正极性雷电冲击电压下5m棒-板空气间隙放电特性试验研究

开展了正极性雷电冲击电压下5 m棒-板间隙的放电试验,同步测量获得了放电电压、放电电流和图像。根据放电不同阶段的电流特性,辨识了初始电流放电、二次流注放电和先导放电过程,并研究了电压幅值和电极形状对上述放电阶段的影响。试验结果表明,初始流注放电产生的空间电荷与电压幅值和电极曲率半径均正相关,其抑制作用使得流注起始时延的平均值近似为常数;二次流注的平均速度为700～1 060 cm/μs,其随着电压幅值的增加逐渐增大,而随着曲率半径的增大而减小;先导发展的平均速度为29～111 cm/μs,随电压幅值的增加线性增大,而随电极曲率半径增大有所降低。     

基于光电倍增管的流注发展速度测量

由于流注发出光的光谱绝大部分位于300~400 nm区域内,为研究流注放电的重要物理特性,建立了基于光电倍增管的流注发展速度测量试验平台,在棒-板间隙放电试验的基础上,利用2个前面接了1 mm宽的窄缝的光电倍增管放置在垂直棒-板间隙轴线的位置,一个对准棒电极头部,另一个对准距离棒电极一定距离处。利用该平台,测量了不同间隙长度下,不同半径棒电极施加直流的流注起始电压时的流注发展速度;以及棒电极上外加不同幅值的1.2/50μs冲击电压时的流注发展速度。从测量结果看出,不论外加电压是直流电压或是冲击电压,流注发展速度都随着外加电压的增大而增加,尤其在冲击电压作用下,在试验的电压幅值138~280 k V范围内,流注发展速度也从111.1 cm/μs变大到222.2 cm/μs,且随着外加冲击电压的增大几乎线性增加。     

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。     

海拔2200m地区正极性操作冲击下大尺寸球–板间隙放电转化特性EI北大核心CSCD

在我国中西部海拔超2000m地区,曲率半径达0.25~1m的屏蔽球金具在特高压直流输电换流站阀厅中应用广泛,其与地面、墙壁形成的球–板间隙直接影响整个输电系统的绝缘安全及经济成本,因此研究高海拔地区大尺寸球–板长间隙放电转化特性具有重要的理论意义和工程价值。该文在海拔2200m的青海特高压试验基地开展3m间隙距离下,曲率半径为0.30、0.65、0.80m的球–板间隙正极性操作冲击放电试验;对比分析3种电极结构各放电阶段的瞬时光功率、空间电场强度、高电位电流等光电特征物理参量;计算其初始流注注入电荷量、电场强度空间分布、初始流注长度、流注茎温度等物理特征值;研究间隙结构对大尺寸电极放电转化特性的影响。结果表明:间隙距离一致,球电极曲率半径越大时,初始流注长度越长、产生空间电荷量越多、流注茎温度上升速率越快、流注逐渐成为放电过程的主导。研究结果可为今后高海拔地区换流站阀厅选择合适的屏蔽结构、有效增强间隙操作冲击绝缘水平及减小设备尺寸等提供参考。     

考虑电压上升影响的“针-板”空气间隙直流负流注放电特性研究

负流注放电过程是一个高度非线性动力学过程,且发展过程复杂。该文针对“针–板”电极结构、1cm空气间隙,建立短空气间隙负流注放电模型并通过仿真试验验证模型合理性,分析外加上升时间及电压幅值对负流注放电发展过程空间电场强度、带电粒子浓度、流注发展速度、放电电流变化特性的影响。随负流注由“针”电极向“板”电极发展,放电区域内的轴线电场强度、电子浓度在短暂升高后呈现先降低后升高的变化趋势;随外加电压上升时间增大,流注头部的电场强度和电子浓度呈非线性上升趋势,外加电压上升时间T=0.01ns上升到T=2ns时,流注发展平均速度降低3.38mm/ns;随外加电压幅值增大,负流注头部的电场强度及电子浓度呈非线性上升趋势,外加电压幅值U₀=–20k V上升到U₀=–25k V时,流注发展平均速度上升2.7mm/ns。     

温度对棒—板间隙正流注电晕放电特性的影响研究

目前国内外温度对棒板间隙流注电晕放电特性影响的研究仍不完善.文中基于低温环境流注放电试验平台,利用光电倍增管、ICCD、CCD等弱光检测设备对低温下棒—板间隙的正流注传播特性进行了试验研究和理论分析.研究结果表明,温度降低对棒—板间隙正流注放电具有抑制作用,体现在发光强度和分叉程度随温度降低而减小;在流注电晕存在的电压...     

基于流注起始判据的球—板—球短空气间隙击穿电压计算

典型电极结构的击穿电压是外绝缘设计的重要依据,许多学者对此进行了大量的研究,而实际上高压输变电工程中常常需要分析悬浮导体的影响。为此,文中在考虑悬浮导体的基础上,采用Raether-Meek判据、临界电荷判据和光电离判据等3种流注起始判据对球—板—球短空气间隙的击穿电压进行了计算,并开展了工频耐压试验作为对比。结果表明,对稍不均匀电场球—板—球短空气间隙,计算结果与试验值吻合良好,所有计算结果的相对误差和平均绝对百分比误差分别在7.5%和4%以内;其中,基于光电离判据的计算结果精度最高,平均绝对百分比误差仅为2.5%。研究证明了流注起始判据在一定范围内的有效性和推广价值,并有助于阐述稍不均匀电场组合空气间隙的放电机理。     

操作冲击下正极性长间隙放电物理仿真模型

开展正极性长空气间隙放电过程物理仿真模型的研究对优化特高压外绝缘设计具有重要的意义。基于正极性长间隙放电物理机制,建立了包括初始电晕起始与流注发展、先导起始、流注-先导体系发展和最后跃变等过程的物理仿真模型,该模型考虑了电晕起始分散性和先导路径随机性特征。采用有限元软件计算了放电结构间隙的背景电位分布,并使用试验观测结果对本文建立的模型进行了验证,最后采用该模型对导线-塔窗结构间隙的放电特性进行了仿真计算。结果表明：导线-塔窗间隙的50%击穿电压处于棒-板和棒-棒的50%击穿电压之间;波前时间对其50%击穿电压有比较明显的影响,呈现“U”形曲线;杆塔塔窗宽度对50%击穿电压影响较小,随着宽度增大,50%击穿电压有减小的趋势。     

基于电场特征量和SVM的空气间隙击穿电压预测

空气间隙的击穿电压是高压输变电工程外绝缘设计的重要依据。该文提出了一种基于电场特征量和支持向量机(support vector machine,SVM)的空气间隙击穿电压预测方法。根据静电场计算结果,从整个区域、放电通道、电极表面和最短路径4个方面提取电场值,经过处理后构成表征间隙结构的电场特征量集合,作为SVM的输入参量;以间隙是否击穿(回归问题转换成2分类问题)作为SVM的输出参量,建立了空气间隙击穿电压的预测模型。采用该模型对球隙、棒–板、球–板、球–板–球短间隙的工频击穿电压和球–板长间隙的正极性操作冲击50%放电电压进行了预测,预测值与试验值吻合,验证了模型的有效性。该方法为输变电工程间隙击穿电压的获取提供了一条可能的新途径。     

冲击电压下SF6气体放电的驼峰现象及形成机理

高电压等级电力系统中,特快速暂态过电压（VFTO）引起的气体绝缘开关设备（GIS）绝缘事故日益严重。为确保GIS的安全运行,探究了冲击电压（包括VFTO和雷电冲击）下六氟化硫（SF6）气体放电的特性和机理,研制了陡波前冲击试验装置;固定电极间距,研究了电极半径对SF6间隙击穿特性的影响以及气压对缺陷支柱绝缘子击穿特性的影响;采用空间电荷模型对有无绝缘子存在时SF6气体＂驼峰＂现象的差异进行了解释。试验研究结果表明：冲击电压下,棒-板间隙击穿电压以及缺陷支柱绝缘子击穿电压均随气压的增加而先增大后减小,出现了明显的＂驼峰＂现象;＂驼峰＂对应的气压值为0.2~0.3 MPa之间;SF6气体间隙在VFTO下的＂驼峰＂现象比雷电冲击下更明显;VFTO下缺陷绝缘子的＂驼峰＂高度比棒-板间隙的＂驼峰＂高度更明显。分幅相机拍摄表明：在＂驼峰＂出现的气压值处,出现了密集的空间电荷层,阻碍了放电发展,放电通道出现明显的弯曲现象。依据流注先导击穿判据得到了50%击穿电压-气压（即U50%-p）图中的流注到达线和先导到达线,由此可得结论即采用先导击穿的微分电容判据可以对＂驼峰＂现象进行合理的解释。     

操作冲击电压下长空气间隙击穿电压特性研究

基于现有长间隙放电理论和静电场方法,建立流注-先导放电数值仿真模型,并采用该模型研究操作冲击下长空气间隙放电特性.在绝缘设计中,一般参考棒-板间隙击穿电压来确定其他电极结构击穿电压.同时,实验结果表明棒-板间隙的正极性操作冲击击穿电压低于负极性操作冲击击穿电压.因此,通过建立操作冲击下棒-板长空气间隙模型,研究其击穿电...     

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。     

棒极结构对棒-板间隙操作冲击放电特性影响的试验研究

棒-板间隙是研究空气间隙放电的最典型间隙,其操作冲击放电特性是输电工程线路和换流站／变电站空气间隙选择的重要依据之一。为了更深入地研究棒-板间隙的操作冲击放电特性,选择不同直径的棒电极,以及半球彤和圆锥形2种棒电极端部形状,在2～5m间隙距离下进行了正极性操作冲击放电特性的试验,得到了棒电极端部形状和棒电极直径的改变对棒-板间隙正极性操作冲击50％放电电压造成的影响。另外,在北京、西宁和羊八井等几个不同海拔地区进行了临界半径的对比试验。通过改变棒电极端部连接球面的半径,得到了不同间隙距离对应的临界半径。由试验可以得出,当棒电极结构的半径小于临界半径时,棒电极半径和端部形状的改变不会对间隙的50％放电电压产生明显影响;临界半径随间隙距离的增加而增加,且随着海拔高度的增加,同一间隙对应的临界半径也随之增加。     

长空气间隙负极性操作冲击放电特性研究(Ⅱ)-间隙系数

大气环境、电极布置方式和间隙类型等对长空气间隙的负极性操作冲击放电特性均有不同程度的影响。分别采用20/2 500μs和80/2 500μs两种负极性操作冲击电压波进行放电试验,研究了气象条件、波头时间、下电极高度及导线接地方式等对空气间隙放电特性的影响,并对以棒–板间隙为基准,分析计算棒–棒间隙、棒–线间隙的间隙系数。试验结果显示:湿度对长空气间隙的负极性操作冲击放电特性试验具有明显的影响;间隙距离大于3 m时,20/2 500μs负极性操作冲击电压波作用下空气间隙的50%放电电压较高,间隙距离小于3 m时,80/2 500μs负极性操作冲击电压波作用下空气间隙的50%放电电压较高;下电极高度对棒–棒间隙放电特性具有一定的影响;导线接地方式对棒–线间隙的50%负极性操作冲击放电电压具有显著影响。间隙系数随间隙距离呈非线性变化趋势,棒–线间隙对棒–棒间隙的间隙系数随间隙距离增大基本趋于稳定值1.05。     

低SF6含量混合气体电晕放电特性仿真研究

低SF6含量混合气体绝缘介质最有可能替代SF6气体应用于气体绝缘设备中。本研究采用有限元-通量校正传输(FEM-FCT)法求解低SF6含量的SF6/N2混合气体二维流注电晕放电的数学模型,考虑了空间电荷对场域的畸变作用,研究了SF6/N2混合气体二维流注电晕的放电特性,展示了流注电晕放电发展过程中间隙内部各种带电粒子浓度和空间电场的分布。仿真表明:棒-板间隙中空间光电离对流注电晕发展的影响强于阴极光发射;外施电压幅值小时,流注形成和发展速度较慢,流注电晕相对稳定。     

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。     

初始种子电子团对短空气间隙流注放电行为的影响

流注放电过程中初始种子电子团的形成数量及位置具有随机性,为揭示初始种子电子团对流注放电行为的影响,建立流体动力学-化学反应混合模型,数值仿真大气压下棒-板间隙为5 mm的流注放电过程。模型包括电子、正负离子连续性方程、电子平均能量方程和电场的泊松方程以及23种粒子间化学反应。分别在模型中对密度峰值和分布位置预设置3个不同数值,研究初始种子电子团密度峰值和分布位置对空气间隙流注放电行为的影响。结果表明:初始种子电子团密度峰值的增加只会加速流注的形成,不会影响流注的时空变化规律;而分布位置的改变会影响流注的时空发展特性,初始位置与棒电极的距离越远,形成的流注到达板电极的时间愈短。     

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。     

纳秒脉冲电压下变压器油预击穿特性的仿真分析

以针—球电极间隙变压器油为研究对象,基于场致电离机理,建立用于表述液体电介质流注预放电过程中载流子的产生及输运的偏微分方程,结合电场泊松方程,以及热扩散方程,仿真研究纳秒脉冲电压下变压器油预击穿特性。得到了预击穿过程中电场强度随电压幅值、极性以及脉冲上升沿时间的变化规律。仿真结果表明:流注速度随电压幅值的增大而增大;负流注相比于正流注轴向传播距离小径向传播距离大;负流注起始放电电压高于正流注,且起始速度大于正流注;正脉冲上升沿时间越短所形成流注半径越大,上升沿时间大于50 ns的负脉冲条件下产生的流注易消散。本文的研究工作和取得的结论有助于加深对变压器油中放电起始、发展过程的认识以及对液体电介质放电机制的理解。     

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。