污秽绝缘沿面直流放电流注特性及电弧发展能量平衡模型的研究

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1、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重庆大学博士学位论文学生姓名：郭富胜指导教师：司马文霞教授专业：电气工程学科门类：工学重庆大学电气工程学院二O一二年十月StudyontheStreamerCharacteristicsalongthePollutedInsulationSurfaceandtheDevelopmentArcEnergyBalanceModelunderDCVoltageAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’s

2、DegreeofEngineeringByGuoFushengSupervisedbyProf.SimaWenxiaSpeciality:ElectricalEngineeringCollegeofElectricalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaOctober2012中文摘要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，

3、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

4、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，

5、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

6、次方乘积的概念，并阐述了I重庆大学博士学位论文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。关键词：污秽沿面放电，直流，流注，电弧速度，辐射，闪络II英文摘要AbstractForthedischargealongthepollutedsurfaceinvolvedmanyfieldssuchaslight,heat,electricandsoon,anditisalsorestrictedbytheconditionofexperimentandtheoretica

7、lbasisforalongtime,theresearchonthemicrocosmicmechanismofthepartialarcformationanddevelopmenthavemadeaslowprogress.Atthesametime,withthevigorousdevelopmentofUHVtransmissiontechnologywiththecharacteristicsoflargecapacity,highefficiencyandlongd