SF6短间隙中高频电弧的阻抗特性

气体绝缘开关设备(GIS)中隔离开关操作时,触头间隙会出现高频放电,产生威胁电力设备安全的特快速暂态过电压(VFTO),高频电弧的阻抗特性对VFTO的上升沿和幅值等具有重要影响。为此,提出了利用SF6间隙研究GIS隔离开关高频电弧阻抗特性,分SF6短间隙和长间隙2个阶段开展工作的技术方案,并介绍了SF6短间隙阶段的研究工作。建立SF6短间隙和紧凑型RLC放电回路产生高频电弧。采用高压探头、Rogowski线圈、B-dot传感器分别测量电弧电压、电流及电流变化率,利用高速分幅相机观测电弧形态。提出了电弧电感和电阻的分析方法,研究了气压、弧长及电流对电弧电感和电阻的影响,建立了基于能量平衡关系的电弧电阻模型。研究结果表明:高频放电起始后,电弧电感从约13μH/m迅速减小并趋于稳定值约9μH/m;电弧电阻在约60ns内快速跌落至约1Ω,随后缓慢下降并趋于稳定值约0.1Ω;气压增大时电弧电感和电阻增大,电流增大时电弧电感和电阻减小;提出的模型能够计算全过程电弧电阻,计算结果与试验分析结果基本符合。     

Analysis on discharge process of a plasma-jet trigered gas spark switch

The plasma-jet triggered gas switch (PJTGS) could operate at a low working coefficient with a low jitter. We observed and analyzed the discharge process of the PJTGS at the lowest working coefficient of 47% with the trigger voltage of 40 kV and the pulse energy of 2 J to evaluate the effect of the plasma jet. The temporal and spatial evolution and the optical emission spectrum of the plasma jet were captured. And the spraying delay time and outlet velocity under different gas pressures were investigated. In addition, the particle in cell with Monte Carlo collision was employed to obtain the particle distribution of the plasma jet varying with time. The results show that, the plasma jet generated by spark discharge is sprayed into a spark gap within tens of nanoseconds, and its outlet velocity could reach 104ms−1. The plasma jet plays a non-penetrating inducing role in the triggered discharge process of the PJTGS. On the one hand, the plasma jet provides the initial electrons needed by the discharge; on the other hand, a large number of electrons focusing on the head of the plasma jet distort the electric field between the head of the plasma jet and the opposite electrode. Therefore, a fast discharge originated from the plasma jet is induced and quickly bridges two electrodes.     

增强型等离子体喷射装置及其触发极限

江苏–白鹤滩±800 kV特高压混合直流输电工程中,采用可控避雷器实现柔性直流母线的过电压保护,但是当可控避雷器不能满足泄能需求时,亟需超快速动作旁路保护开关在1 ms内将柔性直流母线快速接地,实现对系统的保护。兆伏级SF6气体触发间隙具有高耐压、大通流、经济性好的优点极具工程应用的潜力,但实现其在极低工作系数下的触发导通极为困难。文中首次设计了一种增强型等离子体喷射装置,通过聚四氟乙烯毛细管内金属丝电爆炸的方式产生稠密的热金属等离子体并喷射至间隙中,实现了高气压SF6中等离子体喷射高度的显著提升。并研究了铝丝直径、触发电压和环境介质气压对等离子体喷射特性的影响规律,研究结果表明：铝丝直径越大、触发电压越高、环境介质气压越低,装置的喷射能力越强。当触发电压为–4 kV、铝丝直径为800μm时,等离子体在0.5 MPa SF6中最大喷射高度超过8 cm。最后,通过实验研究了增强型等离子体喷射装置的触发极限,在上电极电压–80 kV(工作系数低至4.22%)时,仍能够可靠触发间隙距离9 cm长的兆伏级SF6气体开关导通,平均导通时延(542±43)μs,满足工程需求。     

尖板间隙中SF6冲击预放电的光电研究

用光电倍增管研究了尖板间隙中ＳＦ６在正雷电冲击下的预放电特性，得出流注向先导转变的时间与实验参数（电压、气压）的关系。     

冲击电压下SF_6间隙临界半径现象形成机理

为探究冲击电压下SF_6气体放电特性和机理,研制了陡前沿冲击试验装置。固定电极间距,研究了电极曲率半径对SF_6间隙击穿特性的影响。结果表明:冲击电压下,SF_6间隙放电呈现出长空气间隙中所谓的"临界半径"效应,即随电极曲率半径减小,间隙50%击穿电压减小,曲率半径小于"临界半径"Rcr时,击穿电压基本不变;Rcr不仅随气压减小而增加,也随波头时间减小而增加;气压一定,负极性VFTO和雷电冲击下的临界半径值分别较正极性VFTO和雷电冲击下的大;正、负极性VFTO下临界半径分别较正、负极性雷电冲击下的大;负极性电压下,临界半径在物理上更接近于丝状流注区域,正极性电压下,临界半径更接近于均匀流注区域。"临界半径"现象与SF_6气体中流注–先驱–先导放电发展过程相关,因此提出了先导击穿的临界电荷判据来对临界半径现象进行了解释。     

直流电压下SF_6中自由线形导电微粒运动特性

在大量工程和实验中发现,相对于自由球形导电微粒而言,自由线形导电微粒对于设备绝缘性能威胁更大,且直流下微粒更容易进行起跳。为此利用搭建的自由微粒实验装置和观测平台,研究了直流电压下自由线形导电微粒在SF_6气体中的运动特性。结果表明:微粒起跳场强随气压无明显变化;随着微粒长度的增加,微粒起跳场强有略微增大的趋势;随着微粒直径的增大,微粒起跳场强呈现指数增长趋势;当微粒长度较短时,随着微粒直径的增加,微粒起跳场强实验值与计算值较为接近;当微粒长度3 mm时,随着微粒直径的减小,微粒起跳场强实验值与计算值相差较为明显。此外,还研究了线形微粒在SF_6气体中特有的两种现象:随着微粒长度增加、半径减小或气压降低,微粒产生飞萤现象和竖立现象的概率均增大,且上极板为正极性时更容易产生这两种现象。最后,文中从空间电荷角度对实验现象做出了解释。     

SF_6中环氧绝缘子结构对其闪络特性的影响

绝缘子闪络是气体绝缘金属封闭开关的主要故障形式之一,提高绝缘子绝缘耐受水平可有效降低系统故障率。研究表明,洁净条件下的绝缘子闪络主要取决于绝缘子的沿面电场分布,而绝缘子及其屏蔽电极的形状均能够有效调节其沿面电场分布。文中设计并浇注了环氧支柱绝缘子样件,通过改变绝缘子形状、内屏蔽和外屏蔽电极的结构来调控其沿面电场分布;利用了负极性标准雷电波发生装置,实验研究了0.2 MPa SF_6环境下绝缘子的闪络特性;采用有限元分析方法,计算分析了绝缘子沿面电场的最大值。根据实验结果与仿真计算结果,分析得到绝缘子形状、内屏蔽电极形状、外屏蔽电极形状对绝缘子闪络特性的影响规律:凸面绝缘子的沿面电场具有最佳可调性;内屏蔽电极能够增大绝缘子的闪络电压也可以降低绝缘子的闪络电压;外屏蔽电极能够有效均匀电场但可能会缩短绝缘子沿面的有效爬电距离。     

双极性振荡冲击电压下变压器油放电特性

当外部过电压侵入油浸式变压器绕组内部时,其匝间绝缘会承受双极性振荡冲击电压的威胁。在此通过双极性振荡冲击电压下变压器油放电特性的研究,为绕组纵绝缘的合理设计及液体放电机理的探究提供参考。首先通过可调电路元件,严格控制外施电压波形参数,实验获得了稍不均匀场与极不均匀场中变压器油在单一波形变量下的冲击放电特性,统计得到了放电电压概率分布与击穿点分布特征。然后利用分幅相机拍摄了双极性振荡电压下油中流注形貌,阐述了流注极性转换等主要发展特征。最后实验结果表明:无论电场分布是否均匀,振荡系数的增加、振荡频率的降低或波前时间的缩短均会导致变压器油50%击穿电压下降,且当振荡系数高于0.55时存在低于标准雷电耐受水平的可能;当振荡频率较低时,击穿多发生在第1或第2个正极性波峰内,而随着频率的升高,击穿点逐渐向后序波峰偏移,击穿于负极性波峰内的概率显著增加。结合光电倍增管记录的流注发光信号,从流注发展角度分析了变压器油击穿电压与击穿点变化的原因。