基于脉冲定量纹影系统的正先导放电起始阶段通道瞬态温度测量

正极性先导放电特性是超特高压输变电系统操作过电压外绝缘配合和地面高目标物雷电屏蔽性能优化的基础。先导放电起始过程是流注茎向连续先导通道转化的关键阶段，通道处于非局部热力学平衡态，通道气体温度与电子密度、电场强度及径向尺寸等参数相互耦合，获取先导起始阶段通道温度演化规律对于揭示先导放电物理机制和实现全过程仿真建模至关重要。该文设计构建了一种脉冲LED光源驱动的定量纹影系统，时间和空间分辨率分别达到了0.37μs和31μm/像素，解决了长空气间隙放电通道瞬态温度时域连续测量的难题。开展了1.0 m棒-板间隙正极性先导放电观测实验，获得了放电电流、定量纹影图像及通道光学图像等数据。通过反演定量纹影图像获得了流注茎温度分布特性，发现了流注茎前端生长出一种热细通道的现象，其温度介于400～800 K，通道直径约为0.2 mm，轴向发展速度约为0.1 mm/μs。实验获得了二次流注电流注入阶段通道快速温升，以及不稳定先导弛豫阶段通道温度分布演化特性。     

正极性冲击流注—先导转化放电通道温度测量研究

正极性长空气间隙放电是输变电系统外绝缘和雷电放电物理的研究基础,而流注—先导转化过程一直是长间隙放电机理以及雷电上行先导放电研究所关注的重点。为了获得流注—先导放电转化过程中电学、热力学参数演化规律及其关联关系,以1.0m棒–板空气间隙为研究对象,通过构建适用于流注—先导转化放电过程热特性试验观测系统,实现电压、高电位放电电流、放电通道光学形态、纹影图像的同步观测。获得从流注放电起始到先导通道形成过程的高速纹影图片,并通过Abel逆变换反演获得初始先导放电通道气体密度、温度的径向分布及其时间演化规律,发现因首次流注放电注入电荷量的增加,暗区时间内放电通道中心温度随时间的变化趋势由上升变为下降的两类现象。基于Gallimberti流注—先导转化零维模型,分析不同流注茎初始半径和能量分配系数对暗区内温度变化规律的影响,得出模型只适用于暗区温度上升的放电情况。该文的研究工作可为正极性先导起始判据修正和物理模型的完善提供参考。     

1m棒–板间隙雷电冲击放电电场测量

放电区域电场的定量测量是研究长空气间隙放电机理的重要手段,也是近年国内外研究的热点。简要介绍了自主研制的光电集成电场测量系统,并将其应用于棒–板间隙在正极性雷电冲击电压作用下流注放电区域电场的测量。首先测量未发生放电时棒–板间隙轴线上的几何电场,并与计算结果进行对比;其次,测量流注产生后放电区域内、外的电场强度,并结合高速摄像机拍摄到的流注放电图片对测量结果进行分析。测量结果为流注通道与空间电荷的物理模型建立提供了依据。     

带电作业组合间隙放电特性仿真分析方法

为实现对输电线路带电作业安全距离的仿真研究,以长间隙流注–先导的起始和发展机制为基础,结合带电作业组合间隙放电试验观测现象,建立了带电作业组合间隙放电发展物理模型。考虑作业人员和先导–流注放电产生的空间电荷的共同作用,采用模拟电荷法(CSM)建立了组合间隙中空间电场分布的计算模型,通过耦合流注–先导的发展和转化过程,实现了对组合间隙的击穿电压、先导–流注放电发展的空间位置和空间电荷等特征量的准确计算,通过与试验数据对比验证了该方法的有效性。对组合间隙放电特性的仿真研究表明,作业人员位置改变引起的空间电荷量和先导起始的变化对组合间隙放电发展具有双向作用,引起的最低放电位置在人员距导线0.4~0.45 m区域内,与试验数据具有较好的一致性。     

基于有限元弱解式的棒-板长空气间隙先导放电空间电场仿真研究

对棒-板长空气间隙先导放电过程的空间电场分布以及带电离子浓度等特征参数进行仿真计算研究。建立棒-板长空气间隙放电的二维模型,导出流注-先导放电的二阶偏微分方程,通过有限元弱解形式(weak form)数值计算方法求解先导放电过程中产生的电子、正、负离子浓度与空间电场的大小。仿真结果显示：气体放电所产生的空间电荷对空间电场分布影响显著;间隙距离1.5 m的棒-板长空气间隙下,外加500 kV、250/2 500 ms正极性操作电压时的先导放电起始条件为,流注头部带电离子浓度达到4′1013 cm-3数量级,空间电场最低达到10 kV/cm;先导放电形成后,先导通道内电场约为1~2 kV/cm,先导起始时间在400 ms左右且以3′104 m/s速度传播;有限元弱解形式能有效消除计算离子流中的数值振荡,使偏微分方程求解迅速收敛。     

基于先导放电理论的雷击上行先导起始研究

作为输电线路雷电屏蔽分析模型中的关键物理过程,关于上行先导起始机制及其判据的研究尚待深入。基于先导放电物理机制,建立了导线表面稳定上行先导起始仿真模型,并利用模拟电荷法计算分析了导线周围电场分布特征。结果表明,稳定先导起始时,导线周围平均电场强度达到流注场强的区域几乎不受雷电参数和导线参数的影响,由此提出一种上行先导起始新判据,即当线路周围一定区域内的平均电场强度达到流注场强时,稳定连续的上行先导起始。长间隙放电观测结果及对国内外典型线路雷电屏蔽性能的计算结果与运行数据相符,验证了该判据的有效性。通过与以往上行先导起始判据的比较分析,指出已有的输电线路先导起始判据可能会夸大上行先导的引雷作用。     

直流电压下油纸绝缘沿面闪络特性及数值模拟

变压器油纸绝缘沿面放电起始与发展的物理过程较为复杂,放电机理尚未明确.本文通过对油间隙放电针-板电极模型和油纸绝缘沿面放电针-板电极模型进行试验测量和数值模拟,获取并分析油间隙放电和油纸绝缘沿面放电在不同纸板厚度、不同沿面距离下的放电特性和放电机理.结果表明:直流电压下,油纸绝缘沿面闪络电压低于油间隙击穿电压的原因在于绝缘纸板的存在不仅改变了电场的分布,使针尖处平行电场分量增大,流注放电的起始电压降低,还阻碍了空间电荷的扩散,加剧电场畸变程度,提升流注的发展速度.另外,由于绝缘纸板的存在,油纸绝缘沿面放电流注的起始过程也不同于油间隙放电流注的起始过程,存在着流注通道向绝缘纸板贴合的过程.增大纸板厚度可使针尖处平行电场分量增加,流注放电的起始电压降低,流注的发展速度变缓,沿面闪络电压降低.油纸绝缘沿面闪络电压随沿面距离的增加而增大,其呈现非线性变化是由于流注在向自持放电阶段发展的过程中,受外施电压的作用逐渐减弱,空间电荷畸变电场的作用占主导地位.     

长空气间隙放电研究的挑战与进展

开展空气间隙放电的理论研究,是支撑我国特高压工程建设、提升电力系统雷击防护水平的现实需求。通过分析特高压下长空气间隙放电的工程需求,以及雷电绕击输电线路的先导发展模型、电气几何模型所面临的理论困境,归纳了当前长空气间隙研究所面临的主要挑战——物理模型的内在复杂性、测试手段的局限性及数值求解方法的不确定性。同时,基于过去30多年测量、计算方法的长足进步,指出目前我国开展长空气间隙放电研究的重大机遇。另外,还简要总结了国内外长空气间隙放电研究的发展历程及流注先导模型在不同历史时期的典型成果,详细介绍了清华大学在973项目的支持下,在长空气间隙放电的微观机理与宏观过程研究方面的最新进展,并对未来的研究方向与目标做了初步展望,包括:1)明晰不同尺度流注起始及发展的规律;2)更深入认识流注转化为先导的规律及机理;3)清晰描述先导的发展过程特征参数;4)建立更完备的长空气间隙击穿模型,能够更准确地预测长空气间隙的放电特性;5)建立更科学的雷击闪络先导发展模型及雷击闪络风险评估方法;6)提出工程实用的更优化的长空气间隙结构。     

避雷针迎面先导发展物理过程仿真研究

开展避雷针迎面先导起始及发展过程的仿真研究对建立正确的雷电屏蔽分析模型具有重要意义。基于长间隙放电的物理机制,建立了包括正极性电晕起始与流注发展、先导起始、先导–流注体系发展等物理过程的迎面先导发展物理过程仿真模型,并使用实验室和自然雷电条件下的迎面先导发展过程观测结果对其进行了验证,最后采用该模型对避雷针迎面先导特性进行了分析讨论。结果表明:该模型的计算结果与实验室条件下和一次自然雷电条件下获得的正极性迎面先导发展过程观测结果相吻合;迎面先导起始时刻随着雷电流幅值和避雷针高度的增加而提前;避雷针迎面先导的发展过程主要受雷电流幅值、避雷针高度影响,其发展速度随着下行先导的趋近而逐渐增加;由实验室条件下的正极性棒–板间隙放电获得的先导起始特性直接用于自然雷电中正极性迎面先导起始的计算,以及在迎面先导发展过程的计算中假设迎面先导发展速度与下行先导发展速度成一固定比例是不合适的。     

基于电荷累积的棒-板间隙流注放电过程仿真

棒-板间隙放电过程的建模与仿真对于长空气间隙放电机理研究及特高压输电工程的外绝缘设计具有重要意义。为此建立了棒-板间隙动态流注分形发展模型,在已有的分形流注模型的基础上,提出了基于动态边界修正的电场计算方法以及基于电荷累积的时间参数求取方法。通过对间隙空间进行网格剖分,求解电场分布方程与电荷累积方程,得出间隙电场变化以及流注步进式发展的时间及动态电荷累积。本模型针对流注起始、流注发展、放电结束和电荷累积等过程进行了建模,并运用模型对于不同电压幅值(230 k V、590 k V)1 m棒-板间隙雷电冲击(2.0/50μs)流注放电过程进行了仿真,并和试验结果进行了对比分析。结果表明,雷电冲击电压为230 k V时,流注发展长度约为20 cm,流注发展时间为5.02μs,流注发展平均速度为3.98×104 m/s,流注通道电荷累积总量达到23.2μC;雷电冲击电压为590 k V时,1 m棒-板间隙被击穿,流注发展时间为9.92μs,流注发展平均速度为1.01×105 m/s,击穿前其速度达到1.60×105 m/s,整个击穿过程流注电荷累积总量为258.3μC。新的模型在放电通道长度变化,放电过程电场波形,流注发展过程电荷粒子的累积等方面均与试验结果基本一致,具有一定合理性。     

不同参数条件下水中脉冲放电的电学特性研究

在不同的电压和电导率参数条件下分类实验研究了水中脉冲放电的两种方式 (电弧放电和电晕放电 ) ,采集并分析了实验中的电压和电流数据。然后简要讨论了两种放电方式的产生机理 (与电弧方式的热过程机理相比 ,电晕方式的初始机理还很不清楚 )。最后从实验现象、产生机理和应用前景等方面对比分析了两种放电方式。实验发现在大的溶液电导率下水中电晕放电方式的声学效应明显 ,为水下等离子体声源的设计提供了新的思路。     

无极放电光源的进展

使用高光效长寿命光源是实现能源可持续发展的一个重要内容.无极放电光源属于高效节能光源,是未来光源发展的一个重要方向.本文将首先介绍无极放电光源的放电类型及其基本原理,然后阐述目前无极放电光源的研究进展状况,最后对无极放电光源的未来发展趋势进行展望.     

高压直流局部放电的试验研究及其放电源识别策略

在长期高压直流电压作用下,电气设备的绝缘不可避免地逐渐老化,有必要对其绝缘状态进行监测。由于不同性质的绝缘缺陷对电气设备的损害程度不同,因而缺陷的识别是非常重要的。为此,搭建了基于交流局放检测设备的直流局部放电检测系统,对3种典型的直流放电(电晕、沿面、内部放电)进行了试验研究,建立了典型放电的数据库,给出了试验结果。并基于局部放电信号之间的相关性统计特性,试图通过对各种参数的分析,寻求区别不同放电现象(电晕、沿面、内部放电)的特性参数,对直流电压作用下的放电源进行识别。研究表明,直流电压作用下,将电晕放电从沿面放电和内部放电中分离出来相对来说难度小一些;而单靠现有的局部放电的统计分析将内部放电从沿面放电中分离出来是很难的,需要进一步寻找两种放电的新的特性参数。     

氖气介质阻挡放电中斑图放电与均匀放电模式的转化

为了找到控制非均匀放电向均匀放电转化的条件,采用楔形气隙研究了氖气介质阻挡放电(DBD)中均匀放电和斑图放电模式之间的转化条件。实验发现,随着气隙距离的增大,放电由斑图放电逐渐向均匀放电过渡。对其放电特性的研究结果表明,在相同的气压和气隙距离下,外加电压的增加将导致均匀放电向斑图放电转变;在相同的外加电压和气隙距离下,气压的升高将导致斑图放电向均匀放电转化。经过分析发现这种转化现象的本质与电场强度E与气压p的比值E/p有关,即在一定的气隙距离下,E/p的增加将导致均匀放电向斑图放电转变。实验结果对空气大气压均匀辉光放电的产生具有一定的参考价值。     

空气条件下介质阻挡放电影响因素的研究

为了解决低气压等离子体用于工业生产时存在真空系统昂贵和难以实现试品的批量处理等缺点,采用环氧树脂和聚四氟乙烯(PTFE)作为介质阻挡放电(DBD)的阻挡介质,探讨了在不同放电间距d(2-5 mm)、气压p(10-100 kPa)和外施电压U下的放电特性。结果表明,PTFE为阻挡介质,d≤3 mm时,在大气压下可利用DBD的形式产生辉光放电,当d>4 mm时,则不能得到稳定的DBD;在不同气压下,DBD稳定放电对应的电压区间范围在d为3 mm时最大;次大气压下辉光放电的特征较大气压下更明显,辉光放电更易获得,稳定放电的电压区间也更大。     

介质阻挡放电和介质阻挡电晕放电的特性比较

研究了平板-平板电极和线-管电极两种电极结构的放电特性,通过测量电压-电流波形图及放电发光图比较了它们的区别,并从放电机理角度对试验结果做出了解释。结果表明,平板-平板电极介质阻挡放电表现为微放电脉冲形式,而线-管电极结构介质阻挡电晕放电由于线电极的电晕效应,使得放电更为稳定。     

介质阻挡放电和介质阻挡电晕放电的特性比较

研究了平板-平板电极和线-管电极两种电极结构的放电特性,通过测量电压-电流波形图及放电发光图比较了它们的区别,并从放电机理角度对试验结果做出了解释。结果表明,平板-平板电极介质阻挡放电表现为微放电脉冲形式,而线-管电极结构介质阻挡电晕放电由于线电极的电晕效应,使得放电更为稳定。     

特高频段内油中与空气中放电频谱特性研究

针对不同放电模型采用特高频检测技术开展了油中与空气中放电特性的研究。实验结果表明 :油和空气中放电在时域及频域上存在差异。油中放电的一次放电脉冲持续时间较短 (约为几十ns) ,信号能量主要分布在 30 0～ 110 0MHz范围内 ;而空气中放电的一次放电脉冲持续时间超过几百ns,信号能量主要分布在 0～ 2 0 0MHz范围内。这些差异可为变压器用特高频法进行局放在线监测中选取合适频段以消除空气中电晕放电脉冲型干扰提供基础。     

基于Lissajous图形研究大气压氦气介质阻挡放电

利用高频高压电源,进行大气压氦气介质阻挡放电试验,测量了辉光和多脉冲辉光放电的Lissajous图形,分析各段图形代表的放电过程。研究表明:介质阻挡高频放电的Lissajous图形由外电压向气隙、介质充电的直线部分和气隙放电的曲线部分交替出现组成;交替(气隙放电)的次数取决于外加电压的幅值;随着直线出现次序加大,直线斜率逐渐增大;随着放电次数增加,曲线电荷阶跃百分比减小;随着外电压幅值增加,起始放电电压减小,甚至其极性发生改变。     

平行四边形水平宽度和转角参数的应用

本文研究测量局部放电特性的平行四边形方法,发现平行四边形的水平宽度与绝缘系统所含气隙的放电电压和残余电压有关,提出了一种确定气隙放电电压和残余电压的方法——平行四边形两次测量法。从而认定平行四边形转角表征的电压值和电荷转移量也是平行四边形法中的重要参数,利用这些参数可以估计放电特性。此外,本文分析证明了气隙试样中平行四边形图形特征。