固体绝缘表面状态对其闪络机理影响的研究进展

针对固体绝缘表面状态引起的沿面闪络放电问题,综述了固体表面物化特征因素及表面缺陷对沿面闪络过程影响的研究进展。研究发现,固体绝缘沿面闪络放电特性与其表面物化特征存在关联关系,主要受表面微观形貌、表面能态、表面陷阱分布密度及表面粗糙度等因素的影响,并认为闪络现象本质上是高电场下气固界面电荷的输运行为,而且由于固体绝缘表面的固化加工缺陷,对闪络过程的分析将需要考虑表面物化特性与表面缺陷的综合作用。根据对表面微裂纹所引起的沿面异常闪络现象研究,分析了表面缺陷的形成演变过程以及对闪络放电特性的影响机制,进而提出通过改变固体绝缘表面状态特征来提高闪络电压的方法,并深入探究气固界面的闪络机理。     

绝缘操作杆表面状态与沿面放电关系试验研究

绝缘操作杆作为带电作业中重要操作工具,其是否处于良好的绝缘状态对确保带电作业人员和设备安全具有重要意义。本文通过不同测量方法检测绝缘操作杆表面存在的典型缺陷,通过电介质谱和沿面放电特性试验对高阻性缺陷检测的有效性进行验证。结果表明：在温度为25℃,相对湿度为68.1%的环境中,受潮状态下绝缘操作杆表面绝缘电阻值比干燥状态下绝缘操作杆表面绝缘电阻值下降了60.1%。干燥状态下绝缘操作杆的介质损耗角正切小于0.01。利用石墨模拟不同碳化位置对于沿面放电电压的影响,通过沿面放电试验得到,当两电极中存在贯通性缺陷时,沿面放电电压会严重下降。通过研究结果提出基于绝缘操作杆表面电阻或介质损耗特性的操作杆绝缘性能评估方法。     

GIS绝缘缺陷局部放电检测的有效性研究

GIS因大容量、高可靠性、环境友好等优点在电力系统获得了广泛应用,局部放电检测作为GIS绝缘状态监测和缺陷诊断的重要手段,但存在误报和漏报现象,需要针对其检测有效性进行研究。文中针对球—板带尖刺电极模型和绝缘子沿面附着金属微粒两种典型绝缘缺陷展开研究,研究不同缺陷类型下局放起始电压和击穿/闪络电压的关系,提出局部放电检测有效性系数α以表征脉冲电流法对绝缘缺陷检测的难易程度。研究结果表明,两类缺陷的局部放电起始电压和击穿/闪络电压均随缺陷尺寸增大而显著降低,球—板带针电极引发的局部放电起始电压与间隙击穿电压差别较大,且局部放电量较高,而绝缘子表面金属微粒引发的局部放电起始电压与闪络电压更为接近,且局部放电量相对间隙缺陷较小,因此,绝缘子沿面金属微粒的局部放电检测有效性系数相对间隙电场集中缺陷更低,通过局部放电检出的难度相对较大,因而危害也更大。此外,随着气压升高,两种典型缺陷局部放电检测有效性系数α均呈现降低趋势,因而可通过适当降低气压开展局部放电试验来提高GIS局部放电检测的有效性。     

温度对乙丙橡胶绝缘表面沿面放电特征的影响

为了评估温度对乙丙橡胶绝缘表面沿面放电特征的影响,搭建了变温沿面放电试验系统,测量了不同温度下的沿面放电起始放电电压、熄灭电压及闪络电压。研究了不同温度下乙丙橡胶表面从起始放电到闪络过程的沿面放电特性,分析了放电次数、起始放电相位、平均放电功率和放电电流等随温度和电压幅值的变化规律。结果表明:乙丙橡胶表面的沿面放电过程与温度密切相关,随着温度的升高,沿面放电起始电压与熄灭电压均呈减小趋势,闪络电压呈先增大后减小的趋势;放电次数、平均放电电流和放电功率均逐渐增大,正、负半周放电相位左移;随着温度升高,同一电压下的平均放电电流和放电功率相差增大,负半周的平均放电电流和放电功率始终小于正半周。根据放电过程中放电功率和放电电流的变化趋势,可将放电过程分为4个阶段:放电起始阶段、放电发展阶段、放电相持阶段、临近闪络阶段,为不同温度下乙丙橡胶沿面放电的特征识别提供了理论依据。     

GIS盆式绝缘子表面缺陷的局部放电检测

盆式绝缘子是GIS设备中故障率较高的部件之一,尤其是盆式绝缘子的沿面闪络,对于GIS运行的安全性威胁极大。因此,对盆式绝缘子上可能引起故障的缺陷,特别是绝缘表面缺陷进行状态检测,以预防绝缘故障的产生,是现阶段研究的热点问题之一。文中以一个存在表面缺陷的实际GIS盆式绝缘子为例,使用多绝缘子对照方法测试了样品在高电压作用下的局部放电特性,并使用光电效应对实验结果进行了验证。根据实验结果对数据进行了分析,发现了放电伴随的光脉冲的强度与放电频率之间的相关性。文中的研究内容对于盆式绝缘子表面缺陷在现场的检测识别,以及绝缘子制造工艺的改进具有重要的参考意义。     

电场分量对交直流复合电场下油纸绝缘沿面放电特性的影响

油纸绝缘沿面放电现象与绝缘纸板表面的电场分布关系密切,因而使用无背面电极和有背面电极两种结构,研究了电场分量对交直流复合电压下油纸绝缘沿面放电特性的影响机制。研究结果表明:随着直流电压分量的不断增加,油纸绝缘的沿面闪络电压逐渐上升,且交流电压下的闪络电压最低;无背面电极结构下沿面闪络电压无极性效应,有背面电极结构中存在极性效应,且负极性直流电压分量作用下,由于纤维素中羟基的强电负性影响,致使沿面闪络电压较低;无背面电极结构时的闪络电压约为有背面电极结构时闪络电压的1.5倍,分析认为由于载流子受到强垂直电场分量作用,加剧了对绝缘纸板表面的碰撞,油纸绝缘空间电荷平衡状态易在较低交流电压分量作用下受到扰动而被破坏,进而诱发沿面闪络发生,致使沿面闪络电压逐渐下降,该下降趋势具有饱和现象;沿面闪络在交流电压分量接近波峰或者波谷位置处发生。     

工频恒定电压下SF6气体中沿面放电发展过程研究

气体绝缘组合电器(GIS)中绝缘缺陷的存在会造成局部放电,导致设备劣化,进而危害到电力系统的稳定性。其中危害较严重的为绝缘子沿面放电缺陷,为探究其在工频恒定电压作用下的放电发展过程及规律,文中制作了“三结合”模型模拟SF 6中沿面放电缺陷并展开试验。保持工频电压在模型闪络电压的95%不变,每隔5 min记录一次局部放电信号,直至模型频繁发生闪络,分析各阶段放电统计参量的变化。结果表明沿面模型在闪络前的放电呈现放电重复率增加、放电量增加、放电间歇、放电再次增强的发展过程。放电间歇的产生与SF 6的强电负性、电场均匀化等均有一定关系。因此,需通过长时间放电检测以准确判定设备劣化阶段,并采取相应措施。     

频变电应力下高频电力变压器绝缘沿面放电形态及发展过程

沿面放电是导致绝缘失效的主要原因之一。为研究高频电力变压器绝缘在频变电应力下的沿面放电形态及发展过程,搭建了高频沿面放电实验平台。首先在10~40 k Hz正弦电压下,测试了不同频率下的沿面放电起始、闪络电压及沿面寿命,然后采用恒压法开展沿面放电实验,记录了放电起始、发展至闪络的整个过程,获得了不同阶段的放电特征参量和放电相位谱图,并结合二次电子发射雪崩模型和陷阱理论,对沿面放电的发展演化过程进行了分析。实验及分析结果表明,电压频率的升高会导致沿面闪络电压的降低和沿面寿命的缩短;高频下聚酰亚胺的沿面放电形态为直线型,在放电的不同阶段,放电幅值、次数、相位谱图及其统计量均呈现出特定的变化规律,可作为沿面放电发展程度的评估指标;绝缘表面电荷分布和陷阱参数对沿面放电特性有重要影响,是进一步揭示沿面闪络机理的关键。     

聚四氟乙烯直流沿面闪络及表面特性的实验研究

为提高绝缘材料的耐沿面闪络能力,对聚四氟乙烯在指形电极下的沿面绝缘特性及沿面闪络前后材料表面的物化特性进行研究。测量了不同放电距离下的沿面闪络电压,并采用原子力显微镜和X射线光电子能谱仪分析闪络前后聚四氟乙烯表面形貌、表面粗糙度、表面化学成分的变化。结果表明:随着电极间距的增大,沿面闪络电压升高,闪络场强降低;随着闪络时间的增长,材料表面的凸起变大、变平,表面粗糙度增大,表面发生显著的物理变化;在沿面闪络过程中,材料表面化学基团发生变化,表面水接触角下降。     

高温对配电线路带电作业用绝缘毯沿面闪络特性的影响

带电作业是提高配电网可靠性和提升服务质量的重要技术手段,绝缘毯是带电作业中保护作业人员安全的主要遮蔽用具之一.为研究高温对绝缘毯绝缘性能的影响,选择橡胶和树脂绝缘毯为研究对象,开展了不同温度和闪络间距下的沿面闪络特性试验.试验结果表明:随着温度的升高,橡胶和树脂绝缘毯的泄漏电流峰值均有所增大,且在40～80℃时增长幅度更大;当闪络间距为3～5cm、温度为20和80℃时,树脂绝缘毯的绝缘性能更优,其闪络场强分别为7.02、6.33kV/cm;橡胶和树脂绝缘毯的沿面闪络电压均随温度的升高呈线性规律下降,但由于树脂绝缘毯在60～80℃时发生了明显热变形,导致其在高温下的绝缘性能明显下降.因此,在实际带电作业中,应优选树脂绝缘毯,但需关注其高温下的热熔情况,防止其绝缘性能下降较大,危及作业人员安全.     

不同电场下环氧树脂直流沿面闪络特性及其闪络电压分析

研究绝缘材料在不同条件下的沿面闪络特性对掌握绝缘子的电气强度及保证电气设备安全稳定运行具有重要意义。为此,研制了具有不同电场分布形式的沿面放电电极,通过实验研究了环氧树脂在真空及空气环境中的直流沿面闪络特性,并采用韦伯分布分析了闪络电压的变化规律。结果表明,环氧树脂在极不均匀电场下的闪络电压比稍不均匀电场下低,真空中闪络通道和闪络电压的分散性比空气中大,真空闪络受固体绝缘介质的影响大于空气闪络。不对称电场下沿面闪络电压具有明显极性效应,并且真空与空气中的极性效应相反。此外,环氧树脂直流闪络电压服从韦伯分布,可借助该方法定量评估绝缘系统对外加电压变化的敏感性。位置参数的引入有效提升了闪络电压数据的拟合效果,通过特征闪络电压、0.1%闪络概率的闪络电压进一步完善了对绝缘材料沿面电气性能的评价方法。     

老化对交直流复合电场下油纸绝缘沿面放电过程特性的影响

长期运行换流变压器中存在由沿面放电导致的绝缘故障的现象,而针对换流变压器中交直流复合电场下老化油纸绝缘的沿面放电发展过程特性研究又相对缺乏不足。因此,采用在130℃下加速热老化方法制备不同老化程度的油纸绝缘试样,并使用CIGRE method II推荐的典型球板电极模型对不同老化程度油纸绝缘试样在不同比例交直流复合电场下的沿面放电起始电压、闪络电压以及沿面放电发展速度等特性进行了对比分析研究,同时对老化前后油纸绝缘沿面放电发展过程中放电特征参数的变化规律展开了研究。研究结果表明,随着交直流复合电压中直流电压分量的不断增大,老化油纸绝缘沿面放电起始电压和闪络电压均呈现逐渐上升的趋势,其中纯交流电压下的沿面放电起始电压和闪络电压均最低;相同电压作用下的沿面放电起始电压随着油纸绝缘老化程度的不断加剧呈现先上升后下降的趋势;随着油纸绝缘老化程度的不断增加以及交直流复合电压中直流电压分量的不断增加,油纸绝缘沿面的爬电距离不断延长、耐受时间逐渐缩短,沿面放电发展速度逐渐加快。与未老化油纸绝缘沿面放电过程放电特征参数变化规律相比,老化后沿面放电发展特征参数幅值较大,各阶段变化起伏较少,变化趋势直接明显;同时发现交直流复合电压中的直流电压分量对老化油纸绝缘沿面放电发展具有加速的作用,而且直流电压分量越高,加速作用越明显。     

铜微粒对环氧树脂直流沿面闪络特性的影响

高压直流断路器的触头在频繁分合闸过程中会由于电弧烧蚀和机械磨损等原因而产生铜微粒,铜微粒会沉积在断路器断口环氧树脂表面,并显著降低其沿面绝缘性能。针对上述问题,搭建了试验平台,研究了直流电场下铜微粒粒径和位置对环氧树脂沿面闪络电压的影响规律;基于COMSOL Multiphysics建立了环氧树脂非平衡态等离子体沿面闪络模型,分析了铜微粒粒径和位置对沿面闪络电压的影响机制。研究结果表明:附着铜微粒会显著降低环氧树脂沿面闪络电压,铜微粒紧贴高压电极表面时,沿面闪络电压随铜微粒粒径的增加而下降;铜微粒位置亦会对环氧树脂沿面闪络电压产生影响,铜微粒与电极间距越小,沿面闪络电压下降就越明显;铜微粒粒径和位置的变化改变了初始放电发生过程和正负流注头部最大电场强度,进而改变了环氧树脂沿面闪络电压。上述研究结果可为解决高压直流断路器中铜微粒引起的沿面闪络问题提供参考。     

振荡冲击及交流电压下绝缘子表面金属微粒放电特性研究

近年来由于绝缘子沿面放电引起的绝缘故障较为多见,冲击耐压及冲击下局部放电检测是绝缘考核和诊断的有效手段。文中采用IEC 60060-3推荐的振荡型雷电及操作冲击和工频交流电压,针对110 k V气体绝缘组合开关设备(GIS)真型绝缘子金属微粒缺陷模型进行了局部放电特性研究。在工频交流(AC)电压下,局部放电起始电压和闪络电压的差值小于2种振荡型冲击电压,其随气压增大而增加;在冲击电压下,局部放电大多发生在振荡周期的上升沿处,在电压波谷处会出现相反极性的局部放电脉冲;金属颗粒位置对放电量、放电重复率等影响较大。结论表明,相比于工频交流电压,GIS绝缘子表面金属颗粒缺陷在外施电压为振荡型冲击电压时易产生局部放电,说明了振荡型冲击电压局部放电检测具有较高缺陷检出能力。     

水分对交直流复合电压下油纸绝缘沿面放电特性影响研究

换流变压器阀侧绕组绝缘同时承受交流和直流电压作用,水分是导致围屏爬电的重要原因之一,开展水分含量对油纸绝缘沿面放电特性影响的研究具有重大意义。文中利用基于脉冲电流法的局部放电测量系统,在含不同直流分量的交直流复合电压下,使用典型球—板电极对不同水分含量油纸绝缘试品的沿面放电特征参量和统计谱图变化规律开展了实验研究,并与纯交流电压下的结果进行了对比。研究结果表明:随着纸板中水分含量的不断升高,起始放电电压和闪络电压均呈现下降趋势,放电耐受时间不断缩短;在同一水分含量下,随着复合电压中直流分量的不断增大,起始放电和闪络电压则明显升高,其中纯交流电压下的起始和闪络电压均为最低。利用典型沿面放电统计谱图可以将油纸绝缘沿面放电发展过程划分为4个阶段,分别为起始、发展、严重和临近闪络阶段;高水分含量下各阶段沿面放电量Q大幅增加,相邻两次放电的时间间隔Δt明显减少。     

液氮中绝缘体表面形状对沿面闪络电压的影响

液氮环境下绝缘材料沿面闪络特性的研究是低温高压绝缘技术的重要内容,为得出有效增大爬电距离的方法,研究了液氮环境下绝缘材料的不同表面形状对沿面闪络电压的影响。通过实验测量了爬电距离均为10 mm的不同直径的圆柱形试品、不同斜面倾角的圆台形试品和折线形侧面试品在液氮中的沿面冲击闪络电压,并对试品的电场进行了仿真。实验结果表明:液氮环境中,圆柱型绝缘体直径增加,沿面闪络电压略有下降;不同形状的绝缘体沿面闪络电压有较大差异,其原因是表面形状改变了电场分布,三结合点处场强愈小,绝缘表面电位梯度愈均匀,沿面闪络电压愈高。     

湿度对绝缘表面工频闪络电压的影响

发现洁净绝缘表面电导随空气湿度变化时沿绝缘表面的工频电场分布有显著变化，并通过研究首次提出证实了沿面电场分布的这种变化对工频预放电以及工闪络电压的影响，文中以大量的实验数据全面揭示了湿度对绝缘表面空气工频闪络电压影响的新机理，同时说明了“温度附加影响”的物理原因。     

环氧基碳纳米管纳米电介质的直流真空沿面闪络特性

气-固界面的沿面闪络电压低于同等条件下同种气体的击穿电压,从而制约着特高压电力设备的发展。对固体绝缘材料进行改性可以提高气-固绝缘系统的沿面闪络性能。为此,制备了8种不同的多壁碳纳米管(MWCNTS)掺杂环氧树脂,即掺杂质量分数分别为0%、0.02%、0.05%、0.1%、0.125%、0.15%、0.2%和0.5%的8种试样,并对试样进行了显微形貌、玻璃化转变温度、介电常数、表面粗糙度、电阻率、表面电位衰减特性(SPD)、直流真空沿面闪络特性的测试。试验结果表明:随着掺杂质量分数的提高,环氧复合材料的沿面闪络电压先上升后下降,并且在掺杂质量分数为0.1%时达到极大值,环氧复合材料的闪络电压比纯环氧树脂的提升了23.1%。通过分析发现,掺杂质量分数较低时,沿面闪络电压的上升与陷阱深度的增加及介电常数的下降有关;而掺杂质量分数较高时,沿面闪络的下降与浅陷阱密度的增加及介电常数上升有关。通过分析得到,介电常数会引起电场畸变,陷阱的深度和密度会影响载流子迁移过程,二者均对沿面闪络电压产生影响。     

交直流复合电压下油纸绝缘沿面局部放电特性研究

换流变压器结构复杂,在其中的某些油、纸板和电极的三结合点处极易发生沿面局部放电,运行过程中沿面局部放电导致的沿面闪络是导致换流变压器事故的主要原因。换流变压器阀侧绕组承受的是交直流等多种电压的复合电压,研究复合电压作用下沿面放电的放电特性,对于换流变压器的绝缘试验、击穿机理研究均具有重要意义。文中构建了油纸绝缘典型的沿面放电模型,研究了交直流复合电压下油纸绝缘沿面局部放电特性,通过调节不同的直流电压分量幅值,研究了复合电压中直流电压分量对局部放电特性的影响规律。     

湿润污秽绝缘表面电场及针板电极下的沿面放电

为研究湿润污秽条件下绝缘表面电场分布和沿面放电特性,基于ANSYS软件建立了绝缘表面存在水膜和水滴的简化模型,用准静态谐分析法计算了湿润污秽对绝缘表面电场和沿面电位的影响。对针板电极下瓷和室温硫化硅橡胶的沿面放电进行了研究,对其影响因素展开分析。结果表明:以湿润污秽为中心的小区域电场发生畸变;瓷绝缘表面的污秽水膜影响绝缘子电压和电场分布,其电导率对绝缘子局部区域的电压分布具有影响。分离污秽水珠的个数、体积和电导率对室温硫化硅橡胶表面电场造成不同程度的影响,绝缘表面闪络过程存在阶段性。不同电场下的污秽水珠运动存在差异,不同绝缘表面沿面放电存在明显区别;电场极不均匀是导致针板电极下沿面放电存在极性效应的主要因素,湿润污秽的分布、体积和数量对极性效应均存在影响。