高电压技术综合实验实验论文硕61任航

高电压技术综合实验论文电晕放电及沿面放电的机理及实验研究摘 要本文通过实验探究了极不均匀场中电晕放电以及强垂直和弱垂直电极布置下沿面放电的机理。首先，在电晕放电部分，本文将实验所得的电压及泄漏电流时域波形进行了详尽的理论分析以探究其机理。随后进行了泄漏电流的频谱分析，运用 FFT 以及三维频谱曲面的方法研究了电晕发展过程中的频谱变化及其机理。随后利用频域滤除基波分量的方式得到了滤波后的泄漏电流波形，并根据此波形与电压波形得到了电晕的伏安特性曲线，进而由此提出了一种电晕的非线性电路模型。就该模型的原理及建立方法进行了详尽分析，并通过模型仿真及与实际波形相对照说明其正确性。在沿面放电部分，本文首先详述了强垂直分量和弱垂直分量电场下交流及直流沿面放电的机理，并由此提出了三个高电压技术综合实验论文结论。随后通过实验验证了这三个结论并对实验中发现的一个新现象予以说明并运用电晕机理满意的解释了这一现象。关键词：电晕放电，频谱分析，器件造型，沿面目 录前 言 .5第一章 极 不 均 匀 场 中 间 隙 泄 漏 电 流 及 电 压 的 测 量 与 分 析 .60 引言 61 实验方案及步骤 61.1 实验方案 71.2 实验步骤 72 实验现象及结果 83 实验数据处理及分析 83.1 交流电晕 83.1.1 时域波形及分析 83.1.2 频谱分析 .12高电压技术综合实验论文3.1.3 电晕的器件造型 223.2 直流电晕 273.3 结论 .35第二章 沿 面 放 电 电 场 类 型 及 电 压 类 型 对 击穿 电 压 的 影 响 .350 引言 351 沿面放电的机理 .362 强垂直情况下的直流及交流闪络电压 .362.1 实验步骤 362.2 实验结果 373 直流情况下的强垂直及弱垂直闪络电压 .383.1 实验步骤 383.2 实验结果 383 沿面放电的温度分布图 383.1 实验步骤 393.2 实验结果及分析 394 结论 40参 考 文 献： .41附 录 .41高电压技术综合实验论文前 言电晕放电具有深厚的工程背景：高压输电线路中的并联电导损耗即指电晕损耗，GIS 局放监测与识别中一类很大的故障类型就是电晕放电。因此研究电晕放电具有较高的实用价值。本文在电晕放电部分首先根据实验测得的电压及泄漏电流分析了其时域特征并从机理上说明这些特征的原因。随后的泄漏电流频谱分析探讨了其频域特征。为了直观展示电晕发展过程中的频谱变化情况，本文采取了频谱的三次样条插值后的三维绘图，从而得到一个频谱曲面。通过此曲面发现某些谐波分量和电晕的一些特性（如起晕，出现脉冲电流等）有直接联系。尽管原理尚不清楚，但是可以应用这些谐波分量的变化判断电晕的某些特性是否出现。这一想法颇具创新性。最后，在频域内滤除基波分量后进行逆 FFT 得到滤除基波的泄高电压技术综合实验论文漏电流波形，它与电压一道成为了电晕器件造型的伏安特性曲线的基础。众所周知，电晕的电路模型长期以来仅停留在线性元件的层面。通过线性电阻和电容的串并联，人们试图找到模拟电晕伏安特性曲线的方法。本文先从电晕的机理上说明了其非线性本质，进而提出了一个新的非线性电晕的电路模型：线性电容与压控电阻的串联。其中电容值通过电压有效值和电流幅度谱基波有效值来确定，亚控电阻的伏安特性曲线则根据滤除基波的泄漏电流和电压关心通过最优平方逼近的方法得到。文章以尖板电极为例进行了模型建立，并通过仿真得到结果：利用模型所得泄漏电流波形和实测波形除去脉冲电流部分无法体现外，其余相差不大。在沿面放电部分，本文首先详细介绍了强垂直分量和弱垂直分量电场下的交流及直流沿面放电机理，并由此机理得到了三个结论, 即：1、强垂直交流闪络电压低于强垂直直流闪络电压。2、对于距离相同的强垂直分量与弱垂直分量电场结构，直流闪络电压很相近。3、强垂直交流情况下的电极附近温度要远高于其他情况下的电极附近温度。通过实验验证了以上三个现象属实，并且在实验中发现了一个新的现象，即：强垂直直流下，负极性闪络电压远高于正极性。最后运用电晕放电的机理解释了这一现象。第一章 极 不 均 匀 场 中 间 隙 泄 漏 电 流 及 电 压 的 测 量 与 分 析0 引言输电线路电晕放电是线路电导损耗的主要形式，它除了造成输送能量损失外，在雷电波来临时也可以使波形产生衰减和变形。从这个意义来说关于电晕的器件造型具有重要的意义。例如，如果能知道电晕的等值电路，即可预测电导损耗的大小及波形，对于雷电波的波形改变也可以计算得到。然而，电晕的伏安特性曲线不仅本身较为复杂，而且和很多因素有关，例高电压技术综合实验论文如电极形状，电极材料，空气性质等。因此精确地求解其等值电路的参数不仅难以实现，而且缺乏工程价值。故此已有的不少研究都关注于造型的方法及电路，而对电路元件参数的具体数值不予关心。但是在以往进行的电晕器件造型中所用电路元件均为线性元件，而没有进行非线性元件的尝试。本实验进行了电晕的一种新型器件造型，提出了一种实用的电晕非线性等值电路，并详细介绍了电晕造型的方法。另外，在GIS局放监测中电晕泄漏电流及其特征谱图是关注的重点。GIS内部的绝缘体或高压导体上如果存在针状突出物则会产生电晕放电，为了将其与其他放电类型（如悬浮电位放电和金属微粒放电）区分，研究电晕放电泄漏电流的特征具有重要意义 1。本实验通过对泄漏电流波形的测量和其 FFT变换结果分析，总结了电晕放电泄漏电流的特征，并从放电原理上做一解释。在FFT结果的基础上，本实验采用三维频谱曲面的方式直观的显示出了随着电晕的发展，泄漏电流各个频谱分量的变化情况，并将电晕发展的各个时期与某一谐波分量的变化联系起来，从而建立了一种通过研究某一谐波分量变化而推测电晕发展状态的方法。1 实验方案及步骤1.1 实验方案本实验基本电路图如图1所示，其中Rp为保护变压器绕组的水电阻，Rs为1个2 的采样电阻作为分流器，Osc代表一个双通道示波器，C1和C2 为两个电k容，共同构成一个电容分压器用以测量电压波形，而其有效值则通过静电电压表测得（未示于图中）。示波器双通道采集电压和电流的波形。图中的电极为尖-板，实验中尖- 尖的部分电路图与图1一致。当需要使用直流电压时电路图如图2，其中硅堆在图示位置处半波整流产生正极性直流电压，实验中需要负极性直流电压时只需改变硅堆方向即可。高电压技术综合实验论文市电C 1C 2R pR sO s c图1、交流电晕泄漏电流及电压测量电路图市电C 1C 2R pR sO s cDC 3图2、正极性直流电晕泄漏电流及电压测量电路图1.2 实验步骤首先按照以上二图所示接线，但两探头不连接至高压侧相应位置。加电压至间隙击穿，记录击穿电压，重复三次取平均值。然后连接两探头与示波器，加压最高不超过击穿电压的80%，观察现象并于几个不同的电压值记录波形和数据。2 实验现象及结果本实验在交流电压下记录了尖-板电极间距1.5cm以及尖-尖电极间距2.5cm时的电压及电流波形。大气条件为：温度（干）8 ， 相对湿度65% ， 大气压强97.5kPa. 本实验在直流电压下记录了负尖正板电极间距1.5cm，尖-尖电极间距3.5cm时的电压值及电流波形。大气条件为：温度（干）8 ， 相对湿度56% ， 大气压强98.2kPa. 高电压技术综合实验论文在交流电压下，放电现象为：电晕呈现淡蓝白色，稳定，且随着电压升高电晕区范围增大不甚明显。最终两电极间形成稳定的贯穿性电弧放电。在直流电压下，尖尖放电现象是：负极先出现电晕，但正极电晕出现后比负极明亮，且其区域比负极的大。负尖正板放电现象：开始加压后没有明显放电现象，但出现响声，且此时泄漏电流发生明显变化。响声变密后有可见电晕出现。正尖负板情况下电晕一旦出现立即放电，由于难以控制，因此为了保护仪器没有记录其泄漏电流。3 实验数据处理及分析3.1 交流电晕3.1.1 时域波形及分析对于尖板电极，电压逐渐升高，但未发生电晕时，泄漏电流很小，淹没于外界噪声内。（图 3-a）当电晕出现后，示波器出现可观测电流波形，它是一个畸变的正弦波。电压继续升高，泄漏电流幅值变大，且在电压的负极性区出现泄漏电流脉冲（图 3-b）。3-a 电压为小于 kV 时波形图高电压技术综合实验论文3-b 电压为 8kV 时波形图3-c 电压为 4kV 时波形图图 3、尖板交流电晕泄漏电流及电压波形图（蓝色为泄漏电流，黄色为电压波形）以上现象的解释如下：对于 50Hz 的交变电压，空间电荷的积累不能忽略。当电晕出现时（图 3-c），泄漏电流波形为成阶梯状的类正弦周期波，其中的“类周期”的原因是由于电极可以看做一个电容器，故空气中微弱的极化效应产生了位移电流，称为泄漏电流的一部分。而泄漏电流的阶梯状的原因是在稳定电晕的维持过程中存在着这样一个平衡的建立与被打破，再建立与再被打破的过程 2：外区（即弱电场区）的电荷与电极相反，它们的不断积累减弱了电极附近的电场，使电离停止。这将导致外区积聚的电荷继续向外扩散，进而导致电极附近电场增强，使得电离重新出现，这又会使得更多异号电荷进入外区，高电压技术综合实验论文使得电荷积聚。这一个循环的过程不断发生，导致了图 3-c 的现象。进一步地，我们可以从图中清晰的看到，在一个工频周期内，上述过程出现了 6 次，且每次持续时间基本相同。以上的过程可以称之为电极上电离的熄灭与重燃过程。当电压继续升高后，会出现电压负极性处的泄漏电流脉冲。原因有二: 首先，负极性电晕比正极性剧烈，因为负极性电极的附近内区（即电晕区）空间电荷作用使得电极附近电场增强，而对于正极性电极，其内区的空间电荷却减弱了电极附近电场。其次，当电晕电压较高时，电极的电离率会急剧增加，这导致有大团异号电荷从内区急速运动至外区进而运动到另一个极板。由于速度较快，上面所述的电离熄灭与重燃过程不能发生，因此便会出现非常陡的电流脉冲。另外，在这个大团电荷运动至另一极板的过程中，原先的外区空间电荷也运动到另一极板而消失，从而使得在脉冲电流消失后阶梯状波形的个数减小了，这因为重新建立外区电荷需要较长时间。对于尖尖电极，现象与尖板的情况基本一致，也会出现阶梯状类正弦波（4-a ），亦会在电压负极性处首先出现电流脉冲情况（4-b）。但是这一脉冲并不如尖尖的剧烈，这是因为同样电压下，极距 1.5cm 的尖板电极在尖处比极距 2.5cm 的尖尖电极在尖处的电场更强，从而导致上述的大团电荷从数量上来说前者比后者更多，因此脉冲也就幅值更大。另外，由于尖尖电极的结构中在任意时刻总是一个电极为正极性，另一个电极为负极性，而且此时的电极极性和该电极在在上半个工频周期内的极性是相反的，这将导致空间电荷积累较为复杂，对于电极附近电离的影响也难以分析。但是，有一点是可以肯定的，即在尖尖电极下，两极板的电场最终将趋于对称，在泄漏电流波形上这也有反映，即当电压较高时，电压的正负极性处均会出现电流脉冲情况（4-c）。高电压技术综合实验论文4-a 电压为 5kV 时波形图4-b 电压为 17.5kV 时波形图4-c 电压为 19kV 时波形图图 4、尖尖交流电晕泄漏电流及电压波形图（蓝色为泄漏电流，黄色为电压波形）3.1.2 频谱分析交流电晕的频谱分析具有极其重要的工程意义：首先，电晕电流频谱分量的确定可以作为设计高压输电线路电磁兼容的重要资料，即对于高压输电线路的无线电干扰进行预测。其次，通过研究逐渐加压的过程中频谱的变化情况可以对电晕放电的机理进行探究，并能对其放电电流特征进行确定，为 GIS 中局放检测与识别提供资料。最后，频谱计算的结果可以为滤除基波分量以便获得纯放电电流以及电晕模型的造型提供条件。高电压技术综合实验论文为了充分完成频谱分析的目的，本实验进行了 MATLAB 环境下的 FFT 频谱分析以及 3D 画图的编程，并形成了两个完整可靠的程序。其中，第一个程序输出三幅图和快速傅立叶变换后所得的幅度谱数据。第一幅图为电压电流的时域波形（黑色为电压，红色为电流），第二幅图为电流的幅度谱，第三幅图为滤去电流基波分量后所得的电流及电压幅度归一化后波形图。完整的程序见本文附录。运用本程序对极距 1.5cm 的尖板电极的泄漏电流以及电压分析可得以下结论：1、泄漏电流所含谐波分量极为丰富，图 5 示出了几个不同电压下的泄漏电流频谱。其中谐波分量可持续至 5kHz 以上，且频率较高时谐波幅值变化并不明显。这是因为电压负极性出现的脉冲电流的傅立叶变换就是一个充满整个频带的幅度一样的谱线。从数学角度来说，就是冲击函数的傅立叶变换结果是一个常数。5-a 电压为 11kV 时泄漏电流频谱图高电压技术综合实验论文5-b 电压为 14kV 时波形图5-c 电压为 8kV 时波形图图 5、尖板交流电晕泄漏电流频谱2、电压较低时，谐波成分主要是三次、五次及七次谐波，电压较高时谐波成分主要是二次及三次谐波，但是电压较低时的三次、五次及七次谐波小于电压较高时的三次、五次及七次谐波。如图 6 所示。这一现象的主要原因是，在电压较低时尚未形成脉冲电流，此时泄漏电流由于上文所述的电离熄灭与重燃过程而呈现出阶梯状，从而其谐波以奇次谐波为主。当电压较高，出现脉冲电流后，由于上文所述的空间电荷重新积聚需要高电压技术综合实验论文较多时间，因此阶梯减少，导致奇次谐波减弱较多。由于此时一个周期内阶梯仅剩两个，因此出现了二次和三次谐波。6-a 电压为 8kV 时泄漏电流频谱图6-b 电压为 11kV 时波形图高电压技术综合实验论文6-c 电压为 14kV 时波形图6-d 电压为 4kV 时波形图图 6、尖板交流电晕泄漏电流频谱低频区特征程序通过在频域内滤除基波分量达到滤除基波的目的，此频谱经过逆 FFT后的波形和电压波形共同画于一个图上。为了保证坐标统一，且此时并不关注波形的绝对值，因此经过归一化使得电压与电流波形在正负 1 之间。这一部分在下一节的器件造型中详细介绍。以上分析的只是单个频谱的特性，下面将通过三维曲面图将电压从小到大的过程中的频谱变化连续的体现出来，从而清晰观察到在电晕发展中何种频谱高电压技术综合实验论文分量发生了何种变化。这个三维曲面图的 xy 平面上 x 坐标代表频率，y 坐标代表电压。Z 坐标代表频谱的幅度。也就是说，频谱上的每一个 xz 截面都代表一个频谱，它对应于在该电压下泄漏电流的幅度谱。需要注意的是，为了去除幅值很大的基波对于绘图的影响，本三维图是在滤除基波分量的频谱上绘制的。本程序代码亦附于本文附录中。需要说明的是，由于实验只测量了几个孤立的电压处的频谱，且受限于示波器的采样率，频谱分辨率较低，导致频谱不够光滑。因此为了得到连续光滑的三维曲面，本实验采取了在电压坐标和频率坐标上进行三次样条插值从而获得更多点的方法。三次样条插值是采用分段的三次多项式对给定数据点进行插值，可以保证在差值点处函数的二阶导数连续 3 ,这在工程上是令人满意的。较广频域范围的三维频谱曲面图示于图 7. 可见随着电压升高，较高频率分量的幅值有上升的趋势，这个原因上文已经说明。图 7、尖板电极三维频谱曲面图为了观察低频区的谐波情况，将频率范围较窄的三维频谱曲面图画于图 8. 高电压技术综合实验论文图 8、尖板电极三维频谱曲面图（低频区）由图 8 进行如下分析：1、各个主要频率的变化将电晕放电过程分成了三个阶段：a、从开始起晕到出现脉冲电流，即 4kV7kV. b、脉冲电流幅值从小逐渐增大又逐渐减小，即7kV11kV. c、脉冲电流由小又逐渐变大，即 11kV14kV. 2、各个主要频率分量在三阶段的变化为：a、二次谐波在第一阶段幅值稳步上升，但速度较缓。在第二阶段随着脉冲电流幅值的增大与减小，二次谐波幅值亦先增大后减小。在第三个阶段随着脉冲电流幅值二次增大，二次谐波亦开始增大。可见。二次谐波的决定因素不止脉冲电流，但其仍可以较好的反应脉冲电流的变化。b、三次谐波仅在第三个阶段有明显上升，且其上升规律与 2次谐波相似。c 、6 次谐波仅在第二个阶段出现，并随着第二个阶段的结束而减弱。d、 8 次谐波在第一和第二阶段出现，且在其分界处，即出现脉冲电流时突然降至很低。因此可以用 8 次谐波的幅值变化来判断何时出现脉冲电流。f、直流分量随电压升高而逐渐增大，这是因为电压较高时电晕的外区积聚了更多电荷，导致其导电性增强。3、六次谐波处频谱在电压较小时为负值是采用的 3 次样条插值所致，并非程序错误。高电压技术综合实验论文利用上面描述的方法对交流极距 2.5cm 尖尖电晕也进行了分析，得到不同电压下频谱见图 9 及三维频谱曲面图见图 10 所示。9-a 电压为 5kV 时泄漏电流频谱图9-b 电压为 10kV 时波形图高电压技术综合实验论文9-c 电压为 12.5kV 时波形图9-d 电压为 15kV 时波形图高电压技术综合实验论文9-e 电压为 17.5kV 时波形图9-f 电压为 19kV 时波形图图 9、尖尖交流电晕泄漏电流频谱特征由图 9 可见，在电晕发展过程中，仅三次和五次谐波较为显著，且随着电晕电压升高，三次谐波分量增长，而五次谐波分量减少。另外此种情况下高次谐波分量较弱。谐波分量较为单一的原因有二：首先，此时电极较极距 1.5cm的尖板要均匀的多，因此出现的脉冲电流很微弱，以致高次谐波幅值很低。其次，此时由于两电极对称布置，故不存在尖板电极情况下一个工频周期内电压极性不同导致的泄漏电流波形差距较大的情况，故此时波形谐波分量较少。尖尖电极情况下的三维频谱曲面图绘于图 10. 此种情况下高频分量很少，而低频区的主要谐波为 3 次。图中 50Hz 左右以及三次谐波右侧的两个突起是采样率较低导致的频谱泄漏所致。高电压技术综合实验论文10-a 频谱范围较广时三维曲面图10-b 频谱范围较窄时三维曲面图图 10、尖尖交流电晕泄漏电流频谱三维曲面图高电压技术综合实验论文3.1.3 电晕的器件造型首先讨论一下电晕伏安特性的本质，进而说明电晕模型应具有非线性元件的必然性。两电极之间发生电晕时，可以将两电极之间的空间分为内区和外区。对于正尖负板，内区聚集着大量正电荷，削弱电极附近电场，增强了内区之外的电场，而外区聚集着一些负电荷。对于负尖正板，内区聚集着大量正电荷，增强电极附近电场，削弱了内区之外的电场，而外区聚集着一些负电荷。不同的尖的极性却对应着相同的一点，即外区与电极电荷极性相同且外区的自由电荷较内区要少得多。这也就意味着，外区上有几乎全部的电压降落，其内的载流子流动形成了泄漏电流的很重要的一部分。当电极间电压升高时，尽管内区和外区所占体积变化不大（其机理在前文中已经论述过），但外区会接受到更多的从电极电离产生的自由电荷，这使得外区内部的自由电荷增多。另外，外区上承受的压降增多使得外区内自由电子有更大的机会流向极板，从而导致泄漏电流进一步加大。由此可见，随着极板电压增高，电晕的等效电阻会发生变化，而且可知电流随电压的变化应该是超线性的。由于电晕电流随电压发生超线性变化，因此可以将电晕中的阻性分量等效为一个电压控制的非线性电阻 3。另外，电晕过程中由于两极板的存在必然产生较大的位移电流，这在频谱分析中清晰可见。因此本文提出一个包含非线性电阻的电晕等效模型：一个线性电容并联一个电压控制电阻。而相应的造型方法是：将通过示波器测得的泄漏电流数据进行 FFT 变换，根据基波幅值及电压幅值由公式 1 算出等效线性电容值。I CU（1）随后在频域内滤除基波并进行逆 FFT 得到滤波后的泄漏电流波形。根据此数据和电压数据画出伏安特性曲线并采用最小二乘法的方式进行函数逼近，从而得到一个 i 与 u 的多项式函数关系，这便是该压控型非线性电阻的伏安特性 i = g(u). 下面通过极距 1.5cm 的尖-板电极电晕造型说明具体的造型方法。首先对泄漏电流数据进行 FFT 并提取基波分量，画出基波电流与电压的关系如图 11 所示。高电压技术综合实验论文图 11、 验证电压与基波电流为线性关系图图中，蓝线为数据点直接相连所得，红线是用直线拟合结果。可见二者相差甚小，考虑测量误差及 FFT 过程中的频谱泄漏，可以认为基波电流与电压成线性关系，即可以认为电晕等效模型中的并联电容为线性的。画出电晕的器件造型，或称为等效电路如图 12 所示。R_varible+C_linearRs图 12、 电晕器件造型图 12 中的 C_linear 何 R_variable 的并联共同构成了电晕的等效模型，而Rs 代表实际电路中的采样电阻，电压从最上端的引线处施加。根据前文分析可知电压与基波电流近似成线性关系，因此可以利用拟合一次式的斜率代表 i/u，对于本实验，拟合一次式为 y=18.1423x 116.0294，考虑高电压技术综合实验论文到采样电阻阻值 2K，且电压标度为 kV，由此可得： . 根据3*210842/iu公式 1 计算可得 C_linear = 28.874nF. 下面进行压控电阻的参数计算。首先将电流进行基波滤除并画出实际的伏安特性曲线，如图 13 所示。图 13、 电晕滤除基波后的伏安特性曲线（U=14kV）可见伏安特性曲线分散性较大，且在电压的负半周靠近最低点附近出现一个电流脉冲。为了模拟此伏安特性，本实验采用了最优平方逼近的方法 3，得到了四次逼近函数，如图 12 中的红线所示。可见由于脉冲电流部分无法拟合，因此获得的电路模型无法实现脉冲电流部分的波形。利用上述方法对极距 1.5cm 的尖板电极的各个电压下测得的伏安特性曲线进行四次最优平方逼近函数拟合，得到图 14.高电压技术综合实验论文图 14、 电晕伏安特性曲线拟合曲线比较（U=10，11，12 ，13， 14kV）图 14 显示，尽管电压不同，但拟合函数差距不大，且电压越小，差距越小。因此可以认为这样拟合具有说服力。取拟合函数为: y = 17.4197x4 116.3176x3 + 27.2308x2 + 48.078x 2.2931. 将 y=i