CN104378898A - 大气条件下由绝缘子端部放电产生的等离子体的诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高压电力设备检测技术领域，尤其涉及一种大气条件下由绝缘子端部放电产生的等离子体的诊断方法。本发明是利用绝缘子的平板模型，对绝缘子运行方式加以模拟，使得气体放电形成的等离子体参数可控且位置固定，为实际诊断创造条件。本发明中绝缘子按爬电距离展开成平板模型，使得气体放电形成的等离子体参数可控且位置固定，为实际诊断创造条件。本发明适宜在高压电力设备检测技术领域推广和应用。

Description

大气条件下由绝缘子端部放电产生的等离子体的诊断方法

技术领域

本发明涉及高压电力设备检测技术领域，尤其涉及一种大气条件下由绝缘子端部放电产生的等离子体的诊断方法。

背景技术

等离子体诊断主要是通过各种光学、磁学、电学手段，对等离子体内部发生的物理、化学变化进行诊断和分析，其目的是为了确定等离子体中带电粒子的状态和特性，如电子和离子的密度和温度、电流和电磁场的空间与时间分布、各种输运、波动、辐射和不稳定性等运动状态，从而推断出等离子体的各种特性参数。由于绝缘子闪络过程中形成的等离子体状态具有不定性，为实际诊断造成困难。而电晕放电形成的等离子体，在空间分布上具有不确定性，且由运行条件的变化，其状态始终处于变化中。绝缘子沿面局部电弧放电形成的等离子体也有同样的问题，且出现位置的不固定，更加不利于诊断。

发明内容

为克服现有技术缺陷，本发明提供一种大气条件下由绝缘子端部放电产生的等离子体的诊断方法，其目的是使得气体放电形成的等离子体参数可控且位置固定，为实际诊断创造条件。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

大气条件下由绝缘子端部放电产生的等离子体的诊断方法，是利用绝缘子的平板模型，对绝缘子运行方式加以模拟，使得气体放电形成的等离子体参数可控且位置固定，为实际诊断创造条件；具体操作步骤如下：

(1)将绝缘子按爬电距离展开成平板模型：使平板的长度为爬电距离，宽度为各爬电距离对应处伞裙周长的一半；

(2)将绝缘子高压端选取一个电极，污层按三角形涂刷；电极与污层之间保留10mm–30mm的间隙以模拟干区，并作为电晕放电形成的等离子体的测试位置；

(3)选取距电极50mm–100mm处作为电弧测试位置；

(4)当电源合闸后，间隙首先被击穿，形成电晕放电，之后形成局部电弧，直至闪络；

(5)在加压过程中，利用探针或光谱分析，对平板模型形成的电晕放电等离子体及局部电弧等离子体进行诊断，获得数据；

(6)根据实际测量，此时测试区的电子温度为2.47eV。

所述的平板材质选用与试品绝缘子相同的硅橡胶。

所述的对平板模型形成的电晕放电等离子体及局部电弧等离子体进行诊断，采用朗缪尔探针法；将探针针尖固定在平板模型电极与污层之间干区中间位置处；外部加扫描电源7，通过示波器记录探针电压曲线和电流曲线，通过曲线拟合得到探针U-I曲线；为降低探针表面材料二次电子发射对试验精度的影响，选择探针针尖材料为硬度大、熔点高的钨丝；将针尖用导电环氧树脂胶粘在直径为2mm的玻璃绝缘管内壁上，玻璃管外绕100圈钨丝作为参考电极，参考电极与探针针尖间的电容为2nF；探针后面连接四个并联的LC谐振线圈，之后跟外部探针扫描电源相连；在探针的末端加上测量电路构成回路，该测量电路由电压表、电流表和可变电阻6组成，并记录探针两端电压和流过探针电流，可得到探针U-I曲线；将电压匀速升压38.162kV，绝缘子未闪络；停止升压，用探针测量测试位置等离子体团参数，可得到探针U-I曲线；借助于探针电压电流关系，确定等离子体的基本参数；

(1)等离子体空间电位φ_P、悬浮电位φ_f；

I＝0时电位值即为悬浮电位φ_f，此时电子电流与离子电流的大小相等但方向相反。若φ_f已知，则φ_P可由下式求得：

${\mathrm{\φ}}_P={\mathrm{\φ}}_f+\frac{\mathrm{\κ}{T}_e}{2e}\ln \left(\frac{2M}{\mathrm{\πm}}\right)---\left(1\right);$

(2)电子温度κT_e；

在过渡区，探针电流I_P与鞘层电场之间呈指数函数关系：

$I_P=I_e-I_i\≈I_e=I_{\mathrm{es}}\exp \left[\frac{e(V_B-{\mathrm{\φ}}_P)}{\mathrm{\κ}{T}_e}\right]\left(\mathrm{mA}\right)---\left(2\right);$

对式(4.4)两边取对数，得到：

$\mathrm{\κ}{T}_e=\frac{e(V_B-{\mathrm{\φ}}_P)}{\ln I_P-\ln I_{\mathrm{es}}}\left(\mathrm{eV}\right)---\left(3\right);$

因此，将U-I曲线取半对数，获得的lnI_P与U在过渡区内呈线性关系，由该直线斜率取倒数即可获得电子温度κT_e；

(3)电子密度n_e与离子密度n_i；

在饱和电子电流区，电子饱和电流I_es可由下式求出：

$I_{\mathrm{es}}=\frac{\mathrm{eA}{n}_e\stackrel{\‾}{u_e}}{4}=2.7\×{10}^{-9}{n}_{e}A\sqrt{\mathrm{\κ}{T}_e}\left(\mathrm{mA}\right)---\left(4\right);$

由此得到电子密度n_e为：

$n_e=\frac{3.7\×{10}^8{I}_{\mathrm{es}}}{A\sqrt{\mathrm{\κ}{T}_e}}\left({\mathrm{cm}}^{-3}\right)---\left(5\right);$

根据等离子体准电中性条件，有：

n_e≈n_i      (6)；

(4)电子能量分布函数(EEDF)；

由于过渡区内的探针电流(电子电流)为对电子能量分布函数的积分，故对测得的U-I曲线过渡区部分求微分，即可得到等离子体中电子的能量分布函数(EEDF)；根据实际测量，此时测试区的电子温度为2.47eV。

本发明的优点及应用效果是：

本发明中绝缘子按爬电距离展开成平板模型，使得气体放电形成的等离子体参数可控且位置固定，为实际诊断创造条件。本发明适宜在高压电力设备检测技术领域推广和应用。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明中绝缘子按爬电距离展开后的平板模型；

图2是本发明中朗缪尔探针法诊断的系统框图；

图3是本发明中典型探针U-I曲线图；

图4是本发明测试过程框图。

图中：电极1，电晕位置2，电弧测试位置3，污层4，探针5，可变电阻6，电源7。

具体实施方式

本发明是一种大气条件下由绝缘子端部放电产生的等离子体的诊断方法，是利用绝缘子的平板模型，对绝缘子运行方式加以模拟，使得气体放电形成的等离子体参数可控且位置固定，为实际诊断创造条件。

本发明方法的具体操作步骤如下：

1、将绝缘子按爬电距离展开成平板模型：使平板的长度为爬电距离，宽度为各爬电距离对应处伞裙周长的一半；

2、将绝缘子高压端选取一个电极，污层按三角形涂刷；电极与污层之间保留10mm–30mm的间隙以模拟干区，并作为电晕放电形成的等离子体的测试位置；

3、选取距电极50mm–100mm处作为电弧测试位置；

4、当电源合闸后，间隙首先被击穿，形成电晕放电，之后形成局部电弧，直至闪络。

5、在加压过程中，利用探针或光谱分析，对平板模型形成的电晕放电等离子体及局部电弧等离子体进行诊断，获得数据。

6、根据实际测量，此时测试区的电子温度为2.47eV。

实施例：

本发明在具体实施时，以某FXBW-66/100棒形悬式复合绝缘子为例进行说明。如图1所示，该绝缘子技术参数为结构高250mm，最小电弧距离180mm，最小公称爬电距离380mm。将绝缘子按爬电距离展开成平板模型的方法：长度为爬电距离，宽度为各爬电距离对应处伞裙周长的一半。由此，可将试品近似等效为一个矩形橡胶板，其长度为爬电距离380mm，长度为最大伞裙周长的一半251.2mm。平板材质选用与试品绝缘子相同的硅橡胶。试品模型示意图如图1所示，高压端选取一个直径为30mm铁制圆片作为电极1，污层4按图示三角形涂刷。电极1与污层4之间保留10mm的间隙以模拟干区，并作为放电形成的等离子体的测试位置也就是电晕位置2。选取距电极50mm处作为局部电弧测试位置也就是测试位置3。当电源合闸后，间隙首先被击穿，形成电晕放电，之后形成局部电弧。这样通过平板模型的模拟，为实际诊断测试创造了条件。

接下来以朗缪尔探针法为例，对平板模型形成的电晕放电等离子体及局部电弧等离子体进行诊断。如图2所示，将探针5针尖固定在平板模型电极与污层4之间干区中间位置处。由于电极附近有强电场，为防止其对针尖产生尖端放电，需确保探针针尖头部探出绝缘管的长度尽可能小。外部加扫描电源7，通过示波器记录探针电压曲线和电流曲线，通过曲线拟合得到探针U-I曲线。为降低探针5表面材料二次电子发射对试验精度的影响，选择探针针尖材料为硬度大、熔点高的钨丝，长度6mm，直径0.2mm。将针尖5用导电环氧树脂胶粘在直径为2mm的玻璃绝缘管内壁上，玻璃管外绕100圈钨丝作为参考电极，参考电极与探针针尖间的电容为2nF。探针后面连接四个并联的LC谐振线圈，之后跟外部探针扫描电源相连。如图2所示，在探针的末端加上测量电路构成回路，该测量电路由电压表、电流表和可变电阻6组成，并记录探针两端电压和流过探针电流，可得到探针U-I曲线。将电压匀速升压38.162kV，绝缘子未闪络。停止升压，用探针测量测试位置等离子体团参数，可得到探针U-I曲线。典型探针U-I曲线如图3所示。借助于探针电压电流关系，可以确定等离子体的基本参数：

(1)等离子体空间电位φ_P、悬浮电位φ_f；

I＝0时电位值即为悬浮电位φ_f，此时电子电流与离子电流的大小相等但方向相反。若φ_f已知，则φ_P可由下式求得：

${\mathrm{\φ}}_P={\mathrm{\φ}}_f+\frac{\mathrm{\κ}{T}_e}{2e}\ln \left(\frac{2M}{\mathrm{\πm}}\right)---\left(1\right);$

(2)电子温度κT_e；

在过渡区，探针电流I_P与鞘层电场之间呈指数函数关系：

$I_P=I_e-I_i\≈I_e=I_{\mathrm{es}}\exp \left[\frac{e(V_B-{\mathrm{\φ}}_P)}{\mathrm{\κ}{T}_e}\right]\left(\mathrm{mA}\right)---\left(2\right);$

对式(4.4)两边取对数，得到：

$\mathrm{\κ}{T}_e=\frac{e(V_B-{\mathrm{\φ}}_P)}{\ln I_P-\ln I_{\mathrm{es}}}\left(\mathrm{eV}\right)---\left(3\right);$

因此，将U-I曲线取半对数，获得的lnI_P与U在过渡区内呈线性关系，由该直线斜率取倒数即可获得电子温度κT_e。

(3)电子密度n_e与离子密度n_i；

在饱和电子电流区，电子饱和电流I_es可由下式求出：

$I_{\mathrm{es}}=\frac{\mathrm{eA}{n}_e\stackrel{\‾}{u_e}}{4}=2.7\×{10}^{-9}{n}_{e}A\sqrt{\mathrm{\κ}{T}_e}\left(\mathrm{mA}\right)---\left(4\right);$

由此得到电子密度n_e为：

$n_e=\frac{3.7\×{10}^8{I}_{\mathrm{es}}}{A\sqrt{\mathrm{\κ}{T}_e}}\left({\mathrm{cm}}^{-3}\right)---\left(5\right);$

根据等离子体准电中性条件，有：

n_e≈n_i       (6)；

(4)电子能量分布函数(EEDF)。

由于过渡区内的探针电流(电子电流)为对电子能量分布函数的积分，故对测得的U-I曲线过渡区部分求微分，即可得到等离子体中电子的能量分布函数(EEDF)。

根据实际测量，此时测试区的电子温度为2.47eV。

整个测试流程图如图4所示。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式，其他的任何为背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.大气条件下由绝缘子端部放电产生的等离子体的诊断方法，其特征在于：它是利用绝缘子的平板模型，对绝缘子运行方式加以模拟，使得气体放电形成的等离子体参数可控且位置固定，为实际诊断创造条件；

具体操作步骤如下：

(1)将绝缘子按爬电距离展开成平板模型：使平板的长度为爬电距离，宽度为各爬电距离对应处伞裙周长的一半；

(2)将绝缘子高压端选取一个电极，污层按三角形涂刷；电极与污层之间保留10mm–30mm的间隙以模拟干区，并作为电晕放电形成的等离子体的测试位置；

(3)选取距电极50mm–100mm处作为电弧测试位置；

(4)当电源合闸后，间隙首先被击穿，形成电晕放电，之后形成局部电弧，直至闪络；

(5)在加压过程中，利用探针或光谱分析，对平板模型形成的电晕放电等离子体及局部电弧等离子体进行诊断，获得数据；

(6)根据实际测量，此时测试区的电子温度为2.47eV。

2.根据权利要求1所述的大气条件下由绝缘子端部放电产生的等离子体的诊断方法，其特征在于：所述的平板材质选用与试品绝缘子相同的硅橡胶。

3.根据权利要求1所述的大气条件下由绝缘子端部放电产生的等离子体的诊断方法，其特征在于：所述的对平板模型形成的电晕放电等离子体及局部电弧等离子体进行诊断，采用朗缪尔探针法；将探针针尖固定在平板模型电极与污层之间干区中间位置处；外部加扫描电源(7)，通过示波器记录探针电压曲线和电流曲线，通过曲线拟合得到探针U-I曲线；为降低探针表面材料二次电子发射对试验精度的影响，选择探针针尖材料为硬度大、熔点高的钨丝；将针尖用导电环氧树脂胶粘在直径为2mm的玻璃绝缘管内壁上，玻璃管外绕100圈钨丝作为参考电极，参考电极与探针针尖间的电容为2nF；探针后面连接四个并联的LC谐振线圈，之后跟外部探针扫描电源相连；在探针的末端加上测量电路构成回路，该测量电路由电压表、电流表和可变电阻6组成，并记录探针两端电压和流过探针电流，可得到探针U-I曲线；将电压匀速升压38.162kV，绝缘子未闪络；停止升压，用探针测量测试位置等离子体团参数，可得到探针U-I曲线；借助于探针电压电流关系，确定等离子体的基本参数；

(1)等离子体空间电位φ_P、悬浮电位φ_f；

I＝0时电位值即为悬浮电位φ_f，此时电子电流与离子电流的大小相等但方向相反。若φ_f已知，则φ_P可由下式求得：

${\mathrm{\φ}}_P={\mathrm{\φ}}_f+\frac{\mathrm{\κ}{T}_e}{2e}\ln \left(\frac{2M}{\mathrm{\πm}}\right)---\left(1\right);$

(2)电子温度κT_e；

在过渡区，探针电流I_P与鞘层电场之间呈指数函数关系：

$I_P=I_e-I_i\≈I_e=I_{\mathrm{es}}\exp \left[\frac{e(V_B-{\mathrm{\φ}}_P)}{\mathrm{\κ}{T}_e}\right]\left(\mathrm{mA}\right)---\left(2\right);$

对式(4.4)两边取对数，得到：

$\mathrm{\κ}{T}_e=\frac{e(V_B-{\mathrm{\φ}}_P)}{\ln I_P-\ln I_{\mathrm{es}}}\left(\mathrm{eV}\right)---\left(3\right);$

因此，将U-I曲线取半对数，获得的lnI_P与U在过渡区内呈线性关系，由该直线斜率取倒数即可获得电子温度κT_e；

(3)电子密度n_e与离子密度n_i；

在饱和电子电流区，电子饱和电流I_es可由下式求出：

$I_{\mathrm{es}}=\frac{\mathrm{eA}{n}_e\stackrel{\‾}{u_e}}{4}=2.7\×{10}^{-9}{n}_{e}A\sqrt{\mathrm{\κ}{T}_e}\left(\mathrm{mA}\right)---\left(4\right);$

由此得到电子密度n_e为：

$n_e=\frac{3.7\×{10}^8{I}_{\mathrm{es}}}{A\sqrt{\mathrm{\κ}{T}_e}}\left({\mathrm{cm}}^{-3}\right)---\left(5\right);$

根据等离子体准电中性条件，有：

n_e≈n_i       (6)；

(4)电子能量分布函数(EEDF)；

由于过渡区内的探针电流(电子电流)为对电子能量分布函数的积分，故对测得的U-I曲线过渡区部分求微分，即可得到等离子体中电子的能量分布函数(EEDF)；

根据实际测量，此时测试区的电子温度为2.47eV。