棒电极直径和端部形状对短空气间隙交流击穿电压的影响研究

空气间隙交流击穿特性试验常采用棒棒、棒板电极作为试验电极,目前棒电极直径、棒端部形状对空气间隙交流击穿电压的影响尚不清晰。为此,用直径2 cm、1 cm的圆棒和直径1 cm的尖棒搭建棒棒、棒板电极,开展5~40 cm短空气间隙下的交流击穿试验,研究棒电极直径和端部形状对空气间隙交流击穿电压的影响。结果表明:在试验棒电极直径和端部形状范围内,空气间隙距离5~20 cm时,各棒棒或棒板电极空气间隙击穿电压相对偏差在5.93%~33%之间,随着空气间隙距离增大,棒电极直径和端部形状对棒棒、棒板空气间隙击穿电压的影响逐渐减弱;空气间隙距离大于20 cm时,各棒棒或棒板电极空气间隙击穿电压相对偏差均小于5%。研究认为,空气间隙距离超过20 cm时,棒电极直径和端部形状对棒棒、棒板空气间隙击穿电压无影响。

海拔2500 m地区±800 k V特高压阀厅空气间隙操作冲击放电特性

为准确获得2 500 m海拔以上的±800 kV特高压直流工程送端阀厅的内部设计尺寸(汉语是半句话,用句号不太合适,请作者检查)。本文在2 500 m海拔的西宁高海拔试验基地,采用升降法开展了相间和相对地间隙的放电特性试验,得到了典型间隙的操作冲击放电电压U50,并给出了放电电压与间隙距离的拟合公式。试验结果表明:空气间隙类型决定其放电特性曲线的增长率的不同,电极上均压球电极曲率半径的增大可以显著提高间隙的操作耐受能力,而针对同一种空气间隙来说,正向操作冲击电压施加的电极部位不同会直接导致放电特性曲线的不同。

绝缘隔板对空气间隙放电光谱特性的影响及电荷演变机理

在空间有限的开关柜等电力设备中,开展棒-板间隙放电的放电规律以及检测方法的研究具有重要意义。实验探讨了“棒电极-绝缘隔板-接地电极”系统中不同隔板材料、隔板位置时放电光谱的分布规律;采用表面电位计,计算分析了放电后绝缘隔板表面陷阱能级分布特征;通过建立等尺寸绝缘系统仿真模型,分析绝缘隔板的引入对电子密度、电场分布的影响,揭示放电机理。实验研究表明,绝缘隔板的引入,可以显著提高系统的击穿电压,最高可提升1.6倍。不同隔板材料对应的放电光谱特征信息有所不同,环氧树脂隔板的放电光谱强度整体较大,但在波段309.25 nm、589.05 nm处聚酯板的光谱强度略大于环氧树脂。此外,电极间距对放电光谱具有较大的影响。隔板材料表面存在明显的残余电荷,环氧树脂的电荷积聚高于聚酯板,对击穿电压的影响较大。仿真结果显示,隔板材料的改变会影响击穿电压的幅值,同时会改变微观粒子的物理运动,从而改变放电光谱。研究成果可为电力设备光谱放电监测和绝缘状态评估提供理论和实验指导。

正极性操作冲击电压下含悬浮导体长空气间隙放电发展过程

带电作业组合间隙是典型的含悬浮导体长空气间隙,含悬浮导体长空气间隙放电机理研究对提升带电作业安全性具有重要意义。为此搭建了棒-棒-板含悬浮导体长空气间隙放电观测平台,开展了悬浮导体位于不同位置的间隙放电观测试验,获得了施加电压、高电位放电电流以及放电光学图像等数据,研究了间隙的放电发展过程。研究结果表明,含悬浮导体长空气间隙这2个子间隙的放电会同时进行并相互影响,子间隙1放电主要由下行先导-流注体系和上行流注组成,子间隙2放电主要由先导-流注体系组成;悬浮导体位置会影响放电发展各阶段的起始时刻和放电发展时间;悬浮导体在任意位置时,放电从子间隙1起始,子间隙2中放电在子间隙1击穿前起始,子间隙2击穿不早于子间隙1击穿;子间隙1流注-先导转化所需临界电荷为0.26μC,与长空气间隙相似;预放电电流幅值、先导发展速度等放电发展特征与长空气间隙存在差异。

特高压换流站空气间隙的海拔修正方法研究

合理地确定高海拔地区特高压换流站的空气间隙对于保证电力系统的可靠性和经济性具有重要意义。文章梳理了现有的特高压换流站空气间隙的海拔修正方法,利用算例进行绝缘配合计算并与真型实验结果进行比对,分析了现有方法的准确性,为我国高海拔换流站设计和评审工作提供理论参考。

不同大气环境下棒-板长空气间隙操作冲击放电电压智能预测

空气放电源于电场与大气环境的相互作用,空气间隙放电电压受到极间电场分布与大气参数的共同影响。为实现高海拔环境下棒-板长空气间隙的操作冲击放电电压计算,本文以气压、温度、绝对湿度、海拔以及电场特征量作为特征集,构建了一种基于k近邻(k-nearest neighbor,KNN)算法的绝缘预测模型。采用55~4 300 m海拔范围内的试验数据对KNN算法进行训练,建立气隙特征与其绝缘强度的映射关系,实现了5 000 m高海拔环境不同间隙距离的棒-板空气间隙放电电压预测,最大相对误差和平均绝对百分比误差分别为8.58%和3.78%,验证了所提方法的有效性。将模型外推至平原不同大气参数下的棒-板空气间隙时,放电电压预测值与试验值同样具有较好的一致性。研究结果可为不同大气环境下的空气间隙绝缘强度计算提供参考。

500kV某变电站高海拔外绝缘水平和空气间隙计算

本文首先确定了500kV某高海拔变电站的污秽等级及爬电距离,对绝缘子片进行了选择;提出了高海拔电站空气间隙距离选择的原则及要求,并对变电站500kV电压等级的空气间隙进行了计算,确定了最小相地和相间的空气间隙推荐值,计算结果对于保证工程的可靠设计和安全稳定运行有一定地积极意义。

±1500kV特高压直流输电线路空气间隙研究

为了提高输电质量和降低工程造价,根据国内外设计经验进行外推,选定±1500kV为更高的输电电压等级。对±1500kV直流输电线路各工况下的空气间隙进行研究,考虑海拔和塔身宽度修正,得到不同海拔高度和操作过电压倍数情况下的空气间隙推荐值,为后续工程设计提供基础。

广东500kV同塔四回线路空气间隙选择研究

同塔并架多回输电线路可以提高输电线路走廊利用率、降低电力建设成本。广东电网拟在500kV五邑-狮洋线路工程中采用多段500kV同塔四回线路。基于此,对广东500kV同塔四回线路在各种工况下的相对地空气间隙、相间空气间隙、带电作业间隙的选择进行分析,从而提出合理的塔头控制尺寸,确保线路运行可靠性以及降低工程造价。

空气间隙放电物理参数测量研究进展

随着我国特高压输电建设的深入,空气间隙放电的机理研究日益迫切,针对空气间隙放电的电场、电流、流注放电形态等关键物理参数的测量研究最新进展进行了介绍。重点介绍了国内外光电电场测量系统的研究进展,通过测试证实自主研制的瞬态电场测量系统理论测量范围可达24kV/cm,雷电冲击与ns冲击下的时域动态响应试验证实电压与电场的相关系数为0.9946。采用同轴电阻与光电调制传输系统构成的放电电流测量系统,实现了放电起始几十ns级瞬态电流的准确测量,并建立了高速摄像系统研究放电形态。搭建了试验平台,并就流注放电起始阶段空间电场的跃升、瞬态放电电流、流注形态等进行了初步研究,结果表明,研制的测量系统能够满足放电关键物理参数的测量要求,为今后深入开展放电机理研究奠定了坚实的基础。

1m棒-板空气间隙正极性操作冲击放电特性及电压校正

高海拔下操作冲击放电特性是超特高压外绝缘设计的基础之一,也是国内外尚未解决的关键技术之一。由于IEC60-1—1989和GB/T16927.1—1997推荐的g参数法适用范围受到限制,该文选择1m棒-板空气间隙,在人工气候室以及3个不同海拔高度的现场进行试验研究,分析了棒-板空气间隙正极性操作冲击50%放电电压U50与大气参数的关系,提出了基于g参数和基于相对气压的2个新的校正方法,并用试验数据对其进行了验算。结果表明:U50是考虑绝对湿度附加影响后相对气压和空气相对密度的幂函数;IEC标准和国家标准的g参数法不适用于海拔2000m以上和h/δ>15g/m3条件下的校正;提出的基于相对气压的校正方法比基于g参数法的校正方法适用范围更广,引起的误差更小。分析计算还表明,湿度增加1g/m3,引起的U50的变化在1.0%～1.15%之间。

风雨对导线-杆塔空气间隙工频放电特性的影响

针对近年来频繁发生的风偏事故,分析认为强风及暴雨是使导线—杆塔空气间隙工频放电电压降低的一个重要原因。采用1:1模拟杆塔-导线结构,首次系统地试验研究了雨水、大风及风雨组合对导线—杆塔空气间隙工频放电特性的影响。结果表明降雨、风速、风向、风雨组合都会影响到空气间隙的工频放电特性,在一定条件下会使其放电电压明显降低。研究结果可为恶劣气象条件下输电线路最小间隙距离设计提供技术依据,降低输电线路风偏放电故障及事故率,提高输电线路的安全运行水平。

长空气间隙放电研究的挑战与进展

开展空气间隙放电的理论研究,是支撑我国特高压工程建设、提升电力系统雷击防护水平的现实需求。通过分析特高压下长空气间隙放电的工程需求,以及雷电绕击输电线路的先导发展模型、电气几何模型所面临的理论困境,归纳了当前长空气间隙研究所面临的主要挑战——物理模型的内在复杂性、测试手段的局限性及数值求解方法的不确定性。同时,基于过去30多年测量、计算方法的长足进步,指出目前我国开展长空气间隙放电研究的重大机遇。另外,还简要总结了国内外长空气间隙放电研究的发展历程及流注先导模型在不同历史时期的典型成果,详细介绍了清华大学在973项目的支持下,在长空气间隙放电的微观机理与宏观过程研究方面的最新进展,并对未来的研究方向与目标做了初步展望,包括:1)明晰不同尺度流注起始及发展的规律;2)更深入认识流注转化为先导的规律及机理;3)清晰描述先导的发展过程特征参数;4)建立更完备的长空气间隙击穿模型,能够更准确地预测长空气间隙的放电特性;5)建立更科学的雷击闪络先导发展模型及雷击闪络风险评估方法;6)提出工程实用的更优化的长空气间隙结构。

±800kV直流输电空气间隙外绝缘特性研究

给出±800kV特高压直流输电工程线路杆塔和换流站直流场空气间隙操作冲击和雷电冲击放电特性的试验研究结果;讨论不同海拔高度下操作冲击放电电压的校正方法,并给出海拔校正系数;对±800kV直流输电杆塔和换流站最小典型间隙距离提出建议,为±800kV直流换流站及输电线路工程建设的设计提供了依据。

降雨对“棒-板”短空气间隙正极性直流放电特性的影响

针对目前我国500 kV直流输电线路凸现的雨闪问题,分析认为降雨对空气间隙直流放电特性有一定影响。为了确认降雨各因素对其影响程度,在人工气候室模拟降雨和现场自然降雨条件下,对0.1~0.6 m的棒？板短空气间隙正极性直流放电特性进行了系统的试验研究。结果表明：湿闪电压比干闪电压略高,小雨对放电电压的影响不明显;降雨变大后,棒？板短空气间隙的正极性直流放电电压下降显著,且放电电压与降雨强度呈明显的负相关关系;此外,雨水电导率以及雨水温度对棒？板短空气间隙的正极性直流放电特性也有明显影响。

不同海拔地区同塔双回±660kV直流线路杆塔空气间隙距离的选择

同塔双回±660kV直流输电工程直线塔布置型式在国内外尚属首次,其冲击放电特性与以往±500kV单回I串水平排列、±800kV单回V串水平排列时的冲击放电特性有很大差别。为解决我国宁东—山东同塔双回±660kV直流工程杆塔空气间隙的选择和海拔修正问题,首先利用真型模拟塔头,对V型绝缘子串在不同夹角下的操作冲击和雷电冲击放电特性进行了试验研究,然后分别在低海拔地区(北京)和高海拔地区(西宁),对±660kV同塔双回直线塔头进行了冲击放电特性试验,得到了海拔2000m及以下地区的海拔校正系数。最后,结合宁东—山东直流输电工程的实际情况,在1.8pu操作过电压下,对于海拔1000m及以下地区,±660kV同塔双回塔头的上层空气间隙距离建议为4.8m,下层空气间隙距离建议为4.9m;当海拔为2000m时,这2个距离分别建议为5.4m和5.5m。

±800kV直流输电工程空气间隙放电特性试验及间隙距离选择

针对±800 kV直流输电线路直线塔真型尺寸模拟杆塔空气间隙进行了50%操作冲击和雷电冲击放电特性试验研究,给出了±800 kV杆塔最小间隙距离的推荐值;对±800 kV直流换流站典型极母线空气间隙进行了50%操作冲击放电特性试验研究,给出了±800 kV换流站典型电极最小间隙距离的推荐值。

同塔双回±500kV直流线路杆塔上层空气间隙放电特性和耐雷性能试验研究

与单回直流输电线路相比,同塔双回±500kV输电线路能够大大提高线路走廊的输送能力;但其直线塔布置型式决定了其冲击放电特性与以往±500kV单回I串水平排列、±800kV单回V串水平排列时的冲击放电特性有很大差别,尤其是上层空气间隙的放电特性。为研究同塔双回±500kV线路上层空气间隙的冲击放电特性,首先利用实尺寸塔头,对V型绝缘子串在上层间隙中,导线或均压环到上横担、塔身、下横担距离相等时的操作冲击和雷电冲击放电特性进行了试验研究。为研究下横担对上层空气间隙放电特性的影响,保持均压环到上横担、塔身的距离相等且不变,改变下横担到上导线的距离,进行操作冲击和雷电冲击试验研究。最后,结合试验得到的结果,计算了上导线到下横担距离减小前后的杆塔耐雷水平。

基于有限元弱解式的棒–板长空气间隙先导放电空间电场仿真研究

对棒–板长空气间隙先导放电过程的空间电场分布以及带电离子浓度等特征参数进行仿真计算研究。建立棒–板长空气间隙放电的二维模型,导出流注–先导放电的二阶偏微分方程,通过有限元弱解形式(weakform)数值计算方法求解先导放电过程中产生的电子、正、负离子浓度与空间电场的大小。仿真结果显示:气体放电所产生的空间电荷对空间电场分布影响显著;间隙距离1.5m的棒–板长空气间隙下,外加500kV、250/2500μs正极性操作电压时的先导放电起始条件为,流注头部带电离子浓度达到4×1013cm-3数量级,空间电场最低达到10kV/cm;先导放电形成后,先导通道内电场约为1～2kV/cm,先导起始时间在400μs左右且以3×104m/s速度传播;有限元弱解形式能有效消除计算离子流中的数值振荡,使偏微分方程求解迅速收敛。

长空气间隙放电过程的试验观测技术

长空气间隙放电物理过程的试验观测研究是揭示长间隙放电机制和建立放电分析模型的基础。在高速光学观测技术、放电电流测量技术、空间瞬态电场测量技术和同步观测技术4方面开展了研究。通过分析高速摄影仪的成像原理,设计了针对不同放电阶段先导通道光学特性的观测方法;通过合理设计电极结构,研制全数字式光电隔离采集系统,实现了对高电位放电通道电流的全数字式测量;基于Pockels效应,研制出测量幅值上限达800 kV/m的集成光波导瞬态电场仪;基于高速摄影仪曝光时钟信号,提出了各测量设备的数据同步方案。该研究为准确地获取长空气间隙放电关键物理参数,揭示长空气间隙放电发展的物理过程提供了有力支撑。