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高速气流对针板沿面直流稳压电源放电特性的影响

暴露在大气环境中的绝缘设备受到运行状态或大气运动的影响,其绝缘介质表面往往处于气流环境中。高压设备的绝缘性能将受到气流方向和气流速度的影响。然而,气流环境下的沿面放电特性和机制仍不清楚。因此,需要研究气流方向和气流速度对沿面放电的影响。
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论文所解决的问题及意义
本文通过风洞系统开展了气流环境下绝缘介质表面闪络特性试验,发现气流方向垂直于电场方向时,电晕放电光区与放电路径沿着气流方向发生偏移。分析了气流环境下绝缘介质表面、气体薄层和气体中离子的运动轨迹变化,同时,气流环境导致绝缘介质表面电荷积聚途径与来源发生变化。这些结果可为气流环境中高压设备的设计和绝缘配合提供指导。
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论文重点内容
1)气流对沿面放电的影响

图1显示了在不同条件下硅橡胶片表面针板间隙的放电试验结果,文中试验图像拍摄曝光时间为15 s。高速气流中的闪络特性与静态空气中的闪络特性有较大差异。图1(a)和(b)显示电晕放电的光区变化。在静态气流的情况下,电晕放电的光区域沿着垂直方向对称地分布在电极空间的两侧。当气流速度为80 m/s时,光区由于气流的原因向右侧发生了偏转。图1(c)和(d)显示了闪络路径的不同,在有高速气流环境下放电通道沿气流方向产生明显的偏转,同时闪络路径明显发生弯曲偏移。

高速气流对针板沿面<a href=http://www.021dianyuan.cn/ target='_blank'>直流稳压电源</a>放电特性的影响
图1  不同条件下的放电试验图像

2)气流对离子运动轨迹的影响

与静态气体下的沿面闪络不同,高速气流下的沿面闪络特性受到气流的影响。在高速气流环境中,气流中的电子和离子(正离子和负离子)将获得一个平行与气流方向的力。这种情况下,电子和离子运动的轨迹将沿水平方向产生偏转,一些电子和离子甚至会被吹离绝缘面。由于高速气流的存在,从阴极出来的电子和阳极出来的正离子,会获得一个平行与气流方向的力,如图2中过程(1)所示;由于任何固体表面都有吸附气体分子的能力,因此由一次电子撞击绝缘介质表面上的气体薄层时,将会产生二次电子,与中性分子,此时二次电子与中性分子同样将受到高速气流的影响,运动轨迹发生偏转,如图2中过程(2)所示。

高速气流对针板沿面直流稳压电源放电特性的影响
图2  气流环境下离子运动轨迹

3)气流环境下离子的偏转与吹离

离子的偏转:通过对针板电极电场仿真,可将放电区域分为强场区与弱场区,离子在不同电场不同位置所受力不同,这是造成气流环境下放电发生变化的一个重要因素,不同位置离子受力分析如图3所示。当离子处于强场区时,此时受到的电场力很强,离子的运动受电场力主导;当离子进入弱场区后,此时电场力的影响削弱,离子的运动受风曳力主导,且离子越远离中心电场,所受电场力越弱,相比于无气流环境离子越容易向气流运动方向偏离。

高速气流对针板沿面直流稳压电源放电特性的影响
图3  放电区域不同位置离子受力分析图

表面电荷的吹离:当处于高速气流环境中,气体侧电离的离子沿着气流方向发生偏移,此时到达绝缘介质表面的离子大大减少,因此高速气流削弱了气体侧传导对表面电荷积聚的影响,此时表面电荷积聚的影响因素主要来自表面传导。气流环境下的表面电荷积聚途径如图4所示。

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图4  气流环境下表面电荷积聚途径

通过测量气流环境下表面电荷的积聚量发现,在有气流环境的情况下,电荷累积量小于没有气流时,同时随着时间的增加,在气流环境下,表面电荷的消散速度明显高于非气流环境下的电荷消散速率,如图5所示。同时,在高气流速度的情况下的累积电荷小于在低气流速度的情况下的累积电荷,这表明随着气流速度的增加,绝缘介质表面电荷将会减少。

高速气流对针板沿面直流稳压电源放电特性的影响
图5  表面电荷时间消散曲线

4)气流对沿面闪络电压的影响

通过试验发现(参见图6),当气流方向平行于针板间隙时,即风向角为0°时,在静态气流(0 m/s)时闪络电压为25.9 kV,在风速为80 m/s时达到最大值36.2 kV;当气流方向垂直于针板间隙时,即风向角为90°时,电子由下向上运动,闪络电压随着气流速度的增加而上升。在静态气流(0 m/s)时闪络电压为25.2 kV,在风速为80 m/s时达到最大值50.3 kV,与静态气流(0 m/s)时的电压相比上升了99.6%,比气流方向平行于针板间隙时风速为80 m/s时的电压相比上升了38.9%。闪络电压随气流速度的变化趋势如图7曲线所示。

由之前讨论表明,闪络电压增加是因为高速气流环境下,由于离子运动轨迹的偏转与吹离使得绝缘介质表面电荷减少与切向电场削弱,表面电荷积聚对沿面闪络的影响下降;气流方向垂直于针板间隙时闪络电压高于气流方向平行于针板间隙时的闪络电压,是因为当气流方向垂直与针板间隙时,气流对离子运动轨迹的偏转影响更大,离子运动轨迹的偏转与吹离共同作用,进一步削弱了沿面流注发展的场强,因此沿面闪络电压更高。

高速气流对针板沿面直流稳压电源放电特性的影响
图6  气流方向与针板间隙的关系

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结论
1)  高速气流作用下,电子和离子运动轨迹发生偏转,同时大量电子和离子被吹离绝缘介质表面,当气流速度增加时电子和离子的偏转和吹离效应更为明显。

2)  电子和离子的偏转使得沿面闪络路径沿着气流方向发生偏离与弯曲,使得离子运动路径上的场强减小;同时,吹离效应的存在,使得参与碰撞的电子数量和离子浓度降低。

3)  高速气流环境对绝缘介质表面电荷积聚途径造成了影响,随着气流速度的增加,表面电荷消散速率也提升,因此,气流环境使得绝缘介质表面电荷累积量减少。

4)  气流方向与气流速度对直流沿面闪络电压有显著影响。在0~80 m/s的范围内,闪络电压随着气流速度的增加而上升。并且由于偏转与吹离效应的共同作用,当气流方向垂直于电场方向时的闪络电压较气流方向平行于电场方向时高。
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