直流电压下SF_6气体中电极覆膜后金属微粒启举场强的计算分析

电极覆膜是直流GIL中提高金属微粒启举场强的一种重要措施,研究覆膜后启举场强的计算能够为实际GIL覆膜选择提供理论支撑。Parekh启举场强计算模型未考虑薄膜相对介电常数、微粒与薄膜间发生局部放电时电子崩头部空间电荷的影响,且微粒受到的电场力计算公式与实际不符,对此进行了改进。基于改进模型获得了不同SF_6气体压力、薄膜材质及厚度组合下的计算结果,并开展实验验证了改进模型的准确性。考虑薄膜相对介电常数后微粒与薄膜间发生局部放电的场强降低,考虑空间电荷后微粒带电量会明显增加,从而提高了启举场强计算的精确度;此外,新的电场力计算公式更能揭示覆膜影响微粒受力的物理本质。分析表明:微粒带电量减少和受到向下的电场力是电极覆膜提高启举场强的两个原因。     

GIL中电极覆膜对金属微粒表面电场及受力的影响

研究气体绝缘金属封闭线路(gas insulation line,GIL)中电极覆膜后金属微粒的表面电场及受力对探究覆膜提高微粒起跳场强的原因具有重要意义。分别建立了裸电极和覆膜下微粒周围电场分布的计算模型,电场计算分析结果表明:裸电极下电场最大值在微粒顶端,受到向上的电场力;覆膜下电场最大值在微粒与薄膜之间,受到的电场力方向与其带电量有关,存在向下和向上两种情况。微粒与薄膜间的局部放电可能使覆膜下的微粒带电,当电场达到裸电极下微粒的起跳场强时,微粒仍然可能不带电但受到向下的电场力。因此,电荷量减小和电场力向下是覆膜提高微粒起跳场强的原因。     

直流应力下电极表面覆膜对金属微粒启举的影响机理研究

针对直流GIL中的自由金属微粒污染物问题,研究表面覆膜措施对金属微粒启举的限制机理。利用气体电离及界面电荷积聚理论提出了直流应力下电极覆膜时金属微粒带电及启举模型,并根据微粒带电量的时变特征提出了充电时间的概念。为验证模型的正确性,构建了多功能模块的金属微粒带电.运动观测实验平台,对不同大小、材质的球形金属微粒以及不同厚度的PET薄膜开展实验,实验结果验证了模型的正确性:直流应力下,覆膜措施产生的界面极化过程只是增加了微粒的充电时间,而对微粒最终带电量并无影响,但覆膜产生的静电吸附力可显著提高微粒的启举电压;外施电压、覆膜介电常数及体电导率对微粒充电时间均有显著影响;而由于充电时间的存在使得电极覆膜措施下出现微粒"间歇启举"现象。     

等离子体复合薄膜沉积抑制金属微粒启举

气体绝缘金属封闭线路(GIL)和气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)中的金属微粒污染是影响设备绝缘性能的主要因素之一,而电极表面覆膜能够在一定程度上提高直流应力下金属微粒的启举电压。本文探索一种使用等离子体射流对金属电极表面处理以抑制金属微粒启举的方法。利用高频交流电源激励产生大气压等离子体射流在Cu表面沉积SiO_2-TiO_2复合薄膜,获得由厚度约2μm的TiO_2薄膜和3.5μm的SiO_2薄膜组成的致密复合薄膜,并且在测试频率为1kHz时TiO_2和SiO_2薄膜的相对介电常数分别为24和4左右。此外搭建金属微粒运动观测平台对比电极表面沉积薄膜前后对金属微粒启举的影响,并通过建模仿真计算沉积复合薄膜前后高压电极与金属微粒间的电场畸变程度。结果表明:电极表面沉积薄膜后金属微粒的启举电压提高约18%,在相同条件下表面沉积薄膜后金属微粒启举具有明显的延迟效应,并且沉积薄膜后金属微粒和电极间的最大电场强度由1.98×108V/m下降至1.82×108V/m。因此,通过等离子体增强化学气相沉积法在电极表面沉积薄膜能够提高金属微粒启举电压、降低其运动活性,为工程应用提供了新的解决方式。     

直流GIL电极覆膜对微粒抑制的极性效应

自由金属微粒的存在是制约直流气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)稳定运行的重要因素之一,电极覆膜可以有效降低微粒活性、提高系统绝缘程度。论文主要研究了不同极性直流应力下电极覆膜对金属微粒带电量及运动活性的影响,搭建了金属微粒电荷测量及运动观测平台,并提出了金属微粒的"活跃指数"M,分析了不同覆膜情况下微粒的活跃程度。实验结果表明:电极覆膜时微粒带电存在时滞特性,且负极性下的时滞时间比正极性下高16%;下极板覆膜后,微粒静止时通过传导和微放电带电,而微粒运动过程中与介质膜碰撞时通过微放电带电;电极覆膜后微粒的启举电压可以提高10%左右,且微粒运动的"活跃指数"M将降低69%~94%。据此得出,正电压下应采取地电极覆膜措施,而负电压下应采取双电极覆膜措施。     

直流GIL中线形金属微粒电动力学行为研究

直流GIL中线形金属微粒受力运动极易引发气体间隙击穿或者绝缘子沿面闪络,降低GIL的绝缘性能,严重影响直流输电系统的安全可靠运行.为研究直流GIL中线形金属导电微粒电动力学行为机理,搭建自由微粒实验装置和观测平台,并建立直流下微粒电动力学模型.通过实验与仿真相结合的方法,获得线形金属微粒荷电特性、启举与运动特性以及微粒运动导致的气隙击穿特性,并从微观角度解释了微粒启举与运动现象形成的原因.研究结果表明,线形启举电压只与半径有关,与长度和电压极性无关,随着半径增大,启举电压升高,直流电压极性不影响金属微粒启举电压幅值;线形微粒的运动及导致的气隙击穿与微粒半径、长度和电压极性有关,线形金属微粒半径小、长度增加时容易导致气隙击穿;线形金属微粒形状的不规则使得电场畸变作用加强,极性效应更明显.电晕极性效应导致正负极性下线形微粒的启举与运动及运动致气隙击穿特性呈现出明显的规律,当达到启举电压时,正极性下,线形金属微粒一端抬起后,在下极板小幅跳跃、旋转或者直立,难以贯穿气隙;负极性下,线形金属微粒贯穿气隙运动,极易出现飞萤现象,为直流GIL中线形金属微粒污染防治提供了理论指导.     

直流气体绝缘线路中自由金属微粒的局部放电特性与影响因素

直流气体绝缘线路(GIL)中的自由金属微粒会使电场发生畸变,使绝缘气体/绝缘子发生局部放电等劣化效应。为此,研究了微粒局部放电的影响因素以及严重程度,在密封同轴圆柱腔体内充入不同气压的SF6气体,以不同长度的线形微粒进行了试验,利用脉冲电流法及高速相机同时观察了其局部放电信号与微粒运动行为,对局部放电信号的平均局部放电量、平均局部放电时间间隔进行了分析。结果表明:对于自由线形金属微粒,微粒的平均局部放电量与长度、最大可能带电量成正相关,可根据微粒的局部放电信号判断其危险程度及微粒长度;在负电压下,微粒跳起运动至高压电极附近,发生"飞萤"现象;在正电压下,微粒在外壳地电极跳起后落至地电极,并不断弹跳;且微粒在负电压下的平均局部放电量是在正电压下的2~5倍,平均局部放电时间间隔较小;随着气压增大,气体的平均局部放电量随之减小,但有趋于饱和的趋势。因此,自由金属微粒的局部放电特性可以为金属微粒的严重程度判别与故障诊断提供依据。     

直流电压下GIS内金属微粒的局部放电特性研究

为了研究直流电压下气体绝缘金覆封闭开关设备GIS内金属微粒缺陷的局部放电特性,用直流发生器和一套局部放电检测系统搭建试验平台。试验数据分析表明：金属微粒在正极性电压下更容易起跳;依据电荷量示意图,跳动微粒的波形振荡剧烈,局部放电量大。     

直流气体绝缘输电线路的绝缘设计

气体绝缘输电线路(gas insulated transmission line,GIL)与架空线路相似但占地空间小、损耗低,在高压直流输电和特高压直流输电领域具有较大的应用空间。通过分析表面电荷和金属导电微粒对绝缘子沿面放电的影响,指出了绝缘子表面电荷积聚和自由金属导电微粒附着是降低直流GIL绝缘性能的重要原因。采用了使电场分布合理的方法,即半圆锥形盆式绝缘子的优化和表面电阻率阶梯分布的覆膜。设计了包括电极覆膜、微粒陷阱、驱赶电极和屏蔽环的直流GIL的绝缘结构。     

模拟SF_6环网柜气室局部放电分解特性研究

为了检测SF_6气体绝缘环网柜气室内部的局部放电故障,文中采用组分分析法研究SF_6局放放电的分解产物。通过针—板电极模拟SF_6气体绝缘环网柜气室金属突出物缺陷,实验研究了不同放电量的局部放电SF_6分解产物以及分解特性。通过施加4种电压等级来产生不同的放电强度,采集样气并用色谱质谱(GC/MS)检测分解组分。结果表明:在模拟气室中局部放电会使SF_6气体绝缘介质分解生成CO_2、SO_2F_2、SOF_2和SO_2等4种稳定组分。在相同放电强度下,这4种分解组分的体积分数随着时间不断增加,并呈现饱和的趋势;在相同放电时间内,4种分解组分体积分数随放电量增大而增加,并呈现不同的规律。根据以上研究建立了分解组分产气均方根速率与放电量之间的对应关系,即可根据SF_6气体分解特征组分的产气速率推断出气室中放电量的范围,为组分分析法应用于SF_6气体绝缘环网柜提供了依据。     

Charging and behavior of a spherically conducting particle on a dielectrically coated electrode in the presence of electrical gradient force in atmospheric air

This paper discusses the charging and behavior of a spherically conducting particle on a dielectrically coated electrode in non-uniform dc and ac electric fields between non-parallel plane electrodes in atmospheric air. The charging mechanism of a particle resting on a dielectrically coated electrode is investigated by observing light emissions from partial discharges and by utilizing the dust figure technique. The charge acquired by a particle is estimated from the results of particle motion onset voltage measurement and direct measurement with a Faraday cage. The basic particle movement as well as particle-triggered breakdown characteristics under non-uniform electric field distribution along the electrode surface is also investigated. The results suggest that the effect of the electrical gradient force/dielectro-phoretic force on particle motion on a dielectrically coated electrode should be adequately considered in the design of gas insulated systems (GIS). This is because a particle can move laterally on the coated electrode toward increasing electric field regions by the action of the electrical gradient force which is independent of the charge on the particle. Also the possibility of the particle charging and lifting at high field regions or reaching and adhering onto an insulating spacer further increases the risk of breakdown.     

交流电压下C4F7N/CO2混合气体中线性金属微粒放电特性研究

为了研究环保型气体C4F7N的绝缘性能,本文开展了绝缘子表面线性金属微粒在C4F7N/CO2混合气体下的放电特性实验并结合仿真和理论对实验结果进行了分析。研究结果表明,在0.1MPa气压条件下,C4F7N/CO2混合气体中,绝缘子表面附有金属微粒时,闪络电压会随金属微粒和接地电极之间距离的增加而先增大后减小。分析上述原因,线性金属微粒端部电晕放电产生的空间电荷削弱了空间电场的畸变程度;同时,C4F7N/CO2混合气体分解产生的CF3CN分子是一种高电气强度的物质,也会促使闪络电压升高。绝缘子倾角的变化对C4F7N/CO2混合气体闪络电压的影响要大于对SF6气体闪络电压的影响。绝缘子倾角为90度条件下,C4F7N/CO2混合气体下的闪络为SF6气体下闪络电压的0.96倍,两种气体绝缘性能相当。但C4F7N/CO2混合气体对不均匀电场的敏感性要高于SF6气体,电场不均匀系数由1变化到1.84时,C4F7N/CO2混合气体条件下闪络电压降低约26%。     

含悬浮电极的550kV六氟化硫终端电场的有限元分析

推导了含悬浮电极时的轴对称结构的有限元方程,并利用该方法计算了550kV六氟化硫终端中有无悬浮电位屏蔽罩时的电场分布。计算表明,终端中采用悬浮电位的屏蔽罩后能有效地降低终端外表面的最大场强,避免了此处空气中局部放电的发生,提高了终端运行的可靠性。     

Numerical computation of conducting particle trajectories in plate-type electrostatic separators

Development of new applications of plate-type electrostatic separators need increased controllability of particle trajectories. The aim of this paper is to model the particle behavior after lift-off from the plate electrode. A superficial charge simulation program was employed for the computation of the electric field in the active zone of the separator. This enabled the evaluation of the charge acquired by a conducting particle in contact with the plate electrode and the electric force exerted on it before and after detachment. Based on a previously derived mathematical model, the particle trajectories were calculated for various electrode configurations. The data of such numerical simulations can guide the experimental studies needed for the assessment of new industry applications of electrostatic sorting or classifying techniques.     

工频电压下片状自由金属微粒带电特性与运动规律研究

GIS/GIL因安装、运输等环节会不可避免地产生多样性的金属微粒,而片状金属微粒因其"潜伏性"较难检出,从而威胁GIS/GIL的绝缘性能。采用数值计算结合实验方式开展了工频电压下片状金属微粒起跳与运动规律研究。片状金属微粒采用旋转椭球体模型进行等效,并通过理论推导获得片状金属微粒的带电量与临界起跳场强。搭建工频电压下片状金属微粒运动观测平台。采用高速相机观测其起跳和运动行为,并与数值计算结果进行对比分析。结果表明:片状金属微粒起跳场强与厚度的1/2次方近似呈正比关系,而随微粒半径增大呈现出微弱的上升趋势。密度较大的片状金属钢微粒竖起后,存在原地旋转与沿地电极表面来回滚动两种运动模式,并在微粒底部与电极间隙伴有微弱的局部放电;密度较小的片状金属铝微粒竖立后,在电极间隙内发生剧烈地上下跳动。     

基于分形理论的SF_6/N_2混合气体放电仿真

为了研究SF_6/N_2混合气体电介质击穿现象,利用编写的Matlab程序对放电通道发展过程进行数值模拟,并结合分形几何原理计算放电树枝的分形维数。基于分形理论,建立了考虑空间电荷分布和引入物理时间的棒-板分形放电仿真模型,通过有限元方法(FEM)计算空间电场,并首次结合通量校正传输(FCT)法求解带电粒子连续性方程,研究了不同发展概率指数、不同放电阈值和SF_6含量变化下分形放电特性。结果表明:概率指数越大,SF_6含量越高,则分形维数越小,放电树枝分叉也越少;体积含量50%/50%的SF_6/N_2混合气体放电分形维数D=1.219 2,整个放电过程流注发展平均速度为1.15Mm/s,并得到了不同时刻空间电荷及轴向电场与电子浓度的分布。     

基于PIC法SF_6/N_2混合气体中绝缘子沿面放电特性研究

利用等离子体运动学方程,通过粒子网格法(PIC)对SF6/N2混合气体中绝缘子沿面放电过程进行仿真,研究其局部放电机理。通过二维泊松方程,应用有限元(FEM)方法求解电场,采用蛙跳格式(leap-frog)跟踪粒子的运动。采用蒙特卡罗碰撞模型模拟粒子的碰撞过程,实现二维环境下SF6/N2混合气体放电过程动态仿真。模拟过程中考虑了电子与SF6、N2中性粒子的电离、吸附、复合以及光电离等过程。通过模拟展现了带电粒子受力积聚到绝缘子表面发展过程,对研究绝缘子表面电荷的积聚机理及其对SF6/N2混合气体中绝缘子沿面放电发展的影响具有重要意义。     

Particle-triggered pre-breakdown phenomena in atmospheric air gap under AC voltage

Corona discharge mechanism and breakdown voltage characteristics of air gaps in the presence of metallic particles were investigated including the relationship between the corona discharge mechanism and the phase resolved partial discharge patterns. These results are of interest for detection of foreign particles in gas insulated systems (GIS). The results with different shaped particles show that the corona mechanism depends on the particle shape and applied voltage. Moreover the corona discharges on both sides of the particle interfere with each other by inflow of charge carriers into the particle. The breakdown voltage is a minimum when the particle is in the vicinity of the electrode due to active interference of coronas. The phase-charge characteristics as the phase resolved partial discharge patterns vary with the particle shape. This suggests that the corona discharge mechanisms for all types of particles should be considered in the particle-detection method for GIS based on the phase resolved partial discharge patterns.     

1.2 MV全封闭Marx发生器的绝缘结构设计

为保证封闭在体积有限容器内的1 2 MV Marx发生器可靠运行,用ANSOFT有限元计算软件计算了容器内3维电场分布,结果表明最大场强出现在末级电容器金属外壳的尖角处,其值超过绝缘介质(SF6 气体或变压器油)的耐受场强。电容器外壳安装金属屏蔽罩后,最大场强大大下降并小于绝缘介质的击穿电场。