静电场仿真在550 kV隔离开关VFTO故障解决中的应用

快速暂态过电压(VFTO)一直是高电压等级气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)运行中不容忽视的问题,尤其是550 kV及以上的设备。现结合一起典型的550 kV隔离开关(DS)产生的VFTO导致接地故障的案例,对故障原因进行了分析推断;通过静电场仿真结果的对比,对设计进行了改善;新方案通过了开合母线充电电流方式1和方式3的型式试验,随后对客户的设备进行了升级替换;改善后的设备带电运行数年后的结果表明,改善效果良好,再没有出现过VFTO引发的故障。

基于静电场仿真的熔丝筒局部放电研究

局部放电是造成电气设备绝缘故障的重要原因之一,长时间地发生局部放电会降低设备的绝缘性能,考虑到电气设备局部放电的产生与设备绝缘介质的电场分布密切相关。为此针对12kV环网柜的一个部件——熔丝筒,在产品测试过程中易发生局部放电的问题,采用Ansys软件对熔丝筒原模型进行了静电场仿真分析,提取出电场较大且分布极不均匀的问题区域——端盖右侧到金属侧板之间的环氧树脂壳体表面空气区域,该区域极有可能发生局部放电。然后利用静电场理论,在尽可能对熔丝筒环氧树脂壳体改动小的前提下,提出了对问题区域附近环氧壳体表面局部喷锌接地到局部喷锌接地加凸台的优化。通过静电场仿真得出优化前后问题区域的最大电场强度由26.9kV/mm先降到14kV/mm最终降到2.7kV/mm,理论上验证了最终的环氧壳体局部喷锌接地加凸台方案的正确性。最后,对不同方案的熔丝筒样品进行了局部放电检测,结果表明,熔丝筒实际发生局部放电故障的区域与静电场仿真的问题区域相吻合,验证了利用静电场仿真分析局部放电问题的合理性;同时最终优化后的熔丝筒的局部放电量达到有关标准的要求,优化方案的可行性也在工程实践中得到了验证。

基于ANSYS Maxwell的高压脉冲电场仿真研究

高压脉冲电场土壤处理已广泛应用于农业中的土壤虫害杀灭,但耕种环境的差异导致虫害的杀灭效果常常不够理想。为了改善这种低效率的现状,笔者提出几种不同的电极布置方案,并且利用ANSYS Maxwell仿真软件进行静电场仿真,分析仿真得到的电场强度以及电压结果,讨论不同方案的适应场景,提出适用的电极布置方案。结果表明,对于浅层虫害、深层虫害、植株根部虫害、局部虫害以及整片土壤的预防性电处理都有不同的电极布置方案,这对于土壤电处理的实际应用具有重要意义。

空间电源低气压放电的相关问题研究

随着航天技术的快速发展,空间电推进、空间电子束焊接、空间通信、深空探测等空间任务对空间电源的电压等级和功率等级要求逐渐提高。由于空间电源输出电压等级的提高,电子产品在空间环境中的低气压放电问题逐渐显现。根据气体电介质的击穿理论,空间中低于大气压的环境意味着气体击穿电压水平比在大气环境中低得多,当达到一定的阈值电场强度时,电场将加快电荷载流子的运动,并最终发生击穿或闪络。针对空间低气压放电问题进行了调研、理论分析和静电场仿真,总结出现阶段适合空间电源应用的低气压放电理论,为空间高压电源及空间电源系统的发展打下基础。

一体化高压触发器绝缘隔板结构优化研究

一体化高压触发器作为高功率准分子激光器系统的同步控制器件,为激光放大器的气体火花开关提供触发脉冲。提高触发器的输出电压有助于改善激光放大器的同步性能,还需解决充电过程中的自放电问题。为此,在高压腔体内部加入绝缘隔板提升腔体内的直流充电电压。基于静电场仿真和放电等离子体仿真优化设计绝缘隔板的尺寸和位置参数,通过实验对仿真结果进行验证。使用静电场仿真分析触发器腔体内放电气体区域,建立与该放电区真实模型等效的缩比模型,通过放电等离子体仿真模拟带有不同尺寸和位置隔板气体间隙的击穿电压,选出击穿电压最高时所对应的隔板尺寸和隔板位置作为隔板的优化设计方案。与无隔板的情况相比,优化后的气体间隙的平均击穿电压由58.42 kV提升到84.33 kV,实验结果和仿真计算结果较为一致。本文的优化方案提高了直流击穿电压,解决了触发器充电时的自放问题,为绝缘结构优化提供一种新方法。

网电极沿面介质阻挡放电等离子体润湿性改性及清洗性能研究

目的针对大气压等离子体装置存在的等离子体面积小、温度高及均匀性差等问题,研发一种网电极沿面介质阻挡放电装置和等离子体清洗平台。方法通过静电场仿真和实验,优化装置的结构参数,通过分析放电波形探究装置的放电特性。最终确定网孔的对角线尺寸为6 mm,采用厚度为0.3 mm的云母片作为介质材料。通过清洗平台对涂有润滑油的玻璃表面和铝片表面进行清洗实验,并通过AFM、SEM、EDS对清洗前后的表面形貌和元素组分进行分析,探究等离子体清洗机理。结果放电装置的电场强度和放电功率与网孔尺寸、介质材料的相对介电常数及放电电压呈正相关,与介质厚度呈负相关,放电装置的放电功率随着频率的增加呈先增大后减小的趋势,样品表面接触角随着电压的增大显著降低,随着放电频率的增加呈先减小后增大的趋势,并在5.29 kHz时达到最大放电功率(79 W)。通过试验得到了玻璃的最优清洗参数,电压峰值为11.52 kV,放电频率为5.29 kHz,处理距离为0.3 mm,处理时长为20 min,样品移动速度为2 mm/s。得到了铝片的最优清洗参数,放电电压峰值为11.60 kV,放电频率为5.29 kHz,处理距离为0.3 mm,处理时长为30 min,样品移动速度为2 mm/s。结论从润湿性改变、光学显微镜照片、扫描电镜、原子力显微镜及表面元素的角度对样本表面的油污进行检验,经检验发现,样品表面的油污被去除,并显著改善了其润湿性。等离子体清洗以化学反应为主,可在不对表面造成损伤的前提下去除表面有机污染物。

光离子化检测器的电离室结构设计与实验分析

文中设计了光离子化检测器,利用Simion8.1软件进行了不同极板电压、极板间距以及载气入气口直径下的静电场仿真,在尽可能小的气室体积内设计出了结构更加优异的电离室,同时通过仿真分析降低了大量试验时间与成本。通过仿真与分析,得到了极板电压与带电粒子收集效率的关系,确定了175 V的极板电压以及收集板与极板间距为6 mm,入气口直径为6 mm。在系统实验阶段,对通入气体的流速做了优化,测试中气体流速为200 mL/min;对0~273 ppm的异丁烯气体进行检测,系统响应与气体浓度间成良好的线性关系,拟合优度为0.986 61,在不同时间段检测系统具有良好的稳定性和可重复性。

简化冲击电容器元件圆弧区缺陷场强三维有限元仿真

冲击电容器元件两侧圆弧部分的缺陷电场分布因占比小而受到忽视,为研究缺陷对此部分的电场强度影响,建立由最内部5份介质层与5层极板相互层叠构成的简化冲击电容器元件三维模型,忽略留边及铝箔卷边的影响,采用有限元仿真研究圆弧部分上缺陷位置、成分、有无空间电荷及电压类型等多种因素对圆弧部分电场分布的综合影响。研究发现,在高压侧电极与绝缘介质的交界面,电场强度随着缺陷曲率的减小而减小,但电极低压侧与绝缘介质交界面处空间电荷增大场强的程度超过曲率降低场强的程度。无论是浸渍剂缺陷或者空气缺陷,相同曲率及相同空间电荷密度下,不同缺陷位置的浸渍剂缺陷内最大场强随空间电荷量的增加而增大。影响程度在三维模型下更易准确观察和分析。

基于红外成像法的零值瓷绝缘子检测

以7片XP-70型绝缘子组成的绝缘子串为研究对象,研究了加压时间、零值绝缘子位置以及湿度对零值绝缘子红外成像法检测结果的影响,并对零值瓷绝缘子位于绝缘子串中不同位置时的静电场进行仿真分析。结果表明:随着加压时间的增加,瓷绝缘子串的温度逐渐升高,3 h后趋于稳定;零值瓷绝缘子位于不同位置时,绝缘子串的温度分布规律不同,但均可识别出零值瓷绝缘子;湿度对绝缘子串的温度分布影响较小。仿真结果表明,零值瓷绝缘子钢帽内部的场强远低于正常绝缘子,与红外成像试验结果一致,验证了零值绝缘子红外检测判断依据的准确性。

音叉振动电容式表面电位测量装置设计

文章针对振动电容式表面电位测量传感器核心组件——振动音叉进行详细设计,分析得出适用于电位检测的音叉振动形式,确定出音叉结构参数及驱动方式;进行基于传递函数的传感器灵敏度及精度影响因素分析;提出基于电荷感应与静电场仿真的电位测量装置设计方法,得到的传感器灵敏度与理论计算结果一致,并最终通过样机标定实验验证了传感器设计的正确性。

大气压氩气等离子体射流在不同作用状态下的光电特性

为研究皮肤创伤愈合应用中作用对象对大气压等离子体射流(APPJ)特性的影响,研究了Ar APPJ分别在自由状态、处理培养液和处理皮肤组织3种不同作用状态下的基本光电特性、产生发展过程和发射光谱特性。实验发现相同实验参数的Ar APPJ在与培养液和皮肤组织作用时,管外射流的长度和直径均比自由状态下增加;Ar APPJ在轴向不同位置处的激发态粒子、活性基团种类与自由状态下是基本相同的,仅在谱线的相对强度上有所差别;管外距管口15 mm处的射流等离子体中OH自由基、第二正带系N2、激发态Ar和激发态O原子相对强度均比自由状态下升高。静电场与流场数值仿真结果表明,与自由状态相比,管口外设置不同介电常数和形态的作用对象,不仅会提高射流管外的外施电场强度,也会改变管外工作气体的摩尔浓度分布,进而引起Ar APPJ光电特性的变化。

330 kV GIS设备接地故障研究分析

针对一起330 kV GIS分支气室单相接地故障,通过现场勘察、气体分析、解体检查,结合故障前设备的例行试验数据、仿真分析结果,确定故障原因为应力变化导致触头发热,造成导体融化,铝液滴落,引起GIS筒体内部场强急剧变化,最终导致单相接地故障。并针对故障原因提出了建议,有一定的实际指导意义。

输电线路工作电压对线路绕击概率的影响研究

绕击是造成输电线路故障的主要原因之一,输电线路的绕击率受地形、塔形、落雷密度和线路工作电压等多种因素影响,其中关于线路工作电压对输电线路绕击概率的影响,国内外学者并未得到统一结论。为探究输电线路工作电压对输电线路绕击概率的影响机理,在已有学者展开的缩比放电试验的基础上,采用电磁场仿真软件对已有的试验模型进行静电场仿真,并结合其试验结果及现象对输电线路工作电压对线路绕击概率的影响进行分析。仿真结果表明:当雷电先导为负极性时,输电线路上正极性工作电压的存在显著地增加输电导线上的电场强度,在雷电先导电压的升高过程中,甚至会出现导线上电场强度大于避雷线上电场强度的阶段。当考虑导线的工作电压时,在高压电极电压升高的前期过程中,导线表面的电场强度大于避雷线表面的电场强度,这使得导线表面更易于起始迎面流注,从而使避雷线屏蔽效果减弱,线路绕击概率增加。