长空气间隙负极性操作冲击放电特性研究(Ⅰ)—试验研究

长空气间隙在负极性操作冲击电压下具有非线性放电特性。为了研究典型长空气间隙的负极性放电特性,利用7 500 kV冲击电压发生器产生20/2 500μs和80/2 500μs两种负极性操作冲击电压波,开展了间隙距离为1～10 m的棒–棒间隙、棒–板间隙和棒–线间隙的负极性放电特性试验研究,并与其他学者的试验结果进行对比分析。试验结果表明:随着间隙长度的增加,棒–棒间隙、棒–板间隙、棒–线间隙的50%放电电压都趋于饱和,但棒–板间隙的饱和趋势最为明显;当间隙长度为4 m时,棒–板间隙与棒–棒间隙的50%放电电压大小关系发生翻转;间隙的平均击穿场强随着间隙距离的增大而减小。该研究揭示了1～10 m长空气间隙的负极性操作冲击放电特性,加深了对长空气间隙放电特性的认识。

棒-板模型交流电晕放电紫外数字图像处理及其应用判据

设计了紫外光谱成像仪CoroCAMⅣ+与虚拟仪器编程环境Labview8.0相结合的电晕放电测试和分析平台。选用适当的数字图像处理算法和流程,通过对实时记录的电晕放电紫外视频图像处理,定义成像仪观测范围内"放电区域紫外成像面积百分比"作为量化电晕放电强度的表征参数。在近似标准大气条件下,研究了基于紫外图像处理的棒—板间隙工频电压作用下的电晕放电,结果表明,文中所述紫外数字图像处理流程可对紫外成像仪观测到的电晕放电图像真实还原,从而保证所选电晕放电量化表征参数的有效性;表征参数可明确反映起晕情况和电晕放电发展的阶段;得到电晕放电紫外成像随观测距离的衰减规律,提出电晕放电紫外成像检测法的应用判据。

负直流电压下棒板间隙起晕电压计算方法

电晕放电是高压输电工程设计和运行中面临的突出问题。针对空气间隙,基于流注放电理论,以自持放电为判据,建立了考虑海拔温度影响的负直流电晕起始电压的光电离模型,并阐明了判据中各个参数的物理意义。提出一种基于臭氧检测原理的起晕电压检测试验方法,获得短间隙下棒板间隙不同电极尺寸的负直流起晕电压。在特高压工程技术(昆明)国家工程实验室(海拔2 100 m)测得负直流电压下阀厅金具试品的起晕电压。将两次试验数据以及文献中获取的试验数据分别与模型计算结果对比,发现两者在相同条件下的差异很小。文中提出的起晕电压预测方法有望为高压直流阀厅金具的电晕控制及设计提供有效的依据。

盐雾对“棒-板”间隙交直流击穿电压的影响

棒-板间隙击穿电压往往比其它形式间隙低,因此,用棒-板间隙模拟盐雾对输电外绝缘影响的最严重情况具有参考意义。首先设计搭建了人工雾室,然后进行了棒-板间隙盐雾条件下的交直流电压击穿试验和相关的模拟仿真计算分析。结果表明,盐雾及水雾的存在影响间隙击穿电压大小,其改变程度主要受间隙距离影响,且在交直流电压下存在一定差异。间隙距离小于6 cm时,雾的存在使得间隙交流击穿电压降低最高达16.1%,直流击穿电压降低幅度达49.6%;长间隙下雾对击穿电压影响较小,均在4%以内。研究结果可为实际运行中盐雾所引发的高压输电线路空气绝缘击穿等事故的分析与防范措施的制定提供较好地支持。

基于电荷累积的棒-板间隙流注放电过程仿真

棒-板间隙放电过程的建模与仿真对于长空气间隙放电机理研究及特高压输电工程的外绝缘设计具有重要意义。为此建立了棒-板间隙动态流注分形发展模型,在已有的分形流注模型的基础上,提出了基于动态边界修正的电场计算方法以及基于电荷累积的时间参数求取方法。通过对间隙空间进行网格剖分,求解电场分布方程与电荷累积方程,得出间隙电场变化以及流注步进式发展的时间及动态电荷累积。本模型针对流注起始、流注发展、放电结束和电荷累积等过程进行了建模,并运用模型对于不同电压幅值(230 k V、590 k V)1 m棒-板间隙雷电冲击(2.0/50μs)流注放电过程进行了仿真,并和试验结果进行了对比分析。结果表明,雷电冲击电压为230 k V时,流注发展长度约为20 cm,流注发展时间为5.02μs,流注发展平均速度为3.98×104 m/s,流注通道电荷累积总量达到23.2μC;雷电冲击电压为590 k V时,1 m棒-板间隙被击穿,流注发展时间为9.92μs,流注发展平均速度为1.01×105 m/s,击穿前其速度达到1.60×105 m/s,整个击穿过程流注电荷累积总量为258.3μC。新的模型在放电通道长度变化,放电过程电场波形,流注发展过程电荷粒子的累积等方面均与试验结果基本一致,具有一定合理性。

35kV线路带电作业安全距离计算与放电特性分析

研究35kV线路带电作业安全距离和放电特性。基于安全距离的定义,比较国内传统方法和IEEE STD516方法,搭建试验平台,研究小间隙的棒-板操作冲击放电特性,并结合试验结果计算得到带电作业的危险率。计算和试验结果表明:35kV带电作业安全距离的计算中无需考虑雷电过电压,利用传统方法得到电气距离0.3m满足带电作业安全性的要求。采用绝缘杆法时,人机操纵距离DE=30cm,安全距离DA=60cm;采用绝缘手套法时,作业人员允许偶然接触不同电位部件上的遮蔽用具,人机操纵距离DE=0cm,安全距离DA=30cm。

雾对棒-板空气间隙交流放电特性的影响

目前有关雾中棒-板空气间隙交流放电特性的研究较少。为此,在人工气候室内利用超声波雾发生器对不同湿润条件和雾环境下的棒-板空气间隙交流放电进行多次试验,得到了雾水质量浓度、电导率和温度对不同棒-板空气间隙距离（5、10、15 cm）交流放电电压的影响规律;并在综合考虑雾水质量浓度、电导率影响的基础上,得到了该放电电压的计算式。结果表明,棒-板空气间隙的雾中交流放电电压比其在干闪下有所增加,5、10、15cm间隙的击穿电压比干闪时增加了3.1%～4.7%;随着雾水质量浓度的增加（1～4 g/m3）,放电电压先上升后下降,且在3 g/m3时达到最大;此外,相比雾水电导率为100μS/cm的情况,雾水电导率为5 150μS/cm时的间隙击穿电压在雾水质量浓度为1、2、3、4 g/m3时分别降低了2.70%、2.72%、4.99%、9.07%。利用所提出的计算式得到的结果与试验结果的偏差〈7.3%。

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。

隔板尺寸对棒-板空气绝缘间隙工频耐压特性的影响

为了进一步揭示隔板尺寸对气体绝缘间隙耐压水平的影响，对棒-板空气绝缘间隙引入不同尺寸隔板前后的工频耐压特性进行了实验研究。通过改变隔板位置和电极开距，研究了不同尺寸隔板对间隙工频击穿电压和起晕电压的作用，并分析了隔板表面的剩余电荷对击穿电压的影响。结果表明：隔板的引入大大提高了整个间隙的击穿电压，隔板尺寸较大时击穿电压最大可提高到原来的2．32倍；隔板的引入会略微降低整个间隙的起晕电压，最大下降幅值约为2kV；隔板表面的剩余电荷对工频击穿电压通常不存在累积效应。为使整体工频耐压特性最佳，需要综合考虑隔板的尺寸和位置对击穿电压和起晕电压的作用。

盐雾对棒——板短空气间隙雷电冲击特性影响研究

目前国内雾霾天气对输电线路外绝缘的影响不容忽视,因此通过盐雾模拟雾霾天气,研究盐雾对短空气间隙雷电冲击击穿电压的影响具有重要实际意义。文中选择击穿电压最低的棒—板空气间隙为模型,分别对5、10、15 cm空气间隙,不同雾水电导率下进行雷电冲击电压击穿试验。结果表明,短空气间隙雷电冲击击穿电压受雾水电导率和空气间隙距离的共同影响,棒—板短空气间隙雷电冲击击穿电压随雾水电导率增大而减小,并且雾水电导率对击穿电压的影响程度随间隙距离增大而减小。通过粒子群算法(particleswarm optimization,PSO)对实验据进行拟合,得到了相应短空气间隙下雷电冲击击穿电压的计算公式。文中结论对如何加强雾霾环境下的输电线路外绝缘强度具有指导意义和重要参考价值。

棒-板间隙操作冲击放电电压的海拔校正

目前我国有越来越多的输电工程都途经高海拔地区,如何对间隙放电进行海拔校正是工程设计中需要着重考虑的一个因素。为了更深入研究海拔高度对棒-板间隙操作冲击放电特性的影响,在北京、贵阳、西宁和羊八井进行了棒-板间隙操作冲击放电特性试验,根据试验数据,对目前常用海拔校正方法的校正结果进行了比较分析。同时,也利用其它校正方法对试验数据进行了校正,包括3种插值方法以及校正参数随间隙距离变化的2种校正方法。可以得出,现有海拔校正方法不适用于0～4300m海拔高度范围棒-板间隙的海拔校正,线性插值方法和校正参数随间隙距离变化的海拔校正方法误差较小,工程设计中推荐采用这2种方法。

基于g参数法的棒-板长空气间隙操作冲击电压海拔校正分析

IEC 60060-1推荐的g参数法常用于海拔2000m及以下地区输电系统放电电压海拔校正。然而,随着远距离、大容量输电技术的发展,中国已建和在建的很多输电工程途经地区的海拔高度将超过3000m,最高甚至超过5000m。为分析g参数法在高海拔地区的适用性,该文基于g参数法对海拔55、2200、3000、4300和5000m地区,2~9m棒-板间隙50%操作冲击放电电压进行了海拔校正分析,结果表明:同一海拔高度下,随着间隙距离的增大,校正因数相对误差呈下降趋势;随着海拔高度的增加,校正因数的相对误差越来越大,且指数因子m、w取值的分散性也逐渐增大,当海拔超过3000m时,g参数法不再适用于棒-板长空气间隙操作冲击放电电压海拔校正。最后,综合考虑气象条件,文中提出了一种可用于不同海拔地区4~9m间隙距离U_(50)的计算方法,并选取麦夸特法进行数据拟合,给出了计算公式中参数m_1、m_2、m_3的推荐值,分别为0.097、-0.068、0.446。

高空下棒-板间隙直流放电特性及电压校正

为研究高空条件下的棒-板空气间隙放电特性,利用低气压放电试验平台对100~600 mm棒-板空气间隙在直流电压下的放电电压U_(50)与气压P、间隙距离d的关系进行试验研究,分析2~30 k Pa气压范围内P与d对U_(50)的影响,得到U_(50)与P、d之间的关系曲线及12 k Pa下600 mm间隙的放电通道发展过程,并提出2~30 k Pa气压范围内的放电电压校正公式。该研究结果可为高空低气压下飞行器的放电特性研究及更系统地开展低气压下长间隙特性试验提供参考。

棒极结构对棒–板间隙操作冲击放电特性影响的试验研究

棒-板间隙是研究空气间隙放电的最典型间隙，其操作冲击放电特性是输电工程线路和换流站／变电站空气间隙选择的重要依据之一。为了更深入地研究棒-板间隙的操作冲击放电特性，选择不同直径的棒电极，以及半球彤和圆锥形2种棒电极端部形状，在2～5m间隙距离下进行了正极性操作冲击放电特性的试验，得到了棒电极端部形状和棒电极直径的改变对棒-板间隙正极性操作冲击50％放电电压造成的影响。另外，在北京、西宁和羊八井等几个不同海拔地区进行了临界半径的对比试验。通过改变棒电极端部连接球面的半径，得到了不同间隙距离对应的临界半径。由试验可以得出，当棒电极结构的半径小于临界半径时，棒电极半径和端部形状的改变不会对间隙的50％放电电压产生明显影响；临界半径随间隙距离的增加而增加，且随着海拔高度的增加，同一间隙对应的临界半径也随之增加。

正极性上行先导特性的模拟试验方法

开展负极性雷电地闪过程中地面物体正极性上行先导特性的模拟试验研究是完善雷电屏蔽分析模型的基础,选择正确的模拟试验方法十分必要。分析了采用棒–棒、棒–板及板–棒等典型放电间隙结构的模拟试验方法的电场特征,研究了各种方法获得的正极性先导特性,并通过与自然雷电下的电场特征及上行先导特性进行对比,评价了各模拟试验方法的等价性。结果表明:采用棒–棒间隙和棒–板间隙无法模拟自然雷电下地面物体附近的电场空间分布特性;采用板–棒间隙可以模拟自然雷电下地面物体附近的电场空间分布特性,但传统的冲击电压发生器无法产生与自然雷电下行先导趋近地面过程中电场时变规律相同的冲击电压。因此,提出了研发一种基于电力电子技术、能够模拟自然雷电下电场时变规律的高压任意波形发生器,并结合板–棒间隙结构,形成正确有效的正极性上行先导特性模拟试验方法。

低气压棒—板间隙操作冲击放电特性及电压校正

为了研究高海拔地区空气间隙的操作冲击特性,在大型人工气候室内对0.25～2m的棒-板间隙的操作冲击50%放电电压与气压p、间隙距离d的关系进行了系统的实验研究。结果表明:操作冲击50%放电电压U50随着气压p的下降呈幂指数关系下降,间隙长度不同,气压影响指数n不同;通过分析得到了不同间隙长度下的U50气压校正公式;U50与不同间隙距离d之间的关系与电压极性有关:正极性时U50与间隙距离d的线性关系较好,负极性时有明显的饱和性,且U50的气压影响特征指数n与电压极性有关。试验结果显示操作冲击50%放电击穿时间与电压极性和间隙距离有关。

锥尖棒－平板间隙电场不均匀系数的近似公式

本文分析了以往计算锥尖棒－平板间隙电场不均匀系数公式的局限性，采用ＣＳＭ对这种间隙电场进行了数值计算。根据计算结果讨论了锥尖棒电极圆柱体半径和长度对间隙电场的影响，并利用数据拟合方法给出了含圆柱体半径的锥尖棒－平板间隙电场不均匀系数近似计算公式。

棒—板长空气间隙击穿电场稳态条件的仿真

为推动以放电理论为基础的高电压与外绝缘学科从半物理到物理研究方向的发展,基于有限元数值计算方法,对棒-板长空气间隙的电晕云模型进行了仿真研究。结果表明:带电离子和外加电压同时影响空间电场分布,空气分子的电离率α对电场分布影响较大,附着率η、结合率β、解离率γ对电场影响较小;不同电晕云长度对空间电场分布的影响都具有相同规律性;空气相对湿度对击穿电压影响较大,空气湿度越小,空气越容易击穿;正极性棒-板长空气间隙击穿的电场条件为:放电起始后,电晕头部最高场强达到11.0kV/cm,电晕云内部最低场强达到3.0kV/cm,在该条件下对应的击穿电压计算值与实验值误差<11%。以上计算结果可为超特高压外绝缘的设计提供可靠的理论依据。

棒尖端外形对低气压下棒-板短间隙放电特性影响研究

为研究棒尖端外形对低气压下棒-板短间隙放电特性的影响,利用低气压放电试验平台针对锥尖头、球头、平头三种棒电极在2~20 kPa气压范围内200~400 mm短间隙进行工频放电试验研究,并对棒尖端外形对击穿电压、电晕和等离子体通道外形的影响进行分析。研究结果表明:棒尖端外形对低气压下棒-板短间隙放电特性影响显著。在2~20 kPa气压范围内随气压升高,相同间隙距离不同棒尖端下的击穿电压幅值差逐渐增大;锥尖头和平头棒尖端电晕层存在电离集中点;球头和平头棒相对锥尖头棒-板间隙等离子体通道而言较粗且偏移角较大,等离子体通道末端与板电极存在较多接触点并呈现"多分支"状。研究成果对低气压下放电试验电极布置具有参考意义。

半球头棒-平板间隙轴线电场强度的近似计算式

检验了Ibrahim和Abou-Seada等人分别给出的半球头棒-平板间隙轴线电场强度计算式,发现他们的拟合式并不合理。利用模拟电荷方法(CSM)对这种间隙进行了数值计算,并利用数据拟合方法给出1≤d/r≤500范围内的半球头棒-平板间隙轴线电场强度和电场不均匀系数近似计算式。