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污秽绝缘沿面直流放电流注特性及电弧发展的能量平衡模型研究

作　者: 郭富胜
导　师: 司马文霞
学　校: 重庆大学
专　业: 电气工程
关键词: 污秽沿面放电直流流注电弧速度辐射闪络
分类号: TM852
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

污秽绝缘沿面放电涉及光、热和电等多学科领域，长期以来受到试验研究手段的制约，因此对于污秽沿面放电过程中局部电弧形成和发展的微观机制研究进展较为缓慢。与此同时，随着我国大容量、远距离特高压交直流输变电技术的大力发展，对电网安全性的要求更高，进一步从微观角度深入研究污秽绝缘沿面放电过程，对揭示复杂界面的放电机理和预防事故的发生都具有十分重要的学术意义和工程应用价值。然而对于污秽沿面放电的机理还存在较大争议，至今仍没有一个完善的理论体系可以合理解释试验中观察到的所有现象。由于沿面流注放电不容易被直观察觉，电弧头部流注的发展特性对局部电弧产生的影响并未引起足够的重视。同时，电弧是高致密等离子体，通过热传导和辐射电磁波向周围环境散发能量，电弧在发展过程中能量损失对于电弧发展的影响不可忽略。针对上述问题，结合不同的污秽绝缘沿面放电机理的观点，本文重点对局部电弧的形成和发展微观机制展开研究，为输电线路绝缘配合设计和制定防污闪措施提供理论支持。对局部电弧头部流注发展过程中的半径、速度和长度与流注电流和电弧头部热电离区温度的关系进行了研究。从等离子体物理学角度，分析了流注等离子体受到自身体积力的约束作用以及在稳定态上的受力平衡，并提出流注半径随流注中电流和压强变化的数学模型。将得到的流注半径带入流注速度表达式，得到污秽沿面流注的速度。根据气体放电理论，并考虑流注中的带电粒子主要是由电弧头部热电离产生并均匀分布在流注内，建立流注长度随流注电流和电弧头部热电离区温度变化的数学模型。基于镜像法和电子碰撞电离理论，分析了电弧向前发展所需的最小电场强度与污秽度的关系。同时考虑到周围气流的作用，并对电弧进行受力分析，提出一个电弧速度是电弧头部电场函数的数学计算模型。通过对沿水平放置的玻璃板上面发展的电弧头部切向电场进行仿真计算，得到电弧速度随电弧发展长度的关系。根据本文提出的电弧速度数学表达式，只需知道污秽度和绝缘板的长度，就能够预测出沿染污玻璃板表面任意位置处的电弧速度。基于电弧能量模型，提出了将电弧等效成为一个可以产生辐射的流体电阻的方法，揭示热辐射作用对电弧沿面发展的影响规律，从而建立了考虑辐射的电弧能量平衡模型。通过人工污秽试验对该模型进行验证，该模型与早期的模型相比能更准确的表征电弧的发展规律及其物理意义。与此同时，从能量平衡角度入手，提出了电弧辐射常数是辐射函数、灰体因数和温度四次方乘积的概念，并阐述了试验常数的选取依据。此外，基于气体分子动力学，建立了表征高海拔对电弧热传导和辐射影响的数学表达式，提出了高海拔下污秽平板闪络电压的修正模型，并通过试验进行验证。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-15
  1.1 问题的提出及研究的重要意义  9-10
  1.2 污秽沿面放电的国内外研究现状  10-13
  1.3 存在的问题  13-14
  1.4 论文研究的主要内容  14-15
2 直流局部电弧的产生及其头部流注特性  15-39
  2.1 引言  15-17
  2.2 影响局部电弧形成的因素  17-28
    2.2.1 污秽颗粒对电极尖端放电的影响  17-21
    2.2.2 绝缘面对带电粒子分布的影响  21-23
    2.2.3 绝缘面对电子碰撞温度的影响  23-25
    2.2.4 表面电荷积聚及流注的形成  25-27
    2.2.5 空气间隙连续先导放电的起始电压  27-28
  2.3 局部电弧产生的临界电压  28-29
  2.4 局部电弧头部流注特性  29-37
    2.4.1 流注和污秽层中电流的关系  30-32
    2.4.2 流注半径  32-35
    2.4.3 流注速度  35
    2.4.4 流注长度  35-37
  2.5 本章小结  37-39
3 流注长度对电弧头部电场的影响及电弧发展速度  39-63
  3.1 引言  39
  3.2 流注长度对电弧头部电场的影响  39-41
  3.3 局部电弧头部电场计算  41-55
    3.3.1 局部电弧发展的临界电场  41-44
    3.3.2 局部电弧头部电场实例计算  44-55
  3.4 局部电弧发展速度计算  55-61
    3.4.1 局部电弧受力分析  55-57
    3.4.2 局部电弧发展速度分析  57-61
  3.5 本章小结  61-63
4 电弧速度对辐射的影响及考虑辐射的污闪能量平衡模型  63-81
  4.1 引言  63-64
  4.2 电弧能量平衡的基本模型  64-65
  4.3 电弧速度对电弧辐射的影响  65-66
  4.4 考虑辐射的污闪能量平衡模型  66-73
    4.4.1 辐射对电弧特性的影响  66-67
    4.4.2 考虑辐射的污闪能量平衡模型  67-70
    4.4.3 实例计算及模型结果比较  70-73
  4.5 海拔高度对污闪能量平衡的影响  73-80
    4.5.1 海拔高度对热传导系数的影响  73-76
    4.5.2 海拔高度对电弧辐射的影响  76-79
    4.5.3 高海拔下污闪电压模型比较  79-80
  4.6 本章小结  80-81
5 平板模型直流污秽沿面放电的验证性试验  81-101
  5.1 引言  81
  5.2 试验方案  81-88
    5.2.1 试品  81
    5.2.2 试验装置  81-86
    5.2.3 试验程序及方法  86-88
  5.3 平板模型污秽沿面放电试验结果及分析  88-100
    5.3.1 电极附着污秽颗粒对初始放电的影响  88-90
    5.3.2 污秽沿面局部电弧发展速度测量  90-96
    5.3.3 污闪能量平衡模型验证  96-98
    5.3.4 海拔高度对临界闪络电压的影响  98-100
  5.4 本章小结  100-101
6 结论及展望  101-103
  6.1 结论  101-102
  6.2 未来工作展望  102-103
致谢  103-105
参考文献  105-113
附录  113
  A. 作者在攻读学位期间发表的主要论文目录  113
  B. 作者在攻读学位期间负责或参研的主要科研项目  113

污秽绝缘沿面直流放电流注特性及电弧发展的能量平衡模型研究

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