液氮中微秒级脉冲下沿面放电路径的影响因素及其作用机理研究

For HTS electric equipments of transmission voltage grade, the methods on improving the surface flashover voltage of key dielectric part in liquid nitrogen should be studied specially. Concluded from the Related research results in Nitrogen environment and shown in preliminary experiments in liquid nitrogen, it is found that comparing other environments, the surface discharge paths under micro-second impulse in liquid nitrogen are more easier to deviate the solid dielectric and develop in liquid nitrogen. The breakdown voltage of liquid nitrogen is higher than surface flashover voltage of liquid nitrogen and solid dielectric interface. So the discovery provide method basis of designing the outside dielectric shapes suiting for liquid nitrogen. However, the design methods should started from the study on influence factors and its mechanism of surface discharge paths under micro-second impluse in liquid nitrogen. By experimental methods, the surface discharge paths of solid dielectrics in liquid nitrogen applied micro-second impulse under different surface electrical field distributions, different surface shapes of solid dielectrics and different liquid nitrogen pressures will be studied. Then the theory analysis and simulation calculation will be used to discuss the effecting factors and mechanisms of discharge arc path in liquid nitrogen, the formation and development characteristics of surface flashover gas layer will be explored and the developing model of discharge arc will be presented. Finally, the outside dielectric shape adapted in liquid nitrogen will be designed by comprehensively considering surface flashover voltage and mechanical property.

对输电电压等级的超导电力设备，需专门研究提高其关键绝缘部件在液氮环境中沿面闪络电压的方法。由氮气环境中的相关研究成果推断以及液氮中的前期实验表明，相对于其他环境，液氮环境中微秒级脉冲下沿面放电的路径更容易偏离固体电介质表面而在液氮中发展。液氮介质的击穿电压要高于液氮和固体电介质交界面的闪络电压，因而，这一发现为设计适用于液氮环境的外绝缘形状提供了方法基础，而该方法设计需从研究液氮中微秒级脉冲下放电电弧路径的影响因素及其作用机理着手。该项目拟采用实验的方法，研究液氮中微秒级脉冲下不同沿面电场分布、不同表面形状以及不同液氮压力下，固体电介质的沿面放电电弧路径；进而展开理论分析和仿真计算，探讨液氮中微秒级脉冲下沿面放电电弧路径的影响因素及作用机理，探索沿面闪络气化层的形成和发展特性，提出放电电弧的发展模型；综合考虑沿面闪络电压以及机械性能等因素，最终设计出适用于液氮环境的最优化外绝缘形状。

研制更高电压等级的高温超导电力装置，必须研究提高液氮中沿面闪络电压的方法。因而，需对液氮环境中微秒级脉冲下沿面闪络发展过程的机理和特性进行专门研究。. 本项目论证了环氧树脂（双酚A型）、尼龙（尼龙6）、聚四氟乙烯三种材料在液氮中的作为外绝缘材料的适用性及沿面放电特性。通过对液氮中微秒级脉冲下，不同沿面电场分布时，典型低温外绝缘材料沿面放电路径的实验研究，结合沿面闪络的相关理论研究成果，发现由于气化所需能量小，气化层缺少氧等电负性气体，流注通道内电子能量相对较低等原因，液氮环境中微秒级脉冲下固体电介质的沿面放电通道更易偏离固体绝缘材料的表面；影响其偏移率的主要因素是电极结构和固体绝缘表面形状，它们通过改变绝缘表面的垂直和平行电场分量来影响固体绝缘表面的二次电子发射系数，使之对电弧的牵引力发生改变；液氮压力对液氮中沿面放电的影响效果并不明显，液氮环境中沿面放电具有多通道同时发生的特点。设计了双45°圆台形凸起形状以提高其在液氮中的沿面放电电压，降低体击穿的概率。. 项目从液氮中沿面放电电弧路径的角度，进一步探索了液氮中沿面放电的机理和特性，扩展了固-液交界面沿面闪络理论的研究外延，解决了超导电力装置的外绝缘设计缺少理论依据和方法指导的难题。依托项目的研究工作，发表 IEEE 等SCI收录国际期刊论文 2 篇、已录用2篇；EI收录核心期刊论文 3 篇；获得省部级奖励2项。