工程科学学报，第40卷，第9期：1115-1122,2018年9月 Chinese Journal of Engineering,Vol.40,No.9:1115-1122,September 2018 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.013;http://journals.ustb.edu.cn 基于GaN材料的特高压输电线路的验电标识 陈康，王力农四，李恩文，宋斌，方雅琪，李小春，陈天柱，简思亮 武汉大学电气工程学院，武汉430072 ☒通信作者，E-mail:wangln@qq.com 摘要研制了一种无机材料构成的验电标识，放置在导线周围，通过电场驱动电子的运动，促进载流子复合，进而使材料发 光，从而判断带电情况，其作为验电标识使用非常便捷.选取了氮化镓GaN材料进行研究，以GaN、InGaN等材料为基础，通过 溶胶凝胶法、气相外延等方法制备接触层、基片层、材料层等结构，进而获得了验电标识，该验电标识的发光层是具有多量子 肼结构的纳米棒阵列.然后对其进行了电学光学性能参数测试，获得了有关特性曲线，通过Ansoft-maxwell有限元软件进行 仿真，分析材料在特高压输电线路周围的电场分布，通过试验分析验电标识发光所需求的电磁环境.最后模拟导线现场进行 测试.研究表明，该低场致发光特性的验电标识具有发光功耗低，发光明显等优点，其处于所在区域的电场强度达到1.2×10 V·m'以上时，可激发发光，此时所注入电流约为1.1mA.通过仿真和试验分析可知带电特高压输电线路周围的空间电场强 度满足验电标识发光指示的要求，同时空间杂散电流和材料本身的电容效应提供注入电流.该验电标识通过材料本身发光特 性来指示带电状态，安装在距离特高压导线轴线13cm及以内的范围即可实现验电，通过封装具有较好的耐候性能，同时避免 了复杂的电路装置验电存在易受电磁干扰，可靠性差等问题. 关键词氮化镓：验电标识：电致变色：有限元仿真：特高压输电线路 分类号TB34 Electrical inspection mark of UHV transmission line based on GaN material CHEN Kang,WANG Li-nong,LI En-wen,SONG Bin,FANG Ya-qi,LI Xiao-chun,CHEN Tian-zhu,JIAN Si-liang School of Electrical Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China Corresponding author,E-mail:wangln@qq.com ABSTRACT At present,the traditional insulated pole electroscope is used for electrical inspection in high-voltage transmission lines.However,when it is used in ultra-high voltage (UHV)transmission lines,the length of its insulated rod is large,and there are disadvantages such as large working intensity,inconvenience,and hazardous operation.In this study,an electroluminescent inorganic material was made to be used for inspection mark.The material was placed around the wire,so that it glowed during the electric field- driven movement of electrons to promote carrier recombination,through which the charged situation could be determined.Therefore, the electrification of the line can be judged through the material luminescent properties,making it very convenient to be used for in- spection mark.In this study,GaN materials were investigated.Based on the GaN,InGaN,and other materials,the contact layer,sub- strate layer,material layer and other structures were made by methods such as sol-gel method and gas phase epitaxy.Then the inspec- tion mark was prepared.The light-emitting layer was a nanorod array with a multi-quantum hydrazine structure.The electrical and opti- cal properties of the inspection mark were tested,and the relevant characteristic curve was obtained.Through a simulation of the An- soft-maxwell finite element software,the electric field distribution of the inspection mark and surrounding transmission lines were ana- lyzed.Through experiments,the electromagnetic environment needed for electroluminescence was tested in the high-voltage test hall of Wuhan University.Finally,the inspection mark was tested in a working environment simulated in the Feng-huang ultra-high voltage 收稿日期：2017-06-08 基金项目：湖北省自然科学基金创新群体资助项目(2016CFA007)
工程科学学报，第 40 卷，第 9 期: 1115--1122，2018 年 9 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 40，No． 9: 1115--1122，September 2018 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2018． 09． 013; http: / /journals． ustb． edu． cn 基于 GaN 材料的特高压输电线路的验电标识 陈 康，王力农，李恩文，宋 斌，方雅琪，李小春，陈天柱，简思亮 武汉大学电气工程学院，武汉 430072 通信作者，E-mail: wangln@ qq． com 摘 要 研制了一种无机材料构成的验电标识，放置在导线周围，通过电场驱动电子的运动，促进载流子复合，进而使材料发 光，从而判断带电情况，其作为验电标识使用非常便捷． 选取了氮化镓 GaN 材料进行研究，以 GaN、InGaN 等材料为基础，通过 溶胶凝胶法、气相外延等方法制备接触层、基片层、材料层等结构，进而获得了验电标识，该验电标识的发光层是具有多量子 肼结构的纳米棒阵列． 然后对其进行了电学光学性能参数测试，获得了有关特性曲线，通过 Ansoft--maxwell 有限元软件进行 仿真，分析材料在特高压输电线路周围的电场分布，通过试验分析验电标识发光所需求的电磁环境． 最后模拟导线现场进行 测试． 研究表明，该低场致发光特性的验电标识具有发光功耗低，发光明显等优点，其处于所在区域的电场强度达到 1. 2 × 106 V·m － 1以上时，可激发发光，此时所注入电流约为 1. 1 mA． 通过仿真和试验分析可知带电特高压输电线路周围的空间电场强 度满足验电标识发光指示的要求，同时空间杂散电流和材料本身的电容效应提供注入电流． 该验电标识通过材料本身发光特 性来指示带电状态，安装在距离特高压导线轴线 13 cm 及以内的范围即可实现验电，通过封装具有较好的耐候性能，同时避免 了复杂的电路装置验电存在易受电磁干扰，可靠性差等问题． 关键词 氮化镓; 验电标识; 电致变色; 有限元仿真; 特高压输电线路 分类号 TB34 收稿日期: 2017--06--08 基金项目: 湖北省自然科学基金创新群体资助项目( 2016CFA007) Electrical inspection mark of UHV transmission line based on GaN material CHEN Kang，WANG Li-nong ，LI En-wen，SONG Bin，FANG Ya-qi，LI Xiao-chun，CHEN Tian-zhu，JIAN Si-liang School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China Corresponding author，E-mail: wangln@ qq． com ABSTＲACT At present，the traditional insulated pole electroscope is used for electrical inspection in high-voltage transmission lines． However，when it is used in ultra-high voltage ( UHV) transmission lines，the length of its insulated rod is large，and there are disadvantages such as large working intensity，inconvenience，and hazardous operation． In this study，an electroluminescent inorganic material was made to be used for inspection mark． The material was placed around the wire，so that it glowed during the electric fielddriven movement of electrons to promote carrier recombination，through which the charged situation could be determined． Therefore， the electrification of the line can be judged through the material luminescent properties，making it very convenient to be used for inspection mark． In this study，GaN materials were investigated． Based on the GaN，InGaN，and other materials，the contact layer，substrate layer，material layer and other structures were made by methods such as sol-gel method and gas phase epitaxy． Then the inspection mark was prepared． The light-emitting layer was a nanorod array with a multi-quantum hydrazine structure． The electrical and optical properties of the inspection mark were tested，and the relevant characteristic curve was obtained． Through a simulation of the Ansoft-maxwell finite element software，the electric field distribution of the inspection mark and surrounding transmission lines were analyzed． Through experiments，the electromagnetic environment needed for electroluminescence was tested in the high-voltage test hall of Wuhan University． Finally，the inspection mark was tested in a working environment simulated in the Feng-huang ultra-high voltage
·1116 工程科学学报，第40卷，第9期 test site.The research shows that the low-field electroluminescent inspection mark has the advantages of low power consumption and ob- vious luminescence.When it is in an area where the electric field strength is above 1.2 x10 V.m,the light can be excited and the injected current is about 1.I mA.Simulation and experimental analysis show that the electric field strength around the UHV transmis- sion lines meets the requirements of the light-emitting indication of an electroscope.Meanwhile,the space stray current and capacitance effect of the material provide the injection current.The inspection mark indicates the charged state through the light-emitting proper- ties.Its installation can be within a distance of 13cm from the UHV conductor axis,and it has good weather resistance.Meanwhile,it avoids problems such as electromagnetic interference and poor reliability that occur in electroscope equipment with complex circuits. KEY WORDS gallium nitride:inspection mark:electrochromic:finite element simulation:UHV transmission lines 电力系统在对输电设备进行停电检修时，验电 复合粉末(NiCr)由上海邵丰焊材有限公司提供， 是必须提前进行的一项工作.《国家电网公司电力 GaN、InGaN材料由上海国丽电子科技有限公司提 安全工作规程》明确规定，在部分停电的电气设备 供，厚度分别为2和2.5μum,nAlN由武汉大学化学 上开展相关作业前，必须要首先进行验电，验明电气 院提供，品质为工业级，其他材料如氧化铟锡(TO) 设备或输电线路确无电压.目前，验电主要是采用 膜等均由材料加工厂家制备提供.各个层所组成的 绝缘杆配合验电器进行操作·-习，该方法对低电压 机构如图1所示.对应的材料如表1所示 等级输电导线较为实用，然而特高压输电线路电压 欧姆接触层 等级高，安全距离要求较大，操作杆长度和挠度很难 满足要求，整体质量大，工作人员操作不便：现有电 容式验电器，闪光式验电需要单独提供电源，并且是 电流扩散层 结构复杂的装置，其可靠性不高，而如果仅采用材 限制层 料，放置在导线周围发光验电则可以避免上述问题 通过材料颜色发光变化来表征设备是否带电， 基片层 具有可靠性高、操作方便、成本低等特点.同时，材 料本身比复杂的电路装置具有很好的耐候性能，能 够在户外长期应用，能够很好的解决目前特高压输 欧姆接触层 电导线验电过程中存在的问题.GN(氮化镓)作为 图1氮化镓验电标识结构图 半导体材料，自20世纪90年代初就开始研究，但到 Fig.1 GaN inspection signs 目前为止，绝大多数用于半导体发光照明范围 其属于低场致发光材料（注入式电致发光），其发光 表1验电标识制备材料及工艺 Table 1 Preparation of materials and processes for inspection 功耗较低，且亮度较大：InGaN(铟氮化稼)有很高的 结构 材料 主要工艺 辐射复合几率，纳米棒发光阵列具有较高的内部量 子效率，较高的光提取效率和最佳方向性能囚.特 接触层 Au/NiCr 在氢气环境中完成欧姆接触 扩散层 ZnO:Ga(ITO) 高压输电线周围空间存在较强工频电场，以GaN/ 溶胶一凝胶法/离子干法刻蚀 InGaN材料为基础形成验电标识，通过电场驱动电 限制层 InAIN/InGaN 高温脱氧化层/气相沉积法 子的运动，促进载流子复合，来实现验电指示功能将 基片层 Ga 气相沉积法 成为可能6-).本文研制以GaN/InGaN量子阱为基 材料层 GaN/InGaN 气相沉积等方法 础的纳米棒发光阵列网，通过相关工艺制备成为验 接触层，采用Au作为欧姆接触，能提高导电性 电标识，并对它的结构、光学特性、电学特性进行分 和减小接触电阻：扩散层是材料通电发生变化时，用 析，研究其在特高压输电线路的验电性能. 于扩散的内层：限制层用于提升势垒高度，有利于扩 1 实验材料与原理 大能级间的差距图：基片层用于熔融重结晶生长出 单晶层，材料层中掺杂少许Tm回；材料层是以 1.1材料制备 GaN/InGaN为主的量子阱，类似典型半导体结构， 通过广泛的调研和研究，本文选取的研究材料 它主要由2.5m厚的n型（带负电荷）GaN层，130 主要是GaN/nGaN,其作为发光层.此外还有辅助 nm厚的p型（带正电空穴）GaN层，主要波长为约 发光的接触层、电流扩散层、基片层.其中镍铬合金 440nm的nGaN/GaN量子阱组成，其主要通过气相
工程科学学报，第 40 卷，第 9 期 test site． The research shows that the low-field electroluminescent inspection mark has the advantages of low power consumption and obvious luminescence． When it is in an area where the electric field strength is above 1. 2 × 106 V·m － 1，the light can be excited and the injected current is about 1. 1 mA． Simulation and experimental analysis show that the electric field strength around the UHV transmission lines meets the requirements of the light-emitting indication of an electroscope． Meanwhile，the space stray current and capacitance effect of the material provide the injection current． The inspection mark indicates the charged state through the light-emitting properties． Its installation can be within a distance of 13 cm from the UHV conductor axis，and it has good weather resistance． Meanwhile，it avoids problems such as electromagnetic interference and poor reliability that occur in electroscope equipment with complex circuits． KEY WOＲDS gallium nitride; inspection mark; electrochromic; finite element simulation; UHV transmission lines 电力系统在对输电设备进行停电检修时，验电 是必须提前进行的一项工作． 《国家电网公司电力 安全工作规程》明确规定，在部分停电的电气设备 上开展相关作业前，必须要首先进行验电，验明电气 设备或输电线路确无电压． 目前，验电主要是采用 绝缘杆配合验电器进行操作［1--2］，该方法对低电压 等级输电导线较为实用，然而特高压输电线路电压 等级高，安全距离要求较大，操作杆长度和挠度很难 满足要求，整体质量大，工作人员操作不便; 现有电 容式验电器，闪光式验电需要单独提供电源，并且是 结构复杂的装置，其可靠性不高，而如果仅采用材 料，放置在导线周围发光验电则可以避免上述问题． 通过材料颜色发光变化来表征设备是否带电， 具有可靠性高、操作方便、成本低等特点． 同时，材 料本身比复杂的电路装置具有很好的耐候性能，能 够在户外长期应用，能够很好的解决目前特高压输 电导线验电过程中存在的问题． GaN( 氮化镓) 作为 半导体材料，自 20 世纪 90 年代初就开始研究，但到 目前为止，绝大多数用于半导体发光照明范围［3--4］． 其属于低场致发光材料( 注入式电致发光) ，其发光 功耗较低，且亮度较大; InGaN( 铟氮化稼) 有很高的 辐射复合几率，纳米棒发光阵列具有较高的内部量 子效率，较高的光提取效率和最佳方向性能［5］． 特 高压输电线周围空间存在较强工频电场，以 GaN / InGaN 材料为基础形成验电标识，通过电场驱动电 子的运动，促进载流子复合，来实现验电指示功能将 成为可能［6--7］． 本文研制以 GaN / InGaN 量子阱为基 础的纳米棒发光阵列［8］，通过相关工艺制备成为验 电标识，并对它的结构、光学特性、电学特性进行分 析，研究其在特高压输电线路的验电性能． 1 实验材料与原理 1. 1 材料制备 通过广泛的调研和研究，本文选取的研究材料 主要是 GaN / InGaN，其作为发光层． 此外还有辅助 发光的接触层、电流扩散层、基片层． 其中镍铬合金 复合粉末( NiCr) 由上海邵丰焊材有限公司提供， GaN、InGaN 材料由上海国丽电子科技有限公司提 供，厚度分别为 2 和 2. 5 μm，InAlN 由武汉大学化学 院提供，品质为工业级，其他材料如氧化铟锡( ITO) 膜等均由材料加工厂家制备提供． 各个层所组成的 机构如图 1 所示． 对应的材料如表 1 所示． 图 1 氮化镓验电标识结构图 Fig． 1 GaN inspection signs 表 1 验电标识制备材料及工艺 Table 1 Preparation of materials and processes for inspection 结构 材料 主要工艺 接触层 Au /NiCr 在氢气环境中完成欧姆接触 扩散层 ZnO: Ga( ITO) 溶胶--凝胶法/离子干法刻蚀 限制层 InAlN / InGaN 高温脱氧化层/气相沉积法 基片层 Ga 气相沉积法 材料层 GaN / InGaN 气相沉积等方法 接触层，采用 Au 作为欧姆接触，能提高导电性 和减小接触电阻; 扩散层是材料通电发生变化时，用 于扩散的内层; 限制层用于提升势垒高度，有利于扩 大能级间的差距［8］; 基片层用于熔融重结晶生长出 单晶 层，材料层中掺杂少许 Tm［9］; 材料 层 是 以 GaN / InGaN 为主的量子阱，类似典型半导体结构， 它主要由 2. 5 μm 厚的 n 型( 带负电荷) GaN 层，130 nm 厚的 p 型( 带正电空穴) GaN 层，主要波长为约 440 nm 的 InGaN /GaN 量子阱组成，其主要通过气相 · 6111 ·
陈康等：基于GN材料的特高压输电线路的验电标识 ·1117· 沉积法0在T0衬底上生长外延结构.对于纳 下，扩散层的电子在电场作用下不断运动，撞击材料 米阵列的制备，主要包括如下步骤：第一，通过等离 层，使材料层进行载流子的复合，多余的能量以发光 子体增强化学气相沉积法☒在外延层上沉积200 的形式释放出来，于是就产生了发光变色s一切.当 nm的Si0,掩模层.第二，将220nm厚的抗蚀剂旋 电子在材料中运动时，带负电的电子和带正电的空 涂在SiO,掩膜层上.第三，使用纳米压印光刻，将具 穴进行复合，其多余的能量在材料分子中，产生能级 有三角形纳米阵列的图案转移到晶片上的抗蚀剂 跃迁，其电子和空穴的能量越大，则形成的光能量越 层，通过等离子体去除残余抗蚀剂.第四，通过 大&-.GaN/InGaN材料属于宽禁带的直接带隙 CHF,和O,气体体系对Si02进行离子蚀刻.第五，使 半导体，导带中的电子和价带中的空穴发生辐射复 用的氯气和氩气的气体混合物，对沉积Si0,掩膜层 合时多余的能量会以光子的形式释放.由于晶体本 的GaN外延层进行蚀刻，形成纳米棒阵列n3- 身具有缺陷或者杂质，这些缺陷和杂质会形成一些 各层制备完成之后，采用树脂材料进行密封整 复合中心，有时也能发生非辐射复合0.GaN/n- 体封装形成验电标识，长度为6cm×6cm,整体外观 GaN材料所对应的发光量子阱能带可采用薛定谔方 如图2所示. 程进行表述.沿z方向上的一维薛定谔方程四 如下： 【-若是+a]be=Embe0 式中，春=会山为言朝克常最：为位置变量票为 二阶导数算子，V(z)为z方向上势能函数，m为粒子 有效质量，中(z)为待求波函数，E(n)为本征能级， n=1,2,3… 假设深度为d。,约定量子阱里面V(z)=0,量子 阱外面V()为无穷大，则可以得到本征能级： 图2验电标识整体外观图 EC) (2) Fig.2 Overall appearance of electric inspection mark 本征方程： 在验电标识的制备过程中，最复杂的为发光材 中(z）= 2 (n为偶数) (3) 料层的制备，为了降低材料的生产制作成本，在纳米 sin(k.） 棒制备过程中采用的是工艺相对简单，成本低的纳 b(z）= 2 (n为奇数) (4) 米压印光刻技术，不依赖物理光学成像系统，可以获 得较高的精度，并且可以通过批量生产的方式大幅 式中，4一需为波数，类似的根据不同的势能函数， 度降低成本。离子蚀刻法为干蚀刻的一种，可像大 可以得到该方程的解，进而可以得到辐射复合能量 规模集成电路芯片一样委托相关厂家进行加工完 对应关系 成，相关工艺市场上己经具备较为成熟的产业化技 由于材料中的电子处在不同的能级，其具有不 术.其他各层处理方法如下：接触层(contact layer) 同的能量，具有不同分立的波函数，图3中表示了处 采用在氢气环境中完成欧姆接触，为了避免氧化：扩 在两个不同能级的粒子，在复合的过程中，进行能量 散层(diffusion layer)采用溶胶-凝胶法制备；限制层 激发 (limit layer)采用气相沉积法在基片层(substrate 图3中对应E为GaN直接隙能量，数值为3.39 layer)上生成.各层的制备技术均有成熟的产业化 eV,y表示辐射光的频率，h为普朗克常量，上述即 技术，本验电标识的制备过程与半导体芯片类似 为验电标识的发光机理 本文委托厂家制备了一批总数量为50个验电标识 1.2.2有限元仿真分析原理 样品，成品率约为86%，用于进行后续的研究测试. 电场分析需用到电磁场相关理论.电磁场分析 1.2实验原理 通常归为对微分方程的求解，由唯一性定理可以知 1.2.1发光原理分析 道，当给定场的边界条件后就可以进行求解。有限 验电标识在电场中的发光原理是，在电场作用 元法就是将整个区域离散处理，分隔成大量的小区
陈 康等: 基于 GaN 材料的特高压输电线路的验电标识 沉积法［10--11］在 ITO 衬底上生长外延结构． 对于纳 米阵列的制备，主要包括如下步骤: 第一，通过等离 子体增强化学气相沉积法［12］在外延层上沉积 200 nm 的 SiO2掩模层． 第二，将 220 nm 厚的抗蚀剂旋 涂在 SiO2掩膜层上． 第三，使用纳米压印光刻，将具 有三角形纳米阵列的图案转移到晶片上的抗蚀剂 层，通过等离子体去除残余抗蚀剂． 第 四，通 过 CHF3和 O2气体体系对 SiO2进行离子蚀刻． 第五，使 用的氯气和氩气的气体混合物，对沉积 SiO2掩膜层 的 GaN 外延层进行蚀刻，形成纳米棒阵列［13--14］． 各层制备完成之后，采用树脂材料进行密封整 体封装形成验电标识，长度为 6 cm × 6 cm，整体外观 如图 2 所示． 图 2 验电标识整体外观图 Fig． 2 Overall appearance of electric inspection mark 在验电标识的制备过程中，最复杂的为发光材 料层的制备，为了降低材料的生产制作成本，在纳米 棒制备过程中采用的是工艺相对简单，成本低的纳 米压印光刻技术，不依赖物理光学成像系统，可以获 得较高的精度，并且可以通过批量生产的方式大幅 度降低成本． 离子蚀刻法为干蚀刻的一种，可像大 规模集成电路芯片一样委托相关厂家进行加工完 成，相关工艺市场上已经具备较为成熟的产业化技 术． 其他各层处理方法如下: 接触层( contact layer) 采用在氢气环境中完成欧姆接触，为了避免氧化; 扩 散层( diffusion layer) 采用溶胶--凝胶法制备; 限制层 ( limit layer) 采用气相沉积法在基片层( substrate layer) 上生成． 各层的制备技术均有成熟的产业化 技术，本验电标识的制备过程与半导体芯片类似． 本文委托厂家制备了一批总数量为 50 个验电标识 样品，成品率约为 86% ，用于进行后续的研究测试． 1. 2 实验原理 1. 2. 1 发光原理分析 验电标识在电场中的发光原理是，在电场作用 下，扩散层的电子在电场作用下不断运动，撞击材料 层，使材料层进行载流子的复合，多余的能量以发光 的形式释放出来，于是就产生了发光变色［15--17］． 当 电子在材料中运动时，带负电的电子和带正电的空 穴进行复合，其多余的能量在材料分子中，产生能级 跃迁，其电子和空穴的能量越大，则形成的光能量越 大［18--19］． GaN / InGaN 材料属于宽禁带的直接带隙 半导体，导带中的电子和价带中的空穴发生辐射复 合时多余的能量会以光子的形式释放． 由于晶体本 身具有缺陷或者杂质，这些缺陷和杂质会形成一些 复合中心，有时也能发生非辐射复合［20］． GaN / InGaN 材料所对应的发光量子阱能带可采用薛定谔方 程进行 表 述． 沿 z 方向上的一维薛定谔方程［21］ 如下 [ : － h － 2 2 1 m d2 dz 2 + V( z ] ) ( z) = E( n) ( z) ( 1) 式中，h － = h 2π，h 为普朗克常量，z 为位置变量，d2 dz 2为 二阶导数算子，V( z) 为 z 方向上势能函数，m 为粒子 有效质量，( z) 为待求波函数，E( n) 为本征能级， n = 1，2，3…． 假设深度为 d0，约定量子阱里面 V( z) = 0，量子 阱外面 V( z) 为无穷大，则可以得到本征能级: E( n) = h － 2 2mk 2 n ( 2) 本征方程: ( z) = 2 槡d0 sin ( kn z) ( n 为偶数) ( 3) ( z) = 2 槡d0 cos ( kn z) ( n 为奇数) ( 4) 式中，kn = nπ d0 为波数，类似的根据不同的势能函数， 可以得到该方程的解，进而可以得到辐射复合能量 对应关系． 由于材料中的电子处在不同的能级，其具有不 同的能量，具有不同分立的波函数，图 3 中表示了处 在两个不同能级的粒子，在复合的过程中，进行能量 激发． 图 3 中对应 E 为 GaN 直接隙能量，数值为 3. 39 eV，γ 表示辐射光的频率，h 为普朗克常量，上述即 为验电标识的发光机理． 1. 2. 2 有限元仿真分析原理 电场分析需用到电磁场相关理论． 电磁场分析 通常归为对微分方程的求解，由唯一性定理可以知 道，当给定场的边界条件后就可以进行求解． 有限 元法就是将整个区域离散处理，分隔成大量的小区 · 7111 ·
·1118 工程科学学报，第40卷，第9期 E(n) hy=E 图3辐射复合能量示意图 Fig.3 Radiation composite energy diagram 图4发光情况测试 Fig.4 Luminous condition test 域，然后利用剖分差值，离散处理，将复杂的电磁场 多元微分方程转化为多元代数方程组，该方法对 4.0 涉及到电磁场有关场量求解非常方便2-)，其求 3.5 解依据为麦克斯韦方程组.其积分形式公式如下 3.0 所示： 25 安培环路定律： =.(+)as 1.0 (5) 0.5 0 法拉第电磁感应定律： 38.0 39.039.540.0405 40.741.0 电压N f=-乐（照） .ds (6) 图5伏安特性曲线 式中，H为磁场强度，J为传导电流密度，D为电通 Fig.5 Volt-ampere characteristic curve 量，S为闭合路径1对应的环路面积，E为电场强度， 表2验电标识发光参数 B为磁感应强度，t为时间 Table 2 Material luminescence parameters 两个通量定律式分别如下： 电压(AC)/ 亮度1 色坐标 乐Dds=∯pd (7) (cd.m-2) X 38.0 3.76 0.1469 0.0343 f.B-ds-0 (8) 39.0 37.79 0.1464 0.0333 式中，p为体电荷密度，v为闭合曲面S对应的体积， 39.5 110.72 0.1464 0.0330 所有单位均为标准单位 40.0 250.96 0.1464 0.0328 通过上述原理，及Ansoftmaxwell有限元软 40.5 393.02 0.1472 0.0316 件4-进行电场计算分析. 40.7 869.88 0.1473 0.0314 41.0 1233.42 0.1473 0.0313 2结果与分析 2.1验电标识性能分析 从图表中我们可以得到，验电标识的起亮电压 购置的交流可变电源，型号为OYHS9801,通 约为38V,随后亮度会随电压提升较大，功耗也会提 过工频电压对本批验电标识样品进行发光性能测 升很多，电流为毫安级别.但是，当后续电压加到45 试.选取20个验电标识样品，通过导线连接验电标 V以上时，材料发光面不再均匀，转而亮度面积回缩 识的两面，引出电极，逐渐提升电压，记录每一个样 成为一条线，其余部分发光消失，此时电流约为11 品的伏安特性数据.经过测试，样品的起亮电压偏 mA,分析认为，材料内部达到了耐受电压，进而出现 差在5%以内，当电压达到38V以上时，就可以发出 工作异常. 明显的蓝光，如图4所示.从图中可以看出样品发 2.2仿真分析 光面基本均匀，除边缘有少许差异外，整个发光面呈 为了得到验电标识置于特高压输电线路周围的 现出蓝色并带一点紫色.各样品的平均伏安特性曲 电场环境，以及其内部所能达到的场强值，通过电磁 线及相关发光参数如图5和表2所示 场仿真软件进行分析
工程科学学报，第 40 卷，第 9 期 图 3 辐射复合能量示意图 Fig． 3 Ｒadiation composite energy diagram 域，然后利用剖分差值，离散处理，将复杂的电磁场 多元微分方程转化为多元代数方程组，该方法对 涉及到电磁场有关场量求解非常方便［22--23］，其求 解依据为麦克斯韦方程组． 其积分形式公式如下 所示: 安培环路定律: ∮l H·dl = ( S J + D ) t ·dS ( 5) 法拉第电磁感应定律: ∮l E·dl = － ( S B ) t ·dS ( 6) 式中，H 为磁场强度，J 为传导电流密度，D 为电通 量，S 为闭合路径 l 对应的环路面积，E 为电场强度， B 为磁感应强度，t 为时间． 两个通量定律式分别如下: S D·dS = v ρdv ( 7) S B·dS = 0 ( 8) 式中，ρ 为体电荷密度，v 为闭合曲面 S 对应的体积， 所有单位均为标准单位． 通 过 上 述 原 理，及 Ansoftmaxwell 有 限 元 软 件［24--25］进行电场计算分析． 2 结果与分析 2. 1 验电标识性能分析 购置的交流可变电源，型号为 OYHS--9801，通 过工频电压对本批验电标识样品进行发光性能测 试． 选取 20 个验电标识样品，通过导线连接验电标 识的两面，引出电极，逐渐提升电压，记录每一个样 品的伏安特性数据． 经过测试，样品的起亮电压偏 差在 5% 以内，当电压达到 38 V 以上时，就可以发出 明显的蓝光，如图 4 所示． 从图中可以看出样品发 光面基本均匀，除边缘有少许差异外，整个发光面呈 现出蓝色并带一点紫色． 各样品的平均伏安特性曲 线及相关发光参数如图 5 和表 2 所示． 图 4 发光情况测试 Fig． 4 Luminous condition test 图 5 伏安特性曲线 Fig． 5 Volt--ampere characteristic curve 表 2 验电标识发光参数 Table 2 Material luminescence parameters 电压( AC) / V 亮度/ ( cd·m － 2 ) 色坐标 X Y 38. 0 3. 76 0. 1469 0. 0343 39. 0 37. 79 0. 1464 0. 0333 39. 5 110. 72 0. 1464 0. 0330 40. 0 250. 96 0. 1464 0. 0328 40. 5 393. 02 0. 1472 0. 0316 40. 7 869. 88 0. 1473 0. 0314 41. 0 1233. 42 0. 1473 0. 0313 从图表中我们可以得到，验电标识的起亮电压 约为 38 V，随后亮度会随电压提升较大，功耗也会提 升很多，电流为毫安级别． 但是，当后续电压加到 45 V 以上时，材料发光面不再均匀，转而亮度面积回缩 成为一条线，其余部分发光消失，此时电流约为 11 mA，分析认为，材料内部达到了耐受电压，进而出现 工作异常． 2. 2 仿真分析 为了得到验电标识置于特高压输电线路周围的 电场环境，以及其内部所能达到的场强值，通过电磁 场仿真软件进行分析． · 8111 ·
陈康等：基于GaN材料的特高压输电线路的验电标识 ·1119· 建立导线实体模型，将验电标识放置在导线附 进行实际尺寸建模，将器件平行于导电轴，得到了导 近指定位置，所有实体被两个空气体包围，第一层空 线及器件周围的场强分布. 气体为长70m,宽20m,高85m的长方体；第二层空 由于验电标识离导线较近，经过仿真分析发现 气体为半径200m、厚50m半圆柱体.模型整体部 选取一相进行分析可以满足精度要求，取一相加载 分在Solidworks中建立并导入Ansoftmaxwell中.通 557kV电压，进行仿真计算，得到的电场分布如图6 过加载电压，选择时变电磁场求解器进行求解，通过 所示.由仿真可知，贴近导线以及验电标识的内部 有限元分析.以1000kV标准型号8根400mm2导线 电场达到了10V·m数量级. 倒电场强度Wm少 ■8测718 间电场强度V·m 26931x10g 51361 2.334009 21545×10 1075010 7054×I0 610× 13K3× 0 0772￥ q771×1 3.5908×105 7954×10 ,954x10 图6验电标识在1000kV线路周围电场分布.()一相导线电场分布：(b)验电标识电场分布 Fig.6 Electrical identification distributing around the 1000 kV line:(a)electric field distribution of one-phase conductor:(b)electric field distri- bution of electroscope identification 为了更全面的分析验电标识所处导线周围电场 黑色箭头方向所示，取一相电压最大时刻，得到场强 情况，三相导线电场分布取各相导线径向方向，由分 分布图7，图中曲线A为一相电压最大时刻电场分 裂导线几何中心径向向外取值，路径如图6(a)中的 布曲线，曲线B为另外一相电场曲线 ml 2.5 位置点 536.25002555940.8690 2.0 m2 549.75001315680.7275 m3 575.2500763735,4314 二8 14 612.0000530440.5512 639.7500 451819,2679 689.2500375444.4952 m 1.5 m6 m7 507.00001539425.2727 8 m8 523.43441383536.4265 m2 mg 526.51341133711.1309 m10528.9766995739.2764 曰1.0 539.4453673861,3989 m12 556.6879 464286.4760 m13578.8569351442.6309 3 m14 602.2575 291917.7535 m4 05 m12 500 625 750 距离/mm 图7导线径向电场分布值 Fig.7 Wire radial electric field distribution value
陈 康等: 基于 GaN 材料的特高压输电线路的验电标识 建立导线实体模型，将验电标识放置在导线附 近指定位置，所有实体被两个空气体包围，第一层空 气体为长 70 m，宽 20 m，高 85 m 的长方体; 第二层空 气体为半径 200 m、厚 50 m 半圆柱体． 模型整体部 分在 Solidworks 中建立并导入 Ansoftmaxwell 中． 通 过加载电压，选择时变电磁场求解器进行求解，通过 有限元分析． 以1000 kV 标准型号8 根400 mm2 导线 进行实际尺寸建模，将器件平行于导电轴，得到了导 线及器件周围的场强分布． 由于验电标识离导线较近，经过仿真分析发现 选取一相进行分析可以满足精度要求，取一相加载 557 kV 电压，进行仿真计算，得到的电场分布如图 6 所示． 由仿真可知，贴近导线以及验电标识的内部 电场达到了 106 V·m － 1数量级． 图 6 验电标识在 1000 kV 线路周围电场分布． ( a) 一相导线电场分布; ( b) 验电标识电场分布 Fig． 6 Electrical identification distributing around the 1000 kV line: ( a) electric field distribution of one-phase conductor; ( b) electric field distribution of electroscope identification 图 7 导线径向电场分布值 Fig． 7 Wire radial electric field distribution value 为了更全面的分析验电标识所处导线周围电场 情况，三相导线电场分布取各相导线径向方向，由分 裂导线几何中心径向向外取值，路径如图 6( a) 中的 黑色箭头方向所示，取一相电压最大时刻，得到场强 分布图 7，图中曲线 A 为一相电压最大时刻电场分 布曲线，曲线 B 为另外一相电场曲线． · 9111 ·