿真分析

以同轴电极中填充电导率或相对介电常数为非线性绝缘介质所构成的绝缘结构作为主要研究对象,分别仿真分析了在阶跃电压作用下非线性绝缘介质内瞬态电场分布.采用电场模拟软件ElecNet的瞬态2D求解器对同轴电极中填充非线性绝缘介质所构成的绝缘结构进行瞬态仿真分析.结果表明:相对介电常数非线性的绝缘介质只在初始状态时起到均化电场作用,稳态时绝缘利用系数较小;电导率和相对介电常数均为非线性绝缘介质,在整个过程中都能起到均化电场作用,改善电场的效果最好.     

油纸绝缘系统在复合电场作用下的电场分布特性研究

研究了不同情况下的变压器油和浸油绝缘纸板的电导率和介电常数,采用有限元软件计算了不同幅值、不同类型电场作用下的油纸绝缘系统内部电场分布特性,提出了混合场强下的电场分布特性。     

稍不均匀电场中绝缘子附近导电微粒受力分析

建立稍不均匀电场中绝缘子附近的自由导电微粒所受作用力的2-D计算模型,通过对微粒表面Maxwell应力张量进行计算,得到微粒在电场中所受的静电力。改变电极倾斜角、绝缘子材料以及绝缘子的外形,对影响自由导电微粒运动的因素进行了分析,结果显示通过减小高压电极倾斜角度,减小绝缘子材料的介电常数,并采取合适的绝缘子外形, 可减小微粒受到的向上的静电力和微粒受到的指向绝缘子方向的水平静电力,从而可以减小微粒浮起和附着于绝缘子表面的概率。     

稍不均匀电场中SF6气体的工程击穿场强

介绍国外一些对在稍不均匀电场中SF6气体的工程击穿场强的研究现状，并说明了电场均匀程度的一种判断方法。     

橡胶表面分离水珠在不均匀电场中的放电特性分析

通过针板电极模拟硅橡胶表面的极不均匀电场,研究硅橡胶表面分离水珠在不均匀电场中的放电特性,结果发现:在针板电极电场中,水珠的数量要达到一定程度后才能显著影响硅橡胶表面的闪络电压,少量分离水珠处于硅橡胶表面时闪络电压基本不变;水滴体积对不均匀电场中的闪络电压影响较小;硅橡胶表面闪络电压随分离水珠电导率的增大而减小。     

含有非线性电场均化层的高压套管电场分布特性

直流套管是制约我国直流输变电技术发展和安全可靠运行的主要因素之一。该文提出了含有非线性电场均化层的高压套管技术路线，仿真研究了接地屏位置、长度以及非线性电场均化层几何尺寸、材料参数对高压套管电场分布的影响规律。分析表明：接地屏的位置和长度主要影响导杆表面电场值及其电场集中区域范围；电场均化层的长度、非线性参数、位置会对套管内部及表面电场分布产生显著影响；更长的电场均化层、较低的非线性材料阈值场强以及更远的电场均化层到导杆表面的距离均能有效均化套管电场。直流电场下含有非线性电场均化层的高压套管电场分布与交流电场下存在较大差异，具有高阈值场强的非线性电场均化层均场效果更优。非线性均压层能够有效改善高压套管的电场分布，无需采用电容均压结构。该工作将为非线性复合材料在高压套管中的应用提供参考。     

含水率对复合电场下油纸绝缘电场分布的影响

为研究含水率对换流变压器油纸绝缘电场分布的影响,以典型油纸绝缘结构为研究对象,首先根据典型油纸绝缘结构建立了其等效物理模型和电路模型,并得到了复合电场下电场分布的数学表达式。结合不同温度及含水率下变压器油和浸油纸板绝缘电阻率及相对介电常数的测量结果,通过仿真分析得出了复合电压作用下油纸绝缘中电场分布与含水率及交流含量的关系。研究结果表明,水分对复合电压作用下油纸绝缘的电场分布有着显著的影响,当水分达到平衡状态时随含水率的增加油中场强增强、浸油纸板中场强减弱;随着绝缘体系整体含水率的上升,油纸绝缘电场分布的变化呈加速趋势;水分对油纸绝缘电阻率的影响远高于其对相对介电常数的影响,从而导致水分对高直流分量复合电压下的油纸绝缘电场分布产生较大影响。     

非线性场控电导复合材料参数对IGBT模块内DBC三结合点电场影响规律仿真研究

高压大功率(insulation gate bipolar transistor,IGBT)模块内覆铜陶瓷基板的覆铜层、陶瓷基板与有机硅凝胶形成的三结合点处电场集中,增加了器件局部放电及绝缘失效的风险.随着IGBT模块电压等级的提高,DBC基板的绝缘水平成为制约器件研制及可靠运行的关键因素.文中拟采用非线性场控电导(n...     

锥尖棒－平板间隙电场不均匀系数的近似公式

本文分析了以往计算锥尖棒－平板间隙电场不均匀系数公式的局限性，采用ＣＳＭ对这种间隙电场进行了数值计算。根据计算结果讨论了锥尖棒电极圆柱体半径和长度对间隙电场的影响，并利用数据拟合方法给出了含圆柱体半径的锥尖棒－平板间隙电场不均匀系数近似计算公式。     

不均匀污秽下110 kV绝缘子串电场分布

研究了110 kV XWP-160绝缘子在洁净和污染条件下的电位和电场分布，分别在洁净、均匀污染和不均匀污染条件下对绝缘子串进行了COMSOL仿真，设置了不同污秽等级。模拟过程中发现，电场分布整体“马鞍”形状，中部电场较低且平稳；贯通电极的湿污秽有使高压电极附近电位分布变平缓的趋势，电位分布均匀，且污秽均匀时效果较好；随着上下表面不均匀程度的增加，瓷绝缘子串闪络电压增加，因为各畸变电场位置很难形成放电。研究结果将进一步加深对XWP-160绝缘子在各种不均匀污秽环境下的性能的认识。     

基于均匀电场的消雷器应用效果分析研究

在自然界中,雷击是一种较为常见的灾害,每年都会造成很多的人员伤亡和设备损坏。而传统避雷针存在较多问题,如保护范围小和存在感应过电压等,现场尝试采用基于均匀电场的新型消雷器进行雷电防护,但是该装置的防护效果一直存在争议。因此利用有限元软件COMSOL对该装置的防护效果进行分析,建立消雷器电场仿真模型,分析其在雷云天气下的周围电场分布,并将其放电现象简化成针板电晕放电,再加入横向风的影响,最终得到不同风速下中和电荷的传递效率。通过这些研究对该装置能否有效防雷展开分析,经仿真研究考虑到该装置的使用效果与自然环境关系密切,同时有效的使用条件较为苛刻,目前须谨慎采用消雷器在现场使用。     

绝缘子不均匀积污成因及其对交流闪络特性的影响

在单一风向的作用下,线路运行绝缘子会呈现背风侧污秽积聚较多的现象,降低其绝缘性能。通过建立三维电场-流场耦合模型,仿真模拟污秽颗粒运动过程,揭示了绝缘子背风侧回流和涡流是造成污秽积聚的主要原因。采用人工涂污法模拟绝缘子表面迎/背风侧不均匀积污,并开展交流闪络试验,研究平均盐密(SDD)、迎风侧与背风侧盐密比(J)和背风侧面积占比(R)对平均闪络电压(U_f)的影响。结果表明,U_f随SDD的增大而降低,随J和R的增大而升高,且J在SDD较低和R较小时对U_f影响更大,R在SDD较低和J较小时对U_f影响更大。通过观测绝缘子闪络过程发现,均匀染污时放电电弧随机发展,而在不均匀染污时电弧总出现在背风侧,且升压过程中泄漏电流幅值较大。     

GIS中不均匀直流电场下球状自由导电微粒运动分析

针对气体绝缘系统(GIS)中自由导电微粒无害化的问题,研究导电微粒在GIS中不均匀电场作用下的运动规律,建立球状自由导电微粒在楔形不均匀电极系统中的受力模型,采用Runge-Kutta方法对微粒运动方程进行求解,并对球状自由导电微粒在不均匀直流电场中的运动轨迹进行仿真,同时考虑电压波动和电极表面粗糙等随机因素对微粒运动轨迹的影响。另外,研究了自由导电微粒的运动轨迹与施加电压、微粒初始位置、微粒和电极材料的性质及电极表面状况的关系。研究结果表明:在一定的电场条件下,微粒运动会处于一种谐振状态,而施加电压的幅值、波形以及电极表面的反射系数对微粒运动轨迹有显著影响     

110 kV变压器油纸绝缘套管不均匀绝缘受潮劣化分析

利用频域介电谱方法对油纸绝缘变压器套管的受潮特性进行了系统研究。从频域介电谱基础理论,对均匀与不均匀受潮的油纸绝缘模型的介电响应特性进行了分析。同时对现场油纸绝缘套管的频域介电谱测试诊断与应用进行了相关研究。提出了一种油纸绝缘设备内受潮均匀度评估方法。综合考虑均匀受潮与不均匀受潮时的介电响应特征,即油纸绝缘不均匀受潮时,曲线有明显损耗峰、波动等特征。并针对现场变压器套管展开频域介电谱测试与解体理化分析,进一步验证了理论模型,为现场变压器套管受潮评估提供了一种可靠的方法。     

半导电层的高频特性对电缆附件内电场分布的影响

电缆附件常常在系统电压开合闸过程中发生故障,除了高频暂态过电压的原因外,电缆附件材料的高频特性也值得关注。本文基于35 kV冷缩式电缆附件及电缆,测量了附件用绝缘料三元乙丙橡胶(EPDM)、硅橡胶(SIR)及其半导电料与电缆用绝缘料交联聚乙烯(XLPE)及其外半导电料在MHz～GHz的介电频谱。根据测量结果,仿真计算了35 kV电缆中间接头在直流电压、交流叠加暂态(MHz～GHz)、直流叠加暂态(MHz～GHz)过电压下的内电场分布。结果表明:对于EPDM、SIR附件绝缘料及XLPE电缆绝缘料,当频率从MHz升高至GHz时,介电常数几乎不变,但电导率上升了2～3个数量级;对于电缆及附件用半导电料,当频率从MHz升高至GHz时,电导率增大,介电常数减小,其中电缆外半导电料的电导率和介电常数变化更大。仿真结果显示,在高频暂态电压作用下,电缆本体与附件界面处场强将超出设计安全值,在施加频率为1 MHz的电压时,电缆附件电场分布符合设计安全值,当施加频率达到100 MHz和1 000 MHz的电压时,附件橡胶绝缘与电缆绝缘界面电场分别达到2.765 kV/mm和5.613 kV/mm,有可能造成界面击穿故障,从而影响电缆附件的运行可靠性。     

c-C4F8和CF4混合气体在极不均匀电场下的交流绝缘特性

以实验的方法研究了c-C4F8和CF4混合气体在棒-板极不均匀电场下的50 Hz交流绝缘特性,寻找该混合气体最佳混合比、气压和电极间距.说明了实验方法和装置,实验的结果显示5%混合气体在电极间距为20 mm,压强0.3 MPa时,该混合气体是最佳绝缘状态,这个试验结果对该混合气体用作绝缘介质有重要的试验指导意义.     

温度和电场引起绝缘子体积电导率非均匀性对表面电荷积聚特性的影响

为阐明直流高压下电场和温度导致的绝缘子体积电导率非均匀性对表面电荷积聚的影响,建立了多物理场仿真模型,研究了表面电荷的积聚特性。结果表明:电场强度变化导致的电导率非均匀性对表面电荷分布有一定影响,但当绝缘子内部电场强度较低时,最大表面电荷密度与电导率非均匀性无关;当内部电场强度较高时,相比体积电导率均匀情况下,最大电荷密度有所减小。此外,温度梯度会导致绝缘子下表面最大电荷密度增加以及电荷分布特征发生变化,而对于绝缘子上表面,电导率非均匀性会导致正、负电荷的共存。因此,与温度和电场有关的体积电导率非均匀性是导致绝缘子表面电荷通过体传导积聚的重要原因。