周期复杂电场下介质绝缘中空间电荷的直接检测及电荷输运特性研究

In this project, direct and dynamic detection of space charge in insulation under periodic stress of an arbitrary waveform is realized by modified the restriction of automatic equal phase shift (AEPS) principle. The optimizing principle of detection parameters and data processing method are also studied in order to simply the application. Based on detection system develop used AEPS principle , space charge characteristics of insulation is investigated under two typical electric fields with complex waveform, i.e. typical sinusoidal wave (sine electric field, sine superimposed DC electric field, and sine superimposed harmonic electric field) and typical square wave. Corresponding insulation sample are the oil-paper and polymer for the typical sinusoidal wave and typical square wave, respectively. The effect of wave parameters on space charge characteristics is studied by the direct detection of space charge under different electric fields with various amplitudes, frequencies, DC/ harmonic wave components, and rising/falling times. Combined with the analysis of the dielectric properties as well as the microstructures of insulation, the relations between which and the space charge characteristics could be investigated. The effects of nanoparticles on space charge characteristics under complex periodic electric fields is studied by filling nanoparticle. After the above studies, the charge transport mechanism and the model in insulation under such fields could be studied. Based on the works mentioned above, the investigation of the space charge suppression method and the condition assessment method under complex periodic electric fields could be realized. All the researches could provide technical and theoretical support to insulation material development, insulation equipment structure design and condition assessment used in high voltage transmission and distribution in our country.

本项目通过对AEPS自动均匀移相原理约束条件的修正、检测参数的优化设置原则和数据处理方法的研究，实现任意波形周期电场下，介质绝缘中空间电荷直接检测的理论和技术突破。在此基础上对电力设备中典型的正弦类（纯正弦、直流叠加和谐波）和方波类复杂电场下介质内的空间电荷进行研究，其中正弦类电场针对油/纸体系，方波电场针对聚合物体系：通过对不同幅值、频率、直流/谐波分量和上升/下降沿时间等参数时空间电荷的直接检测，研究波形参数对空间电荷的影响；结合介质性能和相关微观结构分析，研究空间电荷与介电性能和微观结构的关联；采用纳米颗粒填充技术，研究纳米颗粒对复杂周期电场下空间电荷特性的影响；在此基础上研究复杂周期电场下介质内部空间电荷的输运机理和模型；最后基于上述工作开展复杂周期电场下空间电荷抑制方法和绝缘评估方法研究，为我国高压输、配电设备的绝缘材料、设备绝缘结构设计和设备绝缘状态评估研究提供技术和理论支持。

从入陷、脱陷和复合等过程中形成的空间电荷积累与分布是定量分析交流电场下的电老化的一个非常重要的抓手。但是受空间电荷测量技术的限制，目前测量交变电场，尤其是高重复频率周期电场（包括具有快速上升沿的重复方波）的空间电荷的分布缺乏有效的手段，尤其是相位分辨率低是一个难以逾越的鸿沟。.本项目基于自动均分移相原理，在电声脉冲法测试技术的基础上，实现了高重复频率周期电场下的空间电荷分布的测量，相位分辨率达到了0.18°。为提高电声脉冲法的信噪比，分别采用二维和三维滤波的数据处理方法。其中三维滤波基于移动最小二乘法曲面拟合的点投影方式和基于高斯核的三维卷积滤波方法，在去除噪声的同时达到不牺牲数据细节特征的目的。.以换流变压器阀侧绕组中的油浸纸绝缘为对象，分别进行了工频交流以及直流和谐波叠加下的空间电荷分布、各种成分电场、老化程度等对空间电荷分布的动态变化过程进行了系统研究。针对高重复频率方波电场下的空间电荷分布的测量，主要是实现了方波电场下空间电荷直接检测的系统响应优化设计，研究了方波的重复频率、幅值、相位等对空间电荷分布的影响以及方波电场下的电荷输运特性，为高重复频率重复方波下的空间电荷分布的测量提供了技术支撑。.基于双极性载流子输运基本方程，研究了周期复杂电场下的电荷输运机理。针对周期电场中电场变化的特点，做了如下修正：（1）在电荷注入过程中，通过欧姆机制和肖特基机制的分段描述，解决了电场渐变过程的电荷注入连续性问题；（2）在电荷传导过程中，通过载流子的多迁移率的处理方式，解决了电场渐变过程的连续性问题；（3）在电荷的入陷与脱陷过程，采用多重分立能级深陷阱分布模型，解决了电场频率与深陷阱深度之间的匹配关系。在上述研究基础上，对周期电场下空间电荷的抑制以及绝缘老化的抑制以及状态评估进行了应用研究。.项目从总体上完成了资助计划书中设定的研究内容，在人才培养和学术论文等方面完成的设定的目标。