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1、线状电极的空气击穿与沿面闪络特性研究,答辩人：,主要内容,1、绪论,电力系统和电力设备中常用气体作为绝缘介质。例如带导线裸露于空气中就是利用了空气的绝缘性能。但是，当电场强度达到一定数值时，气体就会失去绝缘能力，从而造成事故，因此气体放电已经成为了一个研究热点。,线状电极是电力系统中十分常见的一种电极，最常见的莫过于输电线路，钢芯铝绞线即是一种十分典型的线电极。通过对线电极这一典型电极的试验可以更好的了解气体放电的过程，包括空气击穿特性以及沿面闪络特性。,1、绪论,主要内容,2、电极的设计,2.1 线状电极的设计,为了防止因为边缘效应，而在线电极尖端出现放电，需对线电极进行合理设计。,比较好的
2、方案是将两端弯曲成接近于电场分布的形状（即电场线的形状），这样可以有效降低局部过强的电场，使电场强度的过渡变得更加平缓，在间隙距离较短的情况下，可以避免在非直线部分放电，满足试验的要求。,2、电极的设计,2.1 线状电极的设计,2、电极的设计,2.2 线状电极的尺寸,2、电极的设计,2.2 线状电极的尺寸,主要内容,3、试验平台的搭建,3.1 工频交流与直流试验平台,直流试验电路,3、试验平台的搭建,3.1 工频交流与直流试验平台,工频交流试验电路,3、试验平台的搭建,3.2 电极固定装置,直流电压下线电极偏转现象,A装置：悬挂式固定线电极,3、试验平台的搭建,3.2 电极固定装置,B装置：柱
3、式绝缘子固定线电极方式,3、试验平台的搭建,3.2 电极固定装置,C装置：小型化固定装置“海盗船”装置,3、试验平台的搭建,3.3 直流电压下线电极偏转现象,在使用上述A装置进行直流电压下线板电极的空气击穿试验时，当电压加高到一定程度时，线电极开始出现偏转，此时可以听见明显的电晕声，随着电压的继续增高偏转角度增大，最终呈现一固定角度，放电发生后，由于直流电压下的放电是断续的，线电极也出现偏转恢复偏转的连续过程。,3、试验平台的搭建,3.3 直流电压下线电极偏转现象,击穿前发生偏转（伴随电晕声）假设：泄漏电流引起（即安培力）验证：改变接入电路的电阻大小 同等电压下即改变了泄漏电流大小 发现泄露电
4、流大时偏转现象严重假设成立！,3、试验平台的搭建,3.3 直流电压下线电极偏转现象,问题：受地磁场还是接地电极安培力作用？验证：通过改变相对位置 1.改变整体装置位置（线板相对位置 不变）偏转方向改变，并不受地磁场影响,3、试验平台的搭建,3.3 直流电压下线电极偏转现象,问题：受地磁场还是接地电极安培力作用？验证：通过改变相对位置 2.将板电极换为线电极，即确定接地 极的安培力方向，再改变接地极与线 电极相对位置 偏转方向改变，始终偏转成与接地极平行,3、试验平台的搭建,3.3 直流电压下线电极偏转现象,结论：偏转现象是由泄漏电流的安培力与接地极的安培力相互作用所导致的,主要内容,4、线板间
5、隙空气击穿特性,4.1空气放电机理及其影响因素,放电理论：1.汤逊放电（pd小） 2.流注放电（pd大）,放电形成：带电质点形成 非自持放电 自持放电,主要理论公式：导线电晕起始场强： =30.3 1 2 1+ 0.298 电晕起始电压： = 线板间隙电场不均匀系数： =0.9 + ,4、线板间隙空气击穿特性,4.2 实验相关电场（线板电极电场）仿真分析,4.2.1 仿真模型,2D模型,3D模型,线电极：l=34cm r=0.3cm板电极：23.4661 cm 3 间隙距离：1cm激励：线电极加+23kV直流求解器：DC Conduction,4、线板间隙空气击穿特性,4.2 实验相关电场（线
6、板电极电场）仿真分析,4.2.2 仿真结果,3D电场总体分布：,4、线板间隙空气击穿特性,4.2 实验相关电场（线板电极电场）仿真分析,3D电场局部分布：,4、线板间隙空气击穿特性,4.2 实验相关电场（线板电极电场）仿真分析,沿线电极下表面约为0.05cm的轨迹（即x=0，-17y17，z=0.95 (cm)的直线与圆弧下表面）的电场强度分布：,4、线板间隙空气击穿特性,4.2 实验相关电场（线板电极电场）仿真分析,4.2.2 仿真结果,1、电场强度最大值为Em=66.0875 (kV/cm)，位置为：(0, 16.9, 1) (cm)，位于导线的拐弯处（直线部分与圆弧部分的相接处）2、线电
7、极的直线部分下表面平均场强大小约为 =49.0854(kV/cm)。3、电场强度最大值为：Em=66.0875 (kV/cm)，平均场强为 1 =23.1356(kV/cm)。区域为：线电极与平板电极之间面积为341( 2 )，网格大小为0.010.01( 2 ),4、线板间隙空气击穿特性,4.2 实验相关电场（线板电极电场）仿真分析,4.2.3 仿真结果分析,1、线电极的大致电晕起始场强为 =45.5717(kV/cm)电极间加上的电压大约为： = 2345.5717 49.0854 =21.3536(kV)。线电极必然会产生电晕或者发生击穿。2、利用电场不均匀系数计算公式可算得：间隙距离d
8、=1cm时，不均匀系数约为 1 =0.9 1 0.15ln 1.15 0.15 =2.9457仿真得到线电极与平板电极之间竖直平面的电场的不均匀系数大约为：= 66.0875 23.1356 =2.8565d1.6605cm时，线板电场为极不均匀场0.4765d1.6605(cm)时，线板电极介于稍不均匀场与极不均匀场之间,4、线板间隙空气击穿特性,4.2 实验相关电场（线板电极电场）仿真分析,4.2.4 交流仿真,交流仿真结果对称性较差，并且线电极上方交流电场要大于直流下的电场。可以推测交流击穿电压应该会略低于直流击穿电压。,4、线板间隙空气击穿特性,4.3 线板电极击穿实验数据及其分析,线
9、（粗线）板间隙工频交流（峰值）与正负极性击穿电压曲线图,1、0.38cm至0.97cm之间时，正负极性的线板电极的击穿电压非常接近 均匀电场的特性。2、1.40cm至2.95cm之间时，正极性击穿电压大于负极性 稍不均匀场的极性效应特性。3、从曲线变化的趋势上来看，若间隙距离增加，间隙的击穿电压应该会体现出极不均匀场的特性。,4、线板间隙空气击穿特性,4.3 线板电极击穿实验数据及其分析,不考虑极性效应，当间隙距离为1cm时，间隙的直流击穿电压理论值为： =21.3536(kV)。实际测得间隙距离为0.97cm（约为1cm）时，间隙的直流击穿电压为19.2kV左右。相对误差为：E=10.08%
10、。原因：1、电极静电力缩小间隙距离 2、间隙电场不均匀程度被改善 3、0.971,4、线板间隙空气击穿特性,4.3 线板电极击穿实验数据及其分析,线（细线）板间隙工频交流（峰值）与正负极性击穿电压曲线图,在间隙距离大于1.60cm之后，正极性直流击穿电压小于负极性击穿电压 极不均匀场的极性效应特性。间隙距离小于1.20cm时，正极性直流击穿电压大于负极性击穿电压 稍不均匀场的极性效应特性。,4、线板间隙空气击穿特性,4.3 线板电极击穿实验数据及其分析,粗细线工频交流击穿电压比较曲线（交流击穿电压为峰值）,主要内容,线线沿面放电特性,5,5、线线沿面放电特性,5.1 沿面放电机理,三类沿面电场
11、：1.电极间为均匀电场，具有强平行分量2.电极间为强垂直分量的极不均匀电场，典型的为套管3.电极间弱垂直分量的极不均匀电场，典型的如支柱绝缘子,5、线线沿面放电特性,5.2 线线沿面电场仿真,沿面电场模型,树脂玻璃板：44cm*44cm线线距离为2cm激励：27.33kV直流电压求解器：DC Conduction,5、线线沿面放电特性,5.2 线线沿面电场仿真,线线间隙沿面的电场电压分布,线线间隙沿面电场强度总体分布,5、线线沿面放电特性,5.2 线线沿面电场仿真,线电极附近电场强度分布,树脂玻璃板内电场强度分布,5、线线沿面放电特性,5.2 线线沿面电场仿真,线电极正下方，与线电极距离为0.
12、05cm的路径（即x=0，-17y17，z=0.95 (cm)的直线与圆弧下表面）的电场分布,线电极下方0.5cm的直线部分电场分布比较均匀平均值为：27.6539kV/cm最大值为：28.6610kV/cm,线电极下方体积为3410.3( 3 )，体积元大小为0.050.050.05( 2 ) 电场强度最大值为： E m2 =59.7293 (kV/cm)位置在导线的弯弧处坐标(-0.15, -19.8, 3.30) (cm)平均场强为 2 = 45.9235 (kV/cm)树脂玻璃板内体积为440.50.5( 3 )体积元大小为0.050.050.05( 3 )电场强度最大值为： E m3
13、 =18.9224(kV/cm)平均电场强度 3 =9.2171(kV/cm),5、线线沿面放电特性,5.2 线线沿面电场仿真,树脂玻璃板内的电场强度要比空气中的电场强度小得多！,5、线线沿面放电特性,5.2 线线沿面电场仿真,线电极之间沿介质表面的空气部分电场不均匀系数为 1 = 59.7293 45.9235 =1.20，线线电极之间的电场比线板电极要来的均匀树脂玻璃板内的电场不均匀系数 2 = 18.9224 9.2171 =2.05是一个稍不均匀场（以上均为间隙为2cm的仿真）,5、线线沿面放电特性,5.3 线线沿面闪络试验,为了不明显改变电场分布情况，故选择用绝缘胶带将线电极粘贴固定
14、在介质表面上，由于绝缘胶带本身也是一种介质，为了防止在胶带表面闪络，将粘贴点选在线电极末端远离电场集中部分。,5、线线沿面放电特性,5.3 线线沿面闪络试验,工频交流击穿电压,1.环氧玻璃纤维作为介质,5、线线沿面放电特性,5.3 线线沿面闪络试验,直流击穿电压,1.环氧玻璃纤维作为介质,5、线线沿面放电特性,5.3 线线沿面闪络试验,工频交流击穿电压,2.有机玻璃作为介质,5、线线沿面放电特性,5.3 线线沿面闪络试验,直流击穿电压,2.有机玻璃作为介质,5、线线沿面放电特性,5.3 线线沿面闪络试验,两种介质下的工频交流闪络电压比较,5、线线沿面放电特性,5.3 线线沿面闪络试验,电弧漂浮,5、线线沿面放电特性,5.3 线线沿面闪络试验,主要内容,结论与展望,6,6、结论与展望,1.验证了极性效应，稍不均匀场下击穿电压正高负低，极不均匀场下负高正低。2.细线效应的存在。线电极直径的减小并未使击穿电压出现明显下降。3.在直流电压下，线状电极会出现偏转现象，是由于泄漏电流的安培力与接地极的安培力相互作用所导致的。4.介质对于沿面闪络电压的影响很大，闪络时电弧会有漂浮现象出现，与空气受热有关。5.侧面验证了沿面闪络电压比气体或固体单独存在时的击穿电压都低。,
