直流电压下油纸复合绝缘积聚电荷极性特性

为了研究油纸复合绝缘积聚电荷极性特性,该文设计2种平板电极试验模型,搭建直流高压油纸复合绝缘电流测试平台,通过对电流的积分获得吸收电荷,在不同外施电压和不同老化时间下对油纸复合绝缘积聚电荷特性进行了试验研究,并利用吸收电荷表征了积聚电荷极性特性。研究结果表明:随着直流电压幅值增加,正极性与负极性吸收电荷均逐渐增加,相同电压下,负极性吸收电荷比正极性吸收电荷积聚的更多;随着绝缘纸板老化时间增加,负极性吸收电荷逐渐减少,正极性吸收电荷基本保持不变。稳态电荷量与外施电压呈线性关系变化,油浸纸板静态电容大于位移极化电容,积聚负极性电荷时静态电容大于积聚正极性电荷时静态电容。随老化时间增加,负极性稳态电荷量呈线性比例关系减少,正极性稳态电荷量基本相同,油浸纸板静态电容与稳态电荷量变化规律一致。

打印微结构对表面电荷积聚特性的影响

航天器等真空设备面临着高电压、小型化的发展需求,但其中的固体-真空绝缘界面容易发生真空沿面闪络。为了提升真空绝缘的沿面耐电性能,通过3D打印技术在绝缘介质表面构建了微刻槽和打印金属两种微结构,并通过电荷积聚实验研究发现了打印微结构能有效抑制表面电荷积聚过程;同时,改变微刻槽数量以及金属的宽度和数量,进一步通过实验对比研究了参数不同时的情况,发现增加微结构的数量和宽度均有利于提升其对电荷积聚的抑制效果;最后,构建真空沿面闪络粒子仿真模型,通过研究电子运动和二次电子崩的发展,并结合实验结果发现微结构能够散射电子,从而产生抑制电荷积聚、提升沿面耐电强度的效果。

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。

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。

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。

非线性电导涂层对直流GIL绝缘子空间/表面电荷和沿面电场的调控研究

空间/表面电荷积聚是导致直流GIL绝缘子沿面闪络电压降低的潜在原因,涂敷非线性电导涂层是提升沿面绝缘性能的有效方法。本文建立了电场依赖性非线性电导涂层对绝缘子空间/表面电荷及沿面电场调控的数学模型,综合考虑了绝缘气体电流密度以及绝缘子固体电导率与电场强度的非线性关系,通过该模型研究了温度梯度分布下绝缘子内部电荷的分布规律,以及非线性电导涂层对绝缘子表面电荷积聚的影响机制。结果表明:非线性电导涂层对空间电荷消散有明显的促进作用,高压电极附近的同极性电荷主导了表面电荷分布;由于表面电荷分布和切向电场的改善,绝缘子的沿面闪络性能得到提高;在绝缘子与涂层界面之间会积聚正电荷,并从高压电极向地电极逐步递减。

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。

切向电场主导下C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中环氧复合材料表面电荷积聚特性及机理研究

气固界面的电荷积聚问题是诱发沿面闪络的重要原因,而当前C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中电荷积聚特性的相关研究还不够充分。为研究C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中表面电荷积聚特性及机理,本文通过指型电极构建极不均匀电场,测量了环氧复合材料在C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中的表面电荷分布特性;进一步的,为理清表面电荷来源及迁移特性,测量了冲击电压下C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中材料表面电位,比较了附加背板电极前后的表面电荷分布。研究表明,C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体与SF_(6)中表面电位分布形态相似,均表现为高压电极附近积聚大量同极性电荷,地电极附近积聚少量异极性电荷。随着C4F7N含量升高,C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体抑制电荷积聚能力增强。表面电荷来源于气体电离和高压电极注入并且随着电场强度的改变,电荷来源也发生变化,切向电场促进了电荷沿表面向更大范围的迁移。该工作对于明确C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中表面电荷积聚特性及环保型绝缘气体的推广应用具有重要意义。

温度对环氧树脂气——固界面电荷积聚的影响研究

环氧树脂在直流电场下易于积聚电荷造成局部电场畸变,进而诱发沿面闪络。文中建立了考虑离子产生、复合、迁移和扩散过程的电荷积聚模型,并在模型中计及了电导率的温度特性。研究了不同温度下气固界面电势、电场、电荷的分布及功率损耗变化,分析了温度对电荷行为和电场畸变率的影响。结果表明:表面电荷密度随温度升高而增大,三结合点处电荷密度最大;温度对切向电场的影响更大,随温度升高,电荷积聚的主要方式由表面传导向体传导转变;适当升温可以提高表面电荷积聚和消散速率,但高温会使表面电荷密度和泄漏电流增大,进而加剧畸变和损耗。该研究将有助于揭示气固界面与沿面闪络的内在联系,为抑制沿面闪络提供可能方案。

环境温度对直流GIL盆式绝缘子空间电荷积聚的影响

直流GIL盆式绝缘子受到长期单极性直流电压和温度等因素的影响,其表面和内部极易累积电荷,造成局部电场畸变,使得盆式绝缘子绝缘性能恶化,严重影响电网运行的可靠性。因此,考虑盆式绝缘子的热传导和气体对流过程,通过建立直流GIL盆式绝缘子的二维仿真模型,分析在不同温度梯度条件下,盆式绝缘子空间电荷积聚特征及其对盆式绝缘子电场的影响作用。结果表明:直流GIL在温升达到稳定状态时,表面温度分布由中心导体部分向外壳递减,并且随着温度梯度的增加,靠近中心导体部分温升区域明显扩大;高温区域的电荷传输能力明显大于低温区,空间电荷密度峰值与温度梯度成正相关,并且空间电荷密度峰值均出现在盆式绝缘子气体与固体交界的凹面处;盆式绝缘子在20~100 K的温度梯度下,最大场强畸变率分别为1.85%、1.97%、2.23%、2.72%、4.20%,电场强度峰值集中于金属套件与绝缘气体交界的凹面处。

直流GIS内金属微粒研究综述:从运动特性、电荷积聚到抑制策略

在直流气体绝缘设备中,金属微粒受力启举后,很难进入静止状态,且金属微粒会引起表面电荷积聚,可能会诱发绝缘子附近电场畸变,甚至引发沿面闪络。目前,国内外学者在金属微粒对绝缘子的危害及微粒活性抑制策略等方面进行了充分并卓有成效的研究。对金属微粒荷电运动特性、微粒引起的表面电荷分布情况及金属微粒活性抑制策略进行了综述。首先探讨了金属微粒的荷电运动及受力情况,其次概述了金属微粒对电荷积聚的影响。此外,归纳了金属微粒运动的抑制措施,重点描述了微粒陷阱和电极覆膜两种方法,最后为未来的研究工作提供了一些建议。

对绝缘子表面电荷积聚机理的讨论

从电磁场基本方程组出发，给出非均质介质中绝缘子表面电荷积聚的规律，揭示其物理本质和关键影响因素；研究了不同绝缘介质的交界面电荷积聚的方式和特点。用本文提出的理论可以解释文献报导的三种积聚模型，为分析绝缘子表面电荷积聚状况提供了理论依据。

表面电荷积聚对绝缘子沿面闪络影响的研究

通过对典型绝缘子表面电荷分布特点的分析,研究了表面电荷与放电起始间的关系。研究表明在表面电荷作用下绝缘子沿面闪络起始电压会发生变化。对110kV三相共箱式GIS绝缘子的闪络实验表明,表面电荷可使绝缘子沿面闪络电压下降23.4%。对位移电流作用下的绝缘子沿面闪络先导发展模型进行改进,补充了表面电荷对该模型的影响。指出表面电荷产生的附加电场会影响流注电晕内部正负电荷的分离速度及放电的进一步发展。

冲击电压作用下影响表面电荷积聚过程的因素分析

建立了电压与表面电荷分布的动态方程 ,引入了电荷积聚时间常数的概念。从理论上证明了冲击电压作用下绝缘子表面可以产生一定量的电荷积聚 ,并对影响表面电荷积聚过程的因素进行了分析 ,理论分析结果得到了已往文献实验结果的证实。

直流气体绝缘金属封闭输电线路中绝缘子的表面电荷积聚研究

直流气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated transmission line,GIL)在特殊环境下可替代部分架空输电线路或电缆,从而提高输电走廊选择的灵活性。严重影响直流GIL绝缘水平的关键因素之一是沿支撑绝缘子表面的电荷积聚现象。通过建立一个板板电极系统来模拟GIL中同轴圆柱结构的电场分布,研究直流下GIL中绝缘子电荷积聚的机制,绝缘子的形状、SF6的电导率对表面电荷积聚的影响,以及电荷积聚对绝缘子沿面电场分布的影响。结果表明,聚四氟乙烯绝缘子的表面电导率比体积电导率受电场的影响更大;初始时沿面法向场强小的绝缘子的电荷积聚能得到明显抑制;SF6的电导率与绝缘子表面电导率的比值影响积聚电荷的极性。

直流GIL内金属微粒对表面电荷积聚影响的三维仿真及实验研究

针对直流GIL中金属微粒污染问题,该文研究了其对模型绝缘子表面电荷积聚的影响。基于麦克斯韦理论,纳入微粒污染以及气体侧空间离子的产生、复合、迁移、扩散等作用,建立了微粒污染情况下包含气体侧微观机制的绝缘子表面电荷积聚模型,利用COMSOL软件对三维情况下绝缘子形状、金属微粒不同黏附形态以及不同气体环境对表面电荷积聚的影响进行了求解分析,同时搭建了考虑导电微粒情况的电荷测量平台,对仿真中典型设置进行实验,验证仿真结果的正确性。研究表明,随截面底角减小,电荷更多积聚于绝缘子表面;黏附于绝缘子表面的金属微粒会引起表面电荷大积聚激增,沿高低压电极连线黏附微粒引起积聚最明显;气体环境改变会引起表面电荷积聚发生改变,低气压时更易积聚电荷。

介质分界面电荷积聚过程分析

建立了电压与绝缘子表面电荷分布的动态方程 ,分析了直流电压作用下表面电荷的积聚过程 ,并给出了绝缘子表面电荷动态分布的近似表达式 .研究表明 ,以往文献中给出的平板电极结构介质分界面处的表面电荷积聚方程只是文中方程的一个特例 .引入了具有长度量纲的电压 /场强比例系数 ,并在此基础上计算了 3种典型电极算例的表面电荷分布 。

直流电压下油、纸绝缘结构不连续界面空间电荷积聚特性

在直流电压下,油、纸界面空间电荷的积聚会导致空间电场畸变,对直流输电设备的绝缘设计和运行有重要影响。为研究该问题,利用纸板覆盖上、下电极的油纸复合绝缘模型,研究了在不同极性直流电压下,油、纸界面空间电荷的积聚过程。试验中,搭建了基于Kerr效应法的油纸绝缘光学空间电场的测量平台,以实现变压器油中电场的在线非接触式测量。试验结果表明:不同极性的直流电压下,油中电场的暂态过程差异显著,具有明显的极性效应;油、纸界面积聚空间电荷的极性与外施电压的极性和油、纸板的空间位置直接关联:纸板覆盖上电极时油纸界面电荷极性与外施电压极性相反,纸板覆盖下电极时油、纸界面电荷极性与外施电压极性相同;与传统的电阻率-介电常数模型下界面电荷的积聚现象不同,油纸界面电荷积聚的速度具有明显的极性效应:油、纸界面负电荷的积聚速度远大于正电荷的积聚速度,导致不同极性电压下油中电场从暂态容性电场到稳态阻性电场的过渡过程差异显著。

电热联合老化对电缆附件应力锥处空间电荷积聚特性的影响

为研究电缆应力锥处电荷积聚效应,将10 kV交联聚乙烯电缆进行电热联合加速老化,采用电声脉冲法测试不同老化阶段的电缆应力锥处空间电荷在轴向和径向的分布规律。实验结果显示:空间电荷密度在距应力锥内侧边缘约2 cm位置最大,向轴向两侧逐渐减小;随着老化时间的增加,应力锥处的空间电荷密度逐渐增大,分布范围扩大。结合交流电压下电荷运输机制,分析得到电荷积聚的来源是空间电荷从外侧迁移至应力锥位置并发生积累。该研究可为电缆附件易发生故障原因分析提供理论参考,对于提升电缆绝缘性能具有重要现实意义和实用价值。

直流电压下聚合物表面电荷测量方法及积聚特性

固体绝缘介质表面电荷积聚现象是研发高压直流气体绝缘装置的重要考虑因素,这些积聚的表面电荷会导致绝缘介质局部电场畸变,大大降低装置的绝缘水平。因此,研究直流电压下聚合物表面电荷积聚现象具有重要意义,如何实现对绝缘子表面电荷分布进行准确的测量,成为该领域一个重要的课题。针对这一问题,采用静电探头法测量缩比气体绝缘输电线路(gas-insulated line,GIL)中圆锥绝缘子的表面电位,研究针对这种"平移改变"系统的表面电荷的反演计算方法。研究采用数值模拟的方法获得了从电荷到电位的传递函数矩阵,应用了基于维纳滤波的数字图像处理技术,对传递函数矩阵的病态特性进行了改善,大大降低了系统噪声,提高了反演计算的稳定性。研究分析了测量结果的空间分辨率和计算精度,发现该系统的空间分辨率可以达到1.8mm。采用该算法,分别研究了空气和SF6中直流电压下绝缘子表面电荷的积聚情况,发现绝缘子表面电荷呈均匀分布的"基本模式"和随机分布的"电荷斑"两种模式。"基本模式"的极性与所加电压极性相同,表明固体侧体电流是电荷积聚的主要来源。