海拔4000m以上短间隙交流放电特性及电压校正

该文根据在多功能人工气候室内完成的气压对短空气间隙交流放电特性影响的大是试验研究结果，系统地分析了气压对100－310mm短空气间隙交流电特性的影响规律。

正棒-板短间隙雷电冲击放电电压的海拔修正

在多功能人工气候室内模拟高海拔地区的气压 ,按照IEC对棒 板间隙试验方法的要求对 2 0 0mm、30 0mm和 4 5 0mm 3种正棒 板短空气间隙雷电冲击放电特性进行了系统的试验研究。根据理论分析 ,提出了由于气压是大气 3个基本参数即温度、空气相对密度和绝对湿度的综合反映 ,因此可以作为表征大气条件对空气间隙击穿电压影响的特征量 ;根据试验结果 ,提出了高海拔地区的短空气间隙雷电冲击击穿电压的是相对气压的幂函数 ,且其特征指数小于 1,并因此得出海拔每升高 1km ,其击穿电压下降 8.7%。

混合型快速直流开断的短时短间隙电弧现象

随着轨道交通、船用电力系统等直流电力系统的迅猛发展,混合型快速直流开断成为了当前电气领域的热点问题。混合型快速直流开断过程中的燃弧有着较为鲜明的特点:短时短间隙。虽然这种短时短间隙电弧现象直接影响着混合型快速直流开断的成功与否,但是就查阅文献的情况来看,其研究还未成体系。该文就该问题进行总结。首先简要地对混合型直流快速开断的电气特性进行介绍,并通过高速摄像较为直观地呈现了短时短间隙电弧现象,在概要总结了开关空气电弧国内外研究进展的基础上,提出了适合于短时短间隙电弧建模及相关研究工作的技术途径建议,最后陈述了前期就短时短间隙电弧所进行的部分工作进展。

大气压短间隙介质阻挡放电等效负载模型

大气压介质阻挡放电反应器的精确等效是影响电源参数准确设计的关键。现有的反应器等效模型通常未考虑介质等效电容在放电过程中的非线性变化,使得在大气压短间隙工况下模型精度受限。为解决这一问题,本文在传统非线性钳位模型的基础上根据放电的不同阶段将介质等效电容进行分段等效,并给出一种分段等效负载模型及其测量方法。同时,推导出带分段负载模型的电压源谐振变换器关键参数,并搭建了一台1kW谐振电压源样机。实验证明,当气隙长度大于4mm时,分段负载模型与传统的非线性钳位模型相近;在气隙长度更小时,分段模型准确度更高,有利于准确地描述负载放电功率与单周期放电时间等重要参数。

短间隙的击穿及其短路放电特性研究

为研究IEC安全火花试验装置短路放电的击穿放电机制,针对室温1atm下不同浓度的甲烷空气混合气体,对几百微米~几毫米范围内的击穿实验进行了设计。分析表明对于不同浓度甲烷空气混合气体,击穿电压与电极间距的关系曲线均呈现马鞍形;室温1atm下8.5%甲烷空气混合气体在几百微米~几毫米间隙范围内的最低击穿电压表明试验装置的电容短路放电过程在巴申定律的适用范围之外且其临界击穿间距在几百微米以下。可见,该放电过程中间隙内的碰撞电离效应并不突出,阴极电子发射是其击穿放电的主导机制,该放电过程类似真空放电,通过安全火花试验装置得出不同介质环境的电容电路短路放电波形对此进行了验证。

空气湿度对非均匀交流电场下短间隙击穿特性的影响

在空气间隙击穿前出现电晕或辉光放电时,湿度对交流击穿电压可能会产生一定的影响,但是受影响的电极结构具体参数范围尚不清楚。为了进一步揭示空气湿度对非均匀交流电场下短间隙击穿特性的影响规律,设置电极间隙距离范围为1～5 cm和高压电极半径范围为0.1～2 cm,进行了相对湿度对空气间隙工频击穿电压影响的试验研究。在给定电极结构参数范围内,结果表明当电极半径>0.5 cm时,相对湿度对击穿电压几乎没有影响;当电极半径<0.5 cm时,相对湿度对击穿电压有一定的影响,开距越大影响越显著;当电极半径为0.3 cm时,相对湿度对击穿电压的影响最大。结合复合击穿判据进行分析,当几何结构参数大于临界值时流注击穿判据仍然是有效的,当几何结构参数小于临界值时击穿电场公式在部分区域需要考虑相对湿度进行一定的修正。结果可为非均匀空气绝缘间隙的设计提供参考。

短间隙短路放电的场增强因子研究

运用扫描电镜对IEC安全火花试验装置电极系统的微观表面形貌进行了扫面测试,测试结果表明镉盘电极表面存在高度和半径均为微米量级的微凸起,而钨丝电极表面无明显微凸起;以镉盘为阴极,建立了电极系统的短路放电物理模型以及单个微凸起的圆柱形等势阱模型。运用分离变量解法,推导得出阴极金属表面微凸起引起场增强因子β0的解析表达式。根据电极表面电物理的微观不均匀性,推导出了微附加物作用下场增强因子β1的计算公式。指出该放电过程中,进行场增强因子计算时,须综合考虑电极表面微凸起及微附加物的作用,综合场增强因子β在数值上等于上述两增强因子之积,即β=β0β1。运用IEC安全火花试验装置进行了电容短路放电实验,实验结果验证了理论分析及计算公式的正确性。

相控真空开关中短间隙电弧介质恢复研究

讨论了真空短间隙及其对应的短燃弧时间对相控真空开关介质恢复特性的影响,应用金属蒸汽密度模型和不同的间隙边界条件,得到燃弧时间与电极表面温度、金属蒸汽密度的关系.进行开断试验得到工业真空开关(12kV,25kA)开断额定短路电流不发生重燃对应的临界燃弧时间为2.5ms,临界开距为3.2mm,为相控真空断路器的控制系统设计提供了理论和实验依据.

短间隙真空开关电弧图像边缘提取研究

为了研究短间隙真空开关电弧燃烧及其热形态变化过程,通过图像视觉系统对电弧起弧、燃烧及熄灭过程中的电弧图像进行采集,阐述了该实验系统的组成,利用图像处理技术对电弧图像进行了预处理,并通过Prewitt、LOG和Canny五种微分算子的边缘提取和结果对比。结果表明:比较3种微分算子对电弧图像边缘提取的结果,Canny算子可得到连续性、完整性和准确性均符合控制要求的电弧边缘结果,为实现真空电弧的调控提供了技术基础。

棒尖端外形对低气压下棒-板短间隙放电特性影响研究

为研究棒尖端外形对低气压下棒-板短间隙放电特性的影响,利用低气压放电试验平台针对锥尖头、球头、平头三种棒电极在2~20 kPa气压范围内200~400 mm短间隙进行工频放电试验研究,并对棒尖端外形对击穿电压、电晕和等离子体通道外形的影响进行分析。研究结果表明:棒尖端外形对低气压下棒-板短间隙放电特性影响显著。在2~20 kPa气压范围内随气压升高,相同间隙距离不同棒尖端下的击穿电压幅值差逐渐增大;锥尖头和平头棒尖端电晕层存在电离集中点;球头和平头棒相对锥尖头棒-板间隙等离子体通道而言较粗且偏移角较大,等离子体通道末端与板电极存在较多接触点并呈现"多分支"状。研究成果对低气压下放电试验电极布置具有参考意义。

短间隙放电中的电晕型先导特性

该文针对短间隙(15mm)气体预击穿过程中电晕型先导存在的可能性进行了进一步的研究。采用放电电流脉冲分析、电磁波检测、PRPD谱图和高速相机拍摄的方法对短间隙两种棒–板放电结构(尖–板和球–板)进行了实验。研究表明:在尖–板结构预击穿阶段,电流脉冲上升沿和电磁波脉冲发展初期存在分段现象,球板结构没有,计算表明这两段的速度是和先导速度以及先导头部的流注速度对应。曝光时间为200ns和200us的照片证实了尖–板电极放电中的"茎"结构。上述结果说明,在短间隙尖–板放电预击穿阶段中长刷状电晕转化为电晕型先导。电晕型先导和普通电晕放电的电磁波在PRPD谱图中存在明显不同,上升延时间对电流幅值和电流变化率的影响解释了电磁波幅值差异。这种放电阶段的划分以及PRPD谱图对先导的表征有助于对电晕局放严重程度的判断。

短间隙真空电弧试验系统的设计

为了研究短间隙真空电弧,设计建立了一个可拆式真空灭弧室及其触发电路,并结合真空短间隙进行了电弧点燃试验以及真空电弧电压和电流的采集,验证了真空电弧正伏安特性。结果表明,利用所设计的系统能够很好地触发真空间隙,为真空电弧特性以及真空相位开关的研究提供有利的条件。

细水雾对空气球–球短间隙工频击穿特性的影响

细水雾是一种新兴的高效灭火技术,但其绝缘性能一直缺乏研究。火灾消防用细水雾的雾滴直径为50～400μm,介于雾霾颗粒(<10μm)与降雨雨滴(>1 mm)之间。为此研究细水雾雾滴直径、雾滴间距与球隙工频击穿场强的关系。试验获得了细水雾雾滴直径与击穿场强的变化关系。研究表明,对于1.5 cm及以下的球隙,火灾消防用细水雾的击穿场强较空气更低,雾滴直径是影响细水雾击穿场强的主要原因。细水雾添加剂显著提升细水雾的灭火效率,因此研究了KCl、氟碳表面活性剂FC-1470等典型添加剂对细水雾球–球短间隙工频击穿特性的影响。研究表明强电解质细水雾添加剂KCl显著降低纯水细水雾短球隙击穿场强,降低幅度达24.8%,弱电解质细水雾添加剂FC-1470对纯水细水雾短球隙击穿场强的影响相对较小,降低幅度只有7.5%。研究结果对细水雾在高电压火灾带电灭火的安全应用具有一定的指导意义。

短间隙真空电弧的动态图像

用动态图像高速微机数据采集系统对短间隙中的真空电弧的形态及其动态演变过程进行了光测研究 .初步发现在短间隙条件下 ,平板触头间隙中真空电弧形成阳极斑点的临界电流小于长间隙中的临界电流 ;从电流开断性能来讲 ,纵磁触头的优越性在短间隙条件下体现得尤为明显 .

基于不连续有限元的短间隙气体放电仿真算法及其应用

我国超、特高压输电工程建设亟需空气间隙放电理论的支撑。作为长间隙放电研究的基础,短间隙放电是间隙放电研究的重要内容与切入点。仅靠现有实验手段与实验结果无法构建这些放电过程的完整物理图像,使得数学建模与仿真,成为研究短间隙放电的重要方法。为此,概述了描述短间隙气体放电过程的流体模型,提出了基于不连续有限元的仿真算法:引入罚因子不连续有限元离散Poisson方程;提出了加权不连续有限元用于求解粒子输运方程,提出了圆柱坐标系下的多层重构算法用于抑制高阶格式可能引起的数值振荡。实现了基于上述算法的短间隙气体放电仿真程序,利用该程序研究了碰撞电离系数、附着系数、粒子迁移率等放电参量对流注发展的影响,电子碰撞电离系数与电子迁移率影响最大,电子附着系数与电子扩散系数有一定影响,离子迁移率基本没有影响。通过考虑Townsend放电中的光发射机制,成功预测了一定长度范围内平板间隙中Townsend放电击穿电压曲线,验证了将数值仿真应用于气体放电研究的可行性。

基于动-静极板的J型线夹短间隙气体放电仿真研究

随着配网中大力开展10 kV线路带电作业,J型线夹被广泛用于断接火项目,然而导线-线夹间易形成短间隙气体放电。本文以J型线夹断接火作业为背景,建立二维动-静极板简化模型,采用有限元算法,利用动网格理论,仿真模拟了线夹闭合过程中导线与线夹间的短间隙气体放电现象,分析了首周期内最大电子密度随时间的变化情况,并对不同周期下,相同方向高电子密度区域(红区)转移过程进行了研究。仿真结果表明:同周期内火线正相位时电子密度最大值相比负相位时明显更大;红区在电压过零点前向另一极移动;随着周期推移,电压由正相位过零点时,红区消失时间及形成均是先滞后再提前,但两者时间差先递增后递减;由负相位过零点时,红区消失和形成时间先提前再延后,两者的时间差先变大后减小,以及正负极红区发展存在明显差异。研究结果揭示了J型线夹作业时导线-线夹间的短间隙气体放电发展规律。

多重短间隙灭弧装置设计及其工频续流遮断能力测试

基于灭弧栅熄灭大功率电弧的原理,采用多重串联短间隙灭弧方式设计了用于配网线路防雷的多重短间隙灭弧装置。根据IEC 60060-1—2010中关于续流遮断试验的要求,针对该灭弧装置的熄弧原理制订了工频续流遮断能力测试的试验方法,并设计与搭建了10 k V冲击回路与工频续流回路相结合的联合试验平台,利用该试验平台对多重串联短间隙灭弧装置的工频续流遮断能力进行了测试。试验结果表明,该灭弧装置在遭遇冲击电压击穿后能在续流过零点时刻切断工频电流,且其后不会随着工频电压的恢复再次发生击穿。

青藏铁路海拔4000 m以上短空气间隙修正研究

本文根据在多功能人工气候室内完成的气压对短空气间隙交流放电特性影响的大量试验研究结果,系统分析了气压对短空气间隙交流放电特性的影响规律,提出了青藏铁路海拔4000 m以上的短空气间隙修正系数.

短空气间隙弧阻模型的研究

为了研究气体间隙的高频电弧特性,笔者设计了一种短空气间隙的放电试验回路。测量了间隙击穿时两端的电压及通过间隙的电流,经分析计算得到了短空气间隙击穿后电弧的变化规律以及燃弧阶段的弧阻最小值r_0。短空气间隙在击穿后的几十ns内弧阻从10^(12)Ω量级跌落至最小值r_0,持续几个μs后恢复。改变回路频率以获得不同频率下的弧阻最小值r_0以及燃弧持续时间t。当回路频率从4.8～13.5 MHz变化时,r_0从0.4Ω增大到5.0Ω,而燃弧时间t从4.0μs减小为0.9μs。将实验结果与各种电弧电阻模型计算值进行对比,在燃弧前期(0～1.1μs)Kushner电弧模型与实验结果较为吻合,但Kushner电弧模型的燃弧时间比实验值长。

短空气间隙流注放电的实验观测技术综述

流注放电是气体间隙放电的重要阶段,流注放电的机理、仿真及实验研究是高压放电等离子体领域研究的重点之一,其中流注放电的实验研究是流注放电机理及仿真研究的基础。然而流注放电具有多时空尺度、多粒子碰撞、多物理场耦合等复杂特点,这对流注放电的实验观测提出了巨大的挑战。该文针对短空气间隙流注放电的实验观测,分别从短空气间隙流注放电实验设置和短空气间隙流注放电过程观测技术2个方面综述了国内外相关实验方法、平台及取得的研究进展。在此基础上,该文对目前短空气间隙流注放电研究所需要解决的关键问题和未来的发展趋势进行了探讨,认为未来短空气间隙流注放电实验研究进一步发展的关键在于建立更高精度与更高时空分辨率的多物理量同步观测系统,观测并分析单个流注发生发展的完整过程;探索新的实验手段和测量技术,获取电子平均能量等关键特征参数;深入研究数字图像处理技术,挖掘放电光学图像蕴含的更深层次的特征信息,进而完善对流注放电机理的研究。