G/E在液氮和變壓器油中的雷電沖擊沿面閃絡特性對比

楊 鑫 李衛(wèi)國 魏 斌 張宏杰 丘 明

(1.長沙理工大學電氣與信息工程學院 長沙 410114 2.華北電力大學電氣與電子工程學院 北京 102206 3.中國電力科學研究院超導電力研究所 北京 100192)

G/E在液氮和變壓器油中的雷電沖擊沿面閃絡特性對比

楊 鑫1李衛(wèi)國2魏 斌3張宏杰3丘 明3

(1.長沙理工大學電氣與信息工程學院 長沙 410114 2.華北電力大學電氣與電子工程學院 北京 102206 3.中國電力科學研究院超導電力研究所 北京 100192)

隨著超導電力裝置電壓等級的提高，研究液氮中沿面閃絡特性的意義愈加重要。玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料(G/E)是應用于超導設備的重要絕緣和支撐材料。為了深入探索液氮中沖擊沿面閃絡過程的特性，通過實驗，比較液氮和變壓器油兩種環(huán)境中不同電壓施加方式下，G/E的閃絡電壓、放電時延和閃絡痕跡的不同特點。經分析可知，變壓器油和液氮環(huán)境兩種介質本身特性的不同，造成兩種環(huán)境中沿面閃絡時材料表面溫度驟變產生應力的不同，以及氣化層形成過程、成分和分解產物的不同，從而造成兩種環(huán)境中沿面閃絡表現出不同的特性。通過對比，進一步揭示了液氮中沖擊沿面閃絡的特性，為超導電力裝置的絕緣設計提供了原理參考。

雷電沖擊沿面閃絡 液氮 變壓器油 玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料 氣化層

0 引言

近年來，超導電力裝置的研制水平得到了極大的提高[1-6]。以超導電纜為代表，自20世紀90年代以來，輸電電壓等級的超導電纜的研制相繼在美國、日本、丹麥和韓國等取得了突破性的進展[7,8]，國內正在對已研制的1km長的110kV/3kA冷絕緣高溫超導電纜試運行。隨著超導電力裝置電壓等級的提高，液氮環(huán)境中，液氮和固體交界面的沿面閃絡問題成為制約超導電力裝置研制水平的關鍵問題之一，需要專門研究液氮環(huán)境中沿面閃絡的特性，為液氮環(huán)境中高壓電力設備的外絕緣設計提供理論基礎。而該領域的研究所見報道較少。

文獻[9，10]通過實驗得到了液氮中不同電場條件下玻璃纖維增強塑料(GlassFiberReinforcedPlastic，GFRP)在一定絕緣間距內，服從韋伯分布的0.1%閃絡概率的沖擊、工頻閃絡電壓與絕緣間距的關系。文獻[11]使用GFRP材料制作超導電纜電流引線的套管，將其制成表面形狀為帶圓環(huán)狀突起(shet)的柱狀，通過測試其在液氮中沿面閃絡電壓，提出了縮短電流引線在液氮部分有效長度的方法。文獻[12]對比了圓柱形的G10型GFRP在空氣和液氮中的交流、直流沿面閃絡特性，認為液氮環(huán)境中沿面閃絡過程有兩個主要的推動因素：①三結合點處的場增強效應和絕緣體表面的光電子發(fā)射；②與空氣中相比，液氮中的沿面閃絡電弧具有更高的能量。文獻[13]研究了在超導限流器的特殊電場結構下，液氮中G10型GFRP的沿面閃絡特性。上述成果主要體現在兩個方面：①用于超導電力裝置外絕緣設計的絕緣距離測試；②對液氮中沿面閃絡現象的特性進行了初步探討。

為了能夠合理設計高壓超導電力裝置的外絕緣，需要對液氮中固體電介質沿面閃絡現象的機理和特性進行深入探討。文獻[14]對通過實驗發(fā)現真空、變壓器油和液氮三種環(huán)境中，在相同實驗條件下，圓臺形固體電介質的沿面閃絡電壓隨圓臺傾角的變化關系相似，認為真空、變壓器油和液氮三種環(huán)境下，固體電介質的沿面閃絡過程具有相似的機理(存在共性)，進而提出了液氮中沖擊沿面閃絡的發(fā)展過程。

然而，液氮介質具有溫度極低，內部極易發(fā)生氣化，氣化后的N2氣體電負性小等特性，使得液氮中的沿面閃絡具有自身的獨特性。文獻[15]對玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料和聚四氟乙烯兩種材料在液氮中的沖擊沿面閃絡特性進行了對比分析，從固體絕緣材料的角度探討了液氮中的沿面閃絡特性，認為液氮中沿面閃絡電弧的溫度較高，閃絡電弧所需能量較大，并得到了兩種材料在液氮中0.1%閃絡概率的沖擊閃絡電壓與爬電距離的函數關系。

為了更進一步地探索液氮中沿面閃絡過程的特性，需要通過與相似環(huán)境中相同實驗條件下的結果對比來實現。

玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料(GlassFiberReinforcedEpoxyCompositeMaterial，G/E)具有良好的機械性能和電氣性能，在液氮中常被用做固體支撐和絕緣材料。雷電沖擊電壓是校驗超導電力裝置絕緣性能的常用電壓形式。變壓器油環(huán)境和液氮環(huán)境是常規(guī)和超導電氣設備普遍的工作環(huán)境，兩種環(huán)境中的沿面閃絡現象研究均具有重要的工程實用價值，且具備相關的研究基礎，已證實存在相關共性[14]。為了更深入探索液氮中沿面閃絡的特性，本文選擇G/E為試品，分別測試了其在變壓器油和液氮中的雷電沖擊沿面閃絡特性。通過對比，以進一步探索液氮環(huán)境中微秒級脈沖下氣化層的特點和放電過程，探討其沿面閃絡特性。

1 實驗裝置和實驗方法

1.1 實驗裝置

整體實驗裝置如圖1所示。電源為400kV沖擊電壓發(fā)生器，提供波前時間和波尾時間分別為1.2μs和50μs(誤差分別在30%和20%以內)的標準雷電沖擊波。分壓器為電壓比為420∶1的BHT400kV阻容式分壓器。電壓信號經分壓器以及衰減器進入TektronixTDS3012C型示波器用于捕捉波形。

圖1 沿面放電實驗裝置Fig.1 Equipment for flashover experiment

試品浸漬的環(huán)境為液氮和變壓器油兩種環(huán)境。液氮盛放于長方體的泡沫容器中，泡沫容器壁厚50mm，長、寬、高分別為400mm、300mm和300mm。液氮注入后，通過一段時間的靜置，液氮上方會出現一層氣霧，對減少熱交換能起到一定的作用，保證液氮不沸騰。變壓器油為25號變壓器油，盛放于一個長、寬、高分別為300mm、200mm、300mm的有機玻璃容器內。

實驗電極選擇環(huán)對環(huán)電極，試品為G/E，做成外徑為40mm、長為120mm的棒形，與電極配套，如圖2所示。電極間距d分別設定為5mm、10mm、15mm、20mm。

圖2 實驗用電極Fig.2 Electrodes for experiment

1.2 實驗方法

為了分析G/E在液氮和變壓器油中沖擊沿面閃絡現象的區(qū)別，在實驗中采用了兩種不同的方法，測量同一間隙連續(xù)閃絡時閃絡電壓、放電時延等的變化情況。具體實驗方法如下：

1)多次初始沿面閃絡電壓測量。在各個設定的電極距離下，開始施加一個較低的電壓，如果沒有發(fā)生閃絡，則增加2kV電壓繼續(xù)進行，直到發(fā)生閃絡為止。固定電極位置，在同一表面用相同方法繼續(xù)測量閃絡電壓。每次閃絡后間隔5min再進行下一次測量，每個間距下試品同一表面位置連續(xù)測量多次閃絡電壓。該方法的特點是電壓從低向高發(fā)展，可以區(qū)別試品在兩種環(huán)境中的沿面閃絡特性。

2)多次過壓沿面閃絡電壓測量。沖擊電壓發(fā)生器設定一個電壓等級(該電壓高于試品的沿面閃絡電壓)，在該電壓等級下對試品同一間隙進行10次沿面閃絡實驗，每兩次之間的間隔為5min。該方法通過施加一個較高的電壓，可以對試品在兩種環(huán)境中的沿面閃絡特性進行更嚴格的檢測。

2 實驗結果

2.1 G/E在兩種環(huán)境中多次初始沿面閃絡的電壓值

按照1.2節(jié)所述的實驗方法1)，對G/E分別在液氮和變壓器油中進行實驗。液氮中，各個電極間隙下，測量同一位置連續(xù)兩次閃絡電壓為一組，更換位置后，按相同方法測量5組，所得結果如圖3所示。其中，每個電極間距對應10根柱，第1、2根表示同一位置的連續(xù)兩次閃絡電壓，第3、4根表示更換位置后的連續(xù)兩次閃絡電壓，依次類推，共5組。變壓器油中，各個電極間隙下，同一位置連續(xù)5次的沿面閃絡電壓值，如圖4所示，其中每個間距下的5根柱代表同一位置處連續(xù)5次閃絡電壓值。

圖3 液氮中連續(xù)兩次閃絡時的閃絡電壓Fig.3 Sequential flashover voltages in LN2

圖4 變壓器油中各個間距下同一位置5次初始沿面閃絡電壓Fig.4 5 initial flashover voltages on the same position at every distance in transformer oil

由圖3可見，在液氮環(huán)境中，G/E同一間隙連續(xù)兩次沿面閃絡電壓的特點：各個間距下，同一位置處第2次閃絡電壓相比首次沿面閃絡電壓，均有較大幅度下降；而且隨電極間距的增大，電壓下降率也隨之增大。

圖4說明，在變壓器油中，G/E各電極間距下的同一表面位置5次初始沖擊沿面閃絡電壓的變化范圍都不大，表現出良好的沖擊沿面閃絡電壓重復性。

比較圖3和圖4的結果可知，兩種環(huán)境中的同一位置多次初始沿面閃絡電壓的重復性出現了非常大的差異，說明閃絡電弧對試品表面的破壞程度不同。

2.2 G/E在兩種環(huán)境中過電壓方式下的沿面閃絡電壓值

過電壓實驗方式，是對各電極間距統(tǒng)一施加一個固定的沖擊電壓，該電壓值大于其沿面閃絡電壓。通過這種方式可以更嚴格地檢驗沿面閃絡特性。

在變壓器油和液氮環(huán)境中，選定的電極間距和沖擊電壓發(fā)生器設定的沖擊電壓等級見表1?？梢?，系列2比系列1在相同電極間距下設定的電壓高30kV。液氮中電壓設定與油中系列1相同。

表1 兩種環(huán)境中各間距下過電壓實驗時設定的電壓施加等級

Tab.1Voltagedegreesettingofover-voltagetestateverydistanceintwoenvironments

電極間距d/mm變壓器油設定電壓/kV系列1系列2液氮設定電壓/kV51015209012015018012015018021090120150180

按表1中的設定，在各電極間距下，G/E在變壓器油中按2.2節(jié)中的實驗方法2)進行實驗，實驗結果如圖5所示。

圖5 G/E在變壓器油中過電壓施壓方法下的閃絡電壓Fig.5 Surface flashover voltages tested by over-voltage method for G/E in transformer oil

由圖5可知，分別按系列1和系列2的電壓設定進行實驗，各電極間距下得到的10次沿面閃絡電壓變化規(guī)律完全不同。按系列1的電壓設定進行實驗的結果顯示，各電極間距下，10次實驗數據偏差很小，表現出了良好的沿面閃絡電壓重復性；按系列2的電壓設定進行實驗時，各間距下的沿面閃絡電壓從第2次起相對于第1次均有較大程度的下降，從第2次至第10次的數值趨于穩(wěn)定。

按表1中的電壓設定，對G/E各間隙下液氮環(huán)境中10次沿面閃絡進行測量，實驗結果如圖6所示。

圖6 G/E在液氮中按系列1電壓設定的閃絡電壓Fig.6 Surface flashover voltages tested by series 1over-voltage method for G/E in LN2

由圖6的實驗結果可得，試品在液氮環(huán)境中各間距下的沿面閃絡電壓具有與油中按系列2的電壓設定進行實驗時類似的結果，即各間距下的沿面閃絡電壓從第2次起相對于第1次均有較大程度的下降，從第2次至第10次的數值趨于穩(wěn)定。

2.3 G/E在兩種環(huán)境中過電壓加壓方式下的放電時延

G/E在變壓器油中按系列2電壓設定方式下的沿面閃絡電壓與液氮中的變化規(guī)律相同,繼而對其放電時延特性進行統(tǒng)計，結果見表2。

表2 試品在液氮和按系列2電壓設定方式的油中沿面閃絡放電時延

Tab.2SurfaceflashovertimeofspecimensinLN2andoiltestedbyseries2method

電極間距d/mm變壓器油中的放電時延(系列2)/μs液氮中的放電時延/μs第1次閃絡第2～10次閃絡第1次閃絡第2～10次閃絡51.321.46101.88小于11.97小于1152.062.17202.532.84

由表2可見，兩種情況下放電時延的變化規(guī)律相同：首次閃絡放電時延一般為1～3μs；從第2～10次閃絡，放電時延大幅降低，小于1μs。

根據同一間隙放電的伏秒特性曲線特點，沿面閃絡電壓降低時，放電時延會相應增加。而G/E在液氮中和變壓器油中按系列2電壓設定方式下的過電壓沿面閃絡所反映的閃絡電壓和放電時延變化規(guī)律與伏秒特性曲線明顯不符，因而可推斷是沖擊沿面閃絡電弧使G/E發(fā)生了改變，從而導致了與伏秒特性曲線相反的規(guī)律。

2.4 同一施加電壓下，兩種環(huán)境中沿面閃絡放電時延的對比

由于液氮中同一位置連續(xù)測量時，從第二次起閃絡電壓即出現明顯下降，閃絡時延也明顯縮短，無法與相同電壓等級下按系列1的設定在油中得到的數據比較。為了能夠統(tǒng)一比較液氮中和油中沿面閃絡的放電時延，測量在不同間隙位置下(每次的測量間隙之前均未發(fā)生過沿面閃絡)，G/E在液氮中間距d=15mm，施加電壓150kV下9次的首次沿面閃絡電壓，統(tǒng)計了它們的放電時延。與變壓器油中的比較，所得數據如圖7所示。

圖7 間距d=15 mm，150 kV沖擊電壓下變壓器油和液氮中的10次沿面閃絡放電時延Fig.7 10 flashover times at d=15 mm，150 kV impulse voltage in LN2 and oil

由圖7可見，間距d=15mm、150kV沖擊電壓下變壓器油中沿面閃絡放電時延普遍大于液氮中的放電時延。變壓器油中放電時延平均值為2.506μs，液氮中放電時延平均值為2.121μs，說明兩種環(huán)境中閃絡電弧的發(fā)展速度不同，液氮中的沿面閃絡電弧發(fā)展速度大于在變壓器油中的速度。

3 液氮環(huán)境中雷電沖擊沿面閃絡特性探討

3.1 液氮和變壓器油中沿面閃絡電弧對G/E試品表面造成的痕跡分析

對G/E在變壓器油中按系列2的加壓方式同一間隙多次沿面閃絡電壓進行測量時，沿面閃絡電壓開始出現了與液氮環(huán)境中過電壓實驗結果相似的現象，即閃絡電壓從第2次起相對于第1次出現了較大的下降，之后閃絡電壓趨于穩(wěn)定。

液氮中，第1次沿面閃絡后，把G/E試品放入真空干燥箱烘干后，用DL16-BD2671型數字兆歐表對環(huán)-環(huán)電極間兩種試品的表面電阻進行測量，并與原始表面進行對比。環(huán)-環(huán)電極間距設為5mm，施加1 000V的直流電壓，無任何破壞的玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料試品，表面電阻為2 873MΩ；具有閃絡痕跡的玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料試品，表面電阻為1 952MΩ?？梢?，閃絡電弧對玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料表層材料的表面電阻有明顯影響，閃絡后的電阻率明顯下降，說明閃絡通道內有新的電阻率較低的物質生成。該物質的生成導致從第2次閃絡往后，閃絡電壓有較大幅度下降。

G/E在液氮中閃絡后表面痕跡的照片(未放大)，用經LEXT-OLS4000型工業(yè)激光共焦顯微鏡對液氮和變壓器油中閃絡電弧造成的痕跡進行掃描，放大200倍和400倍后的照片以及原始表面狀況的照片，分別如圖8～圖10所示。

圖8 G/R材料原始閃絡照片和原始表面(放大200倍)Fig.8 Initial surface(amplified 200 times) and initial surface flashover of G/E

圖9 G/R材料在液氮沿面閃絡痕跡的放大照片Fig.9 Microscope pictures of flashover surface trace for G/R in liquid nitrogen

圖10 G/E在油中沿面閃絡痕跡的放大照片Fig.10 Microscope pictures of flashover trace for G/E in oil

從掃描電鏡照片可見，G/E在油中的閃絡痕跡特征與液氮中相似，出現了明顯的橫豎條紋，即玻璃纖維布，說明兩種環(huán)境中的沿面閃絡電弧都僅使G/E中的環(huán)氧樹脂發(fā)生了分解，而玻璃纖維并未發(fā)生明顯熔化。該結論與文獻[15]中得到的G/E在液氮中沖擊沿面閃絡電弧造成的痕跡相同。因此，可認為兩種環(huán)境中G/E材料表面的電弧痕跡主要是環(huán)氧樹脂基體發(fā)生了熱分解導致的，黑色痕跡主要成分為碳。

文獻[16-18]中，從對G/E熱解反應的實驗得到了G/E中環(huán)氧樹脂發(fā)生裂解的溫度為500～1 200K。據此可推測，兩種環(huán)境中沿面閃絡電弧使材料表面溫度達到500～1 200K。

由第2節(jié)的實驗結果可知，相同條件下，液氮中的沿面閃絡電弧更容易在G/E材料表面造成痕跡。造成這種現象的原因有兩點：①液氮介質溫度在77K左右，而變壓器油溫度為常溫(300K左右)。電弧作用瞬間，液氮中G/E材料表面的溫差比變壓器油中大得多，材料表面溫差造成的應力也更大，因而更容易導致表面開裂，產生痕跡。②液氮中沿面閃絡電弧能量大于變壓器油中的閃絡電弧能量[12]，導致相同條件下，液氮中閃絡電弧的溫度高于變壓器油中閃絡電弧的溫度。

3.2 試品在變壓器油中沿面閃絡電壓的重復性優(yōu)于液氮中的情況的機理探討

由第2節(jié)的實驗結果和閃絡痕跡分析可得，兩種環(huán)境中的微秒級脈沖下氣化層中的沿面閃絡電弧表現出了不同的特性：①變壓器油中沿面閃絡電弧的溫度要低于液氮中的閃絡電弧溫度；②在液氮環(huán)境中沿面閃絡電弧的發(fā)展速度要高于變壓器油中，沿面閃絡過程在液氮環(huán)境中更容易得到發(fā)展。

結合固-液交界面沿面閃絡的機理，對兩種環(huán)境中沿面閃絡的特性分析進行分析。

3.2.1 液氮中的沿面閃絡

1)氣化層的形成和發(fā)展。

液氮介質溫度極低，標準大氣壓下氣化溫度為77K(-196 ℃)，內部一旦出現熱源，則極易發(fā)生氣化。在陰極三結合點處場致電子發(fā)射時由于碰撞電力等原因，會造成溫度的升高，液氮在該處開始發(fā)生氣化變成氮氣，氮氣構成了氣化層的主要成分，隨著電弧向陽極發(fā)展，會有越來越多的液氮被氣化，氣化層的形成會加速流注的發(fā)展速度；而變壓器油的氣化溫度一般高于135 ℃，相對于液氮，氣化層的形成更困難，氣化的油的量相對較少，流注的發(fā)展會相對較慢。

2)氣化層內物質成分的分解對沿面閃絡發(fā)展的影響。

液氮中沿面閃絡過程氣化層的主要成分為N2。電子碰撞N2分子的電離可分為激發(fā)碰撞、電離碰撞、分解碰撞和分解電離碰撞四種類型[19-21]。

激發(fā)碰撞存在兩種碰撞過程，一種是電子激發(fā)碰撞

(1)

另一種是振動激發(fā)碰撞

(2)

電場強度較低時，發(fā)生振動激發(fā)的粒子數較多，占主要成分，而電子激發(fā)反應幾乎沒有。隨著電場強度的增加，電子激發(fā)反應開始逐漸增多。當氮分子與電子發(fā)生電子激發(fā)碰撞時，由于之間的能量交換，氮分子被激發(fā)到較高的能級，繼而因能級不穩(wěn)定的原因，會向較低的能級躍遷，從而釋放能量，同時發(fā)射出相應波長的光子。

電離碰撞、分解及分解電離碰撞過程如下。

電離碰撞

(3)

分解碰撞

(4)

分解電離碰撞

(5)

3)閃絡時驟然溫差產生的應力。

相同條件下，液氮中沿面閃絡電壓的重復性比變壓器油環(huán)境中差的一個重要原因還在于液氮的低溫特性。沿面閃絡發(fā)生于固體電介質的表面，而液氮的低溫特性會對材料本身尤其是材料表面造成一定的影響。閃絡時，電弧的短時高溫與液氮的低溫形成極大的溫差，溫度的驟然變化更易引起G/E材料本身表面應力的變化，使表面應力集中的地方更容易形成裂痕，進而影響表面狀況，在該處更易發(fā)生沿面閃絡。因而，液氮中，閃絡電弧更容易產生放電通道的痕跡；該痕跡一旦產生，由于材料本身的熱分解作用，會產生低電阻率物質，從而使下次閃絡時的閃絡電壓下降。

3.2.2 變壓器油中的沿面閃絡

與液氮中的情況相比，變壓器油中沿面閃絡氣化層內的分解過程則十分復雜。變壓器油主要成分是各種烴類化合物組成的混合物。一方面，氣化的油層內物質成分比較復雜，且大多數成分的穩(wěn)定性要高于氮氣，加大了碰撞電離的難度，流注相對較難發(fā)展；另一方面，電子撞擊氣化的油層時，高溫分解會產生比較復雜的生成物，包括過氧化物、酸、水分、醇、醛、酮等以及油泥。在變壓器油中沿面閃絡時可以觀察到有黑色物質生成，說明在氣化的油層中分解產生了油泥等固體生成物。分解產物中包括一些電導率較低的固體物質，這些物質會增加通道的電導，從而促進放電的發(fā)展，相比于液氮中氮氣化層，減少了各種電離、復合作用產生的熱量，導致相同條件下閃絡電弧的溫度低于液氮中沿面閃絡的情況。

總之，造成兩種環(huán)境中沿面閃絡電壓、放電時延和閃絡痕跡不同的原因在于兩種介質本身特性的不同，影響閃絡時材料本身的表面應力，并導致沿面閃絡過程氣化層的不同特性。液氮中氣化層形成相對容易，成分主要為氮氣，電離和分解的產物主要是氣態(tài)粒子，電子崩發(fā)展過程伴有大量的熱和光產生。而變壓器油中氣化層形成較難，氣化的量較少，成分復雜，電離較難，影響了流注的發(fā)展；電離分解產物包含了電導率較低的固體殘余物，減少了電子崩過程產生的熱量，使閃絡電弧溫度相比于液氮中低。

3.3 液氮中沿面閃絡過程的特性探討

結合沿面閃絡發(fā)展過程的機理[18]，N2氣體分子的電離過程和兩種環(huán)境中閃絡特性的對比分析如下：

1)液氮中，陰極三結合點發(fā)射的初始電子在經過一個平均自由程后，與N2分子發(fā)生碰撞，導致碰撞電離，形成電子崩。隨著電子崩的發(fā)展，電離過程中將產生大量的熱量以及頻繁的復合作用而輻射出的大量光子，碰撞電離、熱電離和光電離等因素進一步促進了流注的快速發(fā)展，導致更多的電子以及N2+、N和N+等粒子。由于大量的熱輻射，并伴有的發(fā)光現象，引發(fā)液氮持續(xù)氣化，使主要成分為N2氣體的氣化層向陽極延伸。氣化層內的主放電將以流注的形式發(fā)展。氣化層內碰撞電離、熱電離和復合因素等，將輻射出大量光子，產生大量熱，使得電弧溫度較高。

2)初始電子以及氣化層內的電子與N2分子發(fā)生碰撞后產生的二次電子中的一部分會撞擊固體介質的表面，在固體介質的表面會出現新的二次電子發(fā)射崩(SecondaryElectronEmissionAvalanche，SEEA)機制，或者出現電子觸發(fā)的極化松弛現象而導致的電子和光子發(fā)射(ElectronTriggeredPolarityRelaxation，ETRP)機制。同時還會導致固體介質表面吸附的氣體脫附，增加了氣化層的氣體來源。這些于固體介質表面新產生的二次電子將進一步促進氣化層內電子崩的發(fā)展。

3)固體介質表面留有的正電荷，將進一步加強對氣化層內電子的吸引，增加電子撞擊固體介質表面的動能，增加從固體表面向外發(fā)射電子的概率。同時加強了對電子崩的牽引，使閃絡電弧沿固體表面發(fā)展。隨著氣化層內的電子崩不斷向陽極推動，最終將導致間隙的閃絡。

4 結論

1)G/E在變壓器油兩種環(huán)境中，相同條件下，同一間隙多次初始沿面閃絡和多次過電壓沿面閃絡下，閃絡電壓都表現出了良好的重復性，而液氮環(huán)境中沿面閃絡電壓的重復性則極差；從沿面閃絡放電時延的測量結果來看，相同條件下，液氮環(huán)境中沿面閃絡放電時延小于變壓器油中。說明液氮中沿面閃絡電弧能量更強，發(fā)展速度更快。

2)變壓器油和液氮兩種環(huán)境中的沿面閃絡過程有一定的相似性，但介質本身特性的不同，造成兩種環(huán)境中沿面閃絡時材料表面溫度周邊產生應力的不同，以及閃絡過程氣化層在形成過程、成分及分解產物的不同，從而造成兩種環(huán)境中沿面閃絡表現出不同特性。

3)從工程應用角度來看，在設計超導電力裝置的外絕緣時，應著重考液氮中沿面閃絡的特性，對材料表面溫度驟變產生的應力，表面形狀以及材料本身的熱分解特性進行深入研究，進而進行合理選擇。

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Compare of Lightning Impulse Surface Flashover Characteristics for G/E in Liquid Nitrogen and Transformer Oil

Yang Xin1Li Weiguo2Wei Bin3Zhang Hongjie3Qiu Ming3

(1.CollegeofElectricalandInformationEngineeringChangshaUniversityofScienceandTechnologyChangsha410114China2.SchoolofElectricalandElectronicEngineeringNorthChinaElectricPowerUniversityBeijing102206China3.SuperconductingElectricPowerDepartmentChinaElectricPowerResearchInstituteBeijing100192China)

Asthevoltagelevelofsuperconductingpowerdevicesincreasing，thesignificanceofthestudyonflashovercharacteristicsinliquidnitrogenbecomesmoreandmoreimportant.Glassfiberreinforcedepoxycompositematerial(G/E)isanimportantinsulatingandsupportingmaterialforHTSdevice.Fordeeperexploringthesurfaceflashovercharacteristicsinliquidnitrogen，thedifferencesofflashovervoltages，flashovertimeandflashovertracesforG/Ematerialarecomparedunderdifferentvoltageappliedmethodsinliquidnitrogenandtransformeroilbyexperiments.Itisbelievedthatbecauseofthedifferentcharacteristicsofliquidnitrogenandtransformeroil，therewouldhavedifferentstressescausedbytemperatureshockonthesurfaceofsoliddielectricanddifferencesonformingprocess，constituentsanddecompositionproductofgaslayerswhenflashoverinthetwoenvironments.Thosearethemainreasonsofdifferentflashoverphenomenoninthetwoenvironments.Bythemethodofcontrastiveanalysis，theimpulsesurfaceflashovercharacteristicsinliquidnitrogenaredeeperexplored，theresultscouldprovideprinciplereferencefordielectricdesignofHTSdevices.

Lightningimpulsesurfaceflashover，liquidnitrogen，transformeroil，G/E,asifyinglayer

國家自然科學基金面上項目(51277063)和國家自然科學基金青年基金項目(51407013)資助。

2015-07-10 改稿日期2015-10-25

TM216

楊 鑫 男，1983年生，博士，講師，研究方向為低溫高壓絕緣技術和防雷接地技術等。

E-mail：yan_19830713@163.com(通信作者)

李衛(wèi)國 男，1954年生，教授，博士生導師，研究方向為電力設備故障診斷和絕緣技術等。

E-mail：lwglixi@tom.com