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。

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。

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.