从高电压绝缘放电到放电等离子体：电气工程与多学科交叉

从高电压绝缘放电到放电等离子体电气工程与多学科交 张冠军 西安交通大学电气工程学院高电压与等离子体研究中心电工材料电气绝缘全国重点实验室 高压放电与等离子体 有害性：高电压绝缘放电的检测诊断与抑制 有益性：放电等离子体的多领域应用 总结与团队介绍 关于“放电”（discharge）的理解 传统定义：电池（电源）的电量失去（正常或异常方式） 高电压领域：高电压/高电场下绝缘介质（气/液/固/真空）发生电离绝缘特性丧失，变为导电，从而造成电源电量失去 绝缘一>放电一>等离子体 诊断高压放电与等离子体的检测、 >高压放电与等离子体的能量以多种形式进行释放，包括电、声、光、热和化学等多种效应，基于此可采用不同的检测、诊断方法 高压放电与等离子体 有害性：高电压绝缘放电的检测、诊断与抑制 有益性：放电等离子体的多领域应用 总结与团队介绍 高电压绝缘放电的检测、诊断与抑制 高压电力装备的绝缘放电脉冲功率装备的绝缘放电航天器的绝缘放电 高压电力装备的绝缘放电 口高压输变电装备：气、、液、固、真空，单一或多种绝缘介质组合口复杂运行环境（设备内外）：电、磁、热、力、流，多物理场耦合 典型电力装备的放电与危害 变压器放电放电模型与实验平台 放电模型的放电实验◆实验室植入真实设备实验现场实际设备实验 GIS放电放电模型与实验平台 GIS放电模型 放电模型的放电实验、GIS实验平台的放电实验、现场放电实验 252kVGIS真型平台 由套管、两相三工位隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、多个缺陷腔室组成模拟GIS典型缺陷、研究GIS局放特征与诊断方法平台采用电压互感器二次感应加压方式 电力装备放电：检测与诊断 电力装备放电：多放电源的分离 基于累积能量函数特征参量优选的自适应多源放电分离算法 口以密度参数为分离性能评价指标，优化提取宽度与哨度两组特征参量；口改进密度聚类算法实现多源放电分离 成功用于变电站现场110kV变压器及1100kV特高压GIS的多源放电分离 Zhu, Zhang,Li, et al. EEE TDEI 20i6; Zhu, Liu, Xue, et al.IEEETDEI20172024 电力装备放电：放电模式识别 建立了不同缺陷类型局部放电的模式识别算法 新的局部放电缺陷类型识别方法： 口采用浮动前向搜索优选特征，线性可分性分析降低特征维度； 口多智能算法联合识别缺陷类型、置信度。 电力装备放电：放电源定位 超声波（AE）法： 建立变电设备数值节点模型采用声线追踪算法反演超声信号传播路径、波达时间以及路径衰减采用波达时间算法，得到实际波达时差采用粒子群优化算法收敛到放电源真实位置 特高频（UHF）法： 采用巡逻车、固定式/移动式天线阵列采集空间特高频信号计算特高频信号的波达时间采用概率定位算法得到放电源坐标采用相控阵算法得到放电信号入射角 电力装备放电：放电抑制 绝缘纸微/纳米纤维素改性与层压复合对其机-电性能提升研究 纳米纤维素通过氢键与绝缘纸纤维束相连，形成更为复杂的3D纤维网络，填充了微纤维之间的孔隙；在宏观界面层面，构筑复合多层结构同样是调控绝缘纸性能的有效方法。 三条纤维素链示意的纳米纤维素与绝缘纸纤维束之间的界面 氢键的断裂和重整、增加能量耗散、改善机械应力传递效果 纸张更加致密均匀避免局部应力集中 IEEETDEI2024:AIPJAP2024:高电压技术2024:ZL202310835225.8 脉冲功率装备放电特性与抑制 脉冲功率装备对绝缘的要求极高 真空沿面绝缘是制约脉冲功率装置的瓶颈”之一 放电特性脉冲功率装备 新理论：改进了现有的二次电子发射雪崩(SEEA)模型（Boersch,1962）建立了闪络发展的体内-体外双层模型和闪络起始的阴极-阳极博奔模型 新方法：从材料选型、表面处理和绝缘结构设计三方面，提出了控制沿面放电影响因素提高耐电强度的系列方法，建立设计/制备一体化的介电功能梯度绝缘3D打印技术体系。 体内-体外双层发展模型 为真空中沿面放电/闪络的抑制提供了理论和技术支撑 脉冲功率装备放电抑制 建立了特种电气设备绝缘沿面耐电强度的综合提高方法 结合多影响因素控制，从多角度提出了多种沿面耐电强度的提高方法 界面优化：电极嵌入、金属化接触 材料选择：优选s小、p适当小SEE低、浅能级陷密度低、表面释气弱的材料 表面优化：粗糙度、刻槽、金属嵌入 优选的绝缘材料+优化的绝缘设计 电场优化：适当提高ATJ电场、降低CTJ电场优化设计后闪络场强提高~30% 良好的绝缘性能 发明专利：201510808474.3，201510341671.9 航天器放电破坏问题 复杂空间环境：高真空、高低温、等离子体、粒子辐照 口带电粒子轰击引起充电达20kV口放电是导致航天器故障主要原达 口我国多颗导航、通信卫星在轨运行或地面实验中多次发生放电破坏口其中2010~2015年，我国某关键地球同步轨道卫星发生44次与空间环境相关放电异常 航天器放电特性 体内体外协同作用导致介质破坏 科学问题：带电粒子与介质表面作用，产生体外的二次电子发射和体内的陷阱电荷输运现象，导致介质局部的高电场，发生放电而击穿破坏 关键电气参数：二次电子发射、电荷陷阱2个特性参数 航天器放电特性表征 承研项目：基金委国家重大科研仪器研制项目，用以固体介质表征评价、改性优化、新材料开发以及航天器结构优化设计，以提升材料的耐电性能和功率密度闯值。 关键指标：同一位置（同位置、等深度）及同一外界条件下二次电子发射和电荷陷阱特性，入射电子20eV~50keV，陷阱能级0.6~5.9eV，主要技术指标优于美国NASA。 陷阱密度能级分布 为航天5院、6院、中科院、中国兵器、中国工程物理研究院等数十家单位提供测试 航天器放电抑制 方法举例：表面离子交换处理抑制二次电子发射与提升闪络的方法 口采用离子交换技术在聚酰亚胺（PI）表面构筑一层Cr2O纳米复合层，在PI表面引入了大量浅陷阱，显著降低了PI的二次电子发射系数，闪络电压提升54%以上，该方法可大规模制备有望用于航天器介质的充放电效应抑制。 中国电机工程学报2022，JAP2024ZL202011035696.3、ZL201910156272.3 高压放电与等离子体 有害性：高电压绝缘放电的检测诊断与抑制 有益性：放电等离子体的多领域应用 总结与团队介绍 等离子体技术多学科交叉 口等离子体具有特殊电、热、光、化学特性和生物效应 口等离子体涉及：电气、物理、化学、材料、微电子、生物医学、环保、新能源、机械、航空、航天、绿色农业等 口等离子体技术与绝大多数理、工、农、医学科密切相关 未来生活场景中的等离子体应用 11.等离子体臭氧净水器 1.等离子体电视 2.等离子体喷涂喷气涡轮叶片3.磁控等离子体微波4.等离子体气相化学沉积类金刚石镀膜眼镜片5.等离子体离子注入工艺制造的人造髋骨6.等离子体激光切割布料7.高密度等离子体照明灯8.等离子体燃料电池制氧氢9.消音器中的等离子体微粒过滤器10.等离子体助燃引擎 12.等离子体沉积LED显示屏13.等离子体沉积太阳能电池14.等离子体处理微电子器件15.等离子体灭菌的医学产品16.等离子体处理的聚合物17等离子体处理的纺织品18.等离子体处理的心脏支架19.等离子体沉积处理的扩散膜20.等离子体溅射处理的玻璃21.袖珍等离子体荧光灯 放电等离子体的多领域代表性应用 口等离子体具有特殊的电、热、光、化学特性，人造等离子体作为一种可改变物质宏观形貌、微观组分的技术，已经被逐渐应用到微电子、材料、环保、生物医学、现代农业、能源化工、航天航空等领域 放电等离子体的多领域应用 等离子体基础研究 等离子体材料改性与制备等离子体三废处理等离子体生物医学等离子体绿色农业等离子体电推进等离子体辅助燃烧等离子体能源转化 等离子体PIC粒子、流体模拟（2D、3D）（自主开发）29 模拟的难点 孙安邦,GRL2013,JPD2014,IEEETPS2014，JAP2020/2024刘昊，张冠军，CPC2025PSST20222025 等离子体与介质表面作用：动态电荷特性 口构建了基于Pockels电光效应的反射式表面动态电荷测量平台，解决了电极结构和介质材料对光路遮挡的技术难题，对待测的等离子体源和材料有较高兼容性。 等离子体与介质表面作用：动态电荷特性 射流阵列作用下表面电荷分布样貌：出现两个电荷团积聚，电荷团边缘融合，消散后呈“8"字分布。 电荷寿命：电荷寿命与脉冲持续时间保持一致，电压持续期间电荷密度保持不变射流阵列引起电介质表面电荷积聚的时间分辨特性与单管射流作用相似。 (PSST2023,POP2024）脉冲射流阵列作用下绝缘介质表面动态电荷的时空演变 材料表面改性提升绝缘材料沿面耐电 绝缘材料表面等离子体氟化工艺的优势：1）避免氟气极强的腐蚀性和生理毒性2）仅作用于材料的浅表层，不影响基体性能口 主要技术挑战：1）碳氟等离子体放电模式转化与活性粒子诊断，2）表面物理化学性能与沿面耐电性能之间影响机理及调控机制。 V采用He/CO/CF混气调节碳氟比，增强氟化层稳定性 材料表面改性提升绝缘材料沿面耐电 口表面微观样貌：提升绝缘材料表面粗糙度，增加物理陷阱密度，降低二次电子发射系数；口表面化学成分：引入含氟基团，增加化学陷密度，抑制二次电子发射口碳氟等离子体的多重物理化学作用有效提升沿面闪络电压； SileChen,G.J.Zhang,etal.HighVoltage.2021ChenxuWang,G.J.Zhang,etal.PlasmaScienceandTechnology,202l.Xingyu Chen,G.J.Zhang,et al.IEEETransactions onDielectrics andElectrical Insulation,2020 复杂表面处理柔性等离子体 口柔性等离子体源对弯曲表面具有良好的适应性，且在弯曲状态下仍能保持与平整状态相近的放电特性与应用效果。 柔性等离子体源的设计及其弯曲时的放电特性 Sun,Zhangetal.Journal ofPhysicsD:AppliedPhysics,2023.Sun,Zhangetal.PhysicsofPlasmas,2024 纳米材料制备一石碳纳米材料 口制备工艺：利用重频纳秒脉冲激励气液两相放电等离子体，在乙醇正丁醇、正已醇中制备碳量子点 口测试效果：制备的碳量子点分散性好，有明显晶格条纹，碳量子点表面主要被羟基(-OH)、羧基(-COOH)功能化。 乙醇中重频纳秒脉冲气液两相放电 李元，张冠军等.中国电机工程学报，2021：Carbon2024；JPD2024 废气降解 口近40年来，我国经济和工业的快速发展，随之而来的大气污染问题加剧；尤其是2014年前后，大家记忆犹新。 2014年3月，李总理两会《政府工作报告》“坚决向污染宣战”“雾霾治理不能等风靠雨 废气降解 传统处理方法：运行维护成本高、二次污染严重 等离子体方法：富含大量活性粒子、反应体系温度低、无二次污染适用范围广谱，适用于目前普遍存在的低浓度VOCs。 工业废气处理效果 废水处理 口水中直接放电与气液两相放电。 口研究了不同通气条件下的放电特性和活性粒子产率，为优化控制水中放电奠定了技术基础。 固废处理 环保回收固体废弃物资源化回收利用技术 技术优势：全程无害化处理，无尘环保；回收利用率高，资源消耗少。 光伏回收：退役光伏组件回收难题日益凸显成功研发太阳能电池板资源化回收关键技术和成套装置。 等离子体裂解应用一退役光伏组件资源化回收 消毒灭菌 承担国家自然科学基金委COVID-19应急专项一低温等离子体高效灭活高危病毒的效果