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。

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。

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%。

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。

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。

正棒-板短间隙雷电冲击放电电压的海拔修正

在多功能人工气候室内模拟高海拔地区的气压 ,按照IEC对棒 板间隙试验方法的要求对 2 0 0mm、30 0mm和 4 5 0mm 3种正棒 板短空气间隙雷电冲击放电特性进行了系统的试验研究。根据理论分析 ,提出了由于气压是大气 3个基本参数即温度、空气相对密度和绝对湿度的综合反映 ,因此可以作为表征大气条件对空气间隙击穿电压影响的特征量 ;根据试验结果 ,提出了高海拔地区的短空气间隙雷电冲击击穿电压的是相对气压的幂函数 ,且其特征指数小于 1,并因此得出海拔每升高 1km ,其击穿电压下降 8.7%。

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。

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。

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。

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。

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。

基于支持向量机的棒-板空气间隙击穿电压预测方法及其应用

空气间隙的击穿电压与放电起始前的电场分布特征存在多维非线性关系。为了实现空气间隙的击穿电压预测,以电场特征集作为输入,以间隙在加载电压下是否击穿作为输出,采用支持向量分类机建立击穿电压预测模型。针对极不均匀电场空气间隙的击穿特性受电晕影响的问题,提出两种修正方法:通过增加受电晕影响的训练样本数据,提高预测模型的泛化性能;或基于"电晕云"的思想进行二次电场计算及特征量提取,对预测模型的输入特征进行修正。采用修正后的模型对极不均匀电场下棒-板间隙的工频击穿电压及棒-板长空气间隙的操作冲击放电电压进行预测,预测值与试验值吻合良好。该方法有利于减少试验次数,降低试验成本。

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。

荷电沙尘对棒-板短空气间隙工频击穿电压影响的试验研究

为研究真实风沙环境下带电沙尘对输电线路外绝缘特性的影响,基于固体颗粒荷电理论设计了一套沙尘荷电模拟试验系统,该系统包括风沙模拟装置、沙尘荷电装置以及棒-板间隙放电装置,可模拟真实的风沙环境。应用该系统研究了棒-板短空气间隙在风沙环境下荷电沙尘对间隙工频击穿电压的影响,对风速、风沙荷电、荷电极性等因素对棒-板空气间隙工频击穿电压的影响规律开展了试验研究,研究表明:风的作用会使棒-板间隙的击穿电压增大;沙尘以及沙尘荷电对棒-板间隙击穿电压的影响与间隙距离有关。

冲击电压下SF_6棒-板间隙放电的临界半径现象

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,迄今为止,国内外对VFTO造成GIS击穿事故的原因及绝缘破坏机理缺乏统一认识。为此借助研制的陡前沿冲击实验装置,研究了特快速瞬态过电压和雷电冲击电压下SF6棒-板间隙放电特性。研究表明,冲击电压下SF6短间隙放电存在与长空气间隙相似的临界半径现象。相同气压下,随着电极曲率半径减小,间隙50%放电电压降低;当电极曲率半径小于临界半径后,间隙50%放电电压基本不变,且临界半径随SF6气压增加而减小。还从空间电荷角度出发,分析了临界半径形成的原因,认为临界半径形成与步进先导形成时电荷注入量和空间电荷迁移有关,而在较小电极曲率半径下,注入电荷量受电极曲率半径影响较小,因此放电电压基本不变。

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。

空间电荷对球头棒-板间隙放电击中点的影响

雷电引起的输电线路事故中因绕击导致的故障所占比例很大,一些学者认为空间电荷的影响是导致屏蔽失效的原因之一。为此,通过试验研究了直流电压下球头棒-板间隙的电晕电流,以此来衡量一定电压下球头周围空间电荷的量;并试验研究了正极性操作冲击下球头棒-板间隙放电击中点的分布规律,且与尖头棒试验结果比较。试验结果和仿真结果表明:与尖头棒相比,球头棒更容易吸引放电;球头棒周围电场畸变不严重,没有形成有效屏蔽层,从而使放电点更容易发生在头部。

低气压对棒-板间隙工频放电特性影响研究

为研究低气压对棒-板间隙工频放电特性影响,利用低气压放电试验平台对1~20 kPa气压范围内200~500 mm棒-板间隙工频放电进行了试验研究,分析了工频50%击穿电压U_(50%)与气压P及间隙距离d的关系;以及气压对放电通道外形的影响。研究结果表明:在1~20 kPa气压范围内不同间隙距离下U_(50%)-P曲线均有饱和趋势,开始出现饱和趋势的拐点随间隙距离增大向低气压方向移动且拐点处击穿电压U_(50%)和间隙距离与气压乘积Pd之间存在函数关系。随气压升高放电通道由低亮度"间断状"逐渐收细、变亮为高亮度"连续状",曲折现象逐渐显著。研究成果为进一步开展低气压下长间隙放电研究提供参考。

棒尖端外形对低气压下棒-板间隙直流放电特性影响研究

为研究棒尖端外形对低气压下棒-板间隙直流放电特性的影响,利用低气压放电试验平台在2~20 k Pa气压下对锥尖头、半球头以及平头3种棒电极在100~300 mm间隙内进行直流电压放电试验,并通过仿真对不同棒尖端的放电特性试验结果进行验证。结果表明:棒尖端外形会对低气压下棒-板间隙的放电电压产生影响,击穿电压幅值从小到大依次为:锥尖头、半球头、平头;锥尖头棒和平头棒尖端存在局部电场极不均匀点,而半球头棒尖端电场分布较为均匀;随着气压的上升,棒-板间隙的U50%-P曲线呈稳定上升趋势。

交直流复合电压下棒-板电极起晕电压实验分析

为了获得复合电压作用下电极的起晕特性,在室内搭建了复合电压下无锈棒-板电极起晕特性实验平台,采用串联的复合加压方式,即一个电极上施加直流电压,另一个电极上施加交流电压,以紫外光子计数的突变作为电晕起始判据,获得了直流和交流复合电压下的电极起晕特性。同时对比了不同直流电压极性、电极加压方式和不同复合电压升压方式下电极起晕电压的特点,探究复合电压下棒电极半径和棒板间隙对电极起晕电压的影响。实验结果表明:在相同的大气条件及电极布置下,由于空间电荷影响,棒电极正直流、板电极交流加压方式下的起晕电压比棒电极交流、板电极正直流加压方式下的起晕电压高;在棒-板气隙间距0~5cm范围内,定直变交复合升压方式下,交直流分量有效值叠加后的起晕电压随着直流分量的增加而升高,定交变直方式下,该值随着交流分量的增加而下降,且交直流分量间互为线性关系。本文的研究成果可以为进一步研究复合电压作用下电极的电晕机理及起晕电压的准确预测奠定坚实基础。