西安交通大学：《高电压绝缘专论》研究生课程教学资源（课件讲稿）14 实验课2-绝缘沿面放电闪络特性测量与抑制

西安交通大学9XIANJIAOTONGUNIVERSITY高电压绝缘专论-实验课-II绝缘沿面放电/闪络特性测量与抑制西安交通大学电气工程学院先进高电压与等离子体技术研究中心1898

高电压绝缘专论-实验课-Ⅱ ——绝缘沿面放电/闪络特性测量与抑制 西安交通大学 电气工程学院 先进高电压与等离子体技术研究中心

目录固体介质二次电子发射陷阱特性测量装置及实验(1)(2)真空中沿面放电/闪络装置及实验（放电特性与表面电荷）(3)气体中沿面放电/闪络装置及实验（放电特性与表面电荷）(4)微波诱发静电放电装置-2-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -2- 目录 （1）固体介质二次电子发射、陷阱特性测量装置及实验 （2）真空中沿面放电/闪络装置及实验（放电特性与表面电荷） （3）气体中沿面放电/闪络装置及实验（放电特性与表面电荷） （4）微波诱发静电放电装置

研究背景一沿面放电破坏问题突出区域易发生放电破坏，对应的实际运行中，绝缘介质与气体/真空介质的交界面（沿面）沿面闪络电压仅为固体材料击穿电压的几分之一到十几分之一，是绝缘性能的“短板”。电力设备绝缘子闪络破坏明极CathodeInsulator绝缘子闪络破坏脉冲功率航天器电路板、太阳能电池板放电破坏绝缘介质沿面放电破坏-3-《高电压绝缘专论》Xi'anJiaotongUniversity

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -3- 研究背景 —沿面放电破坏问题突出 实际运行中，绝缘介质与气体/真空介质的交界面（沿面）区域易发生放电破坏，对应的 沿面闪络电压仅为固体材料击穿电压的几分之一到十几分之一，是绝缘性能的“短板” 。 电力设备 脉冲功率 航天器 绝缘介质沿面放电破坏 绝缘子闪络破坏 绝缘子闪络破坏 电路板、太阳能电池板放电破坏

破坏机理分析一体内体外协同作用导致介质破坏SEEA模型4个阶段：（1）阴极场致发射一次电子：（2）电子轰击试样表面产生二次电子：（3）大量二次电子引发试样表面脱气：（4）电子与气体碰撞导致离子化后产生闪络三结合点解吸附O电子倍增气体分子初始电子C阴阳+++++极极绝缘介质放电引起介质破坏破坏由表面向内部延伸经典直空沿面闪络SEEA模型二次电子二次电子倍增入射电子二次电子二次电子真空一次电子介质表面层++oOo4++电荷0nm~μmOOOO固体介质OF陷阱电荷入陷、脱陷、输运次电子Q电荷陷阱次电子放电破坏机制：在外施电压达到一定值时，将产生体外的二次电子发射和体内的陷阱电荷输运现象，导致介质局部的高电场，发生放电而击穿破坏。关键电气参数：二次电子发射、电荷陷阱2个特性参数Dekker,SolidStatePhysics,Andersonetal.Appl.Phys.Lett.,2000.Zhangetal.Appl.Phys.Lett.,2012;IEEETrans.Plasma.Sci.,2017-4-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -4- 破坏机理分析 — 体内体外协同作用导致介质破坏 放电破坏机制：在外施电压达到一定值时，将产生体外的二次电子发射和体内的陷 阱电荷输运现象，导致介质局部的高电场，发生放电而击穿破坏。 关键电气参数：二次电子发射、电荷陷阱2个特性参数 放电引起介质破坏 破坏由表面向内部延伸 Dekker, Solid State Physics; Anderson et al. Appl. Phys. Lett., 2000. Zhang et al. Appl. Phys. Lett., 2012; IEEE Trans. Plasma. Sci., 2017 经典真空沿面闪络SEEA模型 SEEA模型4个阶段: (1) 阴极场致发射一次电子; (2) 电子轰击试样表面产生二次电子; (3) 大量二次 电子引发试样表面脱气; (4) 电子与气体碰撞导致离子化后产生闪络

高电压与等离子体中心绝缘沿面放电/闪络特性实验室介绍本实验室围绕电力设备、脉冲功率设备、航天器等关键设备，针对真空及气体氛围下固体介质材料沿面闪络这一问题，基于高气压沿面电荷测试系统、高功率微波诱发静电放电装置、等温表面电位衰减测试系统、二次电子发射特性测试系统、真空闪络测试系统等关键设备，开展固体介质材料沿面闪络表征技术开发，探究影响固体介质材料沿面闪络的因素，从而指导固体介质材料沿面耐电性能的改性。等温表面电位衰减测试系统高气压沿面电荷测试系统高功率微波诱发静电放电装置二次电子发射特性测试系统真空闪络测试系统发表论文《高电压绝缘专论》5Xi'anJiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -5- 本实验室围绕电力设备、脉冲功率设备、航天器等关键设备，针对真空及气体氛围下固体介质材料沿面闪络这 一问题，基于高气压沿面电荷测试系统、高功率微波诱发静电放电装置、等温表面电位衰减测试系统、二次电 子发射特性测试系统、真空闪络测试系统等关键设备，开展固体介质材料沿面闪络表征技术开发，探究影响固 体介质材料沿面闪络的因素，从而指导固体介质材料沿面耐电性能的改性。 高气压沿面电荷测试系统 高电压与等离子体中心绝缘沿面放电/闪络特性实验室介绍 高功率微波诱发静电放电装置 等温表面电位衰减测试系统 二次电子发射特性测试系统 真空闪络测试系统 发表论文

二次电子发射测量装置及实验口测试原理及装置ElectrongunCollector绝缘材料表面二次电子发射系数对其表面电荷特性具有重要影响，整套装置由Is送样室和测量室等两个真空腔体及其辅lp助设备构成。该装置包括真空实现设备Sample（机械泵、分子泵、离子泵、阀门等、电Sampleholder子枪、样品台、电流收集及测量系统（偏压源、放大器以及示波器等）以及控制分Rotator析系统等组成。二次电子测试原理二次电子发射特性测试系统送样室测量室(a)2.60-EP_Untreated几控制信号电子枪8maxl-2.362.4EPF_30min-文样品托-0-EPF_60minEmax1~200eV放气阀s2.2脉冲（5块）eTTL信号2.0直线导轨主插板阀1.8样品10000平移及max2~1.98Results of two modified置样台1.45x10°Pa旋转+100Vsamples are very closeEmax2-250ev法拉第杯1.2约10~Pa计算机0电动插粗抽阀卜偏置电源1.0电流放板阀1Ⅱ大器0.8OF采集卡轴翔0.601800机械泵典型二次电子发射特性曲线二次电子发射特性测量系统结构原理图-6-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -6- 二次电子发射测量装置及实验 二次电子发射特性测试系统 绝缘材料表面二次电子发射系数对其表 面电荷特性具有重要影响，整套装置由 送样室和测量室等两个真空腔体及其辅 助设备构成。该装置包括真空实现设备 (机械泵、分子泵、离子泵、阀门等)、电 子枪、样品台、电流收集及测量系统(偏 压源、放大器以及示波器等)以及控制分 析系统等组成。 二次电子测试原理 p 测试原理及装置 二次电子发射特性测量系统结构原理图 典型二次电子发射特性曲线

陷特性测量装置及实验口测试原理及装置此理论基于绝缘材料受激励后被陷阱俘获的载流子在恒温条件下的热脱陷过程（在充分高的电场下可以忽略载流子的再捕获），认为介质中处于浅陷的陷阱载流子先释放，而处于深陷阱的后释放；在恒温下热释放电流随时间而变化，反映了陷阱能级的分布规律静电电位计有机玻璃密封箱E, = kT In(yt)陷阱深度dvCoe,tN.(E,)陷阱密度针电极静电kTf.(E,)SLq dtA/D转换探头偏置充电试品金属网地电极电压电子陷阱电压空穴陷阱金属加热盒计算机3等温表面电位衰减法原理图-等温衰减法的优势实验方法较为简单，所得结果直观能够区分电子陷及空穴陷阱00.951.001.050.850.901.10可避免由于聚合物导热性能差在TSC方法中造成的试样温度梯陷阱能级(ev)度、加热速率非线性以及陷阱参数随温度变化等因素对实验结电子陷阱与空穴陷阱果的影响。-7-《高电压绝缘专论》Xi'anJiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -7- p 测试原理及装置 t 0 0 ln( ) ( )= ( ) r s t t t E kT t t dV N E kTf E Lq dt           此理论基于绝缘材料受激励后被陷阱俘获的载流子在恒温条件下的热脱陷过程(在充分高的电场下， 可以忽略载流子的再捕获)，认为介质中处于浅陷阱的陷阱载流子先释放，而处于深陷阱的后释放； 在恒温下热释放电流随时间而变化，反映了陷阱能级的分布规律。 等温表面电位衰减法原理图 陷阱特性测量装置及实验 陷阱深度 陷阱密度 电子陷阱与空穴陷阱 p 等温衰减法的优势 Ø 实验方法较为简单，所得结果直观； Ø 能够区分电子陷阱及空穴陷阱； Ø 可避免由于聚合物导热性能差在TSC方法中造成的试样温度梯 度、加热速率非线性以及陷阱参数随温度变化等因素对实验结 果的影响

真空中沿面放电/闪络装置及实验（放电特性与表面电荷）(2) 外该套系统主要功能（1）真空条件下不同电压（直流/交流/冲击电压）的闪络特性测试：施电压后绝缘材料表面电荷分布测试高压回路真空腔体测量回路高压OFE套管球游开关S开关S限流电阻R限流电LR电阻0亮压套管分压器开关S开关S波头电阻R试验变压器光触发示波器采样真空腔电阻分压器电阻主电容C负载电容C2高压电极触发信号试品内胃硅堆ICCD日波尾电阻R闪络通道试品支架一地电假计算机XY位移平台电阻真空腔体照片真空中沿面放电特性测试系统原理图高乐电源HV3格高压电极J起点高压套管电阻分压器！氧化馆.陶示波器真空购开尔文静电探头(Trek 3455ET)静电电位话(a)-6k(b)-10kV(e)-14kV(Trek 341B)高压电视计算机试品支架越据合直AD转换0戏驰动器试品地电极XY位移平台x..位移控制器(d) -18k V(e)-22kV(D-26kV(闪络）(SC300-3B)试品地电极无够果kV洋电话-4.0-3.0-2.0-1.001.02.03.0表面电荷测试原理图表面电荷测试扫描路径表面电荷测试结果-8-《高电压绝缘专论》Xi'anJiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -8- 真空腔体照片 真空中沿面放电/闪络装置及实验（放电特性与表面电荷） 真空中沿面放电特性测试系统原理图 该套系统主要功能：（1）真空条件下不同电压（直流/交流/冲击电压）的闪络特性测试；（2）外 施电压后绝缘材料表面电荷分布测试。 表面电荷测试原理图 表面电荷测试扫描路径 表面电荷测试结果

气体中沿面放电/闪络装置及实验（放电特性与表面电荷）20国网公司近五年交流GIS/GIL故障统计1510turepat4中绝缘子绝缘拉杆甲0大电得B流年份变电站事故分析交流GIS/GIL事故描述辽宁营口华交流220kVGIS设备在正常换相操作中，一相隔离刀绝缘子表面电荷1996能电厂闸气室中盆式绝缘子发生沿面闪络事故积聚导致绝缘子表面局部2008旱塘变电站交流110kVGIS盆式绝缘子发生闪络事故电场畸变特高压北京绝缘子表面电荷启动调试期间多次发生交流1000kVGIL盆式和三支2016东变电站柱绝缘子沿面闪络事故，均发生在开关投入时积聚导致相比交流输电，直流输电具有输送容量大、功率损耗小等优点，适合远距离输电，S直流GIL尚处于研发阶段，绝缘子表面电荷积聚问题更为突出：深入研究直流GIL绝缘子表面电荷积聚特性，提出有效的表面电荷调控及沿面耐电强度提升方法，对于直流GIL的优化设计及安全可靠运行具有重要意义。-9-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -9- 年份 变电站 交流GIS/GIL事故描述 事故分析 1996 辽宁营口华 能电厂 交流220kV GIS设备在正常换相操作中，一相隔离刀 闸气室中盆式绝缘子发生沿面闪络事故 绝缘子表面电荷 积聚导致 2008 旱塘变电站 交流110kV GIS盆式绝缘子发生闪络事故 绝缘子表面局部 电场畸变 2016 特高压北京 东变电站 启动调试期间多次发生交流1000kV GIL盆式和三支 柱绝缘子沿面闪络事故，均发生在开关投入时 绝缘子表面电荷 积聚导致 4 6 1 18 1 1 1 2 1 1 1 1 3 1 17 6 1 1 1 0 5 10 15 20 故 障 次 数 国网公司近五年交流GIS/GIL故障统计 绝 缘 支 撑 筒 螺 栓 松 动 连 卡 杆 滞 异 常 合 闸 不 到 位 传 动 杆 断 裂 绝 缘 子 绝 缘 拉 杆 拐 盖 臂 板 断 开 裂 裂 机 械 异 常 母 防 线 爆 筒 膜 开 破 裂 裂 未 装 限 位 接 触 过 热 金 属 微 粒 吸 附 剂 遗 留 开 短 关 时 偷 大 跳 电 流 Ø 相比交流输电，直流输电具有输送容量大、功率损耗小等优点，适合远距离输电； Ø 直流GIL尚处于研发阶段，绝缘子表面电荷积聚问题更为突出； Ø 深入研究直流GIL绝缘子表面电荷积聚特性，提出有效的表面电荷调控及沿面耐电强度提升 方法，对于直流GIL的优化设计及安全可靠运行具有重要意义。 气体中沿面放电/闪络装置及实验（放电特性与表面电荷）

气体中沿面放电/闪络装置及实验（放电特性与表面电荷）口测试原理及装置安全闵套管介质窗安全阀保护电阻高压电极高气压示波器密闭腔体真空泵静电探头地电极阻容分压器航空地电楼气体eon插头线性模组（位移平台）直流电压发生器电控箱静电电位计工控机高气压实验腔体实验整体接线图PMMA高压地电极电极平板针-平板pC/mmpC/mmY绝缘结构2030u()-Ehi,jo叠加定理a0+20kVU-o矩阵表达式缩比地电极高压电极-20地电极高压电极ho,.+h,o,..+hnowl-20绝缘子pC/mmpC/mm222010多点展开表达式ho,+.+h+.+hoy=u-20kV--20hioi++hgg,+-+hyOw=l盆式绝缘子缩比模型表面电荷测试结果-10-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -10- p 测试原理及装置 针-平板 绝缘结构 高气压实验腔体 实验整体接线图 气体中沿面放电/闪络装置及实验（放电特性与表面电荷） 盆式绝缘子缩比模型 表面电荷测试结果