介电常数和表面性能对沿面流注发展的定量影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)清华大学深圳研究生院 作者:孟晓波

  缘介质表面流注发展是沿面闪络中重要的物理过程,研究介质表面流注发展特性有助于揭示绝缘介质和流注放电之间的作用关系,加深对沿面闪络机制的认识。利用光电倍增管测量了绝缘介质表面的流注发展特性,其中被测绝缘介质是由两种厚度为5mm 的绝缘介质层层相叠组成的。通过改变被测试品中两种绝缘介质的体积,可以定量的估计绝缘介质的介电常数(容性)和表面性能对沿面流注发展特性的影响。试验中,测量了尼龙和聚四氟乙烯、复合绝缘材料和聚四氟乙烯两种组合试品的表面流注稳定传播电场和传播速度,发现绝缘介质表面性能对流注发展的影响很大。此外,3 种绝缘介质中复合绝缘材料的表面性能最不利于流注的传播。

  引言

  输电线路和电力设备的外绝缘问题影响着电力系统的正常和安全运行。随着特高压输电线路的大面积建设,电压等级升高后,输电线路和电力设备的绝缘问题将更加突出,直接影响着电网的供电质量。因此,外绝缘问题一直是电力系统研究的重点和热点问题。

  绝缘介质表面流注的发展过程是发生先导和沿面闪络前的重要阶段,研究绝缘介质表面流注发展过程有助于揭示绝缘介质和流注放电之间的相互作用关系,加深对绝缘介质沿面放电机制的认识。目前,国内外对空气中流注的发展特性进行了大量的试验和仿真研究,而由于绝缘介质表面流注的发展特性的复杂性,直到现在很多问题都没有得到解决。Allen 等人研究了不同绝缘介质表面流注的发展特性,发现绝缘介质对流注的发展特性有很大的影响,并提出绝缘介质介电常数和表面性能(电荷积累和附着、光致电子发射的能力)是影响沿面流注发展的重要因素。他们的研究虽然提出了多种影响因素作用于流注发展的机制,但是并没有定量的描述各个因素对于流注发展作用的大小,因此,不能准确地说明各个绝缘介质表面流注发展特性存在差异的原因。

  本文在前人研究的基础上利用试验定量的描述绝缘介质介电常数和表面性能(电荷积累和附着、光致电子发射的能力)对绝缘介质表面流注稳定传播场强和传播速度的影响大小。被测试品是由两种厚度为5 mm 的绝缘介质层层相叠组成,通过改变被测试品中两种绝缘介质的体积,实现了在不改变表面性能的情况下而改变绝缘介质整体的介电常数。试验中,测量了尼龙和聚四氟乙烯、复合绝缘材料和聚四氟乙烯两种组合试品表面流注稳定传播电场和传播速度,定量分析了这3 种绝缘介质的介电常数和表面性能对流注发展特性的影响大小。

1、试验装置及方案

  试验采用三电极结构,绝缘介质垂直放置于两平板电极之间。试验模型及测量系统示意图如图1所示。图2 为光电倍增管监测尼龙介质表面流注发展过程输出的波形图。本文利用光电倍增管主要测量绝缘介质表面流注发展特性参量为流注稳定传播电场、流注传播速度。具体试验介绍和测量方法见文献。

试验模型和测量系统示意图

图 1 试验模型和测量系统示意图

绝缘介质表面流注发展的典型波形图

图 2 绝缘介质表面流注发展的典型波形图(E=580 kV/m)

  试验时,室内温度稳定在20 ℃左右,相对湿度保持在65%~70%,气压为标准大气。试验中用到了3 种绝缘介质,分别是尼龙、聚四氟乙烯和复合绝缘材料。尼龙的相对介电常数为5,聚四氟乙烯的相对介电常数为2.2,复合绝缘材料的相对介电常数为3.6。这3 种绝缘介质都做成了长为100mm、宽为100mm、厚度为5mm 的正方形板。尼龙和聚四氟乙烯为组合1,复合绝缘材料和聚四氟乙烯为组合2,分别对这两个组合进行了表面流注发展特性试验。

试验方法示意图

图 3 试验方法示意图

  以组合 1 为例具体描述试验过程。如图3 所示,首先,将20 片尼龙片插入三电极结构中,进行流注试验,通过测量得到流注传播参数(流注稳定传播电场和某电场作用下流注传播速度)。然后,从外侧逐渐将尼龙片替换成聚四氟乙烯片,重复进行流注试验,得到流注传播参数。最终,三电极中的尼龙片将被全部更换为聚四氟乙烯片。利用这种方法,就可得到在绝缘介质表面状况不变时,随着两种绝缘介质体积比的改变(整体介电常数改变)的情况下,绝缘介质表面流注稳定传播场强的变化规律。

4、结论

  1)定量估计了绝缘介质的介电常数(容性)和表面性能对沿面流注稳定传播场强和某电场强度下流注传播速度的影响。

  2)介电常数大的绝缘介质表面流注稳定传播场强大,而流注的传播速度小,其表面流注发展到后半段时由于表面电荷造成的电场削弱更严重,发展受到抑制,此外,介电常数大的绝缘介质表面容易积累电荷,在流注沿介质表面发展时也更容易发生电荷的附着,阻碍流注的发展。

  3)尼龙介质的表面性能与聚四氟乙烯相比更有利于流注的传播。原因是尼龙介质表面光致电子的发射效应远大于聚四氟乙烯,可是尼龙介质表面电荷积累和对流注头部电荷的附着效应也大一些。不过此时光致电子发射效应的作用较强,占主导地位,而表面电荷造成的电场畸变和流注头部电荷附着对流注的抑制作用稍弱一些。

  4)复合绝缘材料的表面性能与聚四氟乙烯相比更不利于流注的传播。原因是复合绝缘材料表面电荷造成的电场畸变和流注头部电荷的附着效应更大一些,虽然复合绝缘材料表面光致电子发射效应大于聚四氟乙烯表面,但此时光致电子发射效应较弱,并未起到很大的影响。

  更多介电常数技术文章:http://www.chvacuum.com/vacuum-permittivity/

  介电常数和表面性能对沿面流注发展的定量影响为真空技术网首发,转载请以链接形式标明本文首发网址。

  http://www.chvacuum.com/vacuum-permittivity/045161.html

  与 真空介电常数 介电常数 相关的文章请阅读:

  真空介电常数http://www.chvacuum.com/vacuum-permittivity/