SF_6中环氧树脂纳秒脉冲沿面闪络实验研究

针对气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)内盆式绝缘子所用的环氧树脂材料,在纳秒脉冲条件下开展沿面闪络老化实验研究。设计不同气压值下沿面闪络新型实验装置,在SF6环境中进行环氧树脂纳秒脉冲沿面闪络特性研究,并对沿面闪络前后材料老化区域的表面形貌和元素组成进行测试,分析环氧树脂材料老化前后表面理化特性的变化规律。实验结果表明,随着SF6气体压强的增大,环氧树脂纳秒脉冲沿面闪络电压升高。闪络老化后环氧树脂表面氧化铝颗粒凸显出来,且随着老化进一步加深,表面聚合物与放电产生的含氟物质发生反应生成有机氟化物,反应产物被电弧溅射出去覆盖在材料表面。而氧化铝颗粒填料的性质在闪络老化过程中并未发生明显变化。以上针对环氧树脂绝缘材料所开展的实验研究可为GIS内环氧树脂绝缘材料改性,以及增强其耐压性能和抗老化性能提供指导。     

纳米Al_(2)O_(3)/环氧树脂复合材料微秒脉冲沿面闪络特性研究北大核心CSCD

GIS中由于开关分合闸等操作而引发的内部脉冲过电压会导致绝缘件表面出现多次闪络击穿等问题。因此,文中研究了不同纳米Al_(2)O_(3)填充含量下环氧树脂复合材料在微秒脉冲电压下的沿面闪络特性;并针对1.5%Al_(2)O_(3)/EP复合材料在脉冲电压频率为10 kHz,幅值为18 kV,电极间隙为10 mm下开展沿面闪络老化试验,对比老化前后闪络电压最小值和表面电阻变化趋势,分析不同程度的老化对绝缘材料表面微观形貌、元素成分以及电气性能的影响。结果表明,预加直流电晕放电能够降低环氧树脂材料的闪络电压,且当纳米Al_(2)O_(3)填充含量为1.5%时对闪络现象的抑制效果最为显著。同时,环氧树脂复合材料在经过沿面闪络老化试验后,老化区域C、O元素之比降低,材料表面形成大量凸起颗粒和裂纹,使其呈现疏松、亲水等特点。研究结果可为提升环氧树脂表面耐压能力提供指导意义。     

聚四氟乙烯直流沿面闪络及表面特性的实验研究

为提高绝缘材料的耐沿面闪络能力,对聚四氟乙烯在指形电极下的沿面绝缘特性及沿面闪络前后材料表面的物化特性进行研究。测量了不同放电距离下的沿面闪络电压,并采用原子力显微镜和X射线光电子能谱仪分析闪络前后聚四氟乙烯表面形貌、表面粗糙度、表面化学成分的变化。结果表明:随着电极间距的增大,沿面闪络电压升高,闪络场强降低;随着闪络时间的增长,材料表面的凸起变大、变平,表面粗糙度增大,表面发生显著的物理变化;在沿面闪络过程中,材料表面化学基团发生变化,表面水接触角下降。     

聚合物绝缘材料直流闪络特性及表面形貌实验研究

研究绝缘材料沿面闪络特性及闪络过程中材料表面形貌的变化,可以为提高绝缘材料沿面耐压性能及材料表面改性处理提供参考。文中采用正极性直流电压源,对大气环境下聚四氟乙烯(PTFE)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的沿面闪络特性及闪络前后表面形貌进行了实验研究。结果表明:绝缘材料直流闪络电压近似服从韦伯分布,可借助韦伯分布统计方法求出任意概率下的闪络电压。采用三维显微镜及原子力显微镜观测了闪络前后材料的表面形貌,发现材料表面的放电痕迹均在阴极附近更为严重,并且闪络后材料表面出现连续状沟壑,表面起伏变大、粗糙度变大。文中分析表明,绝缘材料的沿面闪络电压受电场畸变程度及材料表面形貌特性的影响,可为提高聚合物绝缘材料的沿面耐压性能提供一定的参考。     

直流条件下PMMA的沿面放电参数与表面特性研究

为研究负极性直流条件下空气中聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的沿面放电参数和表面特性,分析了电极距离对闪络电压的影响,并采用韦伯(Weibull)概率分布分析了0.1%概率的沿面闪络电压。观察并分析了闪络前后材料表面的物化特性。结果表明:随着闪络次数的增加,材料粗糙度增大;距离电极越近,材料表面损伤越明显;材料老化后决定其闪络电压大小的主要因素是材料表面的微观形貌和化学特性。     

纳秒脉冲下变压器油绝缘的击穿与闪络特性

纳秒脉冲下变压器油的绝缘特性是脉冲功率技术领域的关键问题之一。为此,利用NPC-120D型高压纳秒脉冲电源对该特性进行了实验研究,分别获得了1 mm间隙下变压器油的击穿和有机玻璃沿面闪络的实验数据。并采用等离子体射流对有机玻璃进行表面改性,比较了改性前后有机玻璃的沿面闪络电压。结果表明:在上升沿40 ns,脉宽100 ns的高压纳秒脉冲电源作用下,变压器油中1 mm击穿电压为120 kV,当加入绝缘介质有机玻璃后,在85 kV电压条件下发生了沿面闪络;利用等离子体射流处理后的有机玻璃在变压器油中的闪络电压显著提高,达到了120 kV。     

环氧树脂试品局部粗糙度处理对其直流绝缘性能的影响北大核心CSCD

环氧树脂材料在电场作用下会出现表面电荷积聚现象导致沿面放电。为改善环氧树脂材料的直流绝缘性能,文中对环氧树脂试品表面进行局部粗糙度处理,开展闪络实验,探究局部粗糙度处理在空气、C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体和SF_(6)3种气体环境中对环氧树脂试样闪络特性的影响。建立二维仿真模型,通过有限元法分析局部粗糙度处理后环氧树脂材料的表面电荷特性以及陷阱分布。根据闪络实验结果,粗糙面位置不同的环氧树脂试品的沿面闪络电压在3种气体中均随表面粗糙度的增加呈现先上升后下降的趋势,并在粗糙面位于中心且表面粗糙度为1.3μm时达到最大值。仿真结果显示,对于指型电极,环氧树脂材料表面积聚双极性表面电荷,当粗糙面位于试品中心时空穴陷阱和电荷陷阱的密度较小。因此可认为对环氧树脂的局部粗糙度处理能够改变其沿面闪络特性与表面电荷特性,通过合理选择粗糙面的位置以及粗糙度的数值可改善环氧树脂的直流绝缘性能。     

老化对交直流复合电场下油纸绝缘沿面放电过程特性的影响

长期运行换流变压器中存在由沿面放电导致的绝缘故障的现象,而针对换流变压器中交直流复合电场下老化油纸绝缘的沿面放电发展过程特性研究又相对缺乏不足。因此,采用在130℃下加速热老化方法制备不同老化程度的油纸绝缘试样,并使用CIGRE method II推荐的典型球板电极模型对不同老化程度油纸绝缘试样在不同比例交直流复合电场下的沿面放电起始电压、闪络电压以及沿面放电发展速度等特性进行了对比分析研究,同时对老化前后油纸绝缘沿面放电发展过程中放电特征参数的变化规律展开了研究。研究结果表明,随着交直流复合电压中直流电压分量的不断增大,老化油纸绝缘沿面放电起始电压和闪络电压均呈现逐渐上升的趋势,其中纯交流电压下的沿面放电起始电压和闪络电压均最低;相同电压作用下的沿面放电起始电压随着油纸绝缘老化程度的不断加剧呈现先上升后下降的趋势;随着油纸绝缘老化程度的不断增加以及交直流复合电压中直流电压分量的不断增加,油纸绝缘沿面的爬电距离不断延长、耐受时间逐渐缩短,沿面放电发展速度逐渐加快。与未老化油纸绝缘沿面放电过程放电特征参数变化规律相比,老化后沿面放电发展特征参数幅值较大,各阶段变化起伏较少,变化趋势直接明显;同时发现交直流复合电压中的直流电压分量对老化油纸绝缘沿面放电发展具有加速的作用,而且直流电压分量越高,加速作用越明显。     

不同电场下环氧树脂直流沿面闪络特性及其闪络电压分析

研究绝缘材料在不同条件下的沿面闪络特性对掌握绝缘子的电气强度及保证电气设备安全稳定运行具有重要意义。为此,研制了具有不同电场分布形式的沿面放电电极,通过实验研究了环氧树脂在真空及空气环境中的直流沿面闪络特性,并采用韦伯分布分析了闪络电压的变化规律。结果表明,环氧树脂在极不均匀电场下的闪络电压比稍不均匀电场下低,真空中闪络通道和闪络电压的分散性比空气中大,真空闪络受固体绝缘介质的影响大于空气闪络。不对称电场下沿面闪络电压具有明显极性效应,并且真空与空气中的极性效应相反。此外,环氧树脂直流闪络电压服从韦伯分布,可借助该方法定量评估绝缘系统对外加电压变化的敏感性。位置参数的引入有效提升了闪络电压数据的拟合效果,通过特征闪络电压、0.1%闪络概率的闪络电压进一步完善了对绝缘材料沿面电气性能的评价方法。     

硅橡胶在不同电晕老化阶段下的表面电荷对沿面闪络的影响

为深入探究硅橡胶电晕老化后的表面电荷变化及其对沿面闪络的影响,首先通过多针–板电极对硅橡胶试样进行电晕老化。通过测量不同老化时间下硅橡胶的表面电荷分布以及一定老化时间下硅橡胶在外加电压为零至闪络过程中的表面电荷分布,探究了硅橡胶在不同老化阶段的表面电荷变化以及电晕老化后硅橡胶的沿面闪络。最后通过热刺激电流试验、扫描电镜和傅里叶变换红外光谱分析方法研究试样在电晕老化过程中微观电特性与物化缺陷的变化,并讨论了电晕老化后硅橡胶的陷阱特性对其表面电荷的影响。研究结果表明:随着电晕老化时间的增加,硅橡胶的陷阱能级加深、陷阱电荷量增加,同时硅橡胶表面俘获载流子能力增强、表面电荷增多;随着外加电压的提高,硅橡胶的表面电荷最大值逐渐向两电极间距离最小处移动,直至局部放电贯穿两电极,发生闪络。因此可知,随着电晕老化时间的增加硅橡胶的表面带电能力增强,表面电荷引发的局部放电更剧烈,是导致硅橡胶闪络电压降低的原因。     

不同热老化程度下油纸绝缘沿面放电发展特性

为研究不同老化状态下油纸绝缘沿面放电的发展特性,分析老化程度对放电特性的影响,进而提出表征老化程度和放电危险度的特征量。通过加速热老化制备了4种不同老化程度的油纸绝缘试品,在阶升电压下获得了其局部放电发展过程中的谱图和脉冲序列特性。研究发现,沿面放电脉冲多以脉冲簇群形式出现且有脉冲幅值逐渐增大,脉冲波形上升沿、下降沿快于空气中放电的情形;油纸绝缘老化程度对沿面放电的起始电压和击穿电压影响不大,但对放电量的威布尔尺度参数α值和平均放电功率P影响显著;连续放电时间差Δt对放电发展阶段和绝缘老化程度反应灵敏,可用于放电危险度评估指标。     

G/R和PTFE在液氮中的冲击沿面闪络特性

液氮环境中绝缘材料的沿面闪络特性对超导电力装置的绝缘设计具有重要意义。为此,选择玻璃纤维增强环氧树脂复合材料(G/R)和挤出成型的聚四氟乙烯材料(PTFE),通过实验研究了他们在液氮中的冲击沿面闪络电压和闪络时间的变化特征。结果表明:G/R材料的冲击沿面闪络特性很差,闪络电压值愈高则闪络电压的下降率愈大,而闪络次数愈多则闪络电压值愈低;PTFE材料表现出了良好的沿面闪络电压重复性。其主要原因是高能量的沿面闪络电弧会改变G/R材料表面状况,同时也使环氧树脂基体发生分解,改变了表面电阻率。G/R材料的沿面闪络电压略低于PTFE材料,其原因是相对于PTFE,G/R的介电常数与液氮的偏离更大,电场线更加扭曲,导致其交界面的闪络电压更低。2种材料在液氮环境中服从韦伯分布的0.1%闪络概率的首次冲击闪络电压和爬电距离的关系,可以为在稍不均匀电场条件下工作的超导电力设备的外绝缘设计提供参考。     

空气中直流条件下聚甲基丙烯酸甲酯沿面闪络实验

为研究直流条件下沿面闪络现象及其对绝缘材料的影响,搭建沿面放电系统,对聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）进行了不同电极间距下的沿面放电实验,并对放电前后材料表面的形貌特征、水接触角和表面成分进行分析。结果表明：施加电压过程中,电极附近会出现浅紫色光晕,随着放电距离的增大,闪络电弧的波动性和强度增强。放电后,电极之间形成明显的放电痕迹,越靠近阴极,痕迹越明显。随着放电次数的增加,材料表面呈现淤泥状,粗糙度增大,水接触角降低。材料表面的C1s含量降低,O1s含量升高,大量的C-C键断裂,生成C-O键、O-C=O键等亲水性基团,进一步提高了材料的亲水性。分析表明：材料表面微观形貌和表面元素对闪络电压有一定影响,对材料改性以提高闪络电压具有一定指导意义。     

频变电应力下高频电力变压器绝缘沿面放电形态及发展过程

沿面放电是导致绝缘失效的主要原因之一。为研究高频电力变压器绝缘在频变电应力下的沿面放电形态及发展过程,搭建了高频沿面放电实验平台。首先在10~40 k Hz正弦电压下,测试了不同频率下的沿面放电起始、闪络电压及沿面寿命,然后采用恒压法开展沿面放电实验,记录了放电起始、发展至闪络的整个过程,获得了不同阶段的放电特征参量和放电相位谱图,并结合二次电子发射雪崩模型和陷阱理论,对沿面放电的发展演化过程进行了分析。实验及分析结果表明,电压频率的升高会导致沿面闪络电压的降低和沿面寿命的缩短;高频下聚酰亚胺的沿面放电形态为直线型,在放电的不同阶段,放电幅值、次数、相位谱图及其统计量均呈现出特定的变化规律,可作为沿面放电发展程度的评估指标;绝缘表面电荷分布和陷阱参数对沿面放电特性有重要影响,是进一步揭示沿面闪络机理的关键。     

环氧树脂真空沿面闪络后表面形貌的AFM分析及分形特征提取

系统而准确地描述绝缘材料表面形貌特征有利于进一步掌握材料表面形貌的放电损伤规律,对建立表面形貌与闪络特性之间的关联具有重要意义。在不同电场下对环氧树脂进行真空沿面闪络,通过原子力显微镜(AFM)研究不同闪络次数、不同放电位置的试样表面形貌特征,并引入分形理论对形貌特征进行定量分析。结果表明,随着闪络损伤增强,试样表面形貌依次经历了毛刺状、颗粒状、山峰状和连续山峦状的演变过程,表面粗糙度不断增大,且极不均匀电场下闪络对表面形貌的影响更为显著。此外,环氧树脂表面形貌具有分形特性,利用分形维数与多重分形参数能定量表征表面形貌的复杂程度及高度分布状况。研究发现,闪络后环氧树脂的沿面耐压性能总体呈下降趋势,且介质的沿面绝缘特性与表面粗糙度及分形参数间均存在一定关系。     

SF_6气体中氧化铝掺杂环氧树脂直流沿面闪络中的虫孔效应

为深入探讨Al_2O_3掺杂环氧树脂这种重要绝缘材料在SF_6气体中的直流沿面闪络特性,搭建了直流闪络电压测试系统,测量了0.4 MPa SF_6气体中不同Al_2O_3含量环氧树脂(Al_2O_3和环氧树脂的质量比为2.5~4.0)试样的短时和长时耐受电压及作用时间,对比分析了短时和长时电压作用下的伏秒(U–t)特征,通过闪络通道痕迹和材料微观结构分析研究了放电对Al_2O_3掺杂环氧树脂的损伤破坏,并讨论分析了沿面放电中虫孔的形成及其对闪络过程的影响。研究结果显示:特定Al_2O_3含量环氧树脂的耐受电压随电压作用时间的增加呈指数下降,且长时耐受电压比短时耐受电压低20%~30%,Al_2O_3和环氧树脂的质量比为3.5时,环氧树脂短时耐受和长时耐受电压最低,且炭化痕迹最为显著。在环氧树脂表面闪络通道中存在明显的虫孔,且随Al_2O_3含量增加,浅表层虫孔逐步转变为深层虫孔,表明随着Al_2O_3含量增加闪络路径逐步由沿面放电形式过渡为体击穿形式,二者之间Al_2O_3和环氧树脂的质量比临界值约为3.0~3.5。     

重复频率微秒脉冲电压下多间隙气体开关级间绝缘子沿面闪络特性

多级间隙气体开关是高功率微波装置中的关键器件,其中级间绝缘子沿面绝缘强度是影响开关稳定性和寿命的关键因素之一。文中模拟级间绝缘子实际工作条件,对平行平板电极中的圆柱形绝缘子试样施加重频微秒脉冲电压,开展闪络电压、闪络时延以及沿面寿命的实验研究。结果表明：气/固介电常数差异加剧电场畸变,使得闪络电压随着绝缘子材料介电常数增大而降低,SF6中不同材料闪络电压的差异小于空气中;由于累积效应,闪络电压和闪络时延随着重复频率增加整体呈下降趋势;相同欠压比下,绝缘子沿面寿命随着气压升高而增长,SF6中沿面寿命高空气中一个数量级,介电常数较大的材料具有更优异的沿面寿命;SF6与空气闪络路径的差异导致SF6中沿面闪络特性具有与空气中不同的特点,闪络放电分散性低于空气中,重频脉冲作用下材料表面光电发射作用更为显著,连续闪络中劣化猝发等。该研究为级间绝缘子沿面绝缘设计和绝缘材料筛选提供了理论依据。     

纳秒脉冲下SF_6中的沿面闪络特性

通过搭建SF_6气体中的沿面闪络实验平台,研究了上升时间约为30 ns的脉冲高压下不同角度圆台形试样的沿面闪络特性。利用电压电流波形得到闪络通道的阻抗变化特性,并对闪络过程机理进行讨论。结果表明:相同高度试样的沿面闪络电压随角度的增加而增大;相同沿面距离试样的沿面闪络电压随角度的增加而减小。沿面距离与表面电场不均匀系数是影响不同形状试样沿面闪络电压差异的主要原因。     

不同电场下硅橡胶直流沿面闪络特性实验研究

为进一步探究聚合物绝缘材料的沿面闪络特性,搭建了沿面闪络实验平台,在不同电场下对硅橡胶(Si R)进行沿面闪络实验。通过图像处理技术及数值计算方法对沿面闪络光、电特性进行分析,探索并建立了沿面闪络光、电特性间的关联。结果表明:沿面闪络的光、电特性与电场分布有关。与稍不均匀电场相比,极不均匀电场下沿面闪络发光强度较低、放电通道分形维数较小;并且极不均匀电场下闪络电压较低,放电能量较小。沿面闪络的光、电特性存在一定关联。通常地,闪络电压、电流较大时,闪络通道的亮度较大且分布范围较广,沿面放电能量较高。因此,沿面闪络的光、电特性参数能够有效反映绝缘材料的沿面绝缘强度。     

纳秒级高压脉冲下变压器油中沿面闪络特性的实验研究

介绍了影响固体绝缘材料在变压器油中沿面放电特性的主要因素。分别进行了变压器油中尼龙6,有机玻璃在不同脉冲宽度、脉冲速度和不同电极夹角下沿面放电特性的实验研究,并且与直流、工频和雷电波条件下的沿面放电情况进行了比较。实验发现,相对于直流、工频和雷电波条件,纳秒级脉冲下材料在变压器油中的沿面击穿场强会大幅度的提高。在试样与电极夹角约45°时,绝缘材料的沿面击穿场强最高。对重频纳秒脉冲作用下材料在变压器油中的沿面闪络特性做了初步的实验。