基于Kerr电光效应的冲击电压下液体电介质空间电荷高速CCD测量

空间电荷的存在直接影响液体电介质的绝缘击穿性能,为了更好地研究空间电荷的动态变化过程,建立了基于Kerr电光效应的冲击电压下液体电介质空间电荷的高速电荷耦合器件(CCD)测量系统。运用高精度光电传感器的测量方法,得到了室温下液体碳酸丙烯酯的Kerr常数。进而通过高速CCD的动态光电测量,并结合图像处理技术,求取了冲击电压下平行板铜电极间电场和空间电荷的动态分布曲线。实验研究表明:在平行板铜电极间,当液体介质中电场达到一定程度时会出现空间电荷的注入与输运,使得极间电场呈现出中间高两边低的分布情况。另外还分析了空间电荷的分布和输运对液体绝缘特性的影响,该研究为分析冲击电压作用下液体介质中空间电荷的产生机制及空间电荷对流注放电的影响奠定了基础。     

两种电极材料下变压器油的冲击绝缘特性和空间电荷作用机理

为探究电极材料对变压器油冲击绝缘性能的影响,选用铝、不锈钢两种电极材料,采用操作波和雷电波两种形式的冲击电压,对两种电极下变压器油的冲击击穿电压进行了测量。同时搭建了相应的空间电荷测量平台,测量了操作过电压下两种材料电极间变压器油的电场和空间电荷分布情况。试验结果表明:变压器油的冲击击穿电压受到极板材料的影响;变压器油在不锈钢极板下的雷电和操作冲击击穿电压均较铝电极有明显的提升;操作过电压作用下,铝电极的空间电荷注入能力要明显强于不锈钢电极,因此变压器油在铝极板间的电场畸变程度明显高于不锈钢极板。从空间电荷角度分析了电极材料对变压器油击穿电压的影响,认为不同电极材料下空间电荷的注入量不同,导致其变压器油中电场畸变程度的差异是造成不同电极材料下变压器油击穿电压差异的主要原因。     

冲击电压下变压器油中电场特性及电荷运动模型

冲击电压下油纸绝缘结构的电场特性和电荷特性是变压器绝缘设计中需要考虑的关键环节,目前主要依靠仿真计算获得,其结果不仅难以体现电场作用下产生的空间电荷对电场的影响,而且缺乏实测手段的支撑和验证。该文利用基于光学克尔效应的油纸绝缘空间电场非接触式测量方法,对冲击电压下变压器油中的电场特性开展了实测研究,获得了电极材质、电压幅值、波前时间对空间电场及电荷特性的影响规律,并且基于实测结果建立了冲击电压下变压器油中电荷运动模型。试验结果表明:在冲击电压作用下,铝电极对纯变压器油中的电荷注入量最大,不锈钢次之,铜最少,这是由不同电极中金属元素的功函数不同所导致;随着电压幅值的增大,空间电荷对油隙中间电场的作用是先增强后削弱再增强;随着波前时间的延长,变压器油中电场的峰值呈现逐渐减小的趋势,波前时间40μs时间时比500ns时降低了17.6%,其原因在于波前时间较长时注入电荷量较大、削弱作用较强所致;在冲击电压过程中,电荷存在动态运动过程,不同时刻电荷位置不同导致对电场的作用不同,负电荷由阴极运动到阳极的平均运动速率为1.1×10-3m2/(V?s),负电荷达到相对稳定状态所需时间至少为2μs。用场致发射和场致电离理论分别解释了变压器油中负、正电荷的来源,建立了电荷运动模型,阐释了电荷运动机制。     

温度梯度叠加极性反转电压下硅橡胶电荷输运及电树枝特性

直流电缆长期运行在高温度梯度作用下,且时常遭受极性反转、冲击电压等暂态电压,严重影响电缆绝缘可靠性。该文选用电缆附件主绝缘硅橡胶材料,针对不同温度梯度场和极性反转电压下的电树枝起始特性进行研究。搭建极不均匀场下双极性载流子输运模型,研究不同温度梯度和极性反转过程中电荷输运和电场分布特性。研究结果表明：随着针尖温度的上升,空间电荷注入量和注入深度不断增加,反转前后电场的变化更大。温度从30℃增加至120℃,电树枝起始电压下降26.2%,电树枝形态趋于密集,但电树枝长度先增加后减少。结合空间电荷输运特性,给出极性反转电树枝起始的过程,并分析温度梯度对电树枝引发特性的影响规律。     

直流叠加冲击电压下XLPE中空间电荷特性研究

高压交联聚乙烯（XLPE）直流电缆在工作状态下，会受到电力系统中由投切等操作引起的操作冲击电压的破坏，导致绝缘受到影响，而目前缺乏多次冲击累积效应引起空间电荷累积导致电缆绝缘劣化的相关研究。本文基于实验室已有的直流叠加冲击电压下的PEA法空间电荷测量系统，分别测量了直流电压、冲击电压、直流叠加冲击电压作用下XLPE电缆绝缘中的空间电荷特性。结果表明：正直流电压下XLPE体内以异极性电荷为主，负直流电压下SC电极上出现同极性负电荷的注入；连续的高幅值冲击电压作用会导致双电极上大量的同极性电荷注入，且负极性冲击下电荷注入量略多；当直流叠加冲击电压时，同极性叠加方式比异极性叠加方式更能促进双电极上同极性电荷的注入，而且冲击电压作用时间越长，XLPE试样内部积聚的电荷量越多。     

水分和温度联合作用时油浸绝缘纸空间电荷特性

油纸绝缘介质内部积聚的空间电荷与其绝缘性能密切相关,它可以导致介质内部电场分布的畸变,对局部电场起到削弱或加强的作用,若电场畸变严重,将引起绝缘材料的击穿和老化,直接影响绝缘系统的可靠性和安全性。水分和温度被认为是危害油纸绝缘介电强度和绝缘寿命的最主要因素,为了解它的特性,采用电声脉冲(PEA)法研究了油纸绝缘介质在温度和水分联合作用下空间电荷的注入、迁移、积聚和消散特性,进一步分析了水分和温度联合作用对油浸绝缘纸直流击穿和电荷积聚行为的影响。结果表明:油浸绝缘纸的水分含量和温度越高,其内部正负电荷的注入和迁移就越显著,而且油浸绝缘纸内部积聚的空间电荷在撤去外加场强后消散得也越快;对于未被外加场强击穿的油浸绝缘纸,其内部慢速运动电荷的量随着水分含量和温度的升高而减少;而对于被外加场强击穿的油浸绝缘纸,在击穿前其内部仅积聚极少量的负电荷。     

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。     

绝缘纸热老化对油浸绝缘纸空间电荷生成及迁移特性的影响

油纸绝缘介质在高压直流电场的作用下容易在其内部积聚空间电荷,造成电场畸变进而引发材料绝缘性能的下降,为了深入探索油纸绝缘系统空间电荷的生成机理,研究区分绝缘纸老化和绝缘油老化对油纸绝缘介质空间电荷生成及迁移的影响具有重要意义。首先将纤维素绝缘纸在130℃下进行加速热老化,然后将不同老化状态绝缘纸浸渍新绝缘油,得到不同老化状态的油纸试品,最后运用电声脉冲(PEA)法研究油纸试品的空间电荷注入、迁移和消散特性,并分析单纯绝缘纸老化对油纸绝缘试品在加压和去压过程中的空间电荷总量变化规律的影响,以及对油纸试品表面陷阱能级密度分布的影响。结果表明:随着绝缘纸老化程度的加深,加压过程中阳极处的正电荷密度峰值以及试品内部负电荷密度峰值逐渐增大,去压后空间电荷衰减速率减小;绝缘纸老化越严重,试品内部积聚的空间电荷总量、试品的表面陷阱能级密度也越大。与绝缘油老化对油浸绝缘纸空间电荷特性的影响相比发现,绝缘油与绝缘纸的老化均会改变油纸绝缘介质空间电荷分布,增大空间电荷注入总量,从而对材料绝缘性能造成巨大影响。     

温度对直流电压下油纸绝缘空间电荷特性的影响

油纸绝缘是直流输电设备的主要绝缘材料,其空间电荷特性变化会引起局部电场发生畸变,从而影响材料的介电强度,降低直流输电设备的运行可靠性和稳定性.使用电声脉冲法( PEA)测量装置,分析油纸绝缘中空间电荷的注入、迁移、消散规律,搭建试验平台,通过升压试验获得试品空间电荷注入的参考电压,然后对试品加3 kV的直流电压,分别在15℃、30℃、50℃温度下对油纸介质的空间电荷的特性进行分析.试验结果证明:在不同条件下发生空间电荷的注入,温度会对去压时空间电荷的消散产生很大的影响;温度会影响油纸绝缘介质内电场的大小和分布,使空间电荷严重畸变电场,引起绝缘的进一步破坏.     

绝缘纸特性和极性反转对油纸绝缘空间电荷效应的影响

油纸绝缘系统的空间电荷效应将畸变绝缘介质内部的电场,进一步影响其老化和击穿等电气特性。在直流电场、复合电场及极性反转等复杂工况下,换流变压器内绝缘系统的空间电荷效应将更为突出。基于双极性电荷输运模型,通过数值模拟方法探究绝缘材料厚度、老化状态和极性反转等关键因素对空间电荷效应的影响。研究表明,绝缘纸厚度的变化不改变空间电荷密度曲线中正/负电荷区的极性偏移特性,但厚度变小缩短或消除了零电荷区;绝缘纸老化程度的加深,其电荷陷阱及深陷阱数目均会增多,这一方面加强了空间电荷效应的极性偏移,另一方面使得正电荷区呈变小趋势,从而使绝缘纸内电场畸变加剧;极性反转工况下,绝缘纸中陷阱电荷的脱陷或复合均需一定的时间滞后,使得净空间电荷密度曲线的负/正电荷区呈现初值不对称和沿介质厚度方向分布均不对称的特征,致使绝缘纸内部电场畸变愈发严重。研究结果可以为换流变压器油纸绝缘设计与防护提供参考。     

油老化状态对油纸绝缘直流电场下空间电荷特性的影响

为了深入研究油老化对油纸绝缘直流电场下空间电荷特性的影响,通过加速热老化得到三组不同老化程度的绝缘油试样,并对其进行理化及电气特性分析;然后利用所得油样分别对经过真空干燥的新绝缘纸进行真空浸渍,得到3组油老化状态不同的油纸绝缘试品;进而采用电声脉冲法(pulsed electro-acoustic,PEA)在室温下分别测量了3组试品在施加直流电压和撤除电压情况下的空间电荷分布,讨论了油老化状态对油纸绝缘试品中空间电荷注入、积聚及消散等特性的影响。实验结果表明：施加直流电压下,3组油浸纸试品与电极界面处均发生了同极性电荷注入现象,油老化程度越严重,电极与介质界面处感应的电荷密度峰值越大,积聚在试品中的空间电荷总量也逐渐增大,负电荷积聚区域逐渐向阳极方向推进。撤除电压后,随着绝缘油老化程度的加重,试品中的空间电荷消散速率增大,且正电荷的消散速率大于负电荷的消散速率。     

环氧及其复合物的空间电荷研究进展

空间电荷在电介质内部的积聚会导致其内部电场的畸变,从而明显的影响绝缘电介质其他方面的电性能,如电导、老化和击穿特性等。环氧树脂由于具备优异的机械性能、热性能和介电性能,所以在电气绝缘领域被广泛使用,其空间电荷的研究,也是近几十年来国际研究的一个热点。文中综述了环氧及其复合物中空间电荷的研究概况。从固化剂类型、电场强度、电极材料、温度、湿度、掺杂粒子等方面论述了这些因素对环氧中空间电荷的影响,并探讨了这些因素影响空间电荷的原因和影响的强弱。     

电压上升率对GIS绝缘缺陷击穿特性的影响

随着气体绝缘金属封闭开关设备(gasinsulated switchgear,GIS)设备容量不断增大,现场越来越难以开展对应电压等级的雷电冲击试验,其产生的冲击试验电压的波前时间可能长达十几μs。探究长波前冲击电压波前参数对SF6气体间隙放电特性影响的研究,认识GIS中绝缘缺陷在冲击电压作用下的放电特性,是判定采用长波前冲击电压进行现场试验是否合理的前提与基础。主要探究了在棒–板电极和同轴母线针–板电极两种不同电极结构下,波前电压上升率(d U/dt)对SF6间隙击穿特性的影响规律。结果表明,2种结构电极间隙击穿电压随着电压上升率增加呈现U型变化趋势。研究表明U型曲线拐点电压与空间电荷"电晕稳定化"作用相关,且在U型曲线左右半支的击穿电压变化规律受空间电荷"电晕稳定化"和背景电场的"扫除作用"共同影响。     

含针尖缺陷的XLPE电缆绝缘击穿行为的频率依赖特性研究

研究了在20~300 Hz频率范围内含针尖缺陷的电缆绝缘试样在变频电压和阻尼振荡波电压作用下的击穿特性,变频击穿采用连续升压和逐级升压两种方式。结果表明:连续升压下的变频击穿电压、逐级升压下的变频击穿电压和阻尼振荡波击穿电压分别在240 Hz、80 Hz和170 Hz附近出现最大值。电压形式和电场频率对含针尖缺陷电缆绝缘击穿特性的影响来源于空间电荷的注入及分布特性的差别,这种差别不仅导致击穿电压的不同,还导致击穿的微观路径产生显著变化。     

不同含水量油纸绝缘的交直流空间电荷特性研究

换流变压器在正常运行过程中,水分会导致油纸绝缘电气性能下降并加速其老化,导致寿命下降和绝缘击穿。为研究水分对油纸绝缘交直流复合电压下空间电荷特性与击穿特性的影响,制备不同含水量的油纸绝缘试样,利用交直流复合电压下空间电荷测量系统,得到了交流、直流及交直流复合电压形式下水分含量对油纸绝缘空间电荷特性的影响规律,同时研究了不同水分含量试样在不同电压类型下的击穿特性。结果表明：交直流复合电压下油纸绝缘中的电场畸变率大于直流和交流电压下的电场畸变率;随着直流分量的增加,较高含水量试样的电气强度增加幅度明显低于较低含水量试样,低含水量试样的电气强度受直流电压分量影响而高于高含水量试样。     

热老化下双层聚酰亚胺薄膜绝缘特性研究北大核心CSCD

为研究热老化下介质直流和操作冲击结果的演变规律及其影响机制,文中以热老化处理的(190℃,220℃)双层聚酰亚胺薄膜(PI)为研究对象,采用等温松弛电流法(IRC)对不同热老化程度介质的空间电荷特性进行研究,基于双极性电荷输运模型(BCT),仿真研究陷阱密度对直流击穿结果的影响机制。基于局域态电荷吸收能量的频率依赖模型,数值分析空间电荷和介电参量对冲击击穿结果的影响机理。结果表明,随着热老化时间增加,介质陷阱密度逐渐减小,电荷注入效应增强,介质内部的电场畸变程度增大,故直流击穿场强逐渐下降;中低频区域介质tanδ值逐渐升高,局域态电荷的能量吸收能力增强,其更容易从陷阱逃脱,对绝缘结构产生破坏,导致冲击击穿电压逐渐下降。提高热老化温度后,上述现象更加严重。     

交联温度对XLPE累积电荷衰减特性的影响

交联聚乙烯(XLPE)中的累积电荷是造成电力电缆局部电场集中、引发电树枝和绝缘击穿事故的重要原因。为考察对保障XLPE电缆的安全运行十分重要的累积电荷的衰减机理,以不同温度交联形成的XLPE薄膜为试样,通过电晕充电法向试样注入电荷,采用静电电位计测量试样表面电位,分析了交联温度对累积电荷衰减特性的影响。结果表明,正、负电荷均呈现非线性衰减特性,正电荷衰减程度高于负电荷;随着交联温度的升高,正、负电荷的衰减速度均先减小后增大。最后得出交联剂过氧化二异丙苯(DCP)在交联过程中分解产生的副产物苯乙酮及水分,是影响电荷衰减特性的主要原因。     

正交电场下XLPE/SIR介质界面空间电荷特性

直流电缆附件绝缘和电缆绝缘的界面同时承受着沿着电缆径向的体电场和沿电缆轴向的界面电场,这两个电场在方向上相互正交,在界面上的分布和集中使得复合绝缘界面的空间电荷特性变得复杂。采用交联聚乙烯（cross linked polyethylene,XLPE）和硅橡胶（silicone rubber,SIR）制成双层试样模拟附件结构中的复合绝缘,通过界面贴覆铝箔针-板电极（针电极为正/负）、板-板电极三种电极形式为绝缘界面提供正交电场,运用电声脉冲法（pulse electro acoustic,PEA）分别测量了体电场、正交电场作用下XLPE/SIR界面空间电荷的分布情况。结果表明,在体电场和界面电场的正交电场作用下,XLPE/SIR界面的空间电荷峰值出现明显变化：试样加压20 min后,界面贴覆针电极为负的针-板电极时,界面电荷峰值随施加电场强度的增加先增大后减小,使XLPE侧电极在较低场强下即发生注入;界面贴覆针电极为正的针-板电极时,界面电荷峰值在电场作用下减小,加剧了SIR侧的正电荷注入;在界面板-板电极作用下,界面电荷峰值变化不大,但仍有所下降。     

极性反转下低密度聚乙烯空间电荷动态特性的数值模拟

直流电缆在运行时如果电压极性发生反转,会使得外加电场与累积空间电荷所产生的电场叠加而增强,可能引起局部放电或介质击穿。目前的实验测量方法无法揭示极性反转过程中空间电荷和电场的瞬态变化,尤其是微观粒子之间的相互作用过程。为了深入研究高压直流电缆在极性反转下的内绝缘机理,利用双极电荷传输模型对低密度聚乙烯(LDPE)的空间电荷动态特性进行了数值模拟,并通过仿真研究了多次极性反转下LDPE空间电荷和电场的瞬态分布。结果表明:极性反转时表面电场大大增强,并具有一定的极性效应,在由阳极转变为阴极时更加显著;极性反转前陷阱电荷密度远大于自由电荷密度,极性反转时电极表面电场的增强主要是由电极附近的陷阱电荷所决定。研究成果可为高压直流电缆的绝缘设计提供参考,也可以为聚合物材料空间电荷的动态仿真提供借鉴。     

交直流复合电压下热老化油纸绝缘空间电荷特性

换流变压器阀侧绝缘长期承受交直流复合电压的作用。为了研究油纸绝缘在交直流复合电压下空间电荷特性,该文开展了油纸绝缘加速热老化试验,搭建复合电压下电声脉冲法空间电荷测量系统,测量交流、直流以及交直流复合电压下油纸绝缘内部空间电荷积聚和消散情况,并进一步计算得到油纸绝缘陷阱深度。研究结果表明,不同老化状态的油纸绝缘在交直流复合电压下均出现铝电极附近的负极性空间电荷积聚,老化的油纸绝缘由于正负电荷不同的注入迁移特性,在交流电压下同样出现负极性空间电荷积聚;随着老化时间的增加,油纸绝缘中积聚的空间电荷先减少后增加;与直流极化相比,交直流复合电压极化后老化油纸绝缘的平均陷阱深度更大。