绝缘纸中空间电荷效应的模拟研究

为明晰空间电荷对油纸绝缘纸板中电场强度的畸变效应、纸板老化状态与空间电荷的作用机制,采用双极性载流子输运模型,对不同老化状态的绝缘纸板中的空间电荷特性进行数值模拟。对于同一老化状态下的绝缘纸板施加直流电压时,纸板中会出现同极性电荷积聚现象,且正极性电荷的分布范围较负极性显著变窄;随着加压时间的增加,纸板中的电场畸变率呈增大趋势。当绝缘纸板老化程度加深时,其陷阱密度和深度均会增加,致使空间电荷在纸板的近电极侧大量积聚,进而削弱纸板和电极边界处的电场强度,加剧纸板内部的场强畸变;且绝缘纸板老化愈严重,空间电荷对电场的畸变作用愈突出,使得绝缘纸板加速老化,容易诱发绝缘击穿故障。研究结果可为变压器油纸绝缘设计提供参考。     

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。     

换流变压器电荷赋值型直流电场外推计算方法

直流电场计算校核是换流变压器设计的重要环节。研究表明直流电压下油纸界面电荷积聚分布与传统阻容模型计算结果之间存在很大差异,基于理想模型的电场校核方法失效。该文提出一种基于油纸界面电荷特性、直接在换流变压器实际结构中进行电荷分段赋值的外推方法。首先,对于均匀场区域,用离子迁移模型计算出各个油纸界面的电荷密度,进行均一化赋值。其次,对于非均匀场区域,从均匀场区域向非均匀场区域推算,根据具体赋值部位的界面电荷分布曲线,划分区间并分段赋值。最后,将电荷场与外施电场叠加合成,获得全域内直流电场分布情况。在换流变压器阀侧出线结构模型中的实测验证表明,电荷分段映射叠加外推方法得到的电场计算值与电场实测值之间偏差较小。该方法解决了传统方法依赖材料宏观参数、无法准确计算和反映大尺寸油纸绝缘系统电场分布真实情况的问题。     

基于改进电声脉冲测试系统的油纸绝缘混合体系空间电荷动态行为特性

目前国内外关于油纸绝缘介质空间电荷特性的研究全部基于油浸绝缘纸,且已有的电声脉冲测试系统无法实现对油隙与油浸纸组合而成的混合体系的空间电荷特性的测试。通过采用改进的电声脉冲测试系统首次对油隙与油浸纸板组合而成的混合体系的空间电荷动态行为特性进行研究,分析空间电荷积聚对油纸混合体系内部电场分布的影响。研究发现油纸绝缘界面处及油浸绝缘纸内部积聚的空间电荷和电场畸变程度与绝缘油和油浸纸板的电导率关系很大。由绝缘油劣化导致油纸绝缘系统的电导率提升更易引起油浸纸内部场强严重畸变,油浸纸内部最大场强约达到平均场强的2.5倍。而由油浸纸电导率增大引起的油纸绝缘系统的电导率提升减轻了油浸纸内部的电场畸变程度,但电荷快速迁移会导致介质热效应显著也易诱发击穿。消除绝缘结构界面引起的空间电荷积聚效应、限制空间电荷在绝缘介质内部的快速迁移或使电荷在介质内部分布更加均匀,从三方面出发将有助于抑制空间电荷的危害。     

高压直流输电线下空间电荷与电场的关系研究

为了分析高压直流输电线下空间电荷与电场两个电磁环境指标之间的联系,采用Sarma法对单极直流线路下的空间电荷密度和标称场强分布进行数值计算。利用空间电荷密度测量设备,在高压直流输电线路下方进行实际测试,分析一些线路参数对空间电荷密度与标称场强分布规律的影响。结果表明:高压直流输电线路周围的空间电荷密度和标称电场具有相似的变化规律,提高导线高度能明显减小空间电荷密度和电场强度,导线极间距和分裂数的小范围变化对空间电荷密度与地面电场影响不大,大气质量是影响空间电荷密度和电场强度大小的重要因素。     

空间电荷及金属颗粒对换流变阀侧套管的电场分布影响

换流变压器阀侧套管承受交、直流复合电压,对套管的性能和质量有严格的要求。直流电压下,不同介质界面处空间电荷积聚会引起局部电场的畸变,金属颗粒的存在也会大幅提高局部场强,二者均会降低套管的绝缘性能。文中根据换流变压器阀侧套管的结构,采用有限元分析软件,建立了阀侧套管的仿真模型,分析了加入空间电荷后不同类型电压下套管的电场分布以及金属颗粒对局部电场的影响。结果表明,直流电压下介质界面处空间电荷更容易积聚,交直流复合电压下空间电荷能够引发套管内部局部电场的畸变。与交流电压相比,直流电压下金属颗粒对局部电场的畸变程度影响更大,在SF₆气体中金属颗粒对电场畸变程度的影响大小与其所在位置的关系不大。     

Negative First Return‐Stroke Current Peaks and Impulse Charge Transfer

For the effective and efficient insulation design of a power line, the return‐stroke current waveform parameters are indispensable. Charge transfer is one of the important parameters when damage to equipment on a power line due to the energy of lightning is discussed. The amount of charge transfer associated with a lightning flash or individual strokes can be estimated by using the electric field change obtained with a slow antenna. The authors observed the electric field waveforms in south Kyushu for the purpose of efficient acquisition of return‐stroke current parameters. In this paper, the authors discuss the relation between the negative first return‐stroke current peaks and the impulse charge transfer based on the observed electric field waveforms.     

模拟电荷法计算特高压架空线路3维工频电场

为研究杆塔及导线弧垂对架空线路周围工频电场分布的影响,并检验2维计算模型的合理性与适用性,首先基于模拟电荷法建立考虑杆塔及导线弧垂的3维架空线路工频电场计算模型(它以线电荷单元为模拟电荷布置在各导线和杆塔铁棒轴线上,解析计算线电荷单元的电位系数,并叠加得到总体电位系数矩阵,从而可解得各节点的线电荷),然后据此计算了特高压线路相导线表面及地面上1m高平面内的3维工频电场。结果表明,地面上1m处平面内场强分布受弧垂影响很大,3维模型比2维模型更全面、准确地反映了这种不均匀分布状况;各相导线表面场强最大值在杆塔附近均有微弱变化,但并不显著;地面上1m处场强在杆塔附近增大,但在远离杆塔的区域基本不受杆塔影响。     

500kV超高压输电线下山坡周围工频电场分析

在输电线下电场的计算中,普遍将输电线下地面视为平地,而忽略了不规则地面对输电线下电场计算的影响。为此建立了山坡周围工频电场的计算模型,基于模拟电荷法分析了平地及山坡表面的电场分布,并分析了影响山坡周围电场分布的因素。研究表明,山坡对输电线下电场分布有明显影响,电场在靠近山坡坡脚处逐渐减小,在随着山坡高度的增加而逐渐上升,在坡顶处电场发生畸变。山坡的角度、高度、输电线与山坡的相对位置及输电线的剖分密度对其周围电场计算都会产生影响,角度越大,高度越高,在山坡顶部电场的畸变越明显。输电线与山坡之间的夹角越大,在坡脚处电场减弱的趋势越明显。     

两种常见接地极电流分布的探讨

针对目前接地极电流分布计算方法较为复杂等的不足,从电流场和静电场的等效性出发,探讨了水平直线和并联垂直型2种常见形状接地极导体中电流分布不均匀的问题,提出了计算电流分布的一种简化方法。根据电流场和静电场的等效性,将接地极等效为有限长的线电荷模型,根据力学平衡计算了模型上的电荷分布,由此得到入地电流沿接地极轴线的分布规律。结果表明,对于水平直线型接地极端部电流是中间部位的数倍,倍数随接地极长度的增加而增大;对并联的垂直接地极,电流分布的不均匀度随接地极根数的增加而增大,导体的利用率也随之降低。     

Electric field calculation in composite dielectrics by surface charge method based on electric flux continuity condition

We propose a new surface charge method based on the continuity of electric flux passing through each partial area on the dielectric boundary. N partial areas divided on the boundary give the boundary equations for solving N unknown variables representing the surface charge density distribution. The electric flux is numerically calculated by integrating the normal component of electric flux density on each partial area. This method permits us to exclude the singularity of edge parts from the boundary equations because these parts do not contribute to the integration area. In this paper, we apply first‐order functions to simulate both triangular surface shape and charge density distribution on its surface as well. First, we have computed the electric field for a spherical dielectric under a uniform field. The calculated results show that the accuracy of the electric field at the spherical center is almost equal to the accuracy of the total surface area of the polygon which represents the sphere. Furthermore, this method has improved the accuracy of the field by about one order compared with the conventional surface charge methods. Second, we have computed the electric field for a dielectric human model under a uniform field. The calculated results demonstrates that the proposed method works well for a complicated shaped object with a dielectric constant greatly different from that of an ambient medium. © 2002 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 138(4): 10–17, 2002; DOI 10.1002/eej.1133     

基于节点电荷电位有限元法的油纸绝缘结构极性反转电场分析

基于电荷一电位有限元法分析换流变压器的油纸绝缘结构极性反转电场,该方法可以直接得到节点电位和节点电荷。对各个时刻节点电荷进行处理,提出得到电荷密度的方法。通过提取一类边界上的节点面电荷密度,可以准确地计算出第一类边界上的法向电场强度,从而可以更好地指导绝缘强度设计。通过一个有解析解的双层有损同轴绝缘结构模型,验证了方法的有效性。最后,分析了一个换流变压器阀侧绕组典型绝缘结构的极性反转电场变化过程。     

500 kV直流GIL支撑绝缘子的电场优化

随着电网建设的日益深入,直流气体绝缘金属封闭输电管道(GIL)由于可用在高电压、大容量的场合,用作经济的长距离输电线路而被提上研究日程。直流GIL支撑绝缘子的沿面闪络很大程度上是由表面电荷积聚引起的。直流下GIL的内部稳态电场分布主要受环氧树脂固体绝缘的电导率和形状控制。以500 kV直流GIL为计算模型,借助COMSOL软件,研究了GIL中支撑绝缘子的形状、体积电导率和表面电导率对电场分布的影响。研究认为,半圆锥式绝缘子的电场分布是最优化的,绝缘子的体积电导率对其电场分布影响不大,通过控制绝缘子表面电导率,可以控制和优化直流GIL中绝缘子沿面电场分布。     

Development of three-dimensional electric field analysis by segment arrangement based on a charge simulation method

This paper describes the development of three-dimensional electric field analysis by using the so-called segment method which enables the electric field to be calculated with high accuracy and with enhanced efficiency, for high-voltage apparatus. In the segment method, electrode configuration of high-voltage apparatus is simulated by small components which are called segments and by the arrangement of several kinds of such segments. In this calculation, the charge simulation method is used which is suitable for segment application. As basic segments, spherical, cylindrical and ring segments are used and in addition to these, as subsegments, disc and elbow segments are adopted for good simulation of the total electrode configuration. In this paper, the fundamental construction and arrangement parameter of segments were discussed. Moreover, the segment method was applied to an actual high-voltage apparatus and the calculation accuracy was discussed. It was clarified that the segment method has sufficient calculation accuracy and is a very efficient means for three-dimensional electric field analysis.     

基于克尔电光效应的新型CCD光电测试系统

根据克尔电光效应原理 ,用稳定性好、动态范围大、灵敏度更高的CCD 30 0 0光电接收装置建立的新测量系统动态测量了克尔常数较小的液体介质如变压器油中的电场分布 ,并得出在一定电压范围内 ,克尔试验盒中两电极间的光强分布和电场分布之间的对应关系 ,还通过分析光强的空间分布和变化规律得出电场的空间分布和变化规律 ,为液体介质中的电场及空间电荷分布测量提供了一条新途径     

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。     

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。     

高压瓷质绝缘子电场逆问题的研究及其应用

逆问题在实际工程中有着广泛应用,绝缘子电场逆问题的解可用来检测劣质绝缘子。对于三相高压瓷质绝缘子组成的系统,根据系统的尺寸、位置等参数和模拟电荷法的基本原理建立等效模型,并建市系统逆问题方程,根据测量点 (对于110kV,每相需要3个测量点)的电场强度,利用对分法和最小二乘法求解逆问题的近似解,即匹配点的电位矩阵,然后通过数据拟合、插值计算,得到绝缘子串的电位分布,将其与绝缘子串的标准电位分布值比较,就可判断有无劣质绝缘子及其位置,最后分析了在非接触式电场测量法中杆塔对电场分布的影响。     

脉冲电压下聚酰亚胺空间电荷行为及其机理研究

电力电子装备长期处于高重复频率、陡上升时间脉冲电压运行工况,绝缘更容易发生劣化和早期失效。为探究脉冲电压下绝缘失效的微观机理,对ns级别下的脉冲边沿前后空间电荷分布情况进行研究对比,探究了电场强度、硅油对脉冲边沿时刻电荷振动波形的影响。通过分析不同脉冲上升时间下的电荷振动波形及电压波形频谱、电荷积聚特性,阐明了脉冲电压边沿时刻电荷振动机理以及ns脉冲下电荷行为对绝缘劣化影响机理。研究发现,ns脉冲上升沿和下降沿前后电荷分布特性存在差异,在脉冲边沿处发现了特殊的空间电荷迁移行为;电场强度会影响异极性电荷的积累速度及积累量,从而影响电荷振动波形的形状;电极与试样之间涂敷硅油会影响电荷振动波形的极性;5×106～1×107 Hz频段的电压分量对空间电荷振动起主要作用;ns脉冲电压下电荷积聚导致电场畸变更加严重。     

面电荷模型求解变电所边界外工频电场强度

为预测计算变电所边界外空间工频电场强度,采用面电荷法推导了电场强度计算模型,理论和实测值比较的结果表明,面电荷模型准确性和可靠性较高,完全能反映变电所外空间工频电场强度的分布。