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Phase field model for electric-thermal coupled discharge breakdown of polyimide nanocomposites under high frequency electrical stress

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Plasma Science and Technology 2024年第2期26卷 114-124页

作者：韩智云李庆民李俊科王梦溪任瀚文邹亮 State Key Lab of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power UniversityBeijing 102206People's Republic of China School of Electrical Engineering Shandong UniversityJinan 250061People's Republic of China

In contrast to conventional transformers, power electronic transformers, as an integral component of new energy power system, are often subjected to high-frequency and transient electrical stresses, leading to heightened concerns regarding insulation failures. Meanwhile, the underlying mechanism behind discharge breakdown failure and nanofiller enhancement under high-frequency electrical stress remains unclear. An electric-thermal coupled discharge breakdown phase field model was constructed to study the evolution of the breakdown path in polyimide nanocomposite insulation subjected to high-frequency stress. The investigation focused on analyzing the effect of various factors, including frequency, temperature, and nanofiller shape, on the breakdown path of Polyimide(PI) composites. Additionally, it elucidated the enhancement mechanism of nano-modified composite insulation at the mesoscopic scale. The results indicated that with increasing frequency and temperature, the discharge breakdown path demonstrates accelerated development, accompanied by a gradual dominance of Joule heat energy. This enhancement is attributed to the dispersed electric field distribution and the hindering effect of the nanosheets. The research findings offer a theoretical foundation and methodological framework to inform the optimal design and performance management of new insulating materials utilized in high-frequency power equipment.

关键词： dielectric discharge breakdown high frequency power electronic transformer polyimide nanocomposites phase field model

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GIL支柱绝缘子嵌件-环氧界面缺陷演化过程与放电脆裂机制

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高电压技术 2024年第1期50卷 359-369页

作者：刘智鹏魏来李庆民薛乃凡胡琦华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室北京102206 江西省电力有限公司南昌330000

交流GIS/GIL支柱绝缘子在生产、运行过程中其金属嵌件-环氧界面容易引入气隙缺陷,被认为是导致支柱绝缘子炸裂击穿故障的重要诱因。通过设计带有气隙缺陷的支柱绝缘子并搭建炸裂模拟实验平台,研究了绝缘子嵌件-环氧界面缺陷演化与炸裂... 详细信息

交流GIS/GIL支柱绝缘子在生产、运行过程中其金属嵌件-环氧界面容易引入气隙缺陷,被认为是导致支柱绝缘子炸裂击穿故障的重要诱因。通过设计带有气隙缺陷的支柱绝缘子并搭建炸裂模拟实验平台,研究了绝缘子嵌件-环氧界面缺陷演化与炸裂过程。基于实验研究结果,将支柱绝缘子炸裂过程分为3个特征阶段:裂纹产生与扩展阶段、断裂阶段、炸裂阶段,气隙缺陷引发的局部放电会诱导裂纹的产生与劣化扩展,导致绝缘子在极短的时间内快速断裂并在多次高能电弧冲击下炸裂,呈现脆性断裂的特征。同时,通过实验分析了影响支柱绝缘子炸裂的关键因素,直流电压下绝缘子的炸裂概率比交流电压低10%~20%。进一步构建了电-机械耦合作用下的裂纹扩展相场仿真模型,分析了支柱绝缘子不同炸裂阶段的主导机制。在裂纹的产生与扩展阶段,电势能起到主要作用;在断裂阶段,电势能的作用逐渐减弱,机械势能逐渐增大并起到主导作用,当机械势能达到材料应力临界点时,绝缘子发生脆性炸裂。该研究成果初步揭示了支柱绝缘子气隙缺陷引发的放电脆裂机制,为支柱绝缘子的故障分析及优化设计提供理论基础。

关键词：支柱绝缘子放电脆裂界面缺陷缺陷演化相场仿真

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平板电极下微米级粉尘弥散浓度探测方法与时空演化特性分析

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电工技术学报 2024年第7期39卷 2132-2142页

作者：薛乃凡魏来李庆民王媛杨睿成北京市高电压与电磁兼容重点实验室(华北电力大学) 北京102206 新能源电力系统全国重点实验室(华北电力大学) 北京102206

气体绝缘全封闭组合电器/气体绝缘金属封闭输电线路(GIS/GIL)在生产、运行和维护过程中会不可避免地产生微米级粉尘,可能是诱发工程现场不明放电的根本原因。为检测微米级粉尘弥散浓度并研究浓度的时空演化特性,该文分析了10000目、200... 详细信息

气体绝缘全封闭组合电器/气体绝缘金属封闭输电线路(GIS/GIL)在生产、运行和维护过程中会不可避免地产生微米级粉尘,可能是诱发工程现场不明放电的根本原因。为检测微米级粉尘弥散浓度并研究浓度的时空演化特性,该文分析了10000目、2000目和1000目粉尘的光散射特性,在此基础上设计并搭建了基于平板电极的粉尘浓度探测平台,实现了粉尘弥散浓度的定量探测。通过实验研究,获得了在升压过程和持续加压下,不同粒径、不同初始质量微米级粉尘的弥散浓度演化规律。研究表明,随着电压作用时间的增加,粉尘浓度快速出现最大值,然后逐渐下降。微米级粉尘弥散浓度在升压过程中会出现峰值现象,当粉尘粒径减小或初始质量增大时,均出现更大的浓度峰值。在粉尘运动过程中,存在团聚启举的特殊现象,造成严重的电场畸变,威胁气隙绝缘安全。该文结果阐释了微米级金属粉尘弥散浓度的时空演化规律,可为GIS/GIL等电气设备中微米级金属污染物的监测和危险程度评估提供支撑。

关键词：微米级粉尘光散射法浓度检测弥散特性时空演化

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直流GIS/GIL中线形金属微粒群飞萤运动现象与危险程度评估

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中国电机工程学报 2024年第15期44卷 6219-6228,I0032页

作者：胡智莹魏来耿秋钰王健李庆民常亚楠新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京市昌平区102206 北京市高电压与电磁兼容重点实验室(华北电力大学) 北京市昌平区102206

直流GIS/GIL中金属微粒群的存在严重威胁设备的绝缘性能,其中线形微粒会发生“飞萤运动”。为厘清线形微粒群飞萤运动机制,该文搭建飞萤运动观测平台,获得线形微粒群的运动特性。进一步,建立微粒群荷电运动模型,实现线形微粒群飞萤运动... 详细信息

直流GIS/GIL中金属微粒群的存在严重威胁设备的绝缘性能,其中线形微粒会发生“飞萤运动”。为厘清线形微粒群飞萤运动机制,该文搭建飞萤运动观测平台,获得线形微粒群的运动特性。进一步,建立微粒群荷电运动模型,实现线形微粒群飞萤运动的动态模拟。研究表明,微粒群飞萤起始电压与微粒数量呈负相关,且随微粒直径的增加而增大,随微粒长度的增大而减小,叠放状态下微粒群的启举电压减小,但飞萤起始电压不受微粒初始状态的影响;相较于单微粒,微粒间库仑力、空间电荷与场强的变化使得线形微粒群存在一系列不规则悬浮与随机跨越运动。微粒群飞萤显著降低了设备耐电强度,基于微粒的气隙击穿效应对线形微粒群运动行为进行危险程度评估。具体结果表明,对于飞萤的线形微粒群,地电极单微粒飞萤的危险程度最低,高压电极单微粒飞萤与静止微粒飞萤时危险程度较高,微粒绕飞时危险程度最高。该研究在抑制微粒群飞萤运动方面为设备的主绝缘设计提供一定参考依据。

关键词： GIS/GIL 线形微粒群运动特性飞萤机制危险程度评估

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高导热氮化铝/环氧树脂复合材料的高频沿面放电特性

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中国电机工程学报 2024年第13期44卷 5374-5385,I0030页

作者：解曾祺韩耀萱李志辉任瀚文李庆民王忠东新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京市昌平区102206 埃克塞特大学数学与物理工程学院英国埃克塞特EX44QJ

环氧树脂(epoxy resin,EP)因其优异的绝缘性能被用作高频变压器的主绝缘材料,但受限于材料的散热能力在强电-热耦合应力下容易发生沿面放电,采用三维导热网络法进行改性是有效的解决方案。该文采用硅烷偶联剂接枝改性氮化铝颗粒,分别制... 详细信息

环氧树脂(epoxy resin,EP)因其优异的绝缘性能被用作高频变压器的主绝缘材料,但受限于材料的散热能力在强电-热耦合应力下容易发生沿面放电,采用三维导热网络法进行改性是有效的解决方案。该文采用硅烷偶联剂接枝改性氮化铝颗粒,分别制备填料随机分布与含导热网络的氮化铝/环氧树脂复合材料,与纯环氧树脂同时进行高频沿面绝缘特性与放电过程温度分布测试。实验结果表明,含氮化铝三维导热网络的EP复合材料可在提升高频绝缘性能的同时抑制材料表面的高频致热效应,在10kV/10kHz高频正弦电压下,相比于纯环氧树脂,总放电幅值从81.47V下降到了24.01V,放电后材料表面最大温升由145.9℃下降至117.6℃。进一步给出环氧复合材料的导热-绝缘协同提升机理:(1)导热网络结构在提供规整的热流传输通道的同时,抑制了填料与基体界面的电场畸变;(2)导热网络结构能显著提升表面浅陷阱密度,减少电荷脱陷的势垒,增强对放电的抑制作用;(3)在高频沿面放电过程中,f/K-AlN/EP自身导热率提升迅速,电导率提升缓慢,消散热量与抑制放电的趋势提升显著,提升了高频沿面放电寿命。

关键词：高频变压器氮化铝导热网络环氧树脂沿面放电

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交直流输电管道绝缘运行安全关键技术

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中国电机工程学报 2024年第4期44卷 1629-1648,I0032页

作者：李庆民薛乃凡王媛魏来杨睿成王健李玄王昌柱耿秋钰新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京市昌平区102206 北京市高电压与电磁兼容重点实验室(华北电力大学) 北京市昌平区102206

交直流输电管道具有电压等级高、电磁辐射小、敷设灵活性强等优势,在超特高压输电领域弥补了架空线路和电缆铺设的局限性,具有广泛应用前景。影响输电管道运行安全的首要因素是绝缘故障,而其中两大重要诱因是内部微粒的荷电运动和气固... 详细信息

交直流输电管道具有电压等级高、电磁辐射小、敷设灵活性强等优势,在超特高压输电领域弥补了架空线路和电缆铺设的局限性,具有广泛应用前景。影响输电管道运行安全的首要因素是绝缘故障,而其中两大重要诱因是内部微粒的荷电运动和气固界面的电荷积聚。该文系统化梳理国内外相关研究,包括微粒运动与电荷积聚的时空交互、微粒与电荷积聚耦合下的放电物理机制、绝缘子性能增强设计方法、微粒抑制技术等。在此基础上总结出亟待解决的两个关键难题以及需要攻克的技术瓶颈。针对荷电微纳粉尘随机动力学特性与其诱发微弱放电的物理机制,在测量基础上须突破粉尘可视化探测瓶颈,并发展粉尘动力学行为仿真方法,以及基于飞秒瞬态光谱特征的放电检测技术。针对基于电荷调控机制的主动式微粒活性抑制理论,须开发新型涂层材料的精准制备与稳定涂覆工艺,提出主动式微粒协同抑制方法,探索智能输电管道全生命周期数字孪生技术。上述问题的有效解决,可为提升交直流输电管道绝缘安全运行水平提供理论基础和技术支撑。

关键词：输电管道金属/非金属微粒电荷积聚界面绝缘增强设计微粒协同抑制

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GIS内微纳粉尘沿绝缘子界面吸附的时空动力学特性与团聚爆炸现象

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高电压技术 2024年

作者：薛乃凡李庆民王媛杨睿成杨宁张斐琛新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京市高电压与电磁兼容重点实验室(华北电力大学)

气体绝缘开关设备GIS是构建新能源电力系统不可或缺的物理支撑。近十年超/特高压放电故障统计分析表明，金属微粒与粉尘放电占比超过60%，现有特高频、超声传感等技术手段针对亚毫米及以上大尺寸微粒可以实现较好的在线监测，而随机性... 详细信息

气体绝缘开关设备GIS是构建新能源电力系统不可或缺的物理支撑。近十年超/特高压放电故障统计分析表明，金属微粒与粉尘放电占比超过60%，现有特高频、超声传感等技术手段针对亚毫米及以上大尺寸微粒可以实现较好的在线监测，而随机性高、隐蔽性强且必然存在的微纳粉尘由于无法被现有技术有效表征，极有可能是隐藏在背后的“安全杀手”。本文针对微纳粉尘检测难、机制复杂这一难题，搭建了适于观察且契合GIS运行实际的微纳粉尘吸附实验平台，发现微纳粉尘在电场中的吸附状态主要包括沿绝缘子界面的团聚式吸附与沿地电极方向的扩散式吸附，影响运动行为的关键因素包括微纳粉尘的初始位置、质量、材质以及外施电压；进一步厘清了吸附过程中的特殊物理现象，团聚式吸附会在环氧树脂绝缘子表面吸附形成微纳粉尘斑随着电压升高，微纳粉尘斑会“爆炸”形成环状粉尘晕、粉尘晕轮廓加深等不同于起举吸附的特殊物理现象，这类特殊物理现象被认为是诱导沿面闪络的必要条件。粉尘斑构成的局部短路区域与剧烈电场畸变被认为是微纳粉尘诱导沿面闪络的重要先导因素，最多可降低试验系统击穿电压达71%。本文针对微纳粉尘吸附动力学特性的研究可为提升交直流输电管道绝缘安全运行水平提供理论基础和技术支撑。

关键词： GIS 微纳粉尘吸附动力学行为沿面闪络团聚爆炸

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直流GIS/GIL内微纳粉尘弥散浓度分布特性及对气隙击穿强度的影响

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电工技术学报 2024年

作者：王媛杨睿成苏宝亮李玄薛乃凡李庆民新能源电力系统全国重点实验室(华北电力大学)

在气体绝缘全封闭组合电器/气体绝缘金属封闭输电线路（GIS/GIL）制造、运输、服役过程中，会不可避免地产生并积聚微米级及更小尺寸的金属粉尘，这种微小尺度的粉尘难以检测且其弥散运动特性呈现随机特征，是诱发气隙击穿的主要原因之... 详细信息

在气体绝缘全封闭组合电器/气体绝缘金属封闭输电线路（GIS/GIL）制造、运输、服役过程中，会不可避免地产生并积聚微米级及更小尺寸的金属粉尘，这种微小尺度的粉尘难以检测且其弥散运动特性呈现随机特征，是诱发气隙击穿的主要原因之一。该文在分析粉尘光散射特性的基础上，设计了微纳粉尘弥散浓度的光探测系统，获得了不同粒径粉尘弥散浓度与仪器输出电压之间的定量关系与特征函数。实验研究表明，粉尘的弥散浓度随电压升高呈现先上升后下降的变化趋势，存在极值效应；当光探测区内粉尘浓度达到峰值浓度的80%左右时，发生气隙击穿的概率显著提高。进一步研究了影响粉尘弥散运动的关键因素，获得了粉尘粒径、初始质量、材质等初始条件与粉尘弥散运动特性的关联规律，粒径越小、初始质量越大，粉尘弥散运动越剧烈、击穿电压越低，击穿电压较无粉尘时下降可达36.7%，且不同材质、不同初始位置的粉尘表现出不同的弥散运动特性。该文可为实现GIS/GIL内微纳粉尘弥散浓度的有效探测与危险程度评估提供方法基础和科学依据。

关键词： GIS/GIL 微纳粉尘光散射法弥散浓度气隙击穿

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Surface Charge Accumulation Characteristics on DC GIL Three-post Insulators Considering the Influence of Temperature Gradient

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CSEE Journal of Power and Energy Systems 2023年第5期9卷 1926-1934页

作者： Qi Hu Qingmin Li Zhipeng Liu Naifan Xue Jian Wang Manu Haddad North China Electric Power University Beijing 102206China.He is now with State Grid Jiangxi Electric Power Co.Ltd.Nanchang 330077China the State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power UniversityBeijing 102206China the Advanced HV Engineering Research Centre Cardiff UniversityThe ParadeCardiff CF243AAU.K.

Surface charge accumulation is considered to be a critical factor in flashover failure of three-post ***,surface charge accumulation characteristics on threepost insulators with complex structures and uneven electric fields are still ***,the temperature gradient field makes charge accumulation more *** this presentation,surface charge profiles of DC three-post insulators under electro-thermal coupling stress are studied by establishing a multi-degree-of-freedom movement measurement *** abdominal area of the three-post insulator accumulaftes charges of identical polarity as the DC voltage,while the leg area accumulates heteropolar *** density from the bottom of the leg to the center of the abdomen presents a trimodal distribution pattern,including two homopolar charge peaks and one heteropolar charge *** surface conductance distribution arising from the temperature gradient leads to a significant increase in amplitude and distribution range of the homopolar charge peak at the legs of *** of the temperature gradient will further magnify the homopolar charge peak at the *** DC voltage is 100 kV and conductive pole temperature is 70℃,surface charge density of the three-post insulator can reach 100μC/m^(2).Therefore,surface conductance regulation of the leg region is the key to charge regulation and insulation optimization design of DC three-post insulators.

关键词： Charge accumulation charge measurement surface charge temperature gradient three-post insulator

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直流电压下玻璃纤维的荷电运动过程及桥接放电现象

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中国电机工程学报 2022年第6期42卷 2386-2395页

作者：胡琦李庆民刘智鹏刘衡梁瑞雪 MANU Haddad 新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京市昌平区102206 先进高压工程研究中心(卡迪夫大学) 英国卡迪夫CF243AA

气体绝缘全封闭组合电器/气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated switchgear/gas insulated metal-enclosed transmission line,GIS/GIL)在制造、运输、装配过程中容易引入绝缘纤维,是造成设备放电故障的原因之一。该文通过搭建封闭... 详细信息

气体绝缘全封闭组合电器/气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated switchgear/gas insulated metal-enclosed transmission line,GIS/GIL)在制造、运输、装配过程中容易引入绝缘纤维,是造成设备放电故障的原因之一。该文通过搭建封闭式平行电极板实验平台,获得玻璃纤维的启举与运动特性;进一步通过理论计算建立纤维的荷电与受力模型,研究直流电压下玻璃纤维的运动与放电特性。结果表明,玻璃纤维的临界启举电压与纤维直径的1/2次方近似呈正比关系,与纤维长度基本无关。玻璃纤维荷电启举后,在电极间往复运动中会分散成若干纤维簇,而带有不同极性电荷的纤维簇首尾相接,贯通电极,引发“桥接”现象。玻璃纤维的跳动会严重畸变纤维尖端电场,降低气隙的击穿电压,较无纤维时下降约7%~20%。当玻璃纤维出现桥接现象时,放电会沿着纤维小桥表面发生,气隙击穿电压下降约34%。所得结果阐释了直流应力下玻璃纤维的运动行为及放电规律,可为GIS/GIL设备的异物防护提供基础依据。

关键词：玻璃纤维荷电启举纤维桥接气隙击穿桥接放电

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