放电特性（共8篇）
放电特性 篇1
0 引言
研究在大气压下的N2流注放电过程对于研究相关技术具有非常重要的意义,例如绝缘、等离子体化学和提纯等技术。虽然流体动力学模型在气体流注放电的研究中得到广泛应用[1,2,3],但是,采用流体动力学模型进行求解非常耗时。为了提高求解PDE方程的收敛速度,采用有限元方法(FEM)对其进行求解是一种解决问题的有效途径。同时,通过建立N2短间隙流注放电模型,应用有限元方法对N2正向流注的动力学特性进行分析研究,求出其放电过程正向流注等离子体空间粒子产生、倍增、消失和分布等表征参数,为优化电极设计、控制利用放电现象提供理论依据和分析方法。
1 模型与数值方法
计算模型采用平行板电极结构(如图1所示),极间距5 mm,极-板间充满氮气。其中负极板接地,正极板接25 kV。柱坐标系(r,z)的起点位于阴极。轴线z指向阳极。
anode- 阳极;photon-光子;electron-电子; positive-正离子;ion-离子;cathode-阴极
N2气体间隙流注放电包括含有分子电离、粒子的漂移和扩散以及光致电离等过程的连续方程和泊松方程[4,5],具体表述如下:
undefined, (1)
undefined, (2)
ᐁ2φ=-qe(ni-ne)/ε0 (3)
式中,
undefined
式中,电子电流密度表示{jer,jez}和正离子电流密度表示{jir,jiz},undefined表示电场强度,φ表示电位。ne、undefinede、De、ni、undefinedi和Di分别表示电子和正离子的密度、漂移速度和扩散速度。ve为undefinede的模值,α表示汤逊电离系数,qe表示电子电荷,ε0表示真空介电常数。S表示的是粒子产生和消失机理,例如光致电离过程以及复合过程等。在电负性气体中,应考虑负离子连续方程。
在二维仿真模型中,方程(1)、(2)、(3)描述正向流注的发展过程。其中,漂移速度和汤逊电离系数都是E/p的函数,具体参数如下[6]:
undefined
式中,μe表示电子迁移率,μi表示正离子迁移率,DL和DT分别表示横向和纵向扩散速度。由于电子扩散速度远大于正离子扩散速度,因此正离子扩散速度忽略不计。
主要目的是研究正向流注粒子密度分布与流注发展之间的相互关系,以及空间电场分布和电子漂移速度等动力学特性。因此,在计算中,不考虑方程(1)、(2)中的光致电离S项,使用初始预电离代替光致电离对流注发展的影响,初始预电离密度为106cm-3,这有利于直接研究流注空间粒子分布、空间场强分布与流注发展之间的相互关系。
应用有限元方法对电子和正离子连续方程以及泊松方程进行耦合迭代求解[7]。
为了使流注能够快速形成,在阴极附近放置半球状等离子体,其峰值为5×1012 cm-3,且初始半球状等离子体服从高斯分布。具体方程如下[8]:
undefined
式中,z0=5 mm,δr=0.21 mm 和δz=0.27 mm。
连续方程边界条件如下:
undefined
泊松方程边界条件如下:
undefined
其中,R表示求解域的半径。
2 仿真结果及分析
在仿真中,初始电荷服从高斯分布,峰值为5×1012 cm-3,轴向半径和径向半径分别为0.27 mm 和0.21 mm。间隙中初始预电离密度为106 cm-3,压强为0.1 MPa,间隙间距为5 mm,间隙电压为25 kV, 场强为50 kV/cm。电极结构以及正向流注的发展过程如图1所示。仿真流注发展各时刻电子密度和正离子密度分布,如图2、图3所示。表示轴向电荷密度分布见图4,从中可见电子的漂移速度大于正离子的漂移速度,正向流注头部电子密度大于正离子密度。表示轴向电子漂移速度见图5,从中可见电极间隙各点的轴向电场强度在不同时刻的分布。电场强度最大值总是出现在流注头部。随着流注的发展,其头部电场强度不断增强,约从58 kV/cm增加到110 kV/cm,而流注通道中电场趋近于10~20 kV/cm。表示空间场强分布见图6,从中可见在外加电压为25 kV,峰值粒子密度为5×1012 cm-3,预电离密度为106 cm-3情况下,电子轴向漂移速度范围约为(0.2~4.2)×105 m/s,且在不同时刻不同位置的电子漂移速度也不相同。
仿真结果可见,在阴极附近放置初始等离子体时, 电子在电场力作用下向阳极漂移运动,由于电子的漂移速度大于正离子的漂移速度,滞留空间电荷畸变空间电场,使流注的头和尾部区域电离剧烈,导致更多的电子和正离子产生;这些空间电荷继续畸变空间电场,使流注等离子体通道向前发展,直至流注贯通整个电极间隙。
3 结论a. 所采用的流注流体模型及求解方法能够完整地仿真流注发展的微观过程,得到N2放电过程的流注形状、空间粒子分布、空间电场分布和电子漂移速度等微观参量。
b. 仿真结果表明,随着N2流注放电过程的发展,其头部电子密度、电场强度、电子漂移速度显著增加,而滞留在通道的空间电荷大大畸变空间电场,进一步促进了流注的发展,直至整个电极间隙形成等离子体通道。
参考文献
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放电特性 篇2
栅网与偏压对CHF3电子回旋共振放电等离子体特性的影响
研究了电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积系统中栅网的增加和栅网上施加+60V和-60V偏压对CHF3放电等离子体特性的影响.发现在低微波功率下栅网与偏压对等离子体中基团分布的影响较大,而高微波功率下的影响逐渐减小.这是由于低微波功率下等离子体中电子温度较低,基团的分布同时受栅网鞘电场和电子碰撞分解的`共同作用;而高微波功率下电子温度较高,栅网鞘电场的作用减弱,基团分布主要取决于电子碰撞分解作用.
作 者：叶超 杜伟 宁兆元 程珊华 作者单位：苏州大学物理系,苏州,215006刊 名：物理学报 ISTIC SCI PKU英文刊名：ACTA PHYSICA SINICA年，卷(期)：200352(7)分类号：O4关键词：电子回旋共振放电 CHF3分解 栅网 偏压
铅酸蓄电池放电特性研究 篇3
关键词：铅酸蓄电池,放电模型,试验研究,SOC
前言
近年来随着能源越来越枯竭以及人们对生存环境越来越重视,清洁新能源的需求变得更加迫不及待。传统内燃机汽车是能源消耗、环境污染的重要原因。许多国家和汽车企业都在向电动汽车方向加大政策扶持、资金投入,因此拥有能源利用率高、污染物排放少、噪音小等优点的电动汽车成为汽车工业发展的主要方向[1]。然而蓄电池作为电动汽车的动力源,决定着汽车的动力性和经济性的好坏。电动汽车使用的蓄电池有铅酸蓄电池和离子蓄电池等。考虑到铅酸蓄电池技术成熟、使用范围广、价格便宜等优点[2]。因此本文主要针对铅酸蓄电池进行研究,以提高其使用寿命和能量利用率。铅酸蓄电池的放电过程是影响电动汽车动力性、经济性的重要因素,本文主要通过铅酸蓄电池的放电试验研究其放电特性,以满足电动汽车的需求和蓄电池荷电状态的估计。
1、铅酸蓄电池的工作原理
铅酸蓄电池自从诞生至今已有一百多年的历史,一直在蓄电池市场占据重要地位。铅酸蓄电池具有使用寿命长,价格便宜,性能稳定,制作工艺成熟并且能够在不同环境下使用。因此是一直是电动汽车动力源的重要来源。
铅酸蓄电池主要由正极板、负极板、硫酸电解液及栅板等组成[3]。正极板上有活性物质PbO2,负极板上有活性物质Pb,电解液为H29O4水溶液。铅酸蓄电池放电过程中,负极板上的活性物质Pb与H2SO4水溶液反应产生电子,电子通过外电路运动到正极板,正极板上的活性物质PbO2与H2SO4水溶液发生电化学反应。放电过程中正负极上的活性物质不断消耗,电解液浓度不断下降,并且反应过程中不断产生难溶、不导电的PbSO4并附着在正负极活性物质上,放电电压随之下降。铅酸蓄电池放电过程的化学反应可表示为[4]:
2、铅酸蓄电池放电模型的建立
铅酸蓄电池放电特性是一个复杂的过程,蓄电池放电特性应该可以用蓄电池放电模型来反映。目前蓄电池放电特性的研究方法主要有:蓄电池内部活性物质的化学特性利用蓄电池放电的电化学理论来分析研究;蓄电池特性可根据其动态特性研究蓄电池的等效电路近似模拟。前者适用于蓄电池自身的研究开发;后者主要用于蓄电池使用方面的研究。本次试验通过等效电路来模拟建立蓄电池放电模型。根据现有资料,铅酸蓄电池模型主要有阻容模型、铅酸原理模型、内阻模型和神经网络模型等[5]。其中阻容模型结构简单、实用性强、能够比较真实的反映蓄电池特性[6]。其等效电路简图如图1所示,等价为物理模型。
铅酸蓄电池放电数学模型可以表示为:
该模型由EO理想电压源、R0欧姆内阻、Rr极化内阻、Cr等效电容和Ub外电压组成。模型中EO表示未放电时理想电压;Ub表示向外电路提供的电压;R0;R0表示蓄电池内部非线性内阻(主要由正负电极、栅板、电解质构成),主要影响因素是蓄电池电解液中H2SO4的浓度;极化电阻Rr(浓差极化内阻和电化学极化内阻)与等效电容Cr形成回路,极化电阻主要影响蓄电池电压。放电电流、放电深度越大极化电阻越大,蓄电池电压下降越多。因此Rr和Cr组成的回路影响铅酸蓄电池工况变化期间的过渡过程。该过渡过程可用蓄电池极化电压恢复时间常数ζ表示,与电池的使用周期有关,在实际应用中将其视为常量[2]。
3、铅酸蓄电池放电试验及结果分析
铅酸蓄电池放电试验是在环境温度25℃、不考虑蓄电池使用次数的前提下,在恒定放电电流工况下,以淄博明泰3D-240型蓄电池为研究对象,采用蓄电池充放电综合测试仪对铅酸蓄电池放电特性进行研究。
淄博明泰3D-240型蓄电池单体电压为6V,蓄电池容量为240AH,具体参数如表1所示。
蓄电池充放电综合测试仪如图2所示,该测试系统具有0-300A连续可调的恒流放电、智能充电功能,可以实时在线监测、显示测试数据,例如充放电电流、电池组电压、单个蓄电池电压、放电时间、容量。
使用蓄电池充放电综合测试仪对铅酸蓄电池进行不同倍率下的恒流放电试验。即30A、50A、70A、90A、110A、130A、150A、170A、200A。记录放电过程中蓄电池端电压与放电时间的数据,试验数据如图3所示。
由试验数据可知,在相同的试验条件下采用不同放电倍率,电流越大,放电电压下降越快,蓄电池容量越小。
由于铅酸蓄电池的放电电压v和放电时间s的试验数据在数量级上存在较大的差别,为了科学的对试验数据和试验结果总结,首先对试验得到的原始数据进行预处理,即归一化处理。具体处理过程如下所示。
式中:t为蓄电池放电t时刻;T为恒定电流下蓄电池整个放电时间;tg为归一化处理后t时刻对应的时间;V(t)为蓄电池放电过程t时刻对应的电压值;Vz为放电终止电压;V为蓄电池放电初始时电压;V(tg)为归一化处理后tg时刻对应的电压。
根据上述(3)、(4)归一化处理公式,对原始数据处理后,可以得到30A、50A、70A、恒电流放电的归一化曲线:
通过归一化散点图(图4)可以看出经归一化处理后不同恒流放电下蓄电池放电规律大体相同,具有很好的一致性。进一步研究表明,随放电模式、放电率、环境温度及放电终止电压等因素的变化对这种一致性的影响非常小[7,8,9,10]。并且可以预测出该型号蓄电池在不同放电率下的放电曲线,建立蓄电池的放电曲线库与归一化的曲线库。根据蓄电池放电电压V(t),计算出V(tg),通过归一化曲线得到归就化时间tg。
本试验为恒流放电,故蓄电池额定容量C可以表示为:
放电过程中蓄电池消耗电量Q表示为:
Ii为放电过程中的恒定电流;Ti为Ii恒定电流下的放电时间。
由tg得到(7)式SOC计算公式。
根据归一化处理后的数据,做出蓄电池端电压和SOC关系曲线图(图5)。
利用matlab最小二乘法求出蓄电池端电压与SOC的拟合关系式为:
通过拟合关系式就可以对蓄电池剩余电量进行估计,在电动汽车上使用时可以通过计算显示来提醒驾驶员汽车大概的续驶里程。
4、结论
(1)电动汽车在环境保护和能源利用等方面具有无可比拟的优势,但是蓄电池是制约电动汽车发展的重要因素,蓄电池放电特性直接关系着电动汽车的动力性和经济性,因此本文以试验数据为基础,对铅酸蓄电池放电特性开展研究。
(2)本文对铅酸蓄电池的放电原理进行总结,建立了铅酸蓄电池的放电模型。
(3)本文在环境温度25℃、不考虑蓄电池使用次数的前提下,在恒定放电电流工况下,以淄博明泰3D-240型蓄电池为研究对象,采用蓄电池充放电综合测试仪对铅酸蓄电池放电特性进行试验研究。获得蓄电池端电压与放电时间的关系数据。
(4)考虑到试验数据的差别,因此对试验数据进行归一化处理,拟合后获得蓄电池端电压与SOC的关系式。本论文的研究成果对于铅酸蓄电池剩余电量的估计、放电特性的进一步研究奠定了试验基础和理论模型。
参考文献
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放电特性 篇4
由于电负性气体SF6极强的灭弧能力, 被广泛应用于电力系统电气设备绝缘结构, 并且发挥了极强的绝缘性能。然而, 从大量GIS事故发现, 事故之前常常发生局部放电现象, 该现象是GIS绝缘强度降低的先兆, 因此研究GIS内缺陷引起的局部放电现象尤其重要, 为保证GIS安全稳定运行, 及时发现缺陷隐患具有重要的作用。
局部放电现象同时会伴随声、光、电、热等现象, 其中应用最广泛的是脉冲电流法、超声法和超高频法, 然而脉冲电流法由于在线运行GIS不适用, 超高频法由于硬件放大器设计和制作具有较高要求, 因而其性能一直受到限制。超声法是一种获取局部放电现象产生的超声信号分析缺陷类型的方法。由于变电站现场噪声较大, 大量局部放电信号淹没于噪声中, 很难获取有用信号, 因而也无法判断缺陷类型及其特性。而超声法是机械振动波法, 巧妙地避开了电磁干扰, 因而对GIS绝缘检测具有较好的优势。
以下介绍GIS典型缺陷模型, 通过超声法获取其缺陷超声信号, 并分析了GIS典型缺陷超声信号特性, 提出了超声信号连续谱图和相位谱图结合判别GIS缺陷类型的方法。
2 试验装置及电路
图1所示, GIS典型缺陷超声波实验和测量系统的原理图。图中K为开关, V为阻容分压器和H.V.为高压电源。试验装置由1:1真实220kVGIS罐体组成, 该罐体通过三个气室组成, 分别为高压套管气室、隔离开关气室和接地开关气室。所有的实验都在室温 (22℃) , 大气压 (748mmHg) 下和相对湿度为40-60%进行。本实验中采用的接触式压电超声波传感器 (中心频率为40kHz) 压贴在接地电极的表面, 且传感器表面涂覆耦合剂以防止超声信号的衰减。信号的采集采用AIA超声局放仪器。
3 GIS金属性缺陷模型
根据GIS内金属性缺陷类型, 文中设计了四种缺陷类型, 分别是高压导体上尖刺、悬浮电位、绝缘子上微粒和地电极上尖刺。在测量超声波信号时, 超声传感器紧贴GIS外壳, 采用的前置放大器为40dB。
4 GIS典型缺陷超声波特性
GIS内部缺陷在高场强下可产生局部放电现象。局部放电现象的检测采用的超声检测法。如图2 (a) 和 (b) 所示高压导体尖刺超声信号图谱和相位谱图 (电压89kV) , 其中图 (a) 所示连续谱显示频率成份1 (50Hz) 是0.45mV, 频率成份2 (100Hz) 是2.9mV, 说明局部放电具有低频和高频成份。从图 (b) 相位谱图可以看出高压尖刺缺陷大量脉冲群主要集中于90°和0°之间, 并未集中与90°附近, 说明高压尖刺模型一旦发生局部放电现象, 并且具有初始电子崩以及足够的电场强度, 会在电压正半周波形前部较低电压发生持续的局部放电现象。
如图3 (a) 和 (b) 所示悬浮电位超声信号连续和相位谱图。从图中可以看出, 电压等级虽然和高压尖刺模型相当 (85kV) , 但是悬浮电位产生的局部放电信号为2.2mV, 其信号较小, 并且连续谱显示频率成份1 (50Hz) 是0.08mV, 频率成份2 (100Hz) 是0.02mV, 均较小。从图4 (b) 相位谱图所示大量脉冲在电压较低的情况下, 首先从电压负半周开始出现, 而经典高压尖刺模型的首先在正半周出现超声脉冲。
如图4 (a) 和 (b) 分别是绝缘子上微粒超声信号连续和相位谱图。从图5 (a) 可以看出, 在电压 (95kV) 较高的情况下, 绝缘子上的微粒产生的超声信号连续谱图频率成份2为0.35mV, 频率成份1为0.17mV, 说明一次成份 (低频) 低于高频成份, 说明此超声信号群高频成份较多。从图5 (b) 中可以看出, 脉冲群主要集中于90°-180°和270°-360°之间, 与高压尖刺、悬浮电位模型不同, 脉冲群不是出现电压上升期间, 而是出现在电源电压下降过程, 这主要是绝缘子上的微粒畸变场强较严重, 无需较高的电压就可以产生满足局部放电现象的场强;并且由于电源电压上升阶段电子产生数量较少, 且绝缘子在电压正向时具有一定电荷积聚能力, 电荷不易在高场强下释放, 因此在电压下降阶段, 电荷积累较多且场强较高的情况下产生局部放电现象。
图5 (a) 和 (b) 所示, 分别是地电极尖刺超声信号连续和相位谱图。从连续谱图看出, 地电极76kV情况下, 频率成份1是0.06mV, 频率成份2是0.26mV, 说明悬浮电位和地电极尖刺模型类似, 高频率成份比低频成份幅值高。从相位谱图可以看出, 低电极尖刺脉冲群大量主要90°和270°附近, 与高压电极尖刺模型类似。
5 结论
综上所述, 提出了基于连续模式和相位谱图分析GIS缺陷类型的方法。超声实验数据表明:高压尖刺和悬浮电位的高频成份均低于低频成份;而绝缘子上的微粒和地电极尖刺模型高频成份均高于低频成份。高压尖刺模型和地电极尖刺模型所获取的超声信号幅值均大于绝缘上的微粒和悬浮电位模型。高压导体尖刺超声脉冲群主要集中于电压正半周上升沿和负半周下降沿;悬浮电位超声脉冲主要集中于电压负半周上升沿;绝缘子上的微粒超声信号主要集中于电压下降沿;地电极尖刺模型主要位于90°和270°附近。
摘要：介绍接触式超声测量系统, 研究了GIS典型缺陷局部放电超声信号特性, 并提出了基于局部放电连续谱图和相位谱图分析缺陷类型的方法。
参考文献
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放电特性 篇5
关键词：短间隙,短路放电,IEC安全火花试验装置,击穿特性
1 引言
IEC安全火花试验装置( IEC-SSTA) 是进行电路本质安全( 简称本安) 性能测试、评价及鉴定的标准设备,也是从事本安电路研究最基本的实验设备[1,2]。运动电极下的微间隙是该装置形成火花放电的重要组成部分,也是研究装置短路放电特性、揭示短路放电机理的关键性难点。
目前对于各种放电的研究多针对高电压长间隙开展[3,4,5]且多为仿真或实验研究[6,7],而关于低电压短间隙放电特性的研究较为罕见。IEC-SSTA的短路放电过程中,钨丝电极以一定的速率向镉盘电极靠近直至短路,极间距离在放电过程中逐渐变小直至为零。由于电极结构及短路方式的特殊性加之极间距较为微小,而且极间距在放电过程中不断变化,因此,该试验装置的短路放电过程较为复杂。
关于IEC-SSTA的短路放电过程多为定性描述或实验研究[1,8,9]。文献[8,9]对其短路放电机理进行了分析,认为该放电过程是以碰撞电离及电子雪崩为主要特征的气体放电,而这也是国内外本质安全研究领域相关专家学者的普遍共识[8,9,10]。然而,实验及理论分析均表明,IEC-SSTA的电容短路放电过程中间隙内的碰撞电离效应并不突出,碰撞电离并非其击穿放电的主导机制,阴极电子发射是其击穿放电的主导机制,该放电过程类似真空放电。而气体放电与真空放电有本质差别,其研究方法与侧重点也截然不同[10,11,12]。因此,研究IEC-SSTA的短路放电特性及机理,必须首先搞清楚该放电过程的击穿放电机理。
本文将针对该放电试验中的特定放电体系进行击穿特性分析及放电实验,研究气体介质对间隙击穿放电的影响。为深入研究IEC-SSTA的短路放电机理及特性分析奠定理论基础。
2 间隙及实验原理设计
IEC-SSTA的电容短路放电试验是一个复杂的动态放电过程: 密闭的容器内充满特定的气体介质( 如I类环境为( 8. 3 ± 0. 3) % 的室温常压甲烷空气混合气体) ,其中布置一对钨丝和镉盘电极,钨丝由电机驱动以约0. 25m/s的速率向旋转镉盘电极靠近直至短路,放电系统结构如图1 所示。
其中,HG= 8mm和RG= 15mm分别为镉盘的高度和半径,钨丝直径0. 2mm、长度LW= 11mm,钨丝与镉盘的间距为d,两者相交部分的长度w =1mm。
考虑到钨丝及镉盘电极微观表面的粗糙度,几百微米及以下量级的电极间距难以准确定位。为研究IEC-SSTA的电容短路放电击穿特性,针对室温1atm下不同浓度甲烷空气混合气体,可对几百微米~ 几毫米的短间隙击穿性能进行实验测试。
由于IEC-SSTA的试验电压规定不超过300V,而几毫米间隙的击穿电压应远高于300V,为避免损坏装置,可设计一密封室,其内布置与IEC-SSTA装置结构相似、间距可调的钨丝与镉盘电极系统,电极系统结构如图2 所示。
运用重新设计的电极系统进行击穿实验,具体实验方案如下。
用0. 5mm厚的高压绝缘胶带紧紧缠绕在镉盘的外侧圆柱面,使镉盘侧面上端距上平面约1mm的环带空白作为打火电极之一。将 Ф0. 2mm钨丝的自由长度由11mm延长至18mm,作为另一打火电极。首先对钨丝进行矫直,然后用粘性胶带将钨丝固定于镉盘外侧圆柱面的高压绝缘胶带上。调整高压绝缘胶带的缠绕层数便可改变钨丝与镉盘电极的放电间隙长度。
为减小采用游标卡尺测量绝缘胶带厚度时的误差,测量时在胶带的两面各垫上一定厚度( 如1mm厚) 的薄金属片,测量值减去2mm即为所测绝缘胶带的实际厚度。
在钨丝和镉盘电极两端施加直流可调电压,并在回路串联一微安表和1 ~ 2MΩ 电阻,调整直流电压,以使微安表指针突然摆动到100μA时的电压作为间隙击穿电压。设计的实验方法原理示意图如图3 所示。
其中U为直流可调电压源( 0 ~ 10k V) ,μA为直流微安表,R为限流电阻。密封室预留抽真空及进气口,室内电极由引出端与外电路相连。为提高实验安全性,在电路回路中串联一高压开关K。
3 间隙击穿试验方案及其分析
调整绝缘胶带的缠绕圈数改变间隙长度,将密封室抽真空后充入不同浓度的甲烷空气混合气体,可测出相应击穿电压。对于不同浓度甲烷空气混合气体,击穿电压与电极间距的关系曲线大致呈现马鞍形,即气体放电中典型击穿曲线———巴申曲线。说明室温一个大气压下,当电极间距大于几百微米时,不同浓度甲烷空气混合气体的击穿放电过程中,气体介质对击穿放电起主导作用,此放电过程符合气体放电的汤生理论,属于气体放电。
汤生理论认为,在均匀电场中,气体放电击穿主要由自由电子与气体分子碰撞电离以及正离子碰撞阴极而使其发射二次电子的 γ 过程共同作用的结果。其放电击穿曲线由巴申定律给出,即
式中,A = kσ/T,B = AUi为气体常数,其中k为玻尔兹曼常数,σ = πrB2为碰撞截面( rB为气体分子半径) ,Ui为气体电离电位,T为温度; p为气体压强; d为电极间距; γ 为第三碰撞电离系数。
将式( 1) 对pd取微分并令其等于零,可得
根据式( 1) 和式( 2) ,当pd = ( pd)min时击穿电压最小即Vbmin。气体放电的巴申曲线以( pd)min和Vbmin为界分为左半支和右半支,左半支随着pd值的减小击穿电压单调增大,而右半支随着pd值的增大击穿电压单调增大。其原因主要是: 随着pd值增大,空间粒子碰撞总次数增多,使碰撞电离的几率增大而有利于放电的发展; 另一方面,随着pd值的增大,吸附、复合等去电离因素明显加强,使得碰撞时电子能量损失增大,碰撞电离的几率减小,从而不利于放电的发展。对巴申曲线的左半支,前者起主导作用,而对其右半支,后者起主导作用,从而决定了巴申曲线为马鞍形。
根据上述分析可知,当间隙距离为几百微米~几毫米时,相同的温度与压强下,随着甲烷浓度的降低,巴申曲线的基本形状保持不变,即各混合气体的放电击穿特性均符合气体放电汤生理论的巴申定律,只是曲线整体往右、往上偏移,相应的Vbmin及其对应的d值增大。这主要是由于甲烷的电离电位较空气的电离电位低,随着混合气体中甲烷浓度的降低,混合气体的整体击穿电位增大,碰撞电离概率降低,因而表现为Vbmin及其对应的d值增大。
对于室温1atm下的8. 5% 甲烷空气混合气体,当间隙距离大于几百微米时,间隙击穿特性大致呈马鞍形曲线,符合气体放电巴申曲线的基本形状,说明此情形下的击穿放电以气体介质的碰撞电离为主导放电机制,属于气体放电的范畴。然而,在以碰撞电离为主导放电机制的气体放电范围内,最低击穿电压为数百伏,其所对应的间隙距离约为几毫米。
根据巴申定律可以推断,在临界击穿间距小于几百微米的左半支巴申曲线范围内,其击穿电压必然近千伏甚至更高。这是因为当气压保持1atm不变时,随着间隙距离的减小,总的碰撞次数及有效碰撞电离次数均较少,当间隙减少至几十或几百微米时,间隙距离已可与混合气体中电子碰撞的平均自由程相比拟,间隙内的总碰撞次数十分有限,有效碰撞电离次数极少,因而其临界击穿电压势必大大增加。
在临界击穿间距大于几毫米的右半支巴申曲线范围内,其击穿电压势必大于几千伏。这主要是由于随着间距的增大,碰撞时电子能量损失增大从而使电离碰撞减弱,不利于放电的发展,因此击穿电压增大。
IEC-SSTA所测试与研究的电路电压一般为几十伏,甚至几伏,可见,IEC-SSTA的短路放电过程在巴申定律的适用范围之外。这说明仅依赖空间游离电荷的碰撞电离及阴极的二次电子发射无法使该间隙发生击穿放电,即“雪崩”气体放电理论与实验现象不一致。
理论分析表明,气体压强一定的情况下,当电极间距太小或太大时,巴申定律已不再适用。显然,当电极电压为直流几十伏甚至几伏时,其临界击穿间距不可能大于几毫米,因此,该放电过程的临界击穿间距必小于几百微米。
一般认为,一定气压下当d太小时,击穿属于真空击穿。因为d太小,一方面,电子的平均自由程已可与间隙距离相比拟,在整个间距范围之内有效碰撞电离的概率极低; 另一方面,阴极表面场强达到一定数值时,会出现场致发射,破坏巴申曲线。
综上分析可知,IEC-SSTA的电容短路放电过程中,间隙中的碰撞电离效应并不突出,碰撞电离并非其击穿放电的主导机制,该放电过程类似真空放电,阴极电子发射才是其击穿放电的主导机制。
4 实验验证
为研究IEC-SSTA电容短路放电过程中气体介质对击穿放电的影响,运用IEC-SSTA在1atm的氧气、氢气、8. 5% 的甲烷空气混合气体及真空四种不同介质环境下进行了简单电容电路的短路放电实验,电容初始电压为18V,电容值为10μF,示波器测得各种介质环境下的典型放电波形,如图4 所示。
其中u、i、w分别为放电电压、电流及能量波形。从图4 可以看出,不同介质下的典型放电波形极为相似,均出现双峰形的放电电流波形及双台阶式的放电电压波形,即出现两次放电现象且两次放电间隔期间放电电压近似维持9V不变。分别测量两次放电持续时间及电流峰值、两次放电间隔持续时间及期间的电压等放电特征参量,计算各参量的统计平均值,结果表明描述放电特征的各参量统计平均值并无明显差异。
不同介质环境下( 包括真空) 的放电曲线特征参量良好的一致性,进一步表明气体介质对放电本身的影响可以忽略不计,这也说明基于该试验装置的电容短路放电过程属于真空放电范畴,而不属于气体放电范畴。
需要指出的是,由于O2具有强氧化性,易从周围气体介质中吸附电子,所以其击穿电压较高,并远高于H2的击穿电压[13],因此,若该放电过程中气体介质的影响不能忽略,O2、H2及CH4等气体环境下的放电特性应显著不同,而以上三种气体介质与真空条件下的放电特征则差异更大,这与图4 的实验结果明显相悖,从而说明IEC-SSTA的电容短路放电过程中,气体介质对放电的影响可以忽略不计。
综上所述,无论是从放电波形还是放电的特征参量来看,室温1atm下的氧气、氢气或8. 5% 的甲烷空气混合气体等三种介质下的放电特性与真空条件基本一致,说明IEC-SSTA的电容短路放电过程中,气体介质对放电的影响可忽略不计,该放电过程类似真空放电过程。
5 结论
对于室温1atm下不同浓度的甲烷空气混合气体,击穿电压与电极间距的关系曲线均呈现典型气体放电曲线马鞍形; 室温1atm下8. 5% 甲烷空气混合气体在几百微米~ 几毫米范围内的最低击穿电压远高于试验装置测试电路的工作电压。
IEC-SSTA的电容短路放电过程中,间隙中的碰撞电离效应并不突出,碰撞电离并非其击穿放电的主导机制,该放电过程类似真空放电,阴极电子发射是其击穿放电的主导机制。
放电特性 篇6
关键词：等离子体射流,能耗特性,功率,频率,占空比
流动控制技术是流体力学研究的前沿和热点,等离子流动控制发生器以其结构简单、响应迅速、工作频带宽等优点受到越来越多的关注。目前主要的等离子体发生器包括介质阻挡放电( DBD) 等离子体发生器、直流/准直流电弧放电等离子体发生器和等离子体合成射流发生器( 又称为火花放电式射流或脉冲等离子体射流发生器)[1—3]。
将等离子体合成射流运用于流动控制是一种新的基于等离子体气动激励的主动流动控制技术,这种射流发生器无需其他气源、附加增压等措施即可通过放电产生等离子体获得速度较高的射流[4]。
等离子体合成射流发生器一般由一个带有出气孔或缝的绝缘腔体和一对电极组成,腔内进行放电,放电过程产生等离子体并释放大量热量,使得腔内气体的温度和压力快速升高,从出气孔高速喷出,形成等离子体射流[5]。相比于其他用于流动控制的射流产生方式,等离子体合成射流具有其优势。首先,等离子体合成射流的瞬间速度可达到百米每秒[6]。其次,通过改变电参数,例如加载电源的频率和占空比等,可以实现对射流速度大小的调节,满足不同流场的需求。
为了将等离子体合成射流主动控制技术推向工程应用,特别是应用于飞行器[7],不仅需要对提高发生器的性能进行研究,还必须对其功率需求耗电特性进行研究。显然,能耗太大的等离子体合成射流发生器不符合节能原则。目前国内外对于DBD介质阻挡放电的能效和功率特性的研究方法一般有功率表法、瞬时功率曲线法和电压/电荷利萨如图形法[8]、PC放电功率在线测量系统等[9]。对于等离子体合成射流的功率特性国内外也有了一定的研究,主要集中在数值仿真方面[10,11]。
本文以一种在大气压常温状态下腔内火花放电为基础的等离子体合成射流发生器作为研究对象。在对该发生器进行实验的过程中,通过调节电源工作频率和占空比来改变发生器的工作状态,将功率计串联接入实验系统来检测放电回路的功率,并采用皮托管对射流速度进行测量,从而得出电源频率和占空比与等离子体合成射流之间的能耗关系,进一步分析射流速度与功率之间的关系。
1 实验系统
图1是火花放电等离子体射流实验系统。
实验系统包括自行研制的高压脉冲电源子系统、等离子体合成射流发生器、皮托管和功率表。
1. 1 火花放电电源子系统
火花放电等离子体射流实验系统中的电源子系统包括AC /AC调压器、高压脉冲电源、功率计和示波器。
AC / AC调压器对高压脉冲信号幅值进行调节。示波器( 型号为泰克DPO2012) 用于监测等离子体激励电源的频率和占空比; 功率计用于检测放电回路的功率; 高压脉冲电源电压调节范围0 ~ 50 k V,频率调节范围50 ~ 5 k Hz,占空比调节范围0% ~50% 。脉冲为方波信号。
1. 2 等离子体射流发生器
图2为研究对象火花放电等离子体射流发生器。发生器的腔体为外径8 mm,壁厚1 mm,长度30mm的玻璃管,两端插入导线接高压脉冲电源作为放电电极。腔体的射流出口接有一加速射流收缩喷嘴。喷嘴长10 mm,射流出口孔径1 mm。
进行实验时,电源加载电压增加到一定数值,击穿空气,阴阳两电极之间在玻璃管腔内产生电火花放电,腔内气体受热膨胀向外挤压,气体经过收缩段加速,在出口处形成高速射流。采用皮托管测速计测量射流的平均速度。
1. 3 能耗测量方法
在实验研究中采用功率计串联进实验电路中测量等离子体射流发生器的耗电量( 如图1所示) 。实验中采用型号UNT230C的功率计。其工作的额定电压为220 V/50 Hz,额定电流为10 A,最大量程为2 200 W; 可测量范围的电压为180 ~ 260 V,电流为0 ~ 10 A,功率为0. 1 ~ 2 200 W。
2 实验结果与分析
实验时对等离子体合成射流发生器加载高压脉冲电源,并将功率计串联入回路中测量放电功率( 以下简称功率) 的大小。未放电前,功率计接入回路时的初始功率为6 W。
实验时加载电压为25 k V,调节电源频率和占空比,获得不同的射流速度; 调节占空比在0% ~20% 之间,频率变化范围为50 ~ 250 Hz。
首先,对等离子体合成射流发生器保持加载电源占空比不变,调节电源频率,得到图3中的曲线。可以看出,在一定占空比的条件下,等离子体射流发生器的功率随电源频率的增大而减小。在100 ~150 Hz之间,随着电源频率增加,功率下降幅度较大; 在150 Hz之后功率随电源频率增大而减小的幅度逐渐减小。同时,在占空比较大的情况下,功率大小受频率变化的影响比较明显。
保持电源频率不变,调节占空比的大小,得到如图4的曲线。由图可以看出,在一定频率的条件下,功率随着电源占空比增大而增大。在占空比5% ~ 15% 之间,随占空比增大,功率增大的趋势比较平缓; 在占空比15% ~ 20% 之间,当占空比增大,功率增大的幅度明显增加。同时可以看出,频率较低的放电情况下,功率大小受占空比影响比较明显。
在保持加载电压相同的情况下,调节电源频率和占空比得到不同射流速度,所消耗的能量也不同,如图5所示。当射流速度较低时,功率随着射流速度的增大而增加; 但是在射流速度增大后,功率与射流速度之间的关系并非完全符合正相关关系。
射流速度大小受实验中电源的频率与占空比的影响较大,只有二者优化配合才能得到高速射流。功率与占空比成正相关关系,与频率成负相关关系,故射流速度大小与功率大小没有确定的相关关系。只有频率或占空比二者之中定量其中一个,才能判断射流大小与功率之间的关系。但总体而言,速度较高的射流对应的功率普遍高于射流速度较低的射流。
图 5 功率随射流速度变化趋势Fig. 5 Power on jet velocity change trend
3 结论
基于文中所述的腔体火花放电等离子体合成射流发生器,通过实验研究,得到了放电回路功率与电源频率、占空比和射流流速之间的关系。具体结论如下所述。
( 1) 放电回路的功率与电源的占空比呈正相关关系,而与电源的频率呈负相关关系。
( 2) 低频率工作状态,功率较易受占空比变化的影响。大占空比工作状态,功率较易受频率变化的影响。
( 3) 速度较高的射流对应功率普遍高于射流较低的射流,但是功率与射流速度大小之间没有一定的必然联系。只有频率或占空比二者之中定量其中一个,才能判断射流大小与功率之间的关系。
参考文献
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锂离子电池充放电特性的研究 篇7
锂离子电池因其端电压高、比能量大、充放电寿命长、放电性能稳定、自放电率低和无污染等优点[1,2]，得到了广泛的应用。锂离子电池的特性，一般是指锂离子单体电池的特性，如不同电流下的充放电特性、不同温度下的充放电特性等[3,4]。本文将电池在充放电过程中内阻的变化以及充放电容量也作为考虑因素，对锂离子电池的特性进行了研究。
2锂离子电池特性
试验选用的电池为SONY NP-510锂离子单体电池，电池正极主要成分为LiCoO2负极主要为C，正极系统反应方程式如式1所示;负极系统反应方程式如式2所示[5]。
整个电池系统的反应方程式如下式3所示。
单体电池电压为4.2V，容量为1.25Ah，工作电压范围为3.0-4.2V。在ZM-7103电池测试系统上对电池进行充放电。
2.1充电实脸设计
大电流恒流充电条件描述：
1. 室温;
2. 新的电池;
3.将电池放电至开路电压为3.0V;
4.以550mA大电流进行恒流充电，充电至电池电压为4.20V，然后转为恒压充电，到充电电流小于50mA为止。这样做的目的是为了分析恒压充电的实际意义。
2.2 放电试验设计
大电流恒流放电条件描述：
1.室温;
2.新的电池;
3. 完全充饱以后进行5 5 0 m A的恒流放电;
4.测量电池电压时,不关断放电回路,测量电池实际工作电压.携带放电电流对电压的影响。
当单体电池的最低端电压低于3.0V时，停止放电。
记录充放电过程中的相关数据。
3结果与讨论
3.1 充电性能
单体电池以550mA充电的曲线，如图1所示。
由图1可知：单体电池的电压在充电初期有较大上升，之后趋向平缓。在充电后期恒压充电阶段，电池电压保持不变，充电电流逐渐减小。按照编程表，550mA恒流充电，在电池电压达到4.20V以后转换成恒压充电。
3.2 放电性能
单体电池以550mA放电的曲线，如图2所示。
从图2可见：电池在恒流放电条件下的工作电压变化可分为3个阶段：(1)放电初期，电压下降较快;(2)之后放电曲线逐渐趋于平缓，进人“平台区”。这一阶段持续的时间与电压值、环境温度、放电倍率、电池的质量和寿命等有关;(3)放电末期，曲线有呈直线下降的趋势。
在常温下550mA恒流放电实验中，六只单体电池的端电压随电池SOC(荷电状态)变化的数据。以10%的容量间隔进行划分。如下表1所示。
锂离子电池的OCV(开路电压)在4.20V到3.90V之间下降斜率较快，在3.8 V前后有一个相对平缓的放电平台，在低于3.7V以后,电压随容量下降急剧降低到3.0V。通常情况下电池容量小于40%即认为应该重新充电。
综合考虑六只单体电池的充放电容量，如下表2所示：
通过对ZM-7103电池测试系统的测试曲线的分析可以得知，恒流充电阶段充入的容量为主要部分，而恒压充电阶段充入的容量为次要部分，计算恒压充电充入的容量的平均值，大约占充入总容量的13.6%，并且，综合考虑，恒压充电阶段的实际意义并不是很大，在本实验中恒压充电充入的总容量小于200mAh，平均用时1小时，而恒压充电充入100 mAh平均所用只用大约17分钟，剩下的时间所充入的容量不到100mAh，而且所用时间过长。
3.3 内阻与容量的关系
锂离子电池交流内阻使用ZM-3000E电池内阻测试仪测得。将电池不同SOC所对应的开路电压值所对应的交流内阻测得，并绘制如图3所示。
从图3可见：通过使用电池ZM-3000E电池内阻测试仪测得的电池的交流内阻随电池荷电状态的增大而增大。
4结束语
通过对电池充放电曲线以及相关数据的分析，我们得出了锂离子电池充电后期恒压充电阶段充入的容量所占总容量的比例很小，而且所用时间相对较长，充电效率很低的结论，所以应在编程表中对恒压充电阶段的充电时间进行限制;通过对电池不同SOC所对应的交流内阻的测量可知，电池交流内阻随电池荷电状态的增大而增大的结论。
摘要：本文通过对电池充放电曲线以及相关数据的分析,我们得出了锂离子电池充电后期恒压充电阶段所充入的容量所占总容量的比例很小,而且所用时间相对较长,充电效率很低的结论,所以应在编程表中对恒压充电阶段的充电时间进行限制;通过对电池不同SOC(电池荷电状态)所对应的交流内阻的测量可知,电池的交流内阻随电池荷电状态的增大而增大的结论。
关键词：锂离子电池,充放电特性,SOC(电池荷电状态),容量
参考文献
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放电特性 篇8
关键词：电力电容器,局部放电,主绝缘,试验模型
0 引言
电力电容器具有改善善电压分布、提高功率因数、降低输电损耗等重要功能,在电力系统中具有广泛的应用[1,2]。随着电力系统的迅速发展,电压等级不断提高,用户对电网参数的要求亦不断提高,对无功补偿设备的要求也越来越高[3,4]。虽然电力系统新型电能质量改善装置,如静止无功发生器(Static Var Generator,SVG、静止无功补偿装置(Static Var Compensator,SVC)等不断推出,但是电力电容器安装简单、维护方便、对环境要求低,因此在未来相当长的一段时间内,无论是在变电站还是用户侧,电力电容器依旧是电网电能质量调节的首选设备[5]。
在所有的电力设备中,电力电容器介质工作场强最高,由于电场分布不均匀易导致电容器内部某处场强过高而产生局部放电。电容器局部放电是引起电容器膨胀、早期损坏以及爆炸等故障的主要原因[6,7,8]。随着电力系统电压的提升,以及电容器介质材料聚丙烯薄膜的技术发展,每只电容器单元额定电压也越来越高,这对于电容器主绝缘(极对壳绝缘)局部放电性能要求也提出了更高的挑战。同时,局部放电特性的改善将进一步提升电力电容器运行寿命,进而提升电网运行的可靠性。近年来,部分学者采用超高频法、脉冲电流法等多种方法对电容器的局部放电特性进行了研究,并参考变压器的主绝缘设计对电容器的设计提出了指导[9,10]。但是,目前大部分电容器的局部放电特性研究多集中于局放测量、浸渍剂的研究.而对电容器主绝缘局部放电的原因分析及局部放电特性并未进行深入的研究。
本文选取某供电公司110 kV变电站运行的10 kV电力电容器单元,使用意大利Techimp公司研制的局部放电检测仪(PDCheck)对其主绝缘局部放电的放电波形和幅频特性进行了研究。将电容器主绝缘局部放电特性与典型模型指纹库进行比对,并基于目前常用电容器单元的生产工艺,对电力电容器主绝缘局部放电产生的主要原因进行分析。使用典型模型,保持主绝缘材料总厚度不变,对电力电容器主绝缘结构中不同膜纸比例的局部放电特性,包括局部放电起始电压(Partial Diseharge Inception Voltage,PDIV)、熄灭电压(Partial Discharge E×tinction Voltage,PDIV)、局部放电检测相位谱图和分类谱图、平均放电量、放电次数、频谱分布等进行了深入的研究。试验结果对电力电容器制造工艺以及主绝缘的设计提供了一定的理论参考和建议。
1 试验平台及试验方法
1.1 试验平台搭建
试验分为基于典型模型的局部放电试验和电力电容器单元的局部放电测试2部分,均在西安交通大学高压实验室的电磁屏蔽室中完成。试验平台由局部放电模拟系统和检测系统组成,如图1所示。
试验采用5 kVA,50 kV交流试验变压器作为试验电源。使用PDCherk及配套的高频耦合电流传感器检测局部放电信号,检测灵敏度可达1pC,同时采用Tek3012示波器对局放脉冲信号进行同步检测,进一步提高试验数据的可对比性。
1.2 试品
本试验分别对电力电容器单元和针-板模型进行局部放电特性的研究。电力电容器单元为某110 kV变电站运行的1台10 kV电容器单元。用于电容器主绝缘局部放电比对及定性研究的典型模型为针-板电极模型。针电极曲率半径0.25mm,板电极直径80mm,厚10mm,针板电极间距3mm。整个装置置于有机玻璃制成的带有真空泵接口的密封容器中,如图2(a)所示。
试品的绝缘介质为膜纸复合结构,由若干个相同的膜纸复合单元堆叠而成,每个复合单元由1层牛皮纸与若干层双向拉伸聚丙烯电容器薄膜(BiaxialOriented Polypropylene,BORP)组成,如图2(1))所示。试品浸泡在电容器绝缘油内并置于针板电极之间。
1.3 试验方法
试验前,需对试品进行烘干处理,首先将聚丙烯薄膜与纸置于80℃的真空环境下干燥48 h,去除介质内水分后,放入经过真空干燥过滤后的电容器油中,在80℃环境下再次真空浸渍48h,以保证试品能够充分吸油溶胀,减少试品中的杂质,尤其是水分对试验结果的影响。
利用PDCheck测量工频局放实时脉冲电流信号序列,并通过配套软件进行进—步统计分析。同时采用示波器共同对局部放电参数进行测量,包括PDIV,PDEV,平均放电量、典型谱图及脉冲频率等,进行对比和分析,以研究电容器主绝缘的局部放电特性为保证所有数据具有一定的可比性,除PDIV和PDEV外,其他参数均在局放起始电压下获得。
2 电容器主绝缘局部放电类型研究
电容器元件经过串并联组成电容器芯子,芯子外包绕若干层牛皮纸,再充电容器油形成了电容器单元的两极与外壳之间的主绝缘。所以,电容器主绝缘的局部放电主要发生在外包材料与电容器油组成的多层油纸混合绝缘系统中。近年来,随着电容器单元耐压水平的提高,部分制造企业在主绝缘的外包材料中增加少量聚丙烯薄膜以提高其绝缘性能。
2.1 脉冲时域分析
使用脉冲电流法分别对电容器主绝缘及针-板电极局部放电脉冲进行测量,获得脉冲幅值(A)与时间(t)的关系,如图3所示。从图3中可知,电容器主绝缘局部放电脉冲波形具有陡前沿窄脉宽的特性,其中波形上升时间在15ns内,而波形的半高宽时间在20 ns左右,在波尾处出现反向过冲及小幅振荡,并在500 ns内迅速完成衰减,相似的变化规律在图4(b)中也可以发现。同时,与现有典型局部放电的电信号及声信号指纹库[11]进行比对,电力电容器单元的主绝缘局部放电信号与针-板电极局部放电信号类似。
2.2 脉冲频域分析
试验得到电容器主绝缘局部放电和针-板电极的脉冲频谱如图4所示。
对2组局放频谱进行对比,虽然电容器主绝缘和针-板电极局部放电脉冲的频谱存在不同之处,但是二者的主要特征及参数具有较强的相似性,即高幅值的局部放电主要集中于20 MHz以下,幅值最高的频率均在10～15 MHz之间;随着频率升高,幅值呈明显衰减趋势。电容器主绝缘局部放电与针-板电极具有较强的相似性,分布上的部分差异可能是由于电容器内部更加复杂的结构引起的。
2.3 局部放电检测典型谱图
在局部放电起始电压下,分别对电容器主绝缘和针-板电极2 000次放电的局部放电检测相位谱图和分类谱图进行研究,如图5～图6所示。
从图5和图6可知,电容器主绝缘局部放电主要集中在交流电压峰值附近,呈现出典型的“驼峰”状,同时,大多数脉冲波形的等效频率集中于12 MHz附近,等效脉宽集中于100ns以下,与针-板模型放电集中的相位一致,等效频率和等效脉宽相当,局部放电特性具有较强的一致性。电容器局部放电出现的相位相对较宽,并存在部分脉冲宽度宽、分散性大的特点,这是由于电容器单元内部结构复杂引起的。
2.4 电容器主绝缘局部放电类型的确定
通过对电力电容器单元主绝缘局部放电特性的研究以及与典型模型的局部放电指纹库和相应特性试验比对发现,虽然受电容器内部结构相对复杂的影响,试验结果具有一定的分散性,但电容器主绝缘局部放电整体变化趋势以及典型特征与针-板模型极为相似。
根据目前常用的电力电容器结构以及制造工艺水平可知,电容器所使用的铝箔厚度最簿已经达到4.5μm,虽然经过折边处理但是仍然会形成相对尖锐的边缘;加之国内外绝大多数的电容器制造企业采用锡焊的方式连接电容器极板和出线,连接片的边角以及锡焊产生的毛刺都会成为诱发局部放电的重要因素,成为类似于针-板电极模型中的“针”。一个电容器单元中极板边长可达上百米,焊接工艺也会出现明显的差异,直接导致电容器主绝缘局部放电特性比典型模型具有较大的分散性。所以,对电容器生产工艺的改进,如铝箔激光切割、连接片倒角、自动焊接等,可以有效提升电容器主绝缘局部放电特性。
3 电容器主绝缘局部放电特性分析
基于2.1～2.3的比对结果,采用图2所示针-板模型对电容器主绝缘局部放电特性进行简化研究。保持针尖与极板之间的距离和绝缘介质总厚度不变,改变膜占比(BOPP膜厚度占总厚度的比例,P),研究BOPP膜占比对电容器主绝缘局部放电特性的影响。试验所使用的每层牛皮纸和BOPP膜厚度分别为50μm和10μm,试验用试品参数如表1所示。
3.1 PDIV和PDEV
采用均匀升压法,升压速率控制在0.5 kV/s,对不同膜占比试品的PDIV和PDEV值进行测量,并取5次测量数据的平均值,研究PDIV和PDEV与膜占比之间的关系,如图7所示。结果表明,通过增加电力电容器主绝缘材料中BOPP膜的含量,可以提高电容器主绝缘局部放电起始电压和熄灭电压,有效改善电容器主绝缘局部放电特性。这是由于聚丙烯、电容器油和油浸牛皮纸3种材质的介电常数和耐受场强等固有特性决定的。聚丙烯、电容器油和油浸牛皮纸的介电常数分别为2.2,2.4和4.5,同时电容器油的耐受场强最低,局部放电最先会发生在电容器油中。考虑到三者的损耗很小,在工频电压下,近似认为介质所承受的场强与介电常数成反比,所以随着BOPP膜占比的增加,电容器油所承受的场强降低,整个主绝缘系统的场强分布相对会更加均匀,进而PDIV和PDEV出现提升。
从图7中还可以看出,随着膜占比的升高,PDIV和PDEV差值逐渐增大,这一现象是由于BOPP薄膜的机械特性导致的。BOPP膜不具有牛皮纸挺阔的机械特点,同时其厚度只有牛皮纸的1/5,因此膜与膜之间的油隙比纸与纸之间的油隙更薄,导致油隙的吸气性减弱,局部放电产生的H2,CH4等气体不能很快地被周围的电容器油所吸收,进而导致局部放电更难熄灭,使PDIV与PDEV之间的差值变大。
3.2 平均放电量与放电次数
在局放起始电压下,对不同BOPP膜占比(P)的试品3 0 min内平均放电量(Q)及放电次数(N)进行研究,如图8所示。结果表明,在局放起始电压下,随着膜占比从0增加至100%时,试品30 min平均放电量由207 pC增加至397 pC,放电次数由189次减少至104次,当BOPP膜占比超过60%时,放电次数趋于稳定。这是由于随着BOPP膜占比的增加,其电场分布逐渐均匀,PDIV逐渐增高,单次放电所释放的能量升高,进而引起局部放电次数减少,放电量增加当电场强度分布达到一定的均匀程度时,对放电次数的影响不再明显。
3.3 局部放电检测典型谱图
对不同BOPP膜占比的2 000次放电的局部放电检测典型谱图进行分析,结果表明,不同膜占比的试品局部放电典型谱图均呈现出较好的一致性,选取膜占比P分别为37.5%和66.7%的试品,对其局部放电检测相位谱图和分类谱图进行深入研究,如图9和图10所示。
从图9和图10中可知,膜占比的变化对局部放电的相位和频率影响不明显,局部放电均集中发生于交流电压峰值处,放电脉冲波形等效频率均集中于11～12 MHz之间。
综上所述,提高膜占比可以有效提升电容器主绝缘的局放特性,但是同样厚度的BOPP膜的价格远高于牛皮纸,同时膜占比的增加会引起放电量的增加,所以在电容器生产和设计过程中,膜纸比例的选取需综合考虑电气特性及成本的关系,将BOPP膜的占比控制在一定范围内为最佳。
4 结论
(1)电容器主绝缘局部放电特性与针-板电极特性类似,可以采用针-板模型对电容器主绝缘局部放电特性进行定性研究
(2)铝箔虽然经过折边处理但仍然会形成尖锐的边缘,加之连接片的尖角以及焊接过程中产生的焊锡毛刺,是诱发电容器主绝缘局部放电的主要原因,通过生产工艺的改进,可以有效提升电容器主绝缘局部放电特性。
(3)提高电力电容器主绝缘材料中BOPP膜的占比,可以有效改善电容器主绝缘间电场分布,提升电力电容器主绝缘局部放电起始电压,减少局部放电次数。
(4)BOPP膜的使用在有效改善电容器局部放电特性的同时,会大幅提升产品造价,在生产和使用中需要根据现场使用需求,综合考虑电气特性与生产成本以及生产工艺之间的平衡。
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