SF_6气体中电晕放电的紫外光、可见光及近红外光脉冲特性研究

为了研究SF_6气体中金属尖刺处局部放电伴随的发光现象及特性,搭建了一套局部放电紫外光、可见光及近红外光波段同步光学检测平台。采用均匀背景电场中的针-板电极作为实验对象,采用逐级升压方式对SF_6气体中针-板电极进行局部放电试验,分别对不同电压下的局部放电光脉冲信号进行测量,并对局部放电光脉冲的N-?柱状图及幅值分布区间进行统计分析。结果表明:3种光谱波段下检测到的脉冲放电重复率和脉冲幅值分布区间宽度与外施电压都具有良好的线性一致性关系;随着外施电压升高,3种光谱波段的放电光脉冲幅值分布范围逐渐增大,且存在饱和现象和明显的极性效应;紫外光和可见光范围内的光脉冲具有较大的活跃性,而近红外光波段内的光脉冲多出现在放电较为剧烈的情况。该研究结果可为光测法在GIS设备内绝缘检测中的应用提供参考。     

SF_6气体中金属导体悬浮电位放电的多光谱特征研究

为了对SF_6气体中金属导体悬浮电位放电强度进行评估,搭建了一套全光谱波段下的光学检测系统,在紫外光、可见光及近红外光下采集金属导体悬浮电位放电产生的光脉冲信号及光子数目,进而提取出金属悬浮电位放电强度的光信号表征参数,并探讨了气体压强、光测距离对光学特征参数的影响。结果表明:随外施电压的升高,可见光和近红外光下检测到的放电重复率和单位时间辐射光子数均增大;相同条件下,在0.2～0.5 MPa内,随着气体压强的升高,可见光和近红外光下的放电平均光脉冲幅值和单位时间辐射光子数均减小;随着光测距离的增大,可见光和近红外光下的放电平均光脉冲幅值和单位时间辐射光子数也减小。因此,可利用可见光和近红外光下检测到的放电重复率及单位时间辐射光子数对放电强度进行评估。     

空气中电晕放电光电脉冲联合检测方法研究

为了对空气中电晕放电强度进行评估,搭建了一套能够同时采集光电脉冲信号的局部放电光、电联合检测系统,并设计了典型的针-板电极缺陷。通过对不同外施电压下光、电脉冲特性的研究,发现光电脉冲在时间上有很好的一致性,且在放电负半周期,光电联合检测到的放电重复率随外施电压升高而增大;在外施电压正半周期,光脉冲幅值与视在放电量存在较好的线性关系,而在负半周期电压较低时,光脉冲幅值与视在放电量无线性关系,且随着外施电压不同,正半周期光、电脉冲相位分布谱图呈现"包络"状。结果表明:通过光电联合检测得到的放电重复率、脉冲幅值及相位分布谱图特征可对电晕放电剧烈程度进行判断。     

SF6气体中典型缺陷的光电脉冲光谱极性效应分析

为了更好地将光学探测和弧光监测应用于SF6气体绝缘系统，并进一步完善对放电光电极性效应的认识，搭建了一套SF6局部放电光电联合模拟实验系统，通过多光谱传感器对绝缘子爬电和电晕放电2类典型情况下的多光谱信号进行采集，分析其多光谱光电脉冲极性效应。研究结果表明：2种放电3个波段的光辐射强度幅值及占比存在显著区别，其中电晕放电多光谱极性效应更为明显，其正、负极性放电多光谱脉冲信号幅值在相基统计图谱上存在明显区别；随着外施电压上升，沿面放电多光谱信号幅值上升且速率加快，而电晕放电幅值增长幅度减缓，并且2种放电类型的紫外波段占比减小，可见波段占比增加，红外波段保持较低水平；在脉冲重复率分析中，2种放电的脉冲重复率均随电压增大而增加，其中电晕放电正极性脉冲重复率小于负极性；在多光谱数据三元分布统计中，电晕放电的正、负极性脉冲分布发生明显分离，而沿面放电分布基本重叠。     

开关柜内沿面放电及电弧放电多光谱特征分析

在极端条件下,高压开关柜中的局部放电可发展为非贯穿或贯穿性电弧,导致严重绝缘失效.从放电的光辐射特性出发,提出了一种针对局部放电和异常电弧的光学检测方法,利用紫外光、可见光和红外光三波段光信号的同步监测,获得了沿面放电和电弧放电的多光谱光脉冲特性,并对比分析其平均光脉冲强度、三波段光强占比和放电重复率.结果表明:放电光信号幅值与外施电压存在良好的对应关系,三个波段的统计特征在低能放电和高能放电中表现出较大差异,可依据此特征制定低能放电和高能电弧放电的判别阈值,从而提高开关柜状态预警和主动保护的置信度.     

空气中针板直流正负电晕发展过程实验研究

为了探明干燥空气中直流电压下电晕放电发展过程,搭建了局部放电测试系统,开展了针–板模型不同极间距离下的正负电晕放电实验。实验结果表明,随实验电压的增加,正电晕逐步经历猝发性流注放电、周期性流注放电、辉光放电及刷状放电等过程;负电晕逐步经历Trichel放电初期和中期、锯齿状放电及辉光放电等过程。当在电压增幅相同下针–板间距增加时,正电晕流注阶段脉冲幅值及重复率变化较小,刷状流注阶段脉冲幅值与重复率变化较大,增加幅度均减小,脉冲幅值峰值减小,重复率峰值增加;负电晕Trichel放电阶段,脉冲幅值增加幅度减小,脉冲幅值峰值减小,重复率增加幅值减小,重复率峰值相近。正负电晕发展过程变化不同,原因均可归结于针-板间正负空间电荷迁移速率不同,电荷迁移过程中加强或削弱电离区域电场方式不同导致电离电荷的聚集、消散方式不同。     

UVTRONR2862型紫外传感器检测交流电晕放电

为得到准确的放电信号,避免外界环境电磁干扰,针对高电压设备局部放电时伴随有紫外光产生的现象,选用UVTRONR2868型紫外传感器检测针—板电晕放电。该传感器光谱响应范围为185～260nm,可避开可见光干扰。通过实验选择合适的驱动电路以及紫外传感器的驱动电压;统计放电脉冲出现的相位分布;寻求反映电晕强弱的特征量。用脉冲电流传感器、紫外成像仪和紫外传感器同时检测针—板电晕放电,对比3者灵敏度。实验结果表明,该紫外传感器脉冲输出个数与放电强弱有明显关系;放电脉冲出现的相位与电流传感器所测结果基本一致;其灵敏度较高。     

单针–板结构负电晕放电器件特性研究

基于电晕放电原理的气体传感器利用局部高电场将样本气体电离,根据电离特性进行气体识别。宏观尺度下的电晕放电特性研究较多,但对于微尺度下的电晕放电特性研究尚未深入。以直径为20μm的镍铬丝作为放电电极,搭建了单针–板结构电晕放电器件,研究其在不同间距下的放电过程。实验结果表明:当电极间距d≤0.2 mm时,放电直接发展为火花放电;当电极间距d≥0.5 mm时,初始阶段放电不稳定;随放电电压的增大,输出信号由低频率脉冲阶段逐渐转变为稳定电晕放电,且电极间距越大,起晕电压越高,不稳定电晕阶段越短,初始阶段脉冲幅值越小。以上结果为微尺度下负电晕放电气体传感器的研究提供了理论依据。     

振荡型操作冲击电压下SF_6气体中极不均匀电场局部放电特性

在对设备进行操作冲击耐压试验的同时进行局部放电测量可更加准确地进行设备绝缘状态的判断。对SF_6气体中极不均匀电场在振荡型操作冲击电压下的局部放电特性进行了研究,搭建了振荡型冲击电压发生系统,产生了符合IEC 60060-3标准的振荡型操作冲击电压。基于特高频法和脉冲电流法建立了冲击电压下局部放电测量系统,构建了尖板电极模型模拟SF_6气体中的极不均匀电场,分析了放电时延、放电幅值、放电数目和放电相位随外施电压的变化规律。结果表明:局部放电集中在外施电压各波峰附近,会在多个振荡周期发生局部放电,但第一振荡周期首次放电电压最低、激发放电的能力最强;随着外加电压的增加,局部放电相位分布宽度、放电幅值和次数均随之增加。     

重复短脉冲上升时间对变频电机绝缘局部放电统计特性的影响

重复脉冲电压下的局部放电起始放电电压测试是评估低压变频电机绝缘性能的主要手段。为提高测试灵敏度,研究重复脉冲电压波形参数对局部放电统计特性的影响,设计了可产生最短上升时间为10 ns的重复短脉冲发生装置,并利用超高频及紫外测试方法,在10～100 ns上升时间的重复短脉冲电压下研究了变频电机匝间绝缘的局部放电统计特性。结果表明:随着重复短脉冲上升时间的增加,局部放电的幅值减小、相位增大;紫外光子数则先减小并在上升时间从80 ns变化至100 ns时增加,研究认为随着上升时间的增大,多个放电点产生放电的重叠机率减小,检测得到的放电重复率反而有可能增大。     

SF6气体中交流电晕放电电流及带电粒子的时空分布

SF_6气体中电晕放电微观物理化学过程的基础研究对于保障电网安全可靠运行非常重要。为此在负极性电晕放电脉冲形成机制研究工作的基础上,应用同样的针-板电极电晕放电的二维轴对称模型来研究交流50Hz下SF_6气体中电晕放电的微观物理化学过程,并采用在连续性方程中增加常数项和设置初始质量浓度这2种方法来模拟光电离,计算了交流电晕放电1个放电周期的电流及不同时刻带电粒子的时空分布。结果表明:在连续性方程中增加常数项模拟光电离能够获得负半周幅值附近的连续性电流脉冲,与试验结果更为接近;正负半周带电粒子的运动方向正好相反;电晕放电区域的高度为8mm,且有效放电半径≤0.20mm。放电区域的获取能够为进一步研究SF_6气体在交流50 Hz电晕放电中的分解产物的演化规律提供理论支撑。     

正弦和重复方波电压下变频电机绝缘局部放电特性对比

为对比研究正弦和重复脉冲电压下变频电机绝缘的局部放电特性,基于超高频测试技术搭建了两种电压条件下电机绝缘的局部放电测试平台。利用该平台,分别在正弦及200 ns上升时间的重复脉冲电压下,对低压变频电机漆包绝缘单点放电模型进行了局部放电测试,对比分析了正弦和重复脉冲电压下的局部放电单个脉冲的时频幅值、相位分布及频域能量分布、多个脉冲的统计谱图等特性,研究结果发现:对于相同峰峰值和频率的重复方波和正弦电压,重复方波电压下变频电机绝缘局部放电幅值及耐电晕寿命分别约为正弦电压下的10倍及1/3,且相位、时频域统计特性存在明显差异,在基于国际电工委员会标准对变频电机绝缘系统进行评估时,必须依据重复方波脉冲对放电特性及耐电晕寿命影响规律,重新考虑局部放电测试及耐电晕系统的设计。     

变压器电晕放电紫外脉冲检测法

变压器局部放电常用检测方法包括脉冲电流法、油中溶解气体分析(DGA)法、超声波法、无线电干扰电压(RIV)法、光测法、射频检测法及化学方法等.在上述方法分析的基础上,根据电晕放电的紫外光特性提出了用紫外脉冲检测变压器内部放电的新方法.分析了变压器电晕放电与紫外光特性的关系、紫外光在变压器内部的传播特性,论证了电晕放电的紫外脉冲法检测原理,提出了变压器内部电晕放电故障定位方法,设计了紫外脉冲监测方法并进行了实验验证.结果表明,紫外脉冲法可用于变压器电晕放电的在线监测.     

纳秒脉冲电晕放电衰减研究

建立了线－板结构脉冲电晕放电实验模型，研究了沿电晕线的纳秒脉冲电晕放电对其自身波头幅值、波头形状的衰减特性，用高灵敏度紫外光－可见光成像系统摄取了单次纳秒脉冲电晕波电图像并进行了分析。研究表明，纳秒脉冲电晕放电对其自身波头幅值的衰减在电晕线前段的下降具有指数型快速衰减的趋势，且首端所加电压幅值越高，这种衰减越严重。     

电晕放电下的SF6气体特征发射光谱与放电程度识别

电晕放电是局部放电的典型形式,长时间电晕放电会引起电气设备的绝缘老化,甚至导致设备在正常运行电压下发生击穿。SF₆气体的强电负性致使低电压或高气压放电条件下的光谱信号极其微弱,为此,提出一种特征谱带光信号增强的方式,选取可表征局部放电SF₆气体特征光谱,采用窄带滤光片+光电倍增管的方式,增强特征谱段的光信号,以提高信噪比。首先,模拟黄铜、不锈钢、铝等不同电极材料下的针-板电晕放电,结合SF₆气体的电离分解机理,分析表征电晕放电的激发辐射的粒子特征谱带及其成因。其次,根据特征谱带选取窄带滤光片、光电倍增管、透镜等光学器件并搭建光脉冲信号检测平台,增强特征谱段的光信号响应。最后,在对比分析不同放电阶段光信号特点的基础上,提出识别放电严重程度的指标及阈值,并通过高气压电晕放电实验进行有效性验证。本文可为SF₆气体绝缘电气设备的局部放电检测及识别提供参考。     

Trichel脉冲放电中的模式转变实验研究

Trichel脉冲为一种典型的负电晕放电电流形式。为了进一步研究Trichel脉冲放电特征,针对于其放电随机性强、不利于对脉冲单体进行研究这一点,在空气中室温开放环境下,利用针-板电极结构对负电晕放电特性进行了研究,采用统计学方法对其参数—脉冲上升沿时间、半波下降时间、脉冲幅值、脉冲频率—进行概率分布分析。结果表明,在放电过程中,随着电压的上升,Trichel脉冲放电存在着模式转变的过程,模式转变发生为一个连续过程;在该实验条件下,模式转变过程始于电压值为-6.5 k V,止于电压值为8 k V时;在模式转变过程中,脉冲上升沿时间与半波下降时间几乎不变,脉冲幅值改变。脉冲幅值出现大幅度跳变为判断模式转变的一个主要依据。     

高空低气压电晕放电特性模拟试验研究

电晕放电对飞行器的运行安全造成严重威胁。为了解高空低气压环境下电晕放电特性,建立了由真空泵、真空计、密闭气罐、高压静电源、动态电位测试仪等组成的高空低气压电晕放电模拟试验系统。采用针–板电极结构模型进行了低气压环境下电晕放电模拟试验,并结合气体放电理论,从微观粒子运动角度对试验结果进行理论分析。结果表明:在5~30 k Pa范围内,随着气压的降低,起晕电压近似呈线性降低,Trichel脉冲幅值、上升沿时间以及重复频率逐渐增大,但脉冲持续时间基本不变,约为600 ns。该研究结论可为研究飞行器的电晕放电特性提供参考。     

电极介质覆盖SF6间隙纳秒脉冲电压放电特性研究

本文引入流体力学理论的对流-扩散机制,建立以自洽流体力学模型为基础的SF_6气体电极介质覆盖下的纳秒脉冲电压下的放电数学模型。采用MacCormack二阶精度反耗散的稳定格式,既顾了计算精度、计算量和收敛速度的要求,又克服放电过程间隙参量奇异性对计算结果的影响。同时计算分析了0. 4 MPa,纳秒脉冲电压上升沿20 ns条件下,幅值分别为10、14、19和25 kV,以及幅值15和25 kV条件下的20、30和40 ns下的SF_6气体电极介质覆盖下的纳秒脉冲放电特性,以及放电过程带电粒子的运动行为与间隙电场影响机制,获得了脉冲电压幅值和上升沿对其放电过程的位移电流、传导电流以及总电流之间制约关系。研究结果对拓宽SF_6应用领域具有参考价值。     

重复短脉冲及方波电压频率对变频电机绝缘局部放电统计特性影响

为研究重复短脉冲及方波电压频率对局部放电统计特性的影响规律,采用不同频率的重复短脉冲及方波电压对变频电机漆包线绞线对进行测试,得到了两种电压条件下频率对局部放电幅值及相位的影响规律。结果表明:在重复短脉冲及方波电压下,频率升高造成表面积累电荷衰减减小,促使初始电子出现概率增加,从而导致局部放电幅值减小;放电相位随频率变化可能会受到电压极性的影响,在高频重复短脉冲电压下放电相位延迟,在高频重复方波电压下放电相位提前;在重复方波电压下的放电幅值为0.2~2 V,高于重复短脉冲下的放电幅值。根据研究结论,在依据国际标准对变频电机绝缘性能进行检测时,为提高信噪比,推荐采用频率较小的重复方波电压。     

电场不均匀系数对SF6/N2混合气体负直流电晕电流脉冲特性的影响

为了研究SF6/N2混合气体负直流电晕电流脉冲特性,建立SF6/N2混合气体二维轴对称针-板几何模型,对不同电场不均匀系数下的负直流电晕放电进行了仿真计算.通过将放电过程中正离子、负离子和电子的连续性方程与泊松方程耦合,研究负电晕电流脉冲的形成机制,分析了电场不均匀系数对带电粒子变化过程和电流脉冲特征参数的影响,并通过针-板模型电晕放电实验平台验证了仿真模型的有效性.仿真结果表明,电流脉冲形成过程中,电子数密度远小于离子数密度,且正离子数密度大于负离子数密度;每个电流脉冲对应一个负离子云的形成和迁移,随着电场不均匀系数减小,由于针电极和负离子云之间的静电排斥,负电晕会呈现先偏离针尖发展、而后又向针尖回移的趋势;电流脉冲幅值整体呈增大趋势,初始电流脉冲宽度增大,脉冲上升时间和下降时间增长,同时脉冲重复率减小.