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山东大学李清泉团队宣布有关电力电子配备绝缘电荷特性的研讨总述

发布时间:2022-07-04 02:31:14 来源:环球体育娱乐APP

  本文经过对高压电力电子配备绝缘击穿与闪络影响机理的论说,提醒了脉冲电场下电荷行为对绝缘失效的重要效果,论述了脉冲电压参数对电荷特性影响的研讨进展,并对现在研讨存在的缺少进行了总结与评论。这些研讨成果的总结将为脉冲电压下电力电子配备绝缘资料和体系的优化规划供给参阅和理论指导。

  何东欣,1990年生,山东大学副教授、硕士生导师,当选山东大学青年学者“未来方案”,担任全球动力互联网大学联盟校园联络人。首要从事电气绝缘电荷特性与失效机理研讨。掌管国家自然科学基金青年项目和山东省严峻立异工程课题等项目,参加国家自然科学基金智能电网联合基金、国家电网公司总部项目等多项,宣布SCI、EI检索高质量期刊论文20余篇。荣获我国电工技能学会青工委突出贡献委员、优异组织奖和山东电机工程学会“五四”青年科技工作者等荣誉。

  李清泉,高电压与绝缘技能研讨所教授、博士生导师,山东省特高压输变电技能与配备要点试验室主任,山东大学电气工程学院副院长。首要研讨方向为高电压绝缘确诊技能、电力设备状况在线监测、高压测验技能和常压等离子体及使用。承当国家自然科学基金智能电网联合基金项目、面上项目、山东省要点基金、要点研发方案、国家电网、南方电网科技项目等50余项,宣布高水平学术论文80余篇。参加学术著作《高压组合电器》和《电力体系中的电磁兼容》的编写和翻译。获山东省科技前进一等奖1项、二等奖2项,我国电力科技前进二等奖1项。

  本文作者来自山东大学电气工程学院特高压输变电技能与配备学术团队,团队依托山东省特高压输变电技能与配备要点试验室、山东大学电气工程学院高电压与绝缘技能研讨所,首要的研讨范畴包含高电压绝缘确诊技能、电力设备状况在线监测、高压测验技能、高压复合绝缘放电特性、劣化机理及绝缘评价等。近年来,该团队承当了多项国家级、省部级以及电网企业的研讨项目。

  跟着特高压直流输电的开展和新动力发电并网规划的扩展,高压电力电子器材和配备在电力体系中占有越来越重要的位置。电力电子配备长时间处于高频、陡脉冲电压的运转工况下,其绝缘体系易发生前期失效,要挟电力体系运转的安全性和可靠性。其间,空间电荷动态行为是脉冲电场下电气绝缘前期失效的重要诱因。因而,为优化绝缘资料规划方案、提高电力电子配备可靠性,探求高频脉冲电压下电荷行为特性及绝缘劣化机理具有重要意义。

  开关器材的导通和关断引起电压骤变,会在器材自身、电力电子配备以及相连接的设备上发生高频、陡上升沿的脉冲电压及电流。一起,脉宽调制技能(Pulse Width Modulation, PWM)的广泛使用,使得现代电力电子配备接受具有快速上升沿和下降沿、较高幅值和重复频率的方波脉冲电压。如图1所示,高频变压器、换流变压器阀侧套管、高压电力电子器材均接受高频脉冲电压效果。

  研讨标明,相较于平等幅值的直流和沟通电压,脉冲电压下电气绝缘击穿寿数严峻缩短、电树枝开始电压大幅下降(如图2所示),气固绝缘界面的外表部分放电愈加重烈、闪络电压下降。经过对脉冲电压下电树枝特性、外表放电和闪络特性研讨现状的总结,厘清电荷行为与电气绝缘特性的相关联系。

  ①电树枝开始、击穿等特性首要取决于空间电荷行为。脉冲电场力加快电荷取得动能,碰击资料分子链,引发电离和发生电树枝;除此之外,在脉冲电压的鼓励效果下会引发被捕获的电荷脱陷,假如脱陷时间小于资料的几乎时间,所开释能量将导致化学键损坏而引发电树枝。

  ②外表电荷的堆集添加了初始电子发生的概率,促进了电子崩的构成与开展,有助于构成沿面放电及闪络。此外,快速改动电场发生较大磁场,增大电荷所受洛伦兹力,使电荷取得更高能量,高能电子的磕碰加重了对绝缘微观结构的损坏,导致电树枝开始和沿面闪络发生。

  不同脉冲参数对资料内部空间电荷特性的影响没有构成一致合理的理论解说,还需经过研讨得到较为遍及适用的整体规则以及理清不同绝缘资料间的差异,进而为绝缘资料的改善供给理论指导。

  大多数研讨仅重视了方波电压高电平和低电平电压稳定阶段的电荷稳态特性,缺少脉冲边缘时间电荷的动态行为探求。相较于脉冲电压下电荷稳态特性,脉冲边缘处电荷的动态行为对绝缘的损害更为严峻。可是,专门针对上升和下降沿处空间电荷动态特性的研讨较为缺少,亟需探求相关特性并阐释其内涵机理。

  跟着脉冲频率添加、上升时间缩短、占空比添加,外表电荷堆集增大。脉冲电压效果导致闪络后外表电荷极性发生改动,对外表电场的畸变效果愈加严峻,加快绝缘外表老化。可是,外表电荷较为老练的测量办法多为离线办法,可探究可以实时监测外表电荷的改动的新测验办法。

  因为电荷测验技能重复频率的约束,难以实现微秒等级乃至纳秒等级的电荷快速重复测验,尚无法直接取得在脉冲边缘时间的电荷动态行为,限制了脉冲电压下绝缘特性研讨的开展。

  作者盗匪课题组提出经过脉冲边缘前后电荷分布比照的思路,直接推导脉冲时间的电荷行为,研发脉冲触发控制电路,使电荷测验时间与上升沿和下降沿准确匹配,经过上升、下降沿前后电荷分布数据比照获悉电荷运动行为机制。

  开始发现脉冲边缘时间空间电荷改动现象,根据电荷受力剖析理论对该现象进行了解说。将将固体介质内空间电荷受力简化分为电场力和“资料应力”两类,从电荷受力平衡被打破的视点,对脉冲边缘时间的电荷运动行为进行了剖析与评论。

  ①脉冲电压下电力电子配备绝缘易于发生前期失效,其间电荷特性及动态行为是重要诱因。脉冲电压参数的改动改动了空间电荷及外表电荷的运动和堆集特性,进而对绝缘电气性能及寿数发生影响。

  ②脉冲边缘激起电荷状况骤变,经过脱陷开释能量、高能电子碰击和洛伦兹力等效果,加重损坏绝缘结构,因而脉冲时间电荷的动态改动行为研讨尤为重要。脉冲电压上升、下降沿处电场力骤变所导致的电荷所受合力发生改动是引发电荷发生入陷、脱陷、搬迁等行为的重要原因。

  ③跟着以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等宽禁带半导体资料的开展,开关器材的前进将发生更高频率、更陡斜率的脉冲电压,未来应探究习惯高频、陡脉冲电压下电荷测验技能,从试验现象、物理规则和数值模仿等各方面深化探究,从根本上提醒脉冲电压下绝缘前期失效机理。