绝缘介质表面流注传播特性与闪络特性的关系

绝缘介质表面流注发展过程是沿面闪络中最为重要的物理过程。利用紫外仪拍摄了空气中和不同绝缘介质表面流注传播路径,发现绝缘介质表面流注拥有‘沿面’路径和‘空气’路径两个路径。带伞裙的绝缘子表面流注"沿面分量"不能越过伞裙传播到达上极板,只有"空气分量"可以到达上极板。通过提高平板间所加电压,研究了空气间隙和绝缘子闪络特性,分析了流注稳定传播场强和50%闪络电压的关系。利用照相机拍摄了光滑绝缘子和不同伞裙结构下绝缘子沿面闪络的路径,将流注发展路径和沿面闪络路径进行对比,建立了光滑绝缘子及不同伞裙结构绝缘子表面流注路径和沿面闪络路径之间的关联。     

空气中沿面流注放电表面电荷分布特性的仿真研究北大核心CSCD

绝缘子表面积聚的电荷会畸变电介质表面电场进而引发沿面闪络。为研究空气氛围中绝缘介质表面在沿面流注放电发展过程中动态电荷积聚情况,在自主开发的二维流体沿面放电仿真模型中增加化学反应体系,模拟了正负极性沿面放电在起始及发展过程中流注自身特性以及介质表面电荷分布特性的演化过程。研究发现施加电压为负极性时,介质表面始终累计负电荷,沿面流注头部累积电荷量极高,流注头部后方界面处电场极性反转,正离子向介质表面运动;施加电压为正极性时,沿面流注头部累积正电荷,尾部电子朝介质表面扩散,介质表面总电荷量为负值。     

绝缘介质表面流注发展特性的机理研究

绝缘介质表面流注的发展是沿面闪络中的重要的物理过程,研究绝缘介质表面流注的发展特性有助于揭示沿面闪络的机理,对输电线路及电力设备的绝缘设计有着重要的意义。在“三电极”结构中,利用光电倍增管测量不同绝缘介质表面流注传播概率和传播速度随平板间电场强度的变化规律：绝缘介质表面流注传播所需的稳定传播场强大于流注在空气间隙中稳定传播的场强;同时,在高场强下,绝缘介质表面流注拥有“沿面分量”和“空气分量”2个分量,而流注在空气间隙中传播时不存在“沿面分量”,只有“空气分量”。此外,不同绝缘介质表面流注稳定传播场强和传播速度存在差异：沿面流注的稳定传播场强与介质的介电常数成正比;流注的传播速度与介质的介电常数的关系不太明显,主要与介质表面电荷附着效应和光致电子发射效应有关。     

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.     

介电常数和表面性能对沿面流注发展的定量影响

绝缘介质表面流注发展是沿面闪络中重要的物理过程,研究介质表面流注发展特性有助于揭示绝缘介质和流注放电之间的作用关系,加深对沿面闪络机制的认识。利用光电倍增管测量了绝缘介质表面的流注发展特性,其中被测绝缘介质是由两种厚度为5 mm的绝缘介质层层相叠组成的。通过改变被测试品中两种绝缘介质的体积,可以定量的估计绝缘介质的介电常数(容性)和表面性能对沿面流注发展特性的影响。试验中,测量了尼龙和聚四氟乙烯、复合绝缘材料和聚四氟乙烯两种组合试品的表面流注稳定传播电场和传播速度,发现绝缘介质表面性能对流注发展的影响很大。此外,3种绝缘介质中复合绝缘材料的表面性能最不利于流注的传播。     

固体电介质真空沿面闪络研究进展

针对真空中复合绝缘体系的耐电强度受到沿面闪络现象限制问题,综述了国内外真空沿面闪络相关的研究进展。研究发现,真空中固体绝缘介质的沿面闪络性能受老练方式、介质的表面特性及体特性、介质表面沉积电荷、绝缘体系的电场分布等因素影响。机理分析认为真空中的沿面闪络现象实质上是高场下电荷在气-固界面的输运行为,其过程涉及到介质表层中的电荷捕获/脱陷特性、二次电子的发射特性、以及气相中的气体(或解吸附气体)分子的碰撞电离/电子倍增等过程,沿面闪络的发展和形成是以上几个因素相互耦合作用结果。基于以上分析及认识,认为可以从改变材料表面特性及体特性和改善整个绝缘体系的电场分布方面,来提升真空沿面闪络电压。     

交/直流电压下气体绝缘变电站盆式绝缘子表面电荷对闪络电压的影响

在气体绝缘变电站(GIS)中,盆式绝缘子表面电荷的存在会使局部电场发生畸变,严重时还会降低沿面闪络电压。为此,研制了一种用于实际252 k V GIS盆式绝缘子表面电荷的3维测量装置,可以对盆式绝缘子表面电荷进行全径向、全角度测量。参考实际盆式绝缘子的绝缘设计裕度及其沿面闪络特性,设计了闪络试验模型,分别针对直流、交流电压作用下绝缘子表面电荷对沿面闪络电压的影响开展了研究。结果表明:在交流电压和直流电压作用下,随着表面电荷积累量的增加,绝缘子沿面闪络电压有所减小;相比于交流电压50 k V作用1 h工况下,在53 k V交流电压作用3 h工况下,盆式绝缘子的沿面闪络电压降低了10.2%,而直流电压下,绝缘子的沿面闪络电压最大可降低23.0%,这说明了绝缘子表面电荷的存在对其沿面闪络电压具有明显的影响,在绝缘设计时需予以重视。研究结果可为GIS及气体绝缘输电线路(GIL)绝缘子的绝缘设计提供参考。     

表面电荷积聚对绝缘子沿面闪络影响的研究

通过对典型绝缘子表面电荷分布特点的分析，研究了表面电荷与放电起始间的关系。研究表明在表面电荷作用下绝缘子沿面闪络起始电压会发生变化。对110kV三相共箱式GIS绝缘子的闪络实验表明，表面电荷可使绝缘子沿面闪络电压下降23．4％。对位移电流作用下的绝缘子沿面闪络先导发展模型进行改进，补充了表面电荷对该模型的影响。指出表面电荷产生的附加电场会影响流注电晕内部正负电荷的分离速度及放电的进一步发展。     

冲击电压下金属微粒对SF_6中支柱绝缘子沿面闪络特性的影响

随着中国电网发展,高电压等级下,越来越多的SF6气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)在运行过程中出现绝缘故障,支柱绝缘子作为GIS中的绝缘薄弱环节,由于其沿面闪络导致GIS事故的案例屡见不鲜。为探究造成绝缘子闪络事故的原因,文中利用实验室1 MV陡前沿冲击试验装置,研究双指数冲击电压作用下气压及波头时间对表面附着金属微粒的支柱绝缘子沿面闪络电压的影响。结果表明:附着金属微粒的支柱绝缘子沿面闪络电压随气压升高出现了"驼峰"现象,负极性"驼峰"极大值对应的临界气压值小于正极性。此外,正极性闪络通道单一,而负极性闪络通道呈弥散状分布,曲折并带有分支,且随气压升高,正、负极性闪络通道均逐渐收细。波头时间变化时,附着金属微粒支柱绝缘子的50%闪络电压呈下凹"U"型,且负极性冲击电压作用下"U"型曲线中的"临界波头时间"小于正极性。分析表明,"驼峰"现象是由流注通道中空间电荷的"电晕稳定化"作用造成的;因为正、负流注的发展过程不同,故放电通道形态也不同;而"U"型曲线是由放电时延、空间电荷以及位移电流注入电荷多种因素共同作用所造成的。     

正极性雷电冲击电压下天然酯绝缘油油纸沿面流注动态变化规律研究

油纸绝缘复合电介质沿面放电是电力设备内绝缘的研究基础,其在雷电冲击电压下的绝缘特性是变压器绝缘设计的重要参数之一。为了获得油纸沿面流注传播与消散过程中电学、空间电荷分布演化规律及其关联关系,以交界面平行于施加电场方向的油纸系统为研究对象,通过构建适用于绝缘油油纸沿面流注动态变化特性的试验观测系统,可同步获得正极性雷电冲击电压下流注传播和消散过程中的电压、放电电流和放电通道流注阴影图像。利用该平台还测量了油纸沿面正极性雷电冲击击穿电压。试验结果表明,在正极性雷电冲击电压下天然酯绝缘油油纸绝缘相对介电常数差异并不会促进油纸沿面流注的传播过程,而粘度对于油纸沿面流注侧向分支影响显著。粘度越低,空间电荷在迁移过程中所受到的阻力越小,流注头部空间电荷在受到表面电荷的斥力后越容易往油中扩散,空间电荷在绝缘油中所形成的空间电场使得油纸沿面流注的主分支能够在绝缘油中传播,增加了油纸沿面流注传播距离,从而使低粘度天然酯绝缘油油纸沿面正极性雷电冲击击穿电压略高于其纯油击穿电压。     

纳米粒子对油纸复合绝缘系统影响的试验与仿真

传统变压器油纸复合介质已不能满足特高压等级对大容量、小型化绝缘系统的要求。为得到高性能的油纸绝缘系统,开展了纳米改性的油纸复合绝缘系统的试验和仿真研究,对比测试了有无添加纳米粒子的油纸复合绝缘的操作冲击击穿电压,建立了油纸系统下油中流注的发展模型,基于该模型,计算了沿面流注通道内的电场、空间电荷和绝缘纸表面沿面电荷分布。研究表明,纳米粒子改性的油纸系统的耐压性能较传统油纸系统有10%左右的提高,纸绝缘的面电荷密度从0.020 C/m2降为0.016 C/m2,纳米粒子可以抑制油中流注和沿面流注的发展,从而提高了油纸复合介质的绝缘性能。     

附着金属颗粒的绝缘介质沿面放电微观发展过程

利用"三电极"结构,研究附着金属颗粒直径和介质介电常数对流注平均沿面发展速率、流注到达阴极时发光强度的影响;并通过COMSOL建立了包含金属颗粒影响的等离子体沿面放电模型,揭示金属颗粒和介电常数对沿面放电微观发展过程的影响机制。结果表明:金属颗粒直径越大,颗粒对背景电场的畸变作用越大,流注前端最大电场强度数值越大,导致流注平均沿面发展速率以及流注端部到达阴极时的发光强度越大;绝缘介质介电常数越大,介质表面电荷密度越大,流注通道内部电荷更易附着,流注前端最大电场强度值越小,导致流注平均沿面发展速率以及流注到达阴极时的发光强度越小。     

均匀电场作用下绝缘材料表面流注发展研究综述

绝缘子沿面闪络是输电线路设计和运行中面临的重要问题。流注的产生和发展是绝缘发生先导和闪络前的重要阶段,研究绝缘材料表面流注产生和传播对输电线路绝缘的设计和优化有很重要的意义。绝缘材料流注发展研究采用的实验装置是"三电极"结构,两个极板平行放置用以产生均匀电场,绝缘材料垂直放置在两极板之间,与下极板绝缘的针尖通以脉冲电压产生流注放电,均匀电场中流注的发展很少分叉,可以忽略空间电荷的影响。基于此,综述了绝缘材料表面流注发展的研究现状,介绍了绝缘材料性能、材料外形、外加电场、外加脉冲电压幅值等因素对绝缘表面流注发展的影响,总结了近年来绝缘材料表面流注发展所取得的成果,也提出了研究中尚不能合理解释的现象以及有待深入研究的问题。     

表面电荷对典型聚合物绝缘材料直流闪络电压的影响

积聚在聚合物绝缘材料上的表面电荷是导致电场畸变、诱发沿面闪络的重要原因。研究表面电荷对聚合物绝缘材料沿面闪络电压的影响,对于保障电气设备的绝缘安全具有重要意义。选取聚四氟乙烯、环氧树脂和硅橡胶为试样,通过针–板电极向试样表面注入电荷,采用静电电位计测量表面电荷密度,分析表面电荷积聚、衰减特性。测量有、无表面电荷及电荷衰减过程中不同时刻的直流闪络电压,计算表面电荷对闪络电压的静态和动态影响指数Lindex和Sindex,评估表面电荷对闪络电压的影响。结果表明:充电完成时表面电荷对各材料闪络电压的影响程度为:环氧树脂硅橡胶聚四氟乙烯;表面电荷衰减期间其对各材料闪络电压的影响程度为:硅橡胶环氧树脂聚四氟乙烯。     

表面电荷积聚对冲击电压下绝缘子沿面放电的影响

绝缘子的表面缺陷会导致表面电荷积聚，使绝缘子表面的电场发生畸变，影响冲击电压下绝缘子的沿面放电。研究了表面电荷对绝缘子沿面放电进程的影响，发现表面电荷积聚可以降低绝缘子沿面放电的起始电压。外施冲击电压的极性与绝缘子表面电荷极性是否相同会影响绝缘子的电晕起始时刻、由流注向先导的转变时间间隔和流注电晕电流。表面电荷对GIS支撑绝缘子的50％冲击闪络电压和伏秒特性也有一定的影响。     

极性反转条件下油纸界面电荷对沿面闪络电压的影响

高压直流输电系统出现潮流反转时,换流变压器的油纸绝缘会承受极性反转电压,容易造成绝缘失效.基于油纸沿面绝缘结构的极性反转闪络试验平台,研究了油纸界面电荷对沿面闪络电压的影响以及直流极性反转条件下油纸绝缘沿面闪络电压与单极性直流电压下沿面闪络电压的差别,并分析了油纸绝缘沿面放电针板电极模型的界面电荷在极性反转条件下对油纸绝缘沿面闪络电压的影响,发现油纸积聚的界面电荷密度越大极性反转时发生沿面闪络的电压越低.     

环保气体下灰尘对环氧树脂闪络特性的影响

气体绝缘设备中环氧树脂绝缘子表面染污是引发其沿面闪络的重要原因,明确各类型灰尘对环氧树脂绝缘性能的影响具有重要的意义。采用3种材质粉末模拟气体封闭绝缘设备中可能出现的灰尘类型,并对各组附灰试样进行表面电荷特性测量分析,并在混合C_4F_7N-CO_2气体环境中进行了工频交流沿面闪络测试。测试结果显示,金属类附灰电荷积聚量最多,绝缘类与半导体类附灰积聚电荷量相近;金属类附灰试样电荷消散速度最快,附半导体类其次,而绝缘类附灰试样消散最慢。金属类附灰试样沿面闪络电压随附灰粒径d减小而逐渐提高,半导体类、绝缘类附灰试样沿面闪络电压随d减小而逐渐降低;与经表面充电操作后的试样相比,未充电的试样(原试样)闪络电压较低。阐述了环氧树脂绝缘表面附着不同材质、不同粒径灰尘对于其表面电荷特性及沿面闪络特性的影响及二者间关联关系。     

非线性电导涂层对直流GIL绝缘子空间/表面电荷和沿面电场的调控研究

空间/表面电荷积聚是导致直流GIL绝缘子沿面闪络电压降低的潜在原因,涂敷非线性电导涂层是提升沿面绝缘性能的有效方法。本文建立了电场依赖性非线性电导涂层对绝缘子空间/表面电荷及沿面电场调控的数学模型,综合考虑了绝缘气体电流密度以及绝缘子固体电导率与电场强度的非线性关系,通过该模型研究了温度梯度分布下绝缘子内部电荷的分布规律,以及非线性电导涂层对绝缘子表面电荷积聚的影响机制。结果表明：非线性电导涂层对空间电荷消散有明显的促进作用,高压电极附近的同极性电荷主导了表面电荷分布;由于表面电荷分布和切向电场的改善,绝缘子的沿面闪络性能得到提高;在绝缘子与涂层界面之间会积聚正电荷,并从高压电极向地电极逐步递减。     

电场分量对交直流复合电场下油纸绝缘沿面放电特性的影响

油纸绝缘沿面放电现象与绝缘纸板表面的电场分布关系密切,因而使用无背面电极和有背面电极两种结构,研究了电场分量对交直流复合电压下油纸绝缘沿面放电特性的影响机制。研究结果表明:随着直流电压分量的不断增加,油纸绝缘的沿面闪络电压逐渐上升,且交流电压下的闪络电压最低;无背面电极结构下沿面闪络电压无极性效应,有背面电极结构中存在极性效应,且负极性直流电压分量作用下,由于纤维素中羟基的强电负性影响,致使沿面闪络电压较低;无背面电极结构时的闪络电压约为有背面电极结构时闪络电压的1.5倍,分析认为由于载流子受到强垂直电场分量作用,加剧了对绝缘纸板表面的碰撞,油纸绝缘空间电荷平衡状态易在较低交流电压分量作用下受到扰动而被破坏,进而诱发沿面闪络发生,致使沿面闪络电压逐渐下降,该下降趋势具有饱和现象;沿面闪络在交流电压分量接近波峰或者波谷位置处发生。     

交流电压下气固界面电荷积聚与放电特性研究进展

在高电压长时间作用下,固体绝缘表面容易积聚电荷,并有可能诱发绝缘子沿面闪络,进而影响电力系统的安全可靠运行。研究交流电压下固体绝缘表面的电荷积聚特点及放电特性,对于提高绝缘子的沿面闪络电压、改善绝缘子制造水平等都具有重要意义。该文结合目前正在进行的研究工作,针对当前交流电压作用下电荷积聚和放电特性研究中的关键问题,如电荷测量方法、电荷积聚原因、分布特点、影响因素以及表面电荷与沿面闪络电压的关系等进行阐述,对近年来相关的电荷积聚与放电特性研究进展进行总结,并对下一步的研究工作进行展望并提出建议,旨在为未来交流电压作用下绝缘子表面电荷的相关研究提供参考。