均匀电场作用下绝缘材料表面流注发展研究综述

绝缘子沿面闪络是输电线路设计和运行中面临的重要问题。流注的产生和发展是绝缘发生先导和闪络前的重要阶段,研究绝缘材料表面流注产生和传播对输电线路绝缘的设计和优化有很重要的意义。绝缘材料流注发展研究采用的实验装置是"三电极"结构,两个极板平行放置用以产生均匀电场,绝缘材料垂直放置在两极板之间,与下极板绝缘的针尖通以脉冲电压产生流注放电,均匀电场中流注的发展很少分叉,可以忽略空间电荷的影响。基于此,综述了绝缘材料表面流注发展的研究现状,介绍了绝缘材料性能、材料外形、外加电场、外加脉冲电压幅值等因素对绝缘表面流注发展的影响,总结了近年来绝缘材料表面流注发展所取得的成果,也提出了研究中尚不能合理解释的现象以及有待深入研究的问题。

考虑电压上升影响的“针-板”空气间隙直流负流注放电特性研究

负流注放电过程是一个高度非线性动力学过程,且发展过程复杂。该文针对“针–板”电极结构、1cm空气间隙,建立短空气间隙负流注放电模型并通过仿真试验验证模型合理性,分析外加上升时间及电压幅值对负流注放电发展过程空间电场强度、带电粒子浓度、流注发展速度、放电电流变化特性的影响。随负流注由“针”电极向“板”电极发展,放电区域内的轴线电场强度、电子浓度在短暂升高后呈现先降低后升高的变化趋势;随外加电压上升时间增大,流注头部的电场强度和电子浓度呈非线性上升趋势,外加电压上升时间T=0.01ns上升到T=2ns时,流注发展平均速度降低3.38mm/ns;随外加电压幅值增大,负流注头部的电场强度及电子浓度呈非线性上升趋势,外加电压幅值U_(0)=-20kV上升到U_(0)=-25kV时,流注发展平均速度上升2.7mm/ns。

针–板电极下水中亚音速流注形态与发展过程

为了研究针–板电极形式下的水中亚音速流注形态及发展过程的机理,该文建立了水中流注放电综合观测平台,并从微观物理的角度,探讨了电压极性对流注形态的影响。流注的起始阶段可分为：电极尖端液体介质的密度扰动、微气泡的形成和以微气泡为基础的流注形成。阴、阳极流注的差异在于流注形态和传播方式的不同。对于阳极流注,其形态在传播过程中会发生变化：在大部分时间内以气泡簇的形式缓慢的生长（20~80m/s）;在发展最后阶段,气泡簇顶端生长出树状亮流注（第二类流注）,以极高的速度传播（（29）30km/s）。对于阴极流注,其形态为多分叉的树枝状亮流注,发展方式为周期性的分叉生长,平均流注发展速度约100~350m/s,并在最后阶段有明显的速度抬升。电子和离子迁移率巨大的差距,以及沉积电荷引起的界面不稳定性,造成了显著的极性效应,使得阴极流注的起始电压更高,传播速度更快,形态更加发散。

初始电子浓度对空气中针板间隙正极性流注放电的影响

为揭示环境中初始电子浓度对气体放电过程的影响,利用等离子体流体力学模型研究了大气压下5mm针-板空气间隙的流注放电过程。采用的等离子体流体力学模型包括了电子、正负离子连续性方程和电场的泊松方程。研究发现:5mm针板空气间隙下流注放电的通道半径约为0.1～0.3mm;随着间隙中初始电子浓度的增加,流注头部电场强度逐渐减小,流注发展的平均速率逐渐增大,流注贯穿间隙的时间逐渐减小;初始电子浓度对板电极表面电场强度、流注通道内电场强度和流注通道半径的影响可以忽略。

基于分形理论的水中流注放电仿真

水中流注放电的特性及流注发展机理研究对于污水处理、杀菌消毒、水下声源和高压绝缘具有重要的意义。基于分形理论,构建了考虑气泡生长过程的水中流注放电仿真模型,并仿真研究了不同电压幅值和溶液电导率下的放电特性。结果表明,随着外施电压和溶液电导率的增大,通道电荷量和流注发展速度均增大,而放电预击穿延时减小。计算得到的流注发展速度、预击穿延迟时间随水溶液电导率的变化等与已报道的实验相符。

水滴大小对放电开始和发展过程的影响

流注是先导发展的前驱,是雷电发展的重要阶段。为了解雨滴大小对流注开始和发展的影响,利用3种不同粒径的水雾来模拟云中雨滴。在测定水滴粒径和体积分数的基础上,对比分析放电路径对水雾和空气的选择概率,研究水滴粒径和水雾位置对放电发展的影响,并用截波法分析水雾对放电通道的影响。结果表明,水雾位置和水滴粒径对放电发展起到关键作用,水雾的位置靠近棒电极,直接影响着流注第一步的发展,且相关的影响因素由水雾中液滴的粒径决定。截波法分析的结果证实了水滴是水雾中流注呈树枝状发展的诱因,并发现正极性下40μm雾滴粒径的水雾中发展速度略低于空气中的发展速度,这解释了该种水雾对放电开始和发展有抑制作用的原因。

附着金属颗粒的绝缘介质沿面放电微观发展过程

利用"三电极"结构,研究附着金属颗粒直径和介质介电常数对流注平均沿面发展速率、流注到达阴极时发光强度的影响;并通过COMSOL建立了包含金属颗粒影响的等离子体沿面放电模型,揭示金属颗粒和介电常数对沿面放电微观发展过程的影响机制。结果表明:金属颗粒直径越大,颗粒对背景电场的畸变作用越大,流注前端最大电场强度数值越大,导致流注平均沿面发展速率以及流注端部到达阴极时的发光强度越大;绝缘介质介电常数越大,介质表面电荷密度越大,流注通道内部电荷更易附着,流注前端最大电场强度值越小,导致流注平均沿面发展速率以及流注到达阴极时的发光强度越小。

航空电磁超材料雷电冲击放电特性

随着航空电磁超材料在飞行器雷达天线罩的推广使用,其雷电防护问题亟待解决。针对方框型电磁超材料,使用冲击电压发生器、高速摄像机、普通摄像机,针对电磁超材料板的U50%冲击电压及放电路径开展试验,研究不同接地方式、不同电压极性的组合间隙及沿面放电特性。试验结果表明:方框型超材料沿面放电形貌受正、负极性电压的影响不大,表现为不规则的折线形放电路径,放电主通道并不唯一,同时存在流向另一接地位置的次级放电通道,越靠近放电附着点区域,次级放电通道越多,整个沿面放电形貌呈网状分布;雷电冲击电压下存在多条沿面主放电通路,组合间隙击穿前电磁超材料表面会产生沿面自放电通路,其沿面自放电通路为最终沿面主放电通路之一;组合间隙冲击放电流注发展过程的放电特性主要与电压极性相关,正极性冲击电压下由高压棒电极产生向下发展的下行流注,电磁超材料表面只有较弱的起晕;负极性冲击电压下分别产生对向发展的上、下行流注;雷电冲击电压下电磁超材料表面大量金属微结构单元阵列会产生上行流注和沿面自放电通路,其容易将雷电主放电通道引向超材料天线罩,导致分流条屏蔽失效。

不同磁场电极配置下脉冲电压的预击穿与击穿现象研究

通过建立击穿实验平台,研究在合成酯油中环-平面间隙的预击穿与击穿现象和流注形状、长度、速度、击穿电压及起始位置,并与针-平面间隙进行比较。研究表明,当环形电极具有较小的环形半径时,击穿电压几乎相同,但流注速度对施加的电压更敏感;通过引入场增强因子以解释具有场不均匀性的实验结果,实验证明场增强因子是决定击穿现象是否发生的重要指标之一。研究结果可用于变压器安全性设计及技术改进,为变压器油的击穿特性提出新的研究思路。

航空电磁超材料沿面及组合间隙操作冲击电压放电特性

针对目前电磁超材料天线罩的雷电防护研究较少问题,设计定制十字交叉型电磁超材料,针对不同接地方式,并结合高速摄像机,开展电磁超材料不同极性沿面及组合间隙操作冲击放电试验。试验表明十字交叉型电磁超材料冲击击穿电压有明显的极性效应,负极性冲击击穿电压是正极性的1.60~1.85倍,并且正极性击穿发生在波前,而负极性击穿发生在波尾。进一步研究了电磁超材料沿面及组合间隙冲击沿面放电特性,结果表明:就放电路径特征而言,正负极性无明显差别,放电路径单次放电拐点一般不超过两处,放电击穿路径只有一条明亮的主通道;就放电强度而言,负极性放电强度明显大于正极性;在流注发展过程中电磁超材料平板表面形成的自放电通路对最终沿面放电路径起决定性作用。

双极性振荡冲击电压下变压器油放电特性

当外部过电压侵入油浸式变压器绕组内部时,其匝间绝缘会承受双极性振荡冲击电压的威胁。在此通过双极性振荡冲击电压下变压器油放电特性的研究,为绕组纵绝缘的合理设计及液体放电机理的探究提供参考。首先通过可调电路元件,严格控制外施电压波形参数,实验获得了稍不均匀场与极不均匀场中变压器油在单一波形变量下的冲击放电特性,统计得到了放电电压概率分布与击穿点分布特征。然后利用分幅相机拍摄了双极性振荡电压下油中流注形貌,阐述了流注极性转换等主要发展特征。最后实验结果表明:无论电场分布是否均匀,振荡系数的增加、振荡频率的降低或波前时间的缩短均会导致变压器油50%击穿电压下降,且当振荡系数高于0.55时存在低于标准雷电耐受水平的可能;当振荡频率较低时,击穿多发生在第1或第2个正极性波峰内,而随着频率的升高,击穿点逐渐向后序波峰偏移,击穿于负极性波峰内的概率显著增加。结合光电倍增管记录的流注发光信号,从流注发展角度分析了变压器油击穿电压与击穿点变化的原因。