基于介质阻挡放电等离子体处理的绝缘材料表面电荷动力学特性与直流闪络抑制
发布时间：2021-12-02 09:26
目前,随着高压直流（High Voltage Direct Current,HVDC）输电技术的发展,电压等级和输送容量进一步提高,HVDC系统中的绝缘问题逐渐成为研究的焦点。由于在高场强作用下,绝缘材料的表面容易积聚表面电荷,沿面闪络发生的几率高于绝缘介质内部的击穿,HVDC系统中的绝缘材料表面绝缘特性成为制约HVDC发展和应用的瓶颈。为此,本文利用大气压介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge,DBD）产生低温等离子体,分别对外绝缘主要材料硅橡胶（Silicone Rubber,SiR）,以及内绝缘主要材料环氧树脂（Epoxy Resin,EP）和氮化铝（Aluminium Nitride,AlN）纳米颗粒掺杂的EP/AlN纳米复合材料进行表面处理,对等离子体处理前后绝缘材料表面的电气绝缘性能和物理化学特性进行了研究,取得的主要成果如下:提出了DBD处理材料时的等效电路模型和电气参数计算方法,明确了DBD处理材料时放电参数变化的机理。建立了DBD放电实验系统,以EP为待处理试样,得到了DBD处理EP试样时的电气参数。结果表明,气体间隙内,EP试样表面放...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：146 页
【学位级别】：博士
【图文】：
苏（州）-（南）通GIL管廊绝缘问题一直是限制输电大规模应用的主要原因之一
浙江大学博士学位论文第1章绪论2的积累，会使得绝缘材料表面的电场强度发生畸变，并逐渐降低绝缘材料的绝缘性能，最终导致沿面闪络的发生，造成绝缘失效，严重危害了电力系统的安全稳定运行。在沿面闪络发生和发展的过程中，绝缘材料表面电荷既是产生电场畸变，诱发沿面闪络的主要原因，又因为大量表面电荷为沿面闪络的发展提供了种子电子，从而进一步降低了沿面闪络的阈值电压[15]。此外，沿面闪络发生之后，绝缘材料的表面结构也会受到严重破坏，绝缘性能会严重下降，甚至完全丧失，给电力部门造成了巨大的经济损失[16,17]。图1.2所示为GIL/GIS盆式绝缘子结构示意图。图1.2GIL/GIS盆式绝缘子结构示意图[18]此外，对于绝缘材料，特别是常用于户外绝缘子的硅橡胶（SiliconeRubber,SiR）材料等，由于制造缺陷，或者水滴、污染物、金属颗粒等的附着，以及工作环境中的紫外辐射等，都会对绝缘材料的表面绝缘性能造成破坏[19-21]。在高电压作用下，这些表面缺陷也会产生大量电荷，造成局部放电，加速了绝缘材料表面的老化，也增加了沿面闪络发生的几率[22-24]。同时电晕放电产生的等离子体，也会使绝缘材料处在高能粒子的氛围中，表面的憎水性等物理化学特性也会相应发生改变[25,26]。基于以上分析，由于各种原因产生的表面电荷，在绝缘材料表面积聚时，既增加了绝缘材料沿面闪络发生的概率，也加速了绝缘材料的老化。表面电荷积聚这一问题严重制约了HVDC输电技术的发展和应用，由表面电荷积聚等原因引起的沿面闪络事故也造成了巨大的经济损失，不利于电力系统的长久安全稳定运行。因此，急需研究加快绝缘材料表面电荷消逝速率、提高闪络电压的机制和方法。目前，相关研究成果已经证明，等离子体处理技术对于加速表面电荷消逝具
浙江大学博士学位论文第1章绪论4正教授课题组通过改变DBD阻挡介质的形状以及气体间隙的距离，在大气压条件下利用氮气通入实现了类辉光放电，氮气的流动速率则会明显改变放电模式[45]。M.Hur等人利用背对背的L形电极，以及两个极性相反的单极性脉冲电压，在氦气和氩气氛围下实现了大气压均匀DBD，该文章同时分析了气体击穿时的种子电子对形成均匀放电的影响机制[46]。目前实现的大气压下均匀DBD的最大间隙距离为7mm，由华中科技大学鲜于斌副教授课题组成功实现，放电效果如图1.3所示[47]。均匀放电的间隙距离和放电面积的增加，会极大地促进DBD在材料处理领域的应用。此外，除了对DBD发生器结构本身进行设计和优化，来实现大气压下的均匀放电外，在气体间隙内通入气体也可以促进间隙内等离子体的均匀分布。A.Y.Starikovskii研究发现，间隙内通入高速气流后，气体间隙仍能产生稳定的气体放电[48]。基于此，大连理工大学任春生教授课题组利用外加气体通入至DBD间隙内，实现气体间隙内等离子体的均匀分布，实验照片如图1.4所示[49]。图1.3DBD均匀放电形成过程照片[47]图1.4气体通入促进等离子体均匀分布照片[49]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Effect of UV radiation aging on creepage discharge characteristics of high temperature vulcanized silicon rubber at high altitude[J]. 金福宝,周远翔,梁斌,梁曦东,周仲柳,张灵. Plasma Science and Technology. 2019(05)
[2]Surface charge accumulation behavior and its influence on surface flashover performance of Al2O3-filled epoxy resin insulators under DC voltages[J]. 刘彦琴,吴广宁,高国强,薛建议,康永强,石超群. Plasma Science and Technology. 2019(05)
[3]固–气界面电荷消散特性及其动力学过程[J]. 张博雅,张贵新,高文强,侯易岑,李大雨. 中国电机工程学报. 2019(08)
[4]Effects of electron temperature on the ion extraction characteristics in a decaying plasma confined between two parallel plates[J]. 陈坚,付天佐,郭恒,李和平,姜东君,周明胜. Plasma Science and Technology. 2019(04)
[5]基于静电探头法的表面电荷密度分布及电场分布的改进反演算法研究[J]. 邓军波,王涵,薛建议,郭宝烘,王艺博,张冠军. 中国电机工程学报. 2018(04)
[6]直流/交流电压下GIS绝缘子表面电荷分布特性[J]. 齐波,高春嘉,邢照亮,陈铮铮,赵健康,李成榕. 中国电机工程学报. 2016(21)
[7]SF6中绝缘子表面电荷积聚及其对直流GIL闪络特性的影响[J]. 张博雅,王强,张贵新,李金忠. 高电压技术. 2015(05)
[8]气体绝缘金属封闭输电线路的研究现状及应用前景[J]. 齐波,张贵新,李成榕,高春嘉,张博雅,陈铮铮. 高电压技术. 2015(05)
[9]中压交、直流配网供电能力比较[J]. 裘鹏,陆翌,黄晓明,高一波,徐习东. 电力与能源. 2015(02)
[10]表面放电对聚酰亚胺薄膜材料的电气损伤特性研究[J]. 罗杨,吴广宁,刘继午,曹开江,彭佳,张依强,朱光亚. 中国电机工程学报. 2013(25)
博士论文
[1]基于高压直流GIS盆式绝缘子基材的环氧树脂表面电荷积累与抑制方法研究[D]. 李昂.天津大学 2017
[2]聚合物电介质表面电荷动态特性研究[D]. 高宇.天津大学 2009
本文编号：3528160
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：146 页
【学位级别】：博士
【图文】：
苏（州）-（南）通GIL管廊绝缘问题一直是限制输电大规模应用的主要原因之一
浙江大学博士学位论文第1章绪论2的积累，会使得绝缘材料表面的电场强度发生畸变，并逐渐降低绝缘材料的绝缘性能，最终导致沿面闪络的发生，造成绝缘失效，严重危害了电力系统的安全稳定运行。在沿面闪络发生和发展的过程中，绝缘材料表面电荷既是产生电场畸变，诱发沿面闪络的主要原因，又因为大量表面电荷为沿面闪络的发展提供了种子电子，从而进一步降低了沿面闪络的阈值电压[15]。此外，沿面闪络发生之后，绝缘材料的表面结构也会受到严重破坏，绝缘性能会严重下降，甚至完全丧失，给电力部门造成了巨大的经济损失[16,17]。图1.2所示为GIL/GIS盆式绝缘子结构示意图。图1.2GIL/GIS盆式绝缘子结构示意图[18]此外，对于绝缘材料，特别是常用于户外绝缘子的硅橡胶（SiliconeRubber,SiR）材料等，由于制造缺陷，或者水滴、污染物、金属颗粒等的附着，以及工作环境中的紫外辐射等，都会对绝缘材料的表面绝缘性能造成破坏[19-21]。在高电压作用下，这些表面缺陷也会产生大量电荷，造成局部放电，加速了绝缘材料表面的老化，也增加了沿面闪络发生的几率[22-24]。同时电晕放电产生的等离子体，也会使绝缘材料处在高能粒子的氛围中，表面的憎水性等物理化学特性也会相应发生改变[25,26]。基于以上分析，由于各种原因产生的表面电荷，在绝缘材料表面积聚时，既增加了绝缘材料沿面闪络发生的概率，也加速了绝缘材料的老化。表面电荷积聚这一问题严重制约了HVDC输电技术的发展和应用，由表面电荷积聚等原因引起的沿面闪络事故也造成了巨大的经济损失，不利于电力系统的长久安全稳定运行。因此，急需研究加快绝缘材料表面电荷消逝速率、提高闪络电压的机制和方法。目前，相关研究成果已经证明，等离子体处理技术对于加速表面电荷消逝具
浙江大学博士学位论文第1章绪论4正教授课题组通过改变DBD阻挡介质的形状以及气体间隙的距离，在大气压条件下利用氮气通入实现了类辉光放电，氮气的流动速率则会明显改变放电模式[45]。M.Hur等人利用背对背的L形电极，以及两个极性相反的单极性脉冲电压，在氦气和氩气氛围下实现了大气压均匀DBD，该文章同时分析了气体击穿时的种子电子对形成均匀放电的影响机制[46]。目前实现的大气压下均匀DBD的最大间隙距离为7mm，由华中科技大学鲜于斌副教授课题组成功实现，放电效果如图1.3所示[47]。均匀放电的间隙距离和放电面积的增加，会极大地促进DBD在材料处理领域的应用。此外，除了对DBD发生器结构本身进行设计和优化，来实现大气压下的均匀放电外，在气体间隙内通入气体也可以促进间隙内等离子体的均匀分布。A.Y.Starikovskii研究发现，间隙内通入高速气流后，气体间隙仍能产生稳定的气体放电[48]。基于此，大连理工大学任春生教授课题组利用外加气体通入至DBD间隙内，实现气体间隙内等离子体的均匀分布，实验照片如图1.4所示[49]。图1.3DBD均匀放电形成过程照片[47]图1.4气体通入促进等离子体均匀分布照片[49]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Effect of UV radiation aging on creepage discharge characteristics of high temperature vulcanized silicon rubber at high altitude[J]. 金福宝,周远翔,梁斌,梁曦东,周仲柳,张灵. Plasma Science and Technology. 2019(05)
[2]Surface charge accumulation behavior and its influence on surface flashover performance of Al2O3-filled epoxy resin insulators under DC voltages[J]. 刘彦琴,吴广宁,高国强,薛建议,康永强,石超群. Plasma Science and Technology. 2019(05)
[3]固–气界面电荷消散特性及其动力学过程[J]. 张博雅,张贵新,高文强,侯易岑,李大雨. 中国电机工程学报. 2019(08)
[4]Effects of electron temperature on the ion extraction characteristics in a decaying plasma confined between two parallel plates[J]. 陈坚,付天佐,郭恒,李和平,姜东君,周明胜. Plasma Science and Technology. 2019(04)
[5]基于静电探头法的表面电荷密度分布及电场分布的改进反演算法研究[J]. 邓军波,王涵,薛建议,郭宝烘,王艺博,张冠军. 中国电机工程学报. 2018(04)
[6]直流/交流电压下GIS绝缘子表面电荷分布特性[J]. 齐波,高春嘉,邢照亮,陈铮铮,赵健康,李成榕. 中国电机工程学报. 2016(21)
[7]SF6中绝缘子表面电荷积聚及其对直流GIL闪络特性的影响[J]. 张博雅,王强,张贵新,李金忠. 高电压技术. 2015(05)
[8]气体绝缘金属封闭输电线路的研究现状及应用前景[J]. 齐波,张贵新,李成榕,高春嘉,张博雅,陈铮铮. 高电压技术. 2015(05)
[9]中压交、直流配网供电能力比较[J]. 裘鹏,陆翌,黄晓明,高一波,徐习东. 电力与能源. 2015(02)
[10]表面放电对聚酰亚胺薄膜材料的电气损伤特性研究[J]. 罗杨,吴广宁,刘继午,曹开江,彭佳,张依强,朱光亚. 中国电机工程学报. 2013(25)
博士论文
[1]基于高压直流GIS盆式绝缘子基材的环氧树脂表面电荷积累与抑制方法研究[D]. 李昂.天津大学 2017
[2]聚合物电介质表面电荷动态特性研究[D]. 高宇.天津大学 2009
本文编号：3528160
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