直流电压下GIS盆式绝缘子表面电荷及电场分布特性仿真研究

GIS中盆式绝缘子表面在外施直流电压时会积聚大量电荷使得沿面闪络电压大幅降低,从而引发一系列电气设备故障。基于上述问题,文中分析了盆式绝缘子表面电荷的来源与传导途径,采用有限元仿真计算方法构建了二维轴对称仿真模型以及设定相关参数,研究了电压极性、不同电压幅值以及电压极性反转对盆式绝缘子表面电荷分布的影响。结果表明,在直流电压下,凹面主要积聚与外施直流电压极性相反的电荷,凸面主要积聚与直流电压极性相同的电荷,且凹面积聚的电荷密度更大;在极性反转后-100 kV直流电压下,盆式绝缘子表面原先积聚的电荷密度呈现先增大后逐渐减小的趋势,随后转换极性并达到饱和,电场在靠近高压端以及盆式绝缘子沿面0~20 mm处的畸变程度较为明显。电场在盆式绝缘子表面电荷极性发生变化前出现峰值,相比较电荷达到饱和状态,此时盆式绝缘子凹面最大场强增加46%,凸面最大场强增加5.4%。该研究可为直流电压下盆式绝缘子表面电荷分布特性提供指导。

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。

澜沧江中下游泥沙微表面电荷特性与磷吸附关系研究

河流泥沙是水生态系统生源要素的重要附着载体,其微形貌及电荷特性直接关系着泥沙对溶解态营养盐或污染物的吸附能力。本研究选取澜沧江中下游干流及主要支流为考察对象,采集28个河流水库断面的悬移质泥沙,采用原子力显微镜测定泥沙微表面电荷量,探究澜沧江泥沙的微表面电荷性质,研究纳米尺度下泥沙的微表面特性。研究结果表明:(1)微观界面,形貌对表面电荷分布影响明显,在纳米尺度下电势图与相位差图均展现出明显非均匀分布特征;(2)在流域分布上,不同区域表面电荷存在较大差异,流域沿程变化对泥沙表面电荷产生重要影响,总体变化呈现先减小后增大的趋势,表面电势值变化范围为-201.47~35.34 mV,表面电荷密度范围为0.07~3.65 mC/m^(2),不同区域电荷特性差别明显;(3)在梯级水电筑坝影响下,坝上坝下泥沙颗粒电势差与水库库容存在较好的线性相关关系,相关系数为0.8214,且坝下电势普遍高于坝上区域;(4)泥沙表面电势与磷吸附之间具有较强相关性,其相关系数为0.6657,同时表现出较好的线性拟合关系。研究结论对深入理解水电大坝建设对流域内污染物的迁移转化及解释泥沙的表面电性特征与污染物的吸附解吸机制具有重要科学意义,同时也可为流域水沙环境调控提供理论依据。

环氧树脂表面电荷积聚与消散特性研究

环氧树脂表面电荷积聚与消散特性分析由于考虑不全面,未从多个方向对其进行深入分析,仅分析伽马射线辐射量等情况下的特征,导致分析存在局限性,因此,提出环氧树脂表面电荷积聚与消散特性研究。该研究从电极接触方式、大气压介质阻挡放电和伽马射线辐射三种条件下研究环氧树脂表面电荷积聚与消散特性,其中采用接触和不接触两种电极分布方式连接环氧树脂,测试电极分布方式对于环氧树脂表面电荷分布影响;在大气压介质阻挡放电条件下,使用等离子体放电装置处理环氧树脂,分析处理前后环氧树脂表面电荷分布;测试工作环境中伽马射线辐射量对于环氧树脂表面电荷积聚与消散特性的影响。试验结果显示采用接触电极分布方式,环氧树脂表面电荷积聚量更少,到达了−4.8 pC/mm2,电荷消散更快;采用等离子体放电装置,实现大气压介质阻挡放电,其中经过9 min等离子体发生装置处理后,环氧树脂表面电荷密度降低更明显,此时的电荷密度仅为5.5 pC/mm2,抑制环氧树脂表面电荷积聚,加快表面电荷消散。环氧树脂所处环境中,在辐射量达到1000 kGy时,正负电荷密度分别由68.9 pC/mm2和80.1 pC/mm2降到36.9 pC/mm2和47.2 pC/mm2,伽马射线辐射量越大,环氧树脂表面电荷积聚越少,电荷消散越多。

葡萄糖衍生多孔碳的表面电荷调控与电吸附Cd^(2+)性能

电容去离子(CDI)是一种基于静电吸附的脱盐技术,由于其操作简便、能耗低、无二次污染等优点,有望用于冶金、电镀等行业所产生的废水中Cd^(2+)的去除。目前限制其发展的关键难题在于电极材料对Cd^(2+)的吸附容量较低。以葡萄糖为碳源,以硫脲与硫粉为掺杂剂,通过高温碳化制备了S、N共掺杂的多孔碳材料。以所制备的碳材料为电极组装了CDI系统,测试了其电吸附Cd^(2+)的性能。以相同的电极材料组装的对称型CDI系统在1.2 V下对Cd^(2+)的吸附容量达到53 mg·g^(-1)。进一步研究发现,S、N掺杂使碳材料表面带有负电荷,因此,以其为阴极、电中性的商业活性炭YP-50F为阳极组装的非对称CDI系统的吸附容量达到88.37 mg·g^(-1),比对称体系高66.73%;而且经过七次吸-脱附循环后,容量保持率也由对称体系的62.2%提升至81.5%。通过XPS分析证明电极去除Cd^(2+)的机理为双电层与碳材料表面官能团络合的协同作用。本工作所开发的高性能多孔碳电极及非对称电极的匹配策略有望推动CDI技术在Cd^(2+)及其他重金属废水治理领域的应用。

外部环境温度与内部气压对HVDC GIL表面电荷积聚的影响

盆式绝缘子的表面电荷积聚是制约高压直流GIL发展的重要因素之一,而GIL内部热传递过程会加剧表面电荷的积聚进程。本文建立了电荷积聚的电-热场耦合数学模型,模拟了不同外部环境温度和内部气体压力下高压直流GIL内部温度随时间的变化情况,进一步研究了外部环境温度恒定及时变情况下的表面电荷积聚特征,并分析了其对表面电荷积聚的影响。结果表明:在外部环境温度为恒定值的情况下,外部温度每升高10℃,绝缘子表面的稳态温度会升高9.2%以上,绝缘子的稳态表面电荷密度也会因此增加17.3%以上。当考虑到外部环境温度随时间变化时,绝缘子表面的温度在持续上升一段时间后,最终会在特定温度范围内波动,此时绝缘子表面电荷密度与外部环境平均温度下的表面电荷密度值近似相等。此外,绝缘子的表面温度和电荷密度会随着气压的升高而减小。研究结果有望为直流GIL的设计和运行提供参考,从而提高直流GIL运行的安全性和稳定性。

空气中沿面流注放电表面电荷分布特性的仿真研究

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。

基于混合Lanczos-Tikhonov算法的绝缘子表面电荷反演计算

表面电荷反演计算是表面电荷密度分布测量的重要环节。该文针对盆式或锥形绝缘子这类平移变化系统,引入迭代正则化方法,提出了基于Lanczos双对角化与Tikhonov正则化算法混合方法的表面电荷反演算法。通过Lanczos双对角化将电位-电荷之间的矩阵运算投影至维数更小的子空间后,应用Tikhonov正则化求解子空间投影最小二乘问题,大大减小了矩阵的计算量;同时引入自适应加权广义交叉验证(A-WGCV)方法选择正则化参数;结合仿真算例讨论了该算法的实现过程以及计算精度,并与视在电荷法及维纳滤波法进行了对比;最后,通过粉尘图法验证了该算法的准确性和可靠性,并结合粉尘图像和算法反演两种方法获取了针电极下不同电压等级下的电荷分布。

融入表面电荷分布测量的气体放电实验平台

设计并搭建了融入表面电荷分布测量的气体放电实验平台。表面电荷分布测量系统由高压电源与电荷扫描测量单元构成,实现了针—板、棒—板等电极结构在交流/直流/冲击电压下的电荷分布测量,结合沿面闪络电压测试可分析空间电荷在气体放电中的作用机制。设计了表面电荷分布扫描、表面电荷分布与沿面闪络电压关系两类实验项目,表明该平台可准确测量不同情况下的表面电荷分布,用于分析与理解放电过程中电荷的产生、倍增与输运等微观过程。

空间电荷和介质表面电荷对微放电演化过程的影响

微放电是制约航天器微波部件功率容量的主要瓶颈之一。以介质微波部件中典型的介质加载平行板波导为例,基于三维粒子模拟分别对仅考虑外加微波场(情况1)、考虑外加微波场和空间电荷(情况2)以及考虑外加微波场、空间电荷和介质表面电荷(情况3)三种情况下微放电演化过程中电子数目、瞬态二次电子发射系数、归一化反射波电压以及介质表面与上金属板之间的间隙电压随时间的变化进行了仿真,并给出了情况3电子分布和介质表面电荷密度随时间的变化过程。在此基础上,明确了空间电荷和介质表面电荷在微放电过程中所起的不同作用:即空间电荷会使微放电达到饱和状态,介质表面电荷则导致微放电饱和状态无法持续,最后自行熄灭。介质表面电荷导致了微放电过程中介质和金属瞬态二次电子发射系数下降速率不一致,归一化反射波电压幅度随时间变化的包络类似于“眼睛”形状、间隙电压类直流偏置、非对称电子能量分布等特殊现象。

表面电荷对介质阻挡放电发展的影响

大气压介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)中介质表面电荷分布对放电特性和放电形态演变具有重要影响,该文通过建立基于Pockels效应的高速表面电荷测量系统,研究放电起始后连续周期内介质表面电荷动态发展过程,并分析表面电荷分布对放电形态演化过程的影响。研究表明:在起始放电后几个周期内表面电荷斑位置不固定,电荷斑直径变化范围为1.5~2.5mm,且首次放电的表面电荷量高于后续放电;随着放电的发展,正表面电荷密度降低,负表面电荷密度升高,在放电逐渐稳定的过程中,正负表面电荷相互中和,电荷分布逐渐集中,最终使得电荷斑的位置、大小与放电量维持在一种稳定状态,正负表面电荷位置固定且重合度高,即表面电荷的记忆效应对平板电极中放电丝的稳定起到了重要作用。研究结果有助于理解表面电荷在放电形态演化中的作用机制。

低温温度梯度下环氧玻璃纤维材料表面电荷积聚行为及其对沿面闪络特性的影响

超导能源管道终端由于其特殊的运行环境,终端用绝缘材料在承受高电场的同时,也承受着近百摄氏度的低温温度梯度。为此基于超导电缆终端常用绝缘材料——环氧玻璃纤维材料,研究了低温温度梯度下绝缘材料表面电荷积聚特性及其对沿面闪络特性的影响机制。首先测量了环氧玻璃纤维材料在不同温度以及不同温度梯度下的沿面闪络特性;随后利用仿真软件建立了绝缘材料气-固界面的电荷迁移模型,分析了不同温度以及不同温度梯度对材料表面电荷积聚特性和表面电场分布特性的影响;最后结合试验结果与仿真结果,提出了低温温度梯度对绝缘材料沿面闪络的影响机制。试验结果表明:当温差ΔT=100K时,绝缘材料表面的局部放电起始电压与闪络强度分别为无温度梯度时的74.0%和75.9%。而仿真结果显示,低温温度梯度下绝缘材料表面电荷积聚现象明显,表面最高电场强度可达到不存在温度梯度时的10倍左右。因此,温度梯度下材料表面电荷积聚以及电场的畸变被认为是造成绝缘材料沿面绝缘强度下降的重要原因。该研究有助于理解低温温度梯度下材料表面电荷积聚特性及其对电场分布和闪络电压的影响机制,对低温下绝缘材料的绝缘特性研究以及绝缘优化设计具有重要意义。

电极接触方式对环氧树脂表面电荷积聚与消散特性的影响

直流电压下绝缘子表面电荷积聚会造成电场畸变,导致气-固界面沿面放电甚至绝缘失效,因此研究表面电荷积聚与消散特性具有重要意义。为了研究电极接触方式对环氧树脂表面电荷积聚与消散特性的影响,通过在电极-环氧树脂制备而成的绝缘子接触面涂抹/不涂抹导电胶来模拟电极-绝缘子间的两种接触状态,即紧密接触/非紧密接触。进而研究金属和固体电介质间不同的接触方式对直流电压下绝缘子表面电荷积聚和消散特性的影响。实验结果表明:当电极与绝缘子间紧密接触时,材料表面主要积聚与施加电压极性相同的电荷,而当电极与绝缘子间非紧密接触时,材料表面主要积聚与施加电压极性相反的电荷。同时,随加压时间延长不同接触方式下的电荷积聚总量也有显著差异。而在消散过程中,两种接触方式下表面电荷都以沿面迁移为主导,电荷分布区域呈显著的收缩现象,且紧密接触方式下的电荷消散速度快于非紧密接触方式。

绝缘材料表面电荷消散特性研究

直流电晕放电产生的空间电荷会在恒定的直流电场作用下积聚到设备绝缘表面上,引起绝缘子表面局部电场畸变,加速绝缘子老化,降低绝缘性能。因此研究绝缘子表面电荷的消散特性对高压直流电气设备的绝缘优化设计非常重要。基于绝缘材料表面电荷消散的基本理论,考虑3种典型的电荷消散方式,提出了模拟绝缘平板材料表面电荷消散规律的数值计算模型,获得了表面电荷密度随时间的变化特性。基于有源静电探头法,得到了典型绝缘材料表面积聚的电晕电荷随时间消散的特性。试验与数值计算结果基本吻合,证明了提出模型的有效性。研究发现环氧树脂材料的电荷消散以体传导消散方式为主导,空间离子中和消散作用较小,研究结论可为工程设计提供参考。

单位点表面电荷调控提升拉曼检测灵敏度

单位点调控作为一种重要的材料修饰手段,近年来在催化、能源、环境等领域中蓬勃发展。调控单位点,可以有效地调控表面电荷、电子结构、原子空间构型,从而实现材料整体性能的提升。在拉曼检测领域,表面电荷等关键因素被广泛认可并是当下研究热点。然而,单位点对表面电荷调控,乃至对拉曼灵敏度影响尚无系统研究。该研究全新提出单位点(包括单分子、单原子、单原子中心的配体络合物等)的表面电荷调控作用并研究其对拉曼检测灵敏度的影响。其中,利用经典的特异性反应:4-氨基-3-肼基-5-巯基-1,2,4-三唑(AHMT)与甲醛生成6-巯基-5-三唑啉[4,3-b]-s-四嗪(MTT),使得经单位点AHMT调控的Ag材料具有极低的检测限10-12mol·L^(-1),低于不经单位点AHMT调控表面电荷的10-9mol·L^(-1),实现了对甲醛分子的超低浓度检测。还研究了单钨原子氧化物调控,对于非特异性反应中的标准分子、农药残留分子检测能力的影响。其中罗丹明6G的检测限可以从10-12mol·L^(-1)降低到10-14mol·L^(-1),农药福美双的检测限也可以从10-9mol·L^(-1)降低到10-11mol·L^(-1),据此提出了单位点调控表面电荷方法的普适性。此外,经过Zeta电位的测试,发现经单位点调控的Ag表面电位都有较大变化,符合库伦正负电荷吸附理论,这更有利于对待检测分子的捕捉,也是拉曼检测灵敏度提升的原因,同时也在机理上解释了单位点调控的普适性。对深层机理方面也做了许多猜测与研究:一方面,由于单位点与基底材料之间存在电荷转移,因而存在化学增强(CM)过程。同时,在Ag表面有显著的电磁场增强(EM),两种增强机制和单位点体系的协同,需要进一步通过实验、理论等,研究不同单位点的新物理机制;另一方面,单位点可能作为一种新的振动模态,与基底中存在的表面等离子体共振(SPR)、待测分子的共振协同作用,使得拉曼散射共振更强,从而提升拉曼检测灵敏度。该实验与结论都证实了单位点调控在拉曼检测中的可行性、必要性,使单位点在该领域的深入研究成为可能。

多巴胺接枝的纳米氮化硼改性环氧树脂绝缘表面电荷高频消散特性

环氧树脂(EP)常用作高频变压器的主绝缘材料,因长期受高频重复电应力作用,导致表面积累的电荷密度增加,容易诱发绝缘失效。纳米改性是提升复合绝缘界面电荷消散特性的重要手段。该文采用多巴胺接枝的纳米氮化硼(h-BN)改性制备了环氧树脂复合材料,重点考察绝缘表面电荷的高频消散特性。受耗散时间、高频致热效应及深陷阱能级的影响,高频下的绝缘表面电荷不易消散,而引入多巴胺接枝的BN可有效提升环氧树脂复合绝缘的电荷消散速率。具体结果表明,掺杂质量分数为10%时,电荷消散速率达到最大值62.15%,相较于纯EP提高了19.41%,与此同时高频沿面闪络电压比纯EP提高了14.73%。其提升机理主要缘于两个方面:一是BN表面接枝的氨基增强了填料与基体的相容性,形成的三维交联网络拓宽了电荷消散路径;二是材料表层浅陷阱密度的提高,使得载流子易通过隧穿效应参与到电导过程,提高了载流子迁移率;此二者协同作用有效提高了表面电荷的高频消散速率。上述研究结果为高频变压器主绝缘系统优化设计提供了基础依据。

面向工程化的高压直流GIL绝缘子表面电荷主动消散与检测方法探讨

绝缘子表面电荷积聚是高压直流GIS/GIL需要重点关注的绝缘问题,近年来关于绝缘子表面电荷积聚机理、消散、检测等方面的研究工作取得了很大进步。论文对面向工程化的直流GIL绝缘子表面电荷主动消散和检测方法进行探讨;提出表面电荷本征积聚和外诱积聚的概念,为直流GIL在设计、运行、维护阶段减少电荷积累铺平了道路;对基于X射线辐照的绝缘子表面电荷GIS/GIL罐体外的主动消散方法进行讨论,提出基于嵌入式静电传感器的绝缘子表面电荷积聚严重程度的评估方法,为直流GIL工程化提供理论和技术支撑。

基于电机控制的三维四轴表面电荷在线测量系统设计

为实现盆式绝缘子表面电荷在线测量并提高测量结果的准确性,文中设计了一套基于步进电机控制带动静电探头的三维四轴表面电荷在线测量系统,该系统测量速度快,可减小测量过程中探头对绝缘子表面电荷密度分布的影响。通过COMSOL仿真软件建立绝缘子气-固界面电荷积聚模型,并将仿真结果与试验测量结果对比,结果表明两者最大误差为15%,测量准确度高,可实现盆式绝缘子表面电荷的在线测量。

基于分区涂覆的圆盘绝缘子表面电荷抑制试验分析

环氧绝缘子作为气体绝缘开关GIS(gas insulated switchgear)设备的关键部件,起到电气绝缘和机械支撑的作用。积聚在绝缘子上的表面电荷是诱发沿面闪络事故的原因之一,研究表面电荷的抑制方法对于保障GIS安全运行具有重要意义。以制备缩比尺寸圆盘绝缘子为研究对象,在负直流电压下观测表面电荷的积聚特性。选取不同种类的纳米颗粒分别制备高、低电导率和非线性电导率的环氧基纳米复合材料涂层,研究涂料电导率、涂覆方式对绝缘子表面电荷积聚特性的影响。结果表明,采用分区涂覆可以显著抑制绝缘子非平面区的电荷积聚和地电极处的电荷注入,从而使表面电荷密度降低,为抑制绝缘子表面电荷积聚提供了一种新的途径。

有限元模拟研究表面电荷对锥形微米移液管离子电流整流的影响

离子电流整流是一种物理现象,表现为电压与电流之间的非线性行为,目前在分析化学领域中被广泛用于限域空间内目标分析物的分析检测。通过构建有限元模拟的模型,模拟了不同尖端内壁表面电荷密度对离子电流整流程度的影响,发现离子电流整流程度随着尖端内壁表面电荷密度的增大而增大。这项研究为解释锥形微米移液管离子电流整流行为的发生机理提供了理论依据。