正极性长空气间隙放电不稳定先导通道温度演化规律研究

先导放电是长空气间隙击穿的主导物理过程,是一种高电导率且以热电离过程为主导机制的热等离子体,获取不稳定先导通道温度分布对于揭示先导起始物理机制以及建立先导放电全过程仿真模型至关重要。该文利用脉冲驱动高功率LED光源,建立一套高时空分辨率定量纹影系统,并开展1.0m棒-板间隙正极性先导放电定量纹影观测实验。实测结果表明,在不稳定先导电流持续注入期间,通道轴向温度分布较为均匀,且通道热直径在径向上呈现持续快速扩张,并最终导致不稳定先导放电停止。此外,获得维持不稳定先导放电发展的通道轴线温度临界值为5000K。通过分析发现热传导过程是先导弛豫阶段的主导能量耗散机制,并导致通道轴线温度始终呈现下降趋势,最终稳定在1600K,较暗区通道中心温度稳定值要高。研究对于揭示先导放电物理机制和支撑建立先导放电发展模型具有重要的科学意义和工程应用价值。

长间隙正极性先导放电通道电场计算方法

正极性长空气间隙先导放电是特高压交、直流输电工程外绝缘设计以及雷电放电物理研究关注的重点。而其中连续先导通道电场特性十分关键,现有正先导通道电场工程计算方法均基于局部热力学平衡假设,不能准确计算先导通道等离子体特性。为此,该文构建连续正先导通道电离过程计算方法,结合3.0m棒–板间隙正先导通道电流数据进行仿真计算,获取先导通道半径膨胀过程。相比Gallimberti提出的经典模型,该文模型计算得到的半径扩张过程与实验测量结果更加接近。通过开展大量仿真研究,获取先导通道内约化电场与气体温度的关系,并通过添加振动–平动动能弛豫过程配分系数以及热传导损耗项修正了能量守恒方程。由此建立适用于工程计算的先导通道电场计算模型,并与经典模型进行对比。结果表明,在操作冲击与雷电冲击电压下,该文模型计算的先导通道电场值与实验结果更为接近,显著大于经典模型结果。在工程上继续沿用经典模型,将使预测的间隙50%击穿电压偏低。所作工作对于完善长空气间隙放电击穿过程和雷电上行先导过程仿真模型具有重要的参考价值。

基于脉冲定量纹影系统的正先导放电起始阶段通道瞬态温度测量

正极性先导放电特性是超特高压输变电系统操作过电压外绝缘配合和地面高目标物雷电屏蔽性能优化的基础。先导放电起始过程是流注茎向连续先导通道转化的关键阶段,通道处于非局部热力学平衡态,通道气体温度与电子密度、电场强度及径向尺寸等参数相互耦合,获取先导起始阶段通道温度演化规律对于揭示先导放电物理机制和实现全过程仿真建模至关重要。该文设计构建了一种脉冲LED光源驱动的定量纹影系统,时间和空间分辨率分别达到了0.37μs和31μm/像素,解决了长空气间隙放电通道瞬态温度时域连续测量的难题。开展了1.0 m棒-板间隙正极性先导放电观测实验,获得了放电电流、定量纹影图像及通道光学图像等数据。通过反演定量纹影图像获得了流注茎温度分布特性,发现了流注茎前端生长出一种热细通道的现象,其温度介于400~800 K,通道直径约为0.2 mm,轴向发展速度约为0.1 mm/μs。实验获得了二次流注电流注入阶段通道快速温升,以及不稳定先导弛豫阶段通道温度分布演化特性。

正极性冲击流注—先导转化放电通道温度测量研究

正极性长空气间隙放电是输变电系统外绝缘和雷电放电物理的研究基础,而流注—先导转化过程一直是长间隙放电机理以及雷电上行先导放电研究所关注的重点。为了获得流注—先导放电转化过程中电学、热力学参数演化规律及其关联关系,以1.0m棒–板空气间隙为研究对象,通过构建适用于流注—先导转化放电过程热特性试验观测系统,实现电压、高电位放电电流、放电通道光学形态、纹影图像的同步观测。获得从流注放电起始到先导通道形成过程的高速纹影图片,并通过Abel逆变换反演获得初始先导放电通道气体密度、温度的径向分布及其时间演化规律,发现因首次流注放电注入电荷量的增加,暗区时间内放电通道中心温度随时间的变化趋势由上升变为下降的两类现象。基于Gallimberti流注—先导转化零维模型,分析不同流注茎初始半径和能量分配系数对暗区内温度变化规律的影响,得出模型只适用于暗区温度上升的放电情况。该文的研究工作可为正极性先导起始判据修正和物理模型的完善提供参考。

风力发电机叶片叶尖段外覆导体接闪系统的雷击防护性能研究

风力发电机叶片的雷击防护问题一直是风电系统安全运行关注的焦点。随着风电机组单机容量的增加,塔筒的高度、叶片的长度也随之增长,叶片接闪系统的雷击防护失效问题愈加严重。为了解决GFRP叶片复合材料的雷击击穿问题,提出一种在叶片前缘/尾缘外覆条形导体的接闪系统设计方案,可降低叶片内部接地引线表面电场强度,减小接地引线产生放电并引起叶片外部放电接闪的概率。建立风力发电机三维雷击先导发展模型,计算分析不同外覆导体长度、不同运行工况条件下叶片接闪系统的防护效果,结合现场运行数据,确定外覆导体的最优设计长度为叶片总长度的12%,此时可减少92%的雷击事故。开展雷电/操作冲击下模拟叶片放电击穿试验,对比敷设和不敷设外覆导体时叶片的放电击穿概率,结果表明叶片前缘/尾缘外覆的条形导体对其敷设范围内的下行先导可全部有效接闪,防止叶片击穿,而对其敷设范围以外的下行先导外覆导体的防护效果大幅下降,验证了外覆导体接闪系统防护的有效性和局限性。

雷电先导下行过程特高压直流线路电晕向流注放电转化的仿真研究

为了定量研究雷暴过程中电晕空间电荷对特高压直流输电线路后续流注放电起始的影响,基于带通量限制器的2阶有限体积方法和Kaptzov假设,建立雷暴过程中特高压直流输电线路电晕空间电荷分布的数值仿真模型。通过开展动态电场下水平导线电晕放电电流的实测与仿真对比研究,验证了模型的准确性。计算分析典型±1100kV特高压直流输电线路雷暴过程中导地线电晕电流时域波形和电晕空间电荷分布特征。得出下行先导趋近过程会显著增加导、地线表面附近约0.5m范围内正离子密度,并使导、地线电晕电流最大值较雷云电场作用时增加6~7个数量级。随着地线表面附近正离子密度增加,电场最大值从地线表面向导线附近空间移动,而导致后续流注产生。所作研究工作可为后续研究电晕空间电荷对特高压直流线路雷电绕击特性的影响奠定基础。

风力发电机组下行雷击风险计算方法

风力发电机组年雷击事故次数是评估机组雷击防护水平、指导机组雷击防护系统设计和优化的重要指标。机组年雷击事故次数与机组年雷击次数有关。目前,广泛应用IEC标准中推荐的经验公式进行机组下行雷击风险评估。IEC推荐方法脱离雷击物理过程,无法反映雷电流幅值、机组几何形状等因素对机组雷击截收区域面积的影响。该文提出了一种基于自洽先导起始发展模型的风力发电机组下行雷击风险计算方法,该方法可以体现雷击接闪物理过程。验证计算表明方法计算所得机组年负极性下行雷击次数相比IEC推荐方法的计算结果更接近观测获得的机组实际年负极性下行雷击次数。利用该方法,进一步计算获得了机组容量与机组下行雷击风险之间的定量关系,并讨论了叶片旋转对机组下行雷击风险的影响。

风机叶片雷击损伤及防护研究进展综述

风机叶片的雷击损伤与防护是风电场运行中迫切需要解决的问题。该文对国内外在风机叶片雷电防护领域开展的研究工作进行了系统梳理,从风机叶片的雷击观测、雷击模拟实验、雷击接闪仿真建模和防雷接闪系统优化4个方面对现有研究成果进行了总结归纳。针对现有研究存在的不足,提出未来需要从以下5个方面开展深入研究:研究建立风机叶片雷击过程的多物理量综合观测系统,针对平原、丘陵和海域不同地理、气候环境的风电场持续开展观测;提升模拟放电实验中电场时空分布的等效性,以研究叶片上行先导发展过程;在现有先导发展模型中进一步计及空间电荷场的影响,并建立可适用于模拟叶片上行雷击过程的先导发展计算模型;将叶片接闪系统优化设计与叶片雷击损伤机理研究深度结合,并考虑接闪系统优化后对叶片力学性能的影响;尽快开展针对碳纤维复合材料叶片雷击防护的系统研究。

雷云电场作用下±1100kV特高压直流输电线路电晕空间电荷分布特征的仿真研究

为了研究电晕空间电荷对特高压直流输电线路雷电绕击特性的影响机制,基于带通量限制器的二阶有限体积方法,建立了雷云电场下特高压直流输电线路电晕空间电荷分布的数值仿真模型,通过与实验对比,验证了模型的合理性。计算获得典型±1 100 kV特高压直流输电线路电晕起始过程、电晕电流波形和空间电荷分布特征,得出正空间电荷边界在垂直地面方向的平均运动速度为4.05 m/s。考虑到电晕空间电荷引起的电位畸变对雷电上行先导存在屏蔽作用,通过分析不同时刻电位畸变量分布,得出雷云电场下电位畸变集中分布于地线上方,相较于仅存在直流工作电压情况,电位畸变量最大值增加了约20倍。由此推断,受电晕空间电荷影响平原地区±1 100kV线路地线产生的上行先导更易沿水平方向发展。该工作为后续研究电晕空间电荷对特高压直流线路雷电绕击特性的影响奠定了基础。

Optical Observation of Streamer Branches in a 1 m Rod-Plate Air Gap under Positive Impulse Voltages

In this study,based on two CMOS cameras,an orthogonal optical observation platform has been set up for positive streamer branches under 1 m rod-plate air gap.The Monopodia branch and the Dichotomous branch have been proposed for steamer branch classification.The branch length,the branch angle and the optical diameter are statistical obtained and compared for the two branch types under different impulse voltages.The empirical function between the branch length Ls and the inception voltage Ui of the Monopodia branch has been obtained.The distributions of the branch angle and the axial angle of the two types have been given,and the mean optical diameters have been provided.Based on the comparisons,the formation mechanism of the two branch types has been proposed.This experimental result can provide the basic data to the numerical calculation of positive long air gap discharge.