阶跃电压下液体电介质击穿过程数值分析--《哈尔滨理工大学学报》2014年03期
阶跃电压下液体电介质击穿过程数值分析
【摘要】：以变压器油作为研究对象,采用有限元方法对针-球电极下建立的用于表述液体电介质流注预放电过程中载流子的产生及输运特性的偏微分方程进行求解分析,获得阶跃电压下变压器油隙预放电过程空间电荷动力学特性.数值模拟结果表明,液体介质击穿的根本原因是油隙中自由载流子的产生、迁移形成了预击穿电流,由此产生的焦耳热使得油隙中温度升高,促进流注发展.根据这些现象得出的结论能够很容易理解液体电介质的击穿机理,有利于液体电介质在电力系统领域得到更合理的应用.
【作者单位】：
【关键词】：
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【分类号】：TM41【正文快照】：
0引言关于液体电介质的击穿机理,目前主要包括电击穿理论和气泡击穿理论,而针对含有水分和杂质情况,则提出了杂质桥理论.这些理论虽然在一定程度上定性解释液体介质击穿现象,但是由于液体介质净化程度不够高,不少实验结果差异很大,无法进行分析比较.近年来随着净化技术的提高
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京公网安备74号快脉冲下液体介质击穿实验装置及击穿特性研究--《重庆大学》2006年硕士论文
快脉冲下液体介质击穿实验装置及击穿特性研究
【摘要】：
高功率快脉冲技术在核物理技术、电子束、加速器、激光、HPM现代科学技术领域都有广泛的应用。高功率超宽带脉冲的产生、变换及传输中大量使用液体绝缘介质,其性能的好坏是高功率系统能否稳定运行的重要影响因素之一。研究并确定快脉冲下液体绝缘介质的击穿特性,对于开发紧凑型脉冲功率系统具有重要意义。但目前对ns级以及更快脉冲下液体介质绝缘特性的研究尚缺乏充足的实验数据,无法依据现有资料构建该时间量级下液体介质击穿的理论框架,且其击穿电压的确定尚无公认的计算公式。为此本文在输出电压约200kV、重复频率达2kHz的全固态SM-3NS脉冲源上设计了击穿实验装置,并以快脉冲液体绝缘介质击穿特性为目标,主要研究了:
(1)半球电极半径对变压器油击穿电压的影响;
(2)直流、单个脉冲及重复频率下三种典型液体绝缘介质(变压器油、十二烷基苯、蓖麻油)的击穿特性;
(3)不同电极间距下蓖麻油的击穿特性;
(4)脉冲作用时间对变压器油击穿场强的影响。
通过实验及其结果分析,本文的主要结论有:
(1)设计的液体介质击穿模型及其测量系统满足实验要求,且分析得出了电极模型的静电场及峰值场强的估算公式;
(2)电极半径大小对击穿有影响,随着半球形电极半径的增大,击穿电压不断提高,但提高击穿电压的作用在减小;
(3)变压器油、十二烷基苯和蓖麻油的快脉冲击穿场强远远高于直流,击穿场强从高到低的顺序依次为蓖麻油、变压器油、十二烷基苯,而直流电压下则相反。低重复频率范围内击穿强度随频率的变化较明显,高重复频率区,击穿强度随重复频率变化很小。与单个脉冲相比,重复脉冲串作用下的击穿场强明显减小;
(4)脉冲作用时间短,击穿场强高但时延短,脉冲作用时间长,击穿场强较低但时延长;
(5)对几个纳秒快脉冲作用下液体绝缘介质击穿特性公式E_(bd)t_(eff)~αA~β=M进行了校正,得出了有效时间指数α为1/3,有效面积项的幂指数β为0.11,反映蓖麻油、变压器油和十二烷基苯击穿特性的常数M分别为0.549、0.457和0.379。且快脉冲作用下M值越大,介质绝缘性能越好。
【关键词】：
【学位授予单位】：重庆大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2006【分类号】：TM214【目录】：
中文摘要4-5
英文摘要5-9
1 绪论9-19
1.1 论文研究的背景和意义9
1.2 国内外研究现状9-17
1.2.1 快脉冲下液体击穿影响因素的研究进展10-16
1.2.2 快脉冲击穿特性参数的研究进展16-17
1.3 本论文的主要研究内容17-18
1.4 本章小结18-19
2 快脉冲液体介质击穿的基本理论19-27
2.1 快脉冲介质击穿模型19-20
2.2 电离前沿的形成和蔓延20-25
2.2.1 集结点的形成和低浓度区的生长22-24
2.2.2 电子碰撞电离及电离前沿的蔓延24-25
2.2.3 集结准则和击穿25
2.3 本章小结25-27
3 快脉冲液体击穿试验装置、试验方法和测量系统27-42
3.1 SM-3NS 脉冲源简介27-28
3.2 击穿装置的研制28-32
3.3 试验方法32-34
3.3.1 实验原理32
3.3.2 实验内容及过程32-34
3.4 快脉冲下液体介质击穿电压的测量34-37
3.4.1 同轴电容分压器的设计34-35
3.4.2 电容分压气器的标定35-37
3.5 快脉冲下液体介质击穿电流的测量37-41
3.5.1 罗氏线圈的设计37-39
3.5.2 罗氏线圈的标定39-41
3.6 本章小结41-42
4 快脉冲液体介质击穿特性实验结果及分析42-59
4.1 试验电极峰值场强的估算42-46
4.1.1 电场计算的数学模型42-45
4.1.2 模拟结果的分析45-46
4.2 快脉冲液体介质击穿实验结果46-50
4.3 实验结果分析50-55
4.4 击穿经验公式的分析55-58
4.4.1 经典公式的校正55-57
4.4.2 击穿时延小于5115 的击穿经验公式57-58
4.5 本章小结58-59
5 总结59-63
5.1 主要结论59-60
5.2 进一步的工作60-63
参考文献64-70
独创性声明70
学位论文版权使用授权书70
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液体介质场致电离预击穿特性分析
【摘要】：随着电力设备中液体电介质的广泛使用，近年来因液体放电引起的电力事故逐年递增，液体放电受到越来越多的研究人员关注，因此，研究液体放电的机理对预防液体放电、防止绝缘老化具有实际意义，为绝缘结构设计提供理论参考依据。
为了研究电力设备绝缘结构液体放电，并深入了解绝缘结构液体预击穿放电过程中的动力学特性，研究不同条件对放电过程中流注发展的影响，本文以场致电离机理为理论基础建立了液体放电数学模型，主要包括电子、正离子、负离子的连续性方程，同时耦合泊松方程以及热扩散方程。数值仿真的简化物理模型由针-球电极和液体间隙构成，以变压器油及其主要成分为研究对象，通过有限元法对数学模型进行数值计算，获得不同条件下液体放电过程中电场二维、一维分布以及空间电荷、液体温度的一维分布特性，通过对比分析，结果表明，液体放电过程中流注的形成是空间电荷与空间电场相互耦合作用的结果；空间电荷在电场作用下做迁移运动，通过焦耳热效应向液体注入能量，导致液体温度升高，形成低密度区；液体电介质中不同组成成分、外施电压幅值以及电极间距对放电过程中的流注发展有着直接影响。
通过本文对变压器油流注放电的理论研究与数值模拟，不仅有助于很好的理解液体放电的机理，控制和优化放电过程，而且可以对放电过程有更为清晰的了解，从而可以优化己有的实验，使得实验结果更能符合实际应用的要求，可以设计出更为合理的实验装置。
【关键词】：
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2012【分类号】：TM855【目录】：
摘要5-6Abstract6-10第1章 绪论10-15 1.1 液体介质放电研究意义10 1.2 液体介质放电研究现状10-13
1.2.1 国内研究现状11
1.2.2 国外研究现状11-13 1.3 液体介质放电研究趋势13-14 1.4 课题来源及主要完成工作14-15第2章 液体预击穿场致电离模型15-22 2.1 场致电离机理15-16 2.2 液体放电物理模型16-17 2.3 流体动力学模型17 2.4 液体放电数学模型17-21
2.4.1 空间电荷生成消失过程18-20
2.4.2 数学模型20-21 2.5 本章小结21-22第3章 变压器油预击穿过程分析22-29 3.1 电场分布22-25
3.1.1 初始时刻电场分布22
3.1.2 不同时刻电场分布22-25 3.2 空间电荷分布25-27
3.2.1 正离子、电子的一维分布25
3.2.2 负离子一维分布25-27
3.2.3 净电荷一维分布27 3.3 Z轴处变压器油温度一维分布27-28 3.4 本章小结28-29第4章 变压器油放电过程流注发展影响因素29-58 4.1 变压器油分子结构的影响29-48
4.1.1 芳香烃分子的影响29-39
4.1.2 环烷烃分子/石蜡分子的影响39-48 4.2 电压幅值的影响48-49 4.3 电极间距的影响49-57 4.4 本章小结57-58结论58-59参考文献59-63攻读硕士学位期间所发表的学术论文63-64致谢64
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京公网安备74号基于克尔效应的冲击电压下液体电介质电场和空间电荷测量--《重庆大学》2012年硕士论文
基于克尔效应的冲击电压下液体电介质电场和空间电荷测量
【摘要】：绝缘材料的电击穿特性是影响电气设备及行业发展的重要因素，电介质的绝缘性能极大地受到其内部电场的影响，而空间电荷在改变绝缘电介质内部电场分布中起着重要的作用。随着新型材料技术和空间电荷注入原理的研究，新型液体电介质的空间电荷产生机理及其对击穿过程的影响机理受到了广泛的重视。因此，搭建一套空间电荷测量系统，掌握新型的液体电介质空间电荷的测量技术，研究测量绝缘材料中的电场及空间电荷发展趋势，有着重要的理论意义和工程应用价值。
在阅读分析大量文献的基础上，针对现有的空间电荷测量系统中干扰影响大、数据采集速率慢，无法实现动态测量等不足，论文基于克尔电光效应基本原理，搭建了新型空间电荷高速测量系统。结合现有成熟的光电探测系统，对新型系统进行电场测量校验及论文所用克尔液体碳酸丙烯酯的克尔常数测定，测定结果表明：液体碳酸丙烯酯的克尔常数B=1.22×10~(-12)m/V~2。根据琼斯矩阵的基本原理与性质，对不同波片数目及光轴角度组合下的空间电荷测量系统建立琼斯传输矩阵，得到各种组合下光强比同相位差的关系式，发现添加两个波片的测量系统，可以消除电光场图中的等倾线，对系统光路进行优化。并结合图像处理技术，确定最大干涉条纹数目等方法，为电光场图中电场及空间电荷的反算提供扎实的理论基础。
论文通过新型空间电荷测量系统，对不同电极材料及不同电压极性下的平行板电极间的电光场图进行测量研究。结果表明：在不同的平行板电极材料组合下，对液体电介质中注入的空间电荷极性不同。铝电极注入正电荷，而不锈钢电极注入负电荷，但少数复合电极组合下不锈钢电极也会注入正电荷，黄铜电极为双极注入。在同一电极材料的平行板电极下，变换脉冲电压正负极性，液体电介质中注入的空间电荷极性同样会出现不同。同时，首次应用空间电荷测量系统对添加纳米材料的绝缘电介质中平行板极间电场进行无损测量，结果表明：添加纳米后的试品极间畸变小，有效提高了负极性电压下碳酸丙烯酯的击穿电压值。
【关键词】：
【学位授予单位】：重庆大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2012【分类号】：TM214【目录】：
摘要3-4ABSTRACT4-91 绪论9-15 1.1 课题研究的背景和意义9-10 1.2 国内外研究现状10-13
1.2.1 基于克尔效应的电场及空间电荷研究现状10-12
1.2.2 纳米改性液体中空间电荷作用研究现状12-13 1.3 本文的研究内容13-152 基于克尔效应的空间电荷测量方法和测量装置15-27 2.1 概述15 2.2 基于克尔效应的空间电荷测量原理15-17 2.3 测量系统总体结构及工作原理17-22
2.3.1 克尔盒17-18
2.3.2 克尔液体18-19
2.3.3 多参数冲击电压发生器19
2.3.4 光信号接收装置19-21
2.3.5 触发电路21-22 2.4 克尔常数的测量与计算方法22-23 2.5 电光场图的基本处理方法23-26
2.5.1 电光场图中最大干涉条纹数的确定方法23-25
2.5.2 电光场图中电场及空间电荷反算方法25-26 2.6 小结26-273 基于琼斯矩阵的空间电荷测量系统光路优化27-40 3.1 概述27 3.2 琼斯矩阵基本原理27-30
3.2.1 偏振器的琼斯矩阵27-29
3.2.2 四分之一波片的琼斯矩阵29
3.2.3 克尔元件的琼斯矩阵29-30 3.3 不同波片组合的空间电荷测量系统琼斯矩阵理论推导30-37
3.3.1 无 1/4 波片30-31
3.3.2 一片 1/4 波片31-33
3.3.3 两片快轴对应平行的 1/4 波片33-34
3.3.4 两片快轴相互垂直的 1/4 波片34-37 3.4 琼斯矩阵在电光场图中的应用实验与分析37-39
3.4.1 不同波片组合对应的电光场图实验37-38
3.4.2 电光场图中琼斯矩阵理论的验证分析38-39 3.5 小结39-404 碳酸丙烯酯在不同电极材料下的电场及空间电荷注入研究40-56 4.1 概述40 4.2 液体空间电荷效应理论分析40-41 4.3 液体空间电荷效应的试验测量与分析41-45
4.3.1 无空间电荷注入41-42
4.3.2 单级注入42-44
4.3.3 双极注入44-45 4.4 不同电极材料的空间电荷电光场图测量与分析45-48
4.4.1 铝电极下的的空间电荷电光场图测量与分析45-47
4.4.2 不同组合电极下的空间电荷注入情况分析47-48 4.5 不同电压极性下空间电荷电光场图测量与分析48-51
4.5.1 不同电压极性下不锈钢电极空间电荷测量与分析48-50
4.5.2 不同电压极性下铜铝电极空间电荷测量与分析50-51 4.6 基于高速 CCD 的空间电荷输运电光场图计算与分析51-55
4.6.1 空间电荷单极注入电光场图计算与分析51-53
4.6.2 空间电荷双极注入电光场图计算与分析53-55 4.7 小结55-565 纳米改性碳酸丙烯酯中的电场及空间电荷分布研究56-62 5.1 概述56 5.2 纳米粒子的表面改性56-57
5.2.1 纳米粒子表面改性方法56-57
5.2.2 试验材料的准备57 5.3 纳米液体电介质的特性57-58
5.3.1 纳米材料的电击穿特性57-58
5.3.2 纳米材料的稳定性58 5.4 电光场图的测量试验与分析58-61 5.5 小结61-626 结论与展望62-64 6.1 结论62-63 6.2 展望63-64致谢64-65参考文献65-71附录71 作者在攻读硕士期间发表论文71
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