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。

正负直流电压下棒板间隙起晕电压计算方法

阐述了棒-板间隙正电晕起晕判据的推导过程,并采用正负电晕起始判据分别建立了计算棒-板间隙正负直流起晕电压的光电离模型,且确定了模型中碰撞电离系数、吸附系数、光子吸收系数、光子表面发射系数等参数的取值。进行了10 cm、12 cm、14 cm和16 cm间隙距离下的棒-板间隙正负直流电晕放电试验,通过紫外成像仪和高电位电流采集系统得到了正负直流起晕电压特性,起晕电压计算结果与紫外法检测结果对比,相对误差在-0.8%~5.6%,与高电位电流法检测结果对比,相对误差在-1.8%~2.5%,计算结果与试验结果吻合度较好。提出的正负直流电晕计算模型对加强特高压输电工程中的电晕控制具有指导意义和重要参考价值。

含悬浮导体的棒板间隙工频击穿特性

为揭示工频电压作用下空气间隙介入悬浮导体后的击穿放电特性,论文开展了80 cm棒–板间隙布置不同形式悬浮导体后的击穿放电试验。试验研究了悬浮导体直径及布置位置对间隙击穿电压的影响,并基于高速摄影仪及平面镜搭建的间隙放电观测系统研究了放电过程及其路径特征。研究结果表明:直径与长度之比大于0.6的大直径悬浮导体布置于间隙中部时可抬升间隙击穿电压,同时放电路径出现"绕过"悬浮导体击穿现象。综合放电过程图像及电场仿真结果对绕过发生原因进行了初步解释,指出大直径悬浮导体周围电场弱、表面自由电荷的积累,以及对光电离的阻碍作用是绕过现象发生的重要原因。

大气条件下厘米级棒-板间隙负极性电晕放电中流注的产生与发展机制

该文研究了大气条件下棒-板间隙中流注放电的产生与发展机理。首先,基于Raether判据和Meek判据,建立了在给定放电条件下流注的发展长度与由电子球表面电场表示的空间电场强度之间的关系,可用其判断流注放电的发展过程;然后,建立了流注放电的等离子体化学反应仿真模型,分析了流注放电发展过程中带电粒子、平均电子能量及电场强度的分布规律;最后,开展了大气条件下负直流棒-板放电实验,分析了流注型电晕放电的发展过程。研究表明,等离子体化学反应模型用于计算厘米级间隙的流注放电的可靠性较高,放电初期以氮气和氧气的电离反应为主,且只有主放电通道的电子崩在放电中期发展为流注,而放电后期负离子层变厚形成鞘层。实验结果表明,流注型电晕由流注和漫射辉光区域组成,且流注的形状、位置随加压时间发生变化,负离子层的积聚是漫射辉光区域形成的主要原因。该文所得结论可为明确负极性电晕放电中流注放电的产生与发展机制,以及等离子体的制备等提供理论依据。

地表紫外辐射对棒-板间隙正极性直流放电的影响

揭示地表太阳紫外辐射对电力系统外绝缘放电特性的影响对于强紫外辐射地区外绝缘设计和运行有着重要的意义,但是目前并没有相关的系统研究。为此,利用人工紫外光源模拟大气环境中的紫外辐射,在实验室研究了紫外辐射对棒板间隙正极性直流放电特性的影响。试验结果表明地表太阳紫外辐射对棒板间隙正极性直流击穿电压和电晕放电均无明显影响。分析认为,这是由于到达地表的太阳紫外辐射的波长范围为290～400 nm,且辐射照度≤200 W/m2,无法电离空气和铜、铁电极,对电弧的发展过程也没有明显影响。虽然这一波段的部分光子能量高于铝的逸出功,但由于铝在空气中极易氧化,形成氧化膜(Al2O3),这层氧化膜阻止了紫外光子从铝电极表面电离出电子。因此,太阳紫外辐射对暴露在空气中的铜、铁、铝电极的正极性直流放电均无明显影响。所做工作填补了相关领域的空白,可为强紫外辐射地区的外绝缘设计提供技术支持。

基于FEM-FCT算法的SF_6/N_2混合气体中棒-板间隙电晕放电特性的仿真研究

为研究棒-板间隙中SF6/N2混合气体流注电晕放电特性,采用二维流体力学模型,基于不固定网格剖分,利用有限元-通量校正传输(FEM-FCT)法求解含带电粒子的连续方程,并耦合泊松电场研究空间电荷对场域的畸变作用。实现了50%～50%SF6/N2混合气体二维流注电晕放电过程的仿真,考虑了带电粒子及中性气体分子的电离、吸附、复合、扩散等过程。并首次综合考虑SF6/N2混合气体中空间光电离与阴极光发射在流注放电过程中的作用。研究了棒头半径和间隙距离与流注电晕放电的关系以及SF6含量对混合气体放电的影响。仿真结果表明当间隙距离不变(d=4mm),逐渐减小棒头半径或棒头半径不变(r=1mm),间隙距离逐渐减小时,都可使流注电晕放电从相对稳定过渡到不稳定,进而放电会持续向前发展;50%～50%SF6/N2混合气体发展为不稳定放电的电压高于纯SF6气体和10%～90%SF6/N2混合气体。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

雷电冲击下棒-板间隙空间电场的测量

长空气间隙放电特性是特高压输电技术的重要研究内容,电场测量作为其重要研究手段,是近年来的研究热点之一。为此,建立了以高场强光电集成电场传感器为核心的空间电场测量系统。利用平板电极对电场测量系统进行校准,获得系统的输入输出特性;通过时域波形对比,证明测量系统具有良好的动态响应特性。利用该系统对1m棒-板间隙在正极性雷电冲击电压作用下的空间电场进行定量测量,得到了空间电场的时域波形。采用模拟电荷法,对试验条件下的电场幅值进行计算,实测值与理论计算结果比较相符,其最大误差<5%,证明该空间电场测量系统完全可以用于空气间隙放电电场的定量测量,为长空气间隙放电提供了重要的研究手段。

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。

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。

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。

冲击电压波形参数对SF_6稍不均匀电场棒–板间隙放电电压的影响

GIS中隔离开关例行操作产生的特快速暂态过电压（VFTO）对GIS等电力设备绝缘造成很大威胁。目前,由于VFTO的非标准化,导致VFTO下GIS绝缘特性研究结果分散性大、可比性差。为此借助研制的陡前沿冲击试验装置,研究了便于标准化的双指数冲击电压下SF6稍不均匀电场棒–板间隙的放电特性。研究表明,稍不均匀电场下,不同波形参数冲击电压下间隙50%放电电压随气压升高基本呈线性增加,并且出现了极性效应反转现象,且极性反转临界气压值与波形参数有关。间隙50%放电电压随冲击电压波前时间增加无显著变化,略呈下凹＂U＂型;随波尾时间增加略有微弱下降趋势。结合VFTO波形基本特征和现场试验大容量负载的特殊情况,建议选取波前时间0.2-0.8μs、波尾时间1.2-15μs的双指数冲击电压作为VFTO模拟波形,进一步研究现场试验用VFTO标准波形。

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。