高电压下多孔材料沿面闪络特性综合实验

针对电气设备复合绝缘在高电压下极易发生沿面闪络故障问题,提出利用多孔结构提升闪络强度的方法,并设计了多孔绝缘材料沿面闪络特性综合实验。利用油/水乳液法制备了多孔聚二甲基硅氧烷材料,通过观测微观形貌分析了材料的孔隙分布特性,实验测试了直流和交流电压下的沿面闪络强度,通过等温表面电位衰减、表面电荷扫描和闪络路径观测探讨了闪络强度提升机理,利用表面流注发展的流体仿真考察了孔隙对沿面放电的影响,揭示了多孔结构的抑制碰撞电离和促进表面电荷消散效应在提升闪络强度中的作用。该实验涉及电气、材料、物理及多物理场模拟,可有效提高学生的实验、仿真及理论分析等方面能力。

高重复频率猝发多脉冲加载下交联聚苯乙烯真空沿面闪络特性

基于高重复频率强流多脉冲加速器的应用需求,针对交联聚苯乙烯(XLPS)材料在猝发多脉冲下的真空沿面闪络特性开展了实验研究。采用放置于平板电极中的XLPS圆台样品,在脉宽120 ns的单个脉冲和间隔500 ns的三脉冲加载下开展了真空沿面闪络实验,通过对实验平台和实验规范的优化设计,有效提升了实验效率和数据有效性,观测到了样品发生真空沿面闪络前的试样电压顶降现象和前序脉冲闪络对后续脉冲的显著影响,获得了XLPS材料在相应条件下真空沿面闪络的统计数据。在实验基础上,对XLPS材料在高重复频率多脉冲加载下的真空沿面闪络特性进行了分析,为高重复频率多脉冲加速器的绝缘设计提供了实验依据。

ZnO形貌及粒径对EP复合材料表面电荷传输及沿面闪络性能的影响

无机填料的形貌及粒径是影响环氧树脂(EP)复合材料沿面耐压性能的关键因素。本研究采用ZnO纳米纤维和不同粒径的颗粒状ZnO掺杂改性环氧树脂制备EP复合材料,并对复合材料进行了直流沿面闪络性能与电荷消散速率测试。结果表明:ZnO填料掺杂能有效提升EP复合材料的闪络电压,其中纤维状ZnO填料的提升效果要明显优于颗粒状ZnO填料,颗粒状ZnO/EP复合材料的闪络电压随填料粒径的减小呈现上升趋势。当ZnO纳米纤维的质量分数为15%时,EP复合材料的闪络电压相比纯EP提高了27.1%。构建了有限元仿真模型,计算结果表明纤维状ZnO使得EP内部电场非均匀系数提升,提高了复合材料的电流密度。

电触发真空沿面闪络开关工作特性

电触发真空沿面闪络开关(VSFS)具有高导通速度、高绝缘恢复速度、体积小、结构简单等优点,适合于高电压、高功率转换的场合。导通速度和稳定性是VSFS输出性能的重要指标,其影响因素的研究决定了VSFS的优化方向。研究了结构、材料、触发极性对真空沿面闪络开关的输出性能影响。结果表明,体式结构相较于片式结构导通速度更快、更稳定。钛酸钡介质和氮化铝介质具有稳定的脉冲击穿电压,适合作为触发介质。石英的直流耐压高,适合作为主间隙介质。正触发方式下开关的输出指标要优于负触发。

温度对环氧树脂沿面闪络特性的影响研究

特高压穿墙套管的绝缘问题是特高压输电技术研究的重点,在实际的工况中,由于内部及外部环境的影响,穿墙套管时常处于室温以上的环境温度中,导致绝缘性能受到一定程度的影响。为了研究交流和直流电压下环氧树脂闪络电压随温度的变化规律以及温度的影响机制,搭建了环氧树脂沿面闪络试验平台,测量在恒定气压的SF_(6)氛围中,环氧树脂在不同温度下的闪络电压,仿真分析了闪络电压的变化原因。结果表明:在25~70℃范围内,随着温度升高,环氧树脂的闪络电压出现先小幅下降后上升的现象,存在闪络电压的最小值。该现象是由气—固界面电场分布、SF_(6)气体临界场强和环氧树脂表面陷阱能级的共同作用导致。研究成果可以为特高压直流穿墙套管绝缘优化配置提供实验依据。

CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体中柱式环氧树脂绝缘子沿面闪络特性

CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体是一种潜在的SF6替代气体,但其沿面闪络特性目前仍有待研究。该文结合三氟甲基磺酰氟(CF_(3)SO_(2)F)已有研究成果,综合考虑液化温度、运行工况、应用成本等多方面因素,主要研究CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体。通过搭建直流、工频、雷电冲击等不同电压形式下的沿面闪络实验平台,开展了均匀电场下混合气体中的沿面闪络特性研究,并与SF6进行了对比。通过研究发现:不同电压形式下的沿面闪络电压随气压升高而呈增长趋势。在直流电压下,0.8MPa下混合体积比为12%CF_(3)SO_(2)F/88%N_(2)的混合气体相对沿面绝缘强度为0.5MPa下SF6的90%以上;在工频交流电压和雷电冲击电压下,前者的相对沿面绝缘强度分别接近后者的70%和90%。此外,还对实验后样品表面形貌进行了对比分析,发现不同电压形式下,混合气体中实验后样品表面闪络痕迹的形状与颜色均存在差异,其中工频交流电压沿面闪络对样品表面的损伤最严重。该文结论可为CF_(3)SO_(2)F绝缘设备的绝缘设计提供参考。

基于多物理场耦合的盆式绝缘子低频沿面闪络特性研究

为研究低频输电下GIS(气体绝缘金属封闭开关设备)中单相盆式绝缘子的沿面闪络特性,采用电-热-流体多物理场耦合仿真,考虑因集肤效应引起的温升变化以及材料性能参数的温度依赖特性,计算得到不同工作频率下盆式绝缘子的电磁损耗、温升特性与沿面电场分布。基于时间-体积理论,综合考虑温度对气固界面电场分布以及有效载流子产生速率的影响,计算得到不同电压幅值和频率下盆式绝缘子的沿面闪络概率。仿真结果表明:低频输电方式能够有效缓解电磁损耗,降低GIS罐体内的最高温度,在相同绝缘结构配置下具有更高的沿面闪络电压。研究成果可为校核不同工作频率下气体绝缘高压电气设备的绝缘水平提供理论依据。

空气中激光触发沿面闪络的蒙特卡罗仿真

搭建了空气中脉冲电压下激光触发沿面闪络试验平台,在试验平台上进行了尼龙介质的激光触发沿面闪络特性试验,应用蒙特卡罗方法对尼龙在空气中激光触发沿面闪络过程进行仿真。建立了激光触发沿面闪络的蒙特卡罗仿真模型,对蒙特卡罗算法的实现过程进行了描述,得出激光能量密度不同时的闪络时延。仿真结果显示,随着激光能量密度的上升,激光触发沿面闪络时延下降,这表示激光能量密度增加,在介质表面上产生的电子数增多,使沿面闪络的时延减小,仿真结果与试验结果趋势一致,初步验证了空气中脉冲电压下激光触发沿面闪络机理。

铜微粒对环氧树脂直流沿面闪络特性的影响

高压直流断路器的触头在频繁分合闸过程中会由于电弧烧蚀和机械磨损等原因而产生铜微粒,铜微粒会沉积在断路器断口环氧树脂表面,并显著降低其沿面绝缘性能。针对上述问题,搭建了试验平台,研究了直流电场下铜微粒粒径和位置对环氧树脂沿面闪络电压的影响规律;基于COMSOL Multiphysics建立了环氧树脂非平衡态等离子体沿面闪络模型,分析了铜微粒粒径和位置对沿面闪络电压的影响机制。研究结果表明：附着铜微粒会显著降低环氧树脂沿面闪络电压,铜微粒紧贴高压电极表面时,沿面闪络电压随铜微粒粒径的增加而下降;铜微粒位置亦会对环氧树脂沿面闪络电压产生影响,铜微粒与电极间距越小,沿面闪络电压下降就越明显;铜微粒粒径和位置的变化改变了初始放电发生过程和正负流注头部最大电场强度,进而改变了环氧树脂沿面闪络电压。上述研究结果可为解决高压直流断路器中铜微粒引起的沿面闪络问题提供参考。

真空中固体绝缘沿面闪络现象的研究进展

针对长期以来高电场下复合绝缘系统的耐电性能受绝缘材料的沿面闪络现象所限制,严重制约了很多电气电子系统的整体性能的现状,迫切需要深入研究真空中绝缘子沿面闪络现象,为此,综述了国内外相关研究现状和进展,认为此现象是一种发生在高电场下的复杂界面(电极与材料的交界面)和表面(材料的表面)的物理现象。闪络过程在本质上反映出高电场下的电荷行为,由体内(材料的表层内)和体外(材料的表面及表面以上)2过程支配。需综合考虑绝缘材料的介电常数、电阻率、二次电子发射特性、表面陷阱分布等影响因素,进而提出表征和改善真空中沿面闪络特性的综合评价体系,最终达到认识新的物理现象并将之有效调控的目的。

直流电压分量对交直流叠加电压下油纸绝缘沿面闪络的影响

为了更加深入地了解换流变压器中交直流叠加电压下油纸绝缘的沿面闪络问题,通过搭建直流电压分量可以任意调节的交直流叠加电源系统,研究了具有背面电极和不具有背面电极这2种结构下油纸绝缘的沿面闪络问题。试验结果表明:在复合电场下,有背面电极时,沿面闪络电压比无背面电极时稍低;在2种结构下,沿面闪络电压均表现为纯交流电压时最低,随着直流电压分量的增加,沿面闪络电压也逐渐增加。此外为分析油纸绝缘界面的影响,还研究了相同电极结构下纯油的击穿电压。对比分析纯油的击穿电压和油纸绝缘的沿面闪络电压后发现:直流电压分量较低时,油纸绝缘界面的存在降低了该结构的击穿电压;而直流电压分量较高时,油纸绝缘界面的存在反而稍微提高了该结构的击穿电压。最后从复合电场分布的特点出发,分析了不同直流电压分量下油纸绝缘的沿面闪络过程。分析后认为:直流电压分量较小时,电极附近电场强度较高,导致油易于电离并产生大量载流子,从而促进了油纸沿面闪络的发展;而随着直流电压分量的变大,电场分布将变得不同,其沿面闪络电压升高;同时,上述电场分布的特点也是造成直流电压分量较低时沿面闪络电压低于纯油击穿电压的原因。

空间电荷对油纸绝缘击穿和沿面闪络的影响

换流变压器是直流输电工程的核心设备之一,其结构和工作状况比传统交流变压器更为复杂,需要对其绝缘系统进行更深入的研究。本文针对换流变压器的特点,设计了相应的试验装置,对油纸绝缘中的体击穿和沿面闪络进行了试验研究。本文实现了变压器油纸绝缘空间电荷的测量,根据空间电荷的实测结果对油纸绝缘系统中极性反转现象进行了探讨,对直流电压下油纸绝缘中积聚的空间电荷畸变电场导致油纸绝缘的直流击穿特性发生的变化规律进行了研究。对油纸绝缘进行的沿面闪络试验表明,空间电荷的存在同样会影响油纸绝缘的沿面闪络。根据对上述试验结果进行讨论,本文认为传统交流变压器的设计理论、经验已不能满足换流变压器的要求,在换流变压器设计和制造中应给与空间电荷问题足够的关注,尤其是在空间电荷的消散特性方面有必要进一步开展深入的研究,为解决直流输电系统的换流变压器等相关设备在极性反转过程中存在的极性效应带来的绝缘问题提供试验和理论依据。

SF_6中环氧树脂纳秒脉冲沿面闪络实验研究

针对气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)内盆式绝缘子所用的环氧树脂材料,在纳秒脉冲条件下开展沿面闪络老化实验研究。设计不同气压值下沿面闪络新型实验装置,在SF6环境中进行环氧树脂纳秒脉冲沿面闪络特性研究,并对沿面闪络前后材料老化区域的表面形貌和元素组成进行测试,分析环氧树脂材料老化前后表面理化特性的变化规律。实验结果表明,随着SF6气体压强的增大,环氧树脂纳秒脉冲沿面闪络电压升高。闪络老化后环氧树脂表面氧化铝颗粒凸显出来,且随着老化进一步加深,表面聚合物与放电产生的含氟物质发生反应生成有机氟化物,反应产物被电弧溅射出去覆盖在材料表面。而氧化铝颗粒填料的性质在闪络老化过程中并未发生明显变化。以上针对环氧树脂绝缘材料所开展的实验研究可为GIS内环氧树脂绝缘材料改性,以及增强其耐压性能和抗老化性能提供指导。

空间电荷对油纸绝缘体击穿强度和沿面闪络的影响(英文)

换流变压器是直流输电工程的核心设备之一,其结构和工作状况比传统交流变压器更为复杂。针对换流变压器的特点,设计了相应的试验装置,初步对油纸绝缘中的体击穿和沿面闪络进行了试验研究。试验结果表明,极性反转现象同样存在于油纸绝缘系统中。即在直流电压下油纸绝缘中积聚的空间电荷畸变了周围的电场,导致油纸绝缘的直流击穿强度发生改变。同时,对油纸绝缘进行的沿面闪络试验表明,空间电荷的存在同样会影响油纸绝缘的沿面闪络。通过对上述试验结果进行讨论,发现传统交流变压器的设计理论和经验已不能满足换流变压器的要求,在换流变压器设计和制造中应给予空间电荷问题足够的关注。

表面处理对可加工陶瓷真空沿面闪络特性的影响

长期以来真空沿面闪络现象严重制约着电真空绝缘系统的整体性能,限制了高压电真空设备的发展,而绝缘材料的表面状况对其沿面耐电特性有极大影响。本文针对一种具有良好加工性能及表面耐电特性的低熔点可加工微晶玻璃陶瓷引入真空绝缘的背景,通过使用不同的砂纸对可加工陶瓷试品的表面进行打磨处理,使用超深度表面形态测定激光显微镜测定不同处理方式下试品表面形貌的变化,并对不同处理情况下的试品的真空沿面闪络特性进行测定。结果发现:使用砂纸打磨的方法能够有效改变试品的表面粗糙度,粗糙度变化规律明显,而随着试品表面粗糙度的增大,试品的真空沿面闪络电压提高。

绝缘材料沿面闪络发展特性的研究进展

综述了目前国内外绝缘材料沿面闪络的研究现状,介绍了沿面闪络试验研究采用的典型电极结构和测量方法,沿面闪络传播途径、发光强度等特性变化,以及不同外界条件对沿面闪络发展特性的影响,提出了绝缘材料表面沿面闪络试验及理论研究需要深化和拓展的方向,为改善设备的绝缘和改进线路设计提供理论依据。

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。

不同电场下环氧树脂直流沿面闪络特性及其闪络电压分析

研究绝缘材料在不同条件下的沿面闪络特性对掌握绝缘子的电气强度及保证电气设备安全稳定运行具有重要意义。为此,研制了具有不同电场分布形式的沿面放电电极,通过实验研究了环氧树脂在真空及空气环境中的直流沿面闪络特性,并采用韦伯分布分析了闪络电压的变化规律。结果表明,环氧树脂在极不均匀电场下的闪络电压比稍不均匀电场下低,真空中闪络通道和闪络电压的分散性比空气中大,真空闪络受固体绝缘介质的影响大于空气闪络。不对称电场下沿面闪络电压具有明显极性效应,并且真空与空气中的极性效应相反。此外,环氧树脂直流闪络电压服从韦伯分布,可借助该方法定量评估绝缘系统对外加电压变化的敏感性。位置参数的引入有效提升了闪络电压数据的拟合效果,通过特征闪络电压、0.1%闪络概率的闪络电压进一步完善了对绝缘材料沿面电气性能的评价方法。

表面改性对绝缘子真空沿面闪络特性的影响

在不同温度下对交联聚苯乙烯绝缘子进行了表面氟化处理,在脉宽0.5μs的脉冲电压下对绝缘子的真空沿面闪络性能进行测试.结果表明：在50～60℃下对交联聚苯乙烯进行表面氟化能将绝缘子沿面闪络电压提高40％～60％.通过在绝缘子表面层规律地嵌入多个薄膜导电层,制备了新型结构的高梯度绝缘子,新型高梯度绝缘子沿面闪络电压较相同材料的普通绝缘子提高40％～50％,并保持了较好的力学及加工性能.

陷阱分布对Al_2O_3陶瓷介质在真空中沿面闪络特性的影响

真空中绝缘介质的沿面闪络一直是制约真空中电绝缘强度的重要因素。文中采用等温衰减电流法(IDC)研究了在不同烧结温度和掺有不同添加剂情况下氧化铝陶瓷试样的陷阱分布,利用试验装置测量了陶瓷试样的沿面闪络特性。试验结果表明,烧结温度和添加剂显著影响了氧化铝陶瓷的陷阱分布:不同的陷阱分布影响着绝缘介质的沿面闪络特性。根据试验结果,笔者从固体能带理论出发,将陷阱分布和氧化铝陶瓷的沿面闪络特性联系在一起,解释了一些沿面闪络发展过程中的疑难问题。