正极性操作冲击下棒–棒间隙先导发展试验与仿真研究

先导发展是正极性棒–棒长间隙放电中影响其击穿特性的最主要过程,为了更加准确的研究并获得先导发展特性,基于两台CMOS高速摄相机,通过搭建棒–棒长间隙放电综合观测平台,开展了不同尺度下放电试验,获得了比传统方法更加清晰的先导发展过程图谱。然后作为进一步的对比研究,建立了考虑上、下棒电极电场畸变作用对先导发展影响的仿真模型,利用试验结果验证了该模型的准确性,并运用所提出的仿真模型对先导发展过程进行了仿真。试验和仿真结果表明,负极性上行先导在先导跃变阶段才会起始并朝正极性下行先导方向发展,两者的发展速度几乎相等并随着距离接近发展越快,负极性上行先导发展长度几乎等于跃变距离的一半。

棒—棒间隙的直流击穿电压特性

通过对棒一棒间隙的电极直径、下电极高度和间隙长度与其直流击穿电压的影响的研究,提出了确定直流棒—棒校验间隙的几何结构尺寸的原则。

棒—棒间隙的直流击穿电压与电极端部形状的关系

本文在试验研究棒—棒间隙的直流击穿电压与各种因素的关系中,发现电极端部的形状对直流击穿电压影响很大,从而研制了一种性能优于IEC推荐的端部为半圆球的电极。

关于110kV、220kV变压器中性点采用棒间隙的探讨

110kV、220kV有效接地系统中不接地变压器的中性点装设棒间隙的运行状况分析。

负极性直流电压下棒-棒间隙和绝缘子的雾中放电特性

为了深入研究空气间隙和清洁直流绝缘子在雾条件下的放电规律，进一步探讨污秽外绝缘受雾影响的特性，开展了棒-棒空气间隙和清洁绝缘子在雾条件下的负极性直流电压放电特性试验。选取0．5、1．0m棒-棒空气间隙和6片绝缘子串3种试品，对比分析了其在干、雾条件下的负极性直流闪络电压‰和闪络电流。随后通过改变试验室内的气压，探索了海拔高度H对棒-棒空气间隙和清洁绝缘子闪络电压的影响。试验结果表明，0．5m和1m棒-棒空气间隙在雾条件下的Uav比干条件下的分别高22％和23．6％，雾条件下的气压特征指数n与干条件下的基本相同，0～2000m范围内，日每升高1000m，Uav降低10％～11％；而绝缘子串的Uav在雾条件下比干条件下低，其雾条件下的n为0．39，小于棒-棒空气间隙的n。研究结果可供直流雾中放电研究和高海拔地区直流输电工程外绝缘设计参考。

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。

用于110kV变压器中性点的新型棒-板-棒组合保护间隙

针对110 kV变压器中性点棒-棒间隙与金属氧化物避雷器并联的保护方式中,间隙与避雷器配合困难而产生的间隙"误动"和"拒动"问题,提出了一种新型的棒-板-棒保护间隙,并通过工频放电试验与雷电冲击放电试验比较棒-板-棒间隙和棒-棒间隙。试验结果表明:在相同试验条件下,与棒-棒间隙相比,棒-板-棒间隙工频放电电压的平均值降低了8.03%,雷电冲击放电电压的平均值提高了16.39%;相比110 mm棒-棒间隙,有同样工频放电电压的125 mm棒-板-棒间隙的雷电冲击放电电压提高了28.91%。因此新型棒-板-棒间隙能够更好地和避雷器进行绝缘配合,且具有可靠的机械性能。

交直流预电压下导线-棒间隙的冲击特性

通过实验研究了导线棒间隙在直流和交流预电压作用下的操作冲击特性。交流预电压对其冲击击穿特性影响取决于操作波叠加在交流上的位置。在正操作电压作用下 ,不论是直流预电压还是交流预电压 ,其冲击击穿 U50 % 电压都有提高。操作波的波长越长 ,直流预电压值越高 ,其击穿电压提高越明显。对交流预电压而言 ,当操作波叠加在交流电压 180°,135°上时 ,操作击穿电压随着操作波的波长和交流预电压值的增加而显著增加 ,增加值最大可达 70 %。通过电晕检测表明 ,对导线棒间隙而言 ,预电压的存在主要改变了棒头部的负流注活动强弱 ,从而引起 U50 % 击穿电压的不同。

降雨对棒-棒短空气间隙交流击穿电压的影响

随着电压等级的提升,输电线路以及变电站雨闪事故越来越严重。目前国内外学者对于降雨条件下间隙放电特性的研究有了一定进展,但对于降雨条件下短空气间隙放电特性及机理没有明确结论。通过搭建降雨模拟试验平台,研究降雨强度、雨水电导率、降雨角度对棒-棒短空气间隙交流击穿电压的影响,其中降雨强度为1.8~5.4 mm/min,雨水电导率为200~3 000μS/cm,降雨角度为0°和90°。分别测量2~10 cm间隙下的击穿电压。试验结果表明:降雨强度对棒-棒短空气间隙交流击穿电压的影响明显。降雨强度和雨水电导率的增加都会使交流击穿电压降低,同时,降雨角度也会对交流击穿电压产生影响。

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。

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。

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。

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-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。

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。

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。

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。

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。