直流电缆用交联聚乙烯绝缘的击穿概率及其尺度效应仿真

电力电缆在远距离大容量电力传输和海上风电并网中起着极其重要的作用。受直流电场影响,交联聚乙烯(XLPE)电缆存在着空间电荷积聚和电荷能量积累现象,导致绝缘材料被击穿而引发故障。该文建立电荷输运与分子链位移击穿模型,对XLPE介质中载流子输运和能量积累过程进行了仿真,得到XLPE特征击穿场强-试样厚度依赖特性以及击穿概率分布。仿真结果表明,XLPE直流击穿场强受尺度效应影响明显,击穿场强随着试样厚度的增加而减少,且击穿强度概率计算结果服从威布尔分布。建立电荷输运随机变量参数分散性与击穿概率分布的定量关系。随着试样厚度的增加,绝缘材料内部的缺陷分散性增加,电荷输运随机变量参数高斯分布中的方差增加,击穿威布尔分布形状参数减小。陷阱能级是影响击穿威布尔分布形状参数的最关键因素。该研究为电力电缆的优化设计和可靠性评估提供了仿真技术支撑。

“神龙二号”气体火花开关中绝缘结构的电场分析与优化

气体火花开关作为重要部件被大量地应用于直线感应加速器和Z箍缩等大型脉冲功率装置中。绝缘结构设计不合理会使得气体火花开关中出现局部电场畸变和电荷积聚等现象。在高电压脉冲下长时间或高频次运行时,火花开关中的绝缘子会发生沿面闪络现象,直接影响到脉冲功率装置的正常运行。鉴于此,对气体火花开关中的绝缘结构进行了有限元电场分析,用表面电荷的积聚定性解释了沿面闪络发生的原因。通过对绝缘子的几何结构和电极尺寸的优化设计,有效降低了绝缘子表面和电极表面的电场强度,其中阳极三结合点场强从9.4kV/mm降至1.5kV/mm,阴极三结合点场强从2.95kV/mm降至0.98kV/mm,绝缘子表面最高场强从10.8kV/mm降至4.95kV/mm。优化后的绝缘结构电场分布较为合理,降低了由于表面电荷的积聚而引发沿面闪络的概率。

氢氧化铝/环氧树脂复合材料的电荷衰减特性

环氧树脂电气绝缘性能优良,但是其在脉冲功率设备中充当绝缘子时,表面容易带电且不易衰减,当表面电荷集聚到一定的程度会造成局部放电甚至发展为沿面闪络。为了提高环氧树脂的沿面闪络性能,用中心粒径为1μm的氢氧化铝(ATH)无机填料来改善环氧树脂复合材料的表面性能。分别制备了ATH填料质量分数为0%(纯环氧),20%,40%,60%,80%和100%的ATH/环氧树脂复合材料试样。用电声脉冲法研究了ATH填料对环氧树脂复合材料电荷衰减性能的影响,对比了试样直流极化场强为10kV/mm和30kV/mm的试验结果。结果表明:ATH/环氧树脂复合材料电荷的衰减常数不仅与填料的质量分数有关,而且与试样的带电量有关。

Blumlein主放电开关中绝缘结构对沿面闪络电压的影响

Blumlein主放电开关作为关键部件被大量地应用于强流电子直线感应加速器等大型脉冲功率装置中,其中绝缘子在主开关中起隔离水或油与气体的作用。设备在高电压脉冲下长时间或高频次作用时,绝缘子气体侧会出现沿面闪络现象,严重影响直线感应加速器的可靠运行。对Blumlein主放电开关中的绝缘结构进行了电场仿真计算,通过对绝缘子的几何结构和电极形状的优化设计,有效调控了绝缘子表面和电极表面的电场分布,试制了不同构型的绝缘子,开展了在标准雷电波脉冲条件下的沿面闪络研究。研究结果表明,优化后的绝缘子的最低和最高沿面闪络电压相比原始结构分别提升了约35.9%和37.2%。

真空绝缘堆均压环的结构优化

采用数值模拟法和有限元网格细化法对比给出电场的合理参考范围,分别选取距离阴极三结合点(0.005)(21/2d)处(d是绝缘体的厚度)和距离阳极三结合点(0.008 5)(21/2d)处的电场强度为参考点。通过优化均压环形状,采用阴极激发闪络和阳极激发闪络两种模型来控制三结合点处的场强,优化得出阴极三结合点处场强值为2.55 kV/mm,阳极三结合点处场强值为23 kV/mm。

环氧介质与SF_(6)气体的气固耦合沿面闪络与失效概率分布特性仿真研究

气固耦合沿面闪络是造成电力设备故障的关键原因之一,亟需建立沿面闪络定量仿真模型研究闪络和失效概率。该文考虑三结合点电荷发射、固体表层电荷输运、气体碰撞电离等过程,建立基于固体表层电荷输运和气体碰撞电离耦合作用的沿面闪络模型。围绕电场畸变、电荷输运、气体碰撞电离,筛选出电荷注入势垒、电场增强因子、载流子迁移率、陷阱能级、陷阱捕获概率和气体附着系数6个特征参数。研究SF中各特征参数对沿面闪络概率分布特性的影响。结果表明,当电荷输运特征变量服从高斯分布时,得到的沿面闪络电压服从威布尔分布。在合理的标准差范围内,随着标准差的增大,特征沿面闪络电压基本稳定在实验值附近,形状参数由于闪络电压分散性变大而逐渐减小。通过各特征参数对比,发现沿面闪络电压概率分布对电荷注入势垒和陷阱能级的依赖性最大。沿面闪络定量仿真模型可用于计算失效概率,为气体绝缘金属封闭线路等电力设备的安全运行与风险评估提供了仿真方法支撑。

聚丙烯载流子输运与能量积累调制直流击穿威布尔分布特性仿真研究

聚丙烯因其优异的电气和化学性能被广泛应用于薄膜电容器,但直流电场中电介质的击穿是制约电容器储能密度提高的关键因素。外施强电场作用下,电极/绝缘电介质界面注入的电荷在电场力驱动下输运并积累能量,形成泄漏电流,积聚空间电荷、畸变电场,最终导致绝缘电介质发生击穿破坏。从载流子输运和能量积累造成绝缘电介质击穿的物理过程,提炼出决定击穿场强分散性的电荷注入势垒、试图逃逸频率、载流子迁移率、陷阱能级、陷阱密度和陷阱捕获概率六个电荷输运特征参数。将电荷输运特征参数设置为随机变量,采用电荷输运和分子链位移调制击穿模型仿真了载流子输运与能量积累过程,得到的击穿强度计算结果服从威布尔分布。建立了威布尔特征击穿强度与形状分布参数随不同电荷输运随机变量方差的变化关系:随着方差的增大,特征击穿强度基本稳定在试验值附近,形状分布参数由于击穿数据分散性增大而下降。对比各输运参数方差与威布尔分布的关系,发现威布尔分布对陷阱能级的依赖性较强,对试图逃逸频率和迁移率的依赖性较弱,对注入势垒和陷阱捕获概率的依赖性最弱。研究结果阐释了电荷输运随机变量通过调控载流子输运与能量积累改变击穿威布尔分布特性的作用机理。

聚醚酰亚胺纳米复合电介质电导的Meyer-Neldel补偿特性研究

电动汽车和航空航天等领域对极端高温条件下低能量损耗介电储能设备的需求不断增大,亟须开发耐高温的高性能介电储能材料.聚醚酰亚胺因高击穿强度和优越的热稳定性成为耐高温储能薄膜材料的首选,向其掺入纳米粒子是进一步降低高温损耗的有效途径.电导损耗作为能量损耗的主要形式之一,对其内在机理的研究具有重要的科学价值.为揭示纳米粒子掺杂对复合电介质电导特性的影响机理,以聚醚酰亚胺为基体制备了不同掺杂浓度的聚醚酰亚胺/二氧化硅纳米复合电介质.变温电导测试结果表明掺杂纳米粒子可有效降低电导率.采用空间电荷限制电流模型和跳跃电导模型对聚合物纳米复合电介质的变温电导特性进行分析,发现掺杂含量的改变并未引起聚合物中局域态分布形状的改变,表明纳米复合电介质中界面区和基体的电导特性具有一致性.进一步对聚合物纳米复合电介质电导的温度依赖性进行分析,发现其温度依赖性同时满足Arrhenius方程和Meyer-Neldel补偿规则,表明纳米复合电介质中的陷阱与聚合物基体具有相同的机制.根据有序紧密凝聚界面区模型,纳米粒子的掺入是通过降低界面区分子链的柔顺性使局域态能级加大,导致载流子迁移率降低,宏观上表现为电介质的电导率下降,能量损耗降低.

聚合物纳米复合电介质电热耦合分子断裂击穿特性与机理研究

薄膜介电电容器是电力系统、新能源汽车及电磁能装备中广泛使用的高功率储能设备.但面对越来越高的工作温度,电介质的击穿强度急剧下降,导致电容器的储能密度大幅减小.为了明确电介质击穿特性和温度间的定量关系,本文制备了聚丙烯/氧化铝和聚醚酰亚胺/氧化铝纳米复合电介质,研究其击穿强度的温度依赖性.结果表明,电介质的击穿场强随温度升高下降幅度增大,两者间为凸函数关系.但传统击穿模型均得到击穿强度与温度的变化为凹函数关系,与实验结果不符.本文建立了电热耦合分子断裂击穿模型,模型解析值与实验数据的最大误差仅为3.57%;从分子定向运动导致局部分子链相互作用强度下降的角度揭示了聚合物的击穿机理;纳米填料掺杂会导致复合电介质中的分子链受到束缚,界面区分子链间相互作用增强,并减少弱束缚分子链段,提升电介质的击穿场强及其温度稳定性.该研究为开发耐高温储能电容器提供了理论模型支持.

氧化镁/聚丙烯纳米复合电介质中高介电界面区的极化特性研究

电力电容器是消纳可再生能源的关键设备之一.聚合物纳米复合电介质结合了无机填料优异的介电性能与聚合物基体的高击穿场强和易加工性,是提升电力电容器储能性能的有效途径.但纳米填料与聚合物基体间存在较大的介电性质差异,导致高掺杂浓度纳米复合电介质介电常数的提升以击穿强度的降低为代价,从而限制了其储能性能的提升.以聚丙烯为基体,利用熔融共混法制备了不同掺杂浓度的氧化镁/聚丙烯纳米复合电介质.实验结果显示,低浓度掺杂纳米填料有助于提高纳米复合电介质的热学性能和介电性能.随着掺杂浓度的增加,氧化镁/聚丙烯纳米复合电介质的相对介电常数表现出先升后降的趋势.建立了含有氧化镁纳米填料的二维纳米复合电介质结构模型,仿真计算了纳米复合电介质中电场和静电能量的分布以及有效相对介电常数,揭示了纳米粒子掺杂对复合电介质有效介电常数的作用机理.研究表明,低掺杂浓度的纳米填料会在基体中引入独立界面区,有效降低外加电场对偶极子的限制作用,从而影响基体的介电特性.

应用宽频介电谱研究氢氧化铝/环氧树脂复合材料的α和β松弛行为

聚合物的松弛行为直接影响其使用范围。本文应用宽频介电谱技术研究了中心粒径为2μm的氢氧化铝(ATH)填料对环氧树脂复合材料α和β松弛过程的影响。宽频介电谱的测试频率范围为0.1 Hz^2 MHz,温度范围为-100~100℃。ATH填料与环氧树脂的质量比为0%、20%、40%、60%、80%和100%。结果表明:填料对复合材料的α松弛过程影响较小,Vogel温度随填料的增加先减小后增大;β松弛的表观活化能随填料的增加先增大后减小,当ATH填料质量比为40%时,β松弛的表观活化能达到最大值。

气固电荷输运/倍增耦合的环氧介质沿面闪络概率分布仿真研究

盆式绝缘子气固界面闪络引起电力系统关键设备绝缘失效是亟需解决的关键科学问题.气体的电子倍增与固体表层电荷输运的时间和空间尺度跨越多个量级,导致盆式绝缘子气固耦合界面放电物理机制不清楚.综合考虑三结合点电荷注入、固体表层电荷输运、电子在气体中发生剧烈碰撞电离等过程,建立气固耦合沿面闪络模型.基于气固耦合沿面闪络物理过程,提取了表征电介质固体表层电荷输运和气体碰撞电离特性的关键参数,建立了考虑随机变量的气固耦合沿面闪络仿真模型.仿真研究了空气中环氧介质沿面闪络电压的概率分布特性.当电荷输运随机变量为高斯分布时,得到了呈威布尔分布的闪络电压概率分布特性,仿真结果与实验结果一致.对比仿真与实验结果发现,闪络电压威布尔分布特征电压主要受控于气体介质,形状分布参数主要受控于固体介质.各个电荷输运随机变量对闪络电压形状分布参数的影响程度不同.研究结果阐释了闪络电压分布特性与电介质表层电荷输运和气体碰撞电离特性参数的关联.提供了一种仿真闪络电压概率分布特性的有效手段,可用于评估过电压作用下的气固界面失效概率.