华北电力大学团队探究气固交界面沿面类辉光放电紫外辐射化学反应机理

阅读提示：本文约 1900 字

华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室、河北省输变电设备安全防御重点实验室研究人员李泳霖、黄世龙、刘云鹏、耿江海、牛雷雷在2023年第7期《电工技术学报》上发表题为“考虑湿度气压影响的瓷绝缘子沿面类辉光放电仿真及其紫外光谱特性分析”的学术论文。 绝缘子的造价约占线路造价的5%，但是约95%的线路故障为绝缘子故障。因此，评估绝缘子的绝缘状态是预防线路故障的一种重要手段。以目前应用范围广、数量多的传统瓷绝缘子为例，研究湿度和气压对瓷绝缘子沿面类辉光放电日盲紫外波段（240~280nm）光辐射影响机制及相关化学反应，结合试验和仿真模型，从宏观、微观两个角度分析了湿度和气压对放电点日盲紫外波段光辐射产生过程的影响特性。

研究背景

湿度和气压等环境因素变化对污秽瓷绝缘子放电产生的日盲紫外波段光辐射的影响机制尚不明晰，对于后续紫外成像仪的自主研发、改进设计及可用环境界定造成很大困难。采用放电发射光谱分析与数值模型仿真研究空气沿面放电过程不仅可以描述放电的宏观过程，而且能够从更微观的角度解释放电过程中相关粒子的产生、扩散、迁移以及消失等问题。

论文所解决的问题及意义

已有的沿面放电仿真模型研究，对于放电过程中产生日盲紫外波段光辐射的粒子及其化学反应关注较少。本文针对此问题，结合试验和仿真模型，从宏观和微观两个角度，详细分析了湿度和气压对瓷绝缘子沿面类辉光放电时日盲紫外波段光辐射产生过程的影响特性，为进行污秽瓷绝缘子放电紫外检测结果的定量分析奠定了理论基础。

论文方法及创新点

本文首先搭建了环境因素可控的放电发射光谱测量试验平台。

图1 放电发射光谱测量试验平台示意图

图2 放电试验腔体

创新点1

获得了瓷绝缘子沿面类辉光放电的日盲紫外波段发射光谱并确定了其谱系构成，发现放电时日盲紫外波段光辐射的产生与激发态粒子N2(A)和NO(A)的退激跃迁反应有关。

图3 放电紫外光谱

创新点2

根据放电发射光谱的分析，确定了相关化学反应方程，建立了瓷绝缘子沿面类辉光放电的二维仿真模型，获得了瓷盘表面电场强度、电流密度和电子密度的径向分布特征，证明了仿真模型处于与试验相同的类辉光放电阶段。

图4 瓷盘表面电场强度、电流密度和电子密度径向分布

创新点3

将通过试验得到的光学参量与通过仿真得到的粒子参量相结合，分析了湿度和气压与光学参量、粒子参量的关联关系，揭示了湿度和气压对污秽瓷绝缘子放电时日盲紫外波段光辐射产生过程的影响机制。

图5 不同湿度和气压下放电产生的240~280nm波段光谱

图6 不同湿度和气压下粒子数密度和产生速率的空间分布

表1 不同湿度和气压下的光学和粒子参量

结论

基于试验结果和仿真结果分析，主要结论如下：

（1）日盲紫外波段光辐射的产生与激发态粒子N2(A)和NO(A)的退激跃迁反应有关，与2种粒子相关的激发、淬灭等化学反应均需加入到放电仿真模型。

（2）由仿真获得了瓷盘表面电场强度、电流密度和电子密度的径向分布特征，证实了本章所建立的放电仿真模型在数值模拟中处于类辉光放电阶段，与试验所处的放电阶段相符，仿真模型可以用于描述试验中瓷绝缘子沿面类辉光放电过程。

（3）结合试验和仿真结果发现：当湿度由25%增加至75%时，光谱曲线积分值仅增加了21%，紫外光斑面积值仅增加了32%，放电区域内N2(A)的数密度和生成速率分别增加了8%和68%，NO(A)的数密度和生成速率分别增加了约2.47倍和2.37倍；当气压由1.2atm降低至0.8atm时，光谱曲线积分值增大54%，紫外光斑面积值增大约2.6倍，放电区域内N2(A)的数密度和生成速率均增大约2个数量级，NO(A)的数密度和生成速率均增大约3个数量级。

团队介绍

李泳霖

博士研究生，主要研究方向为设备外绝缘放电机理和紫外成像检测技术及应用。

黄世龙

博士，主要从事高电压技术和电磁场方面的教学与研究工作。

刘云鹏

华北电力大学电气与电子工程学院副院长，电力工程系主任，教授，博导，中国电机工程学会测试技术及仪表专委会委员、高压青年学组组长，中电联“电网电磁环境与噪声控制标准化技术委员会”副主任委员，电力行业“高压试验技术标准化技术委员会”和“绝缘子标准化技术委员会”委员，河北省电机工程学会副会长，教育部霍英东青年基金获得者，河北省三三三人才一层次。主要从事超特高压输电技术、电气设备在线监测和故障诊断、智能化电气设备等方面的研究工作。负责国家科技部重点研发计划、自然科学基金项目等课题7项；获省部级科技奖7项（一等奖4项），在《IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation》等刊物上发表SCI/EI检索110余篇，授权发明专利46项。

本工作成果发表在2023年第7期《电工技术学报》，论文标题为“考虑湿度气压影响的瓷绝缘子沿面类辉光放电仿真及其紫外光谱特性分析”。本课题得到国家重点研发计划资助项目的支持。

引用本文

李泳霖, 黄世龙, 刘云鹏, 耿江海, 牛雷雷. 考虑湿度气压影响的瓷绝缘子沿面类辉光放电仿真及其紫外光谱特性分析[J]. 电工技术学报, 2023, 38(7): 1956-1969. Li Yonglin, Huang Shilong, Liu Yunpeng, Geng Jianghai, Niu Leilei. Simulation and Ultraviolet Spectral Characteristics of Glow-Like Discharge Along the Surface of Porcelain Insulators Considering the Influences of the Humidity and Atmospheric Pressure. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(7): 1956-1969.

阅读全文

中国电工技术学会

新媒体平台

学会官方微信

电工技术学报

CES电气

学会官方B站

CES TEMS

今日头条号

学会科普微信

抖音号

☎️ 《电工技术学报》：010-63256949/6981；邮箱：dgjsxb@vip.126.com ☎️ 《电气技术》：010-63256943；邮箱：dianqijishu@126.com ☎️ 《中国电工技术学会电机与系统学报（CES TEMS）》：电话：010-63256823；邮箱：cestems@126.com ☎️ 编务：010-63256994 ☎️ 订阅：010-63256817 ☎️ 商务合作：010-63256867/6838