行业纵横---等离子体及应用专业委员会
 

《中国电机工程学报》出版“高压沿面绝缘性能提升关键技术”专题第1期
发表时间:2020/11/24 10:47:13  点击:203

“界面”作为复合绝缘结构的过渡相,在高压输变电装备、强电磁能量发生装置、电能变换与传输设施中普遍存在,其微细观的内禀理化行为决定了复合绝缘结构的宏观外在特性,对高性能绝缘设计至关重要。作为界面绝缘的重要应用载体,交直流GIS/GIL内盆式与支柱绝缘子的沿面放电、脉冲功率装置中的真空沿面闪络等问题受到高电压与放电领域专家学者们的长期关注。由于气固、真空–固体等界面处的材料介电特性不同,导致沿面绝缘强度明显低于绝缘材料本体,是制约高压装备绝缘支撑技术发展的重要因素。近年来,高压沿面绝缘性能的提升研究持续受到了各类国家级科研项目持续资助,不断涌现新原理、新材料、新方法、新技术等助力沿面绝缘性能的提升,特别是在如下几个方面取得了积极进展:1)交直流GIS/GIL、真空等新型功能梯度材料;2)环保气体氛围下气固界面放电特性;3)绝缘结构优化与电场分布智能调控;4)沿面闪络模型与影响机理;5)表面/空间电荷演化及调控机制;6)表面改性提升沿面绝缘性能技术;7)微粒产生机制及其抑制方法。

为展示高压沿面绝缘性能提升的最新进展和未来发展趋势,共享学术和技术成果,《中国电机工程学报》针对这一热点问题迅速组织了“高压沿面绝缘性能提升关键技术”专题,我们非常荣幸地受邀担任该专题的特约主编。此次专题征稿得到了国内研究学者的大力响应,一共收到近30篇来稿,经过同行专家评审,拟录用10余篇,本期刊登4篇,内容涉及到电子束辐照处理环氧纳米复合材料沿面闪络性能,GIS/GIL内微米级金属粉尘诱发放电特性,GIS/GIL盆式绝缘子电场分布特性调控,复合电压下SF6气体中沿面局部放电,气流环境对直流沿面电荷的影响等方面。通过该专题,希望与作者、读者一起,共同研讨高压沿面绝缘性能提升技术的最新进展、理论成果及未来方向,共同推进提升GIS/GIL、真空等沿面绝缘性能提升的新理论、新结构、新材料、新方法、新技术、新工艺等方面的研究。

衷心感谢作者、同行审稿专家、读者等对本专题的大力支持,特别感谢《中国电机工程学报》编辑部韩蕾主任、李婧妍编辑等在专辑策划及组织过程中给予的大力支持。希望本专辑的出版能够为关心和从事相关研究的各方面专家学者提供参考,以促进高电压沿面的放电机理与特性、绝缘提升技术的原始创新与关键技术的发展实践。

 

中国科学院电工研究所 邵 涛

天津大学 杜伯学

华北电力大学 李庆民

202011月于北京

 

 

•高压沿面绝缘性能提升关键技术•

 

“高压沿面绝缘性能提升关键技术”专题特约主编寄语 

邵涛,杜伯学,李庆民(7143

全文链接:

http://e-press.dwjs.com.cn/pcsee/periodical/html/2020-40-22-7143.html

 

电子束辐照处理环氧纳米复合材料沿面闪络性能提升及机理 

申巍,李枕,李盛涛(7144

摘要:为了提升环氧复合材料的沿面闪络性能,并揭示表层陷阱对沿面闪络的影响机制,制备4种环氧/TiO2纳米复合材料,并对其在30 keV电子束下进行了5 min10 min的表面处理,采用三电极法测试了材料的表面电导,采用表面电位衰减系统提取了材料的表层陷阱特性,并在真空环境中测试了环氧纳米复合材料直流沿面闪络电压。研究结果表明,添加适量的纳米粒子或采用电子束辐照处理,可以有效降低材料表面电导,提高材料的表层深陷阱的能级和密度,并提升环氧复合材料的沿面闪络性能。经过电子束辐照处理10 min后,质量分数为2%的环氧/TiO2纳米复合材料的沿面闪络电压比未经辐照的纯环氧树脂沿面闪络电压提高了27.4%。适当地添加纳米粒子,可以改变纳米粒子界面区的能级和势垒分布,而采用电子束辐照处理,可以在环氧分子链锻形成大量的侧基、端基、自由基,二者均会提高环氧复合材料表层深陷阱能级和密度。随着深陷阱能级的提高,二次电子发射变得更加困难,表层电荷输运受到抑制,表面电导下降,沿面闪络电压上升。因此,电子束辐照处理主要是通过调控表层深陷阱特性来提高环氧纳米复合材料的沿面闪络电压。

全文链接:

http://e-press.dwjs.com.cn/pcsee/periodical/html/2020-40-22-7144.html

 

GIS/GIL内微米级金属粉尘动力学行为与诱发放电特性研究进展

梁瑞雪,刘衡,胡琦,王健,李庆民(7153

摘要:GIS/GIL在生产与运行过程中不可避免地会产生微米级的金属粉尘,被认为是造成绝缘子沿面闪络等严重故障的主要原因,但目前相关的研究成果较少。对国内外的相关研究进展进行梳理,总结金属粉尘的动力学行为特征以及诱发放电的现象。首先,粉尘在腔体内的运动模式主要包括积聚式吸附和扩散式吸附,其中电场畸变力是引发粉尘吸附的驱动因素,而绝缘子表面电荷和粉尘粒子之间的斥力将分别进一步影响粉尘的积聚和扩散行为。由于粉尘尺寸微小,其所受微观作用如范德华力等更为突出,多物理场中的粉尘受力模型仍是亟待解决的关键问题之一。其次,粉尘在电场中会引发3类放电行为,即沿面闪络、气隙击穿以及扩散式爆炸,但目前对于粉尘诱发放电的条件以及放电发展过程的认识尚不清晰,也缺乏有效的观测手段和表征方法。值得注意的是,粉尘和绝缘纤维在电场中会发生交互吸附,使气隙击穿强度下降20%~40%。受限于粉尘体积小、放电微弱等因素,针对粉尘介观尺度效应的探测方法和检测技术仍是一大难题。最后,总结当前抑制金属粉尘的相关实验措施,其中纳米涂覆在抑制粉尘积聚式吸附方面具有较好的效果,若要同时抑制粉尘的积聚和扩散作用,还须发展新型粉尘诱导捕获技术。

全文链接:

http://e-press.dwjs.com.cn/pcsee/periodical/html/2020-40-22-7153.html

 

基于几何形状/介电分布综合优化的GIS/GIL盆式绝缘子电场分布特性调控

王超,李文栋,杨雄,江智慧,谌明禹,薛建议,张冠军(7166

摘要:为了给高耐电性能GIS/GIL盆式绝缘子的研制提供理论支持及设计导则,采用数值模拟方法对550kV交流盆式绝缘子模型开展电场分布的多层次综合优化设计。在初步设计阶段,首先通过几何形状的轮廓优化获得盆体凹面和凸面的轮廓外形,在此基础上进一步通过介电分布的拓扑优化,调整绝缘内部的相对介电常数空间分布以实现沿面电场的调控,实现了绝缘结构整体的优化设计。在详细设计阶段,基于几何形状和介电分布拓扑优化的结果,通过参数优化寻找最优的介电常数以及连接件高度等局部关键结构最优尺寸参数。仿真结果表明,提出的多层次综合优化策略能够最大程度地利用设计空间,实现几何形状与介电分布“1+1>2”的优化效果。相较于优化前的原始盆式绝缘子,优化后的盆体凸面和凹面的最大电场降幅可分别达24.2%28.6%,大幅改善了盆式绝缘子的整体电场分布。

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http://e-press.dwjs.com.cn/pcsee/periodical/html/2020-40-22-7166.html

 

气流环境对直流沿面电荷消散特性及其动力学过程的影响

唐昕宇,张血琴,郭裕钧,李沛东,周志鹏,吴广宁(7175

摘要:高速列车车顶绝缘设备,在气流环境中会与粉尘、金属颗粒等微小颗粒发生摩擦、碰撞带电,并在其表面形成表面电荷,引发沿面放电现象,严重时将威胁列车供电稳定性。为研究气流环境对表面电荷消散特性的影响,搭建气流环境表面电荷积聚试验平台,测量不同气流速度下表面电荷的消散规律。对气流环境表面电荷传导机制以及表面电荷脱陷/入陷动力学过程进行讨论,结果表明:气流环境会使得表面电荷消散加速,且气流速度越大,消散越快。气流环境下表面电荷消散主要受到气体侧复合以及介质表面薄层传导消散机制的影响,随着气流速度增大对于气体侧复合传导机制而言,减小的空气密度导致气体分子的平均自由程增大,使得空气中离子的迁移率以及离子浓度增大,从而加剧了表面电荷通过气体侧复合消散的速率;对于介质表面薄层传导而言,气流会摩擦绝缘介质表面造成温升,影响了载流子的入陷/脱陷过程,主要表现为陷阱捕获截面减小,载流子脱陷概率增加,同时随着气流速度增加,陷阱能级中心不断前移,陷阱能级减小,使得载流子更容易脱陷。

全文链接:

http://e-press.dwjs.com.cn/pcsee/periodical/html/2020-40-22-7175.html