搜索
长空气间隙放电研究综述摘要：长间隙放电研究是高压输变电工程的外绝缘设计和雷电屏蔽问题研究的基础。为此，从长间隙放电特性试验，长间隙放电机理和长间隙放电过程仿真模型等３个方面，概述了国内外工作者在长间隙放电研究上取得的成果。最后指出，在未来的相关研究中，应重视长间隙放电基础研究，深入开展长间隙放电观测技术和放电参数测量研究，获得流注空间电荷分布，流注－先导转换临界温度和先导通道电场与温度等关键特征参数，指导建立和完善长间隙放电仿真模型，以准确预测长间隙放电特性，最终实现输变电工程外绝缘精细化设计，同时为雷电屏蔽理论和模型的完善提供参考。关键词：长间隙放电；放电特性试验；放电机理；流注0引言长空气间隙（以下简称长间隙）放电是高电压工程领域长期关注的基础问题之一。长间隙放电研究包括放电特性试验、放电机理探索与建模仿真3方面内容，可为高压输变电工程的外绝缘设计提供依据，也是雷电屏蔽问题研究的重要基础。随着我国电网的快速发展和电压等级的逐步提高，输变电工程在满足安全运行的前提下，需要具有良好的经济性，所以对输变电外绝缘设计的要求也越来越高。特高压等级线路杆塔间隙长、电极结构大，过电压波前时间长，对放电特性具有较大影响，且为了获得安全、经济的绝缘间隙配置，需要选择合理的海拔修正方法。而由于棒－棒、棒－板等典型间隙结构与输变电工程电极结构存在较大差异，所以单位长度的放电电压和不同电压波形下的变化特性也存在较大差异。因此国外以典型电极为主的研究成果只能作为我国特高压外绝缘设计的参考，实际工程的绝缘设计还需要采用仿真或真型试品的试验数据。近年来我国电力科研单位在输变电长空气间隙方面开展了大量的试验和理论分析工作，支持了多项特高压工程的设计。我国从２０世纪７０年代起，为了满足超特、高压输电技术研究的需要，也开展了大量的长间隙放电特性研究，更侧重于输变电工程间隙放电特性的试验，在放电机理方面研究较少。进入２０世纪后国内学者也开始研究建立长间隙放电的观测系统，开展长间隙放电参数的测量和放电机理的研究，并取得了一定的进展。目前，我国正加快实施特高压输变电工程建设。全面掌握特高压输变电工程间隙的放电特性和优化线路的雷电屏蔽性能是进一步提升特高压输电系统安全性和经济性所面临的技术挑战。为此国内学者在国家９７３计划的支持下，深入开展长间隙放电机理研究，目的在于获取关键放电物理参数，建立和完善长间隙放电数学仿真模型，以实现对特高压工程间隙放电特性的预测和分析，并促进特高压输电线路雷电屏蔽技术的发展。本文综述国内外在长间隙放电特性试验研究、长间隙放电物理过程和长间隙放电仿真方法研究３个方面所取得的进展，分析现阶段所存在的问题，展望今后长间隙放电研究的发展方向。1典型空气间隙的放电特性棒－板和棒－棒电极作为２种典型电极，即极不对称电场电极和对称电场电极，对于研究长间隙的放电特性具有普遍意义。无论交流和冲击电压，在同一电压情况下任何电极结构的放电特性均介于这２种电极的放电特性之间。文献[1]给出了棒－板和棒－棒电极下的工频放电特性试验曲线，可以看出棒－板电极下幅值大于1.5MV,每增加1m间隙,放电电压的绝对递增不是短间隙下的４００~５００ｋＶ,而仅仅只有１００~１５０ｋＶ甚至更低,这就是通常意义下的“饱和”特性。虽然棒－板长间隙下放电电压出现严重的“饱和”现象，但工程上要求的工频电压值一般较低且杆塔间隙比棒－板间隙放电电压要高，远远没有达到电压严重饱和的程度。所以发展特高压输电的制约因素不在于外绝缘间隙的工频电压特性。国际上针对棒－板和棒－棒间隙的操作冲击特性开展的研究工作主要集中在波前时间几十微秒到１０００微秒的操作冲击电压。由于该波前范围的放电特性对电极结构的变化更加敏感，更容易了解其规律性。各国较多地研究了棒－棒和棒－板电极随间隙距离、波前时间的变化放电参数变化的特性。2长间隙放电特性试验研究长间隙放电特性试验研究的主要目的是获取实际工程间隙击穿电压的变化规律。研究对象一般包括棒-板等典型间隙和输变电工程间隙两大类。通过开展典型间隙放电试验，掌握长间隙击穿的基本特性，利用间隙系数的概念预测工程间隙的击穿特性，指导工程设计。在此基础上，通过开展工程间隙放电试验以检验绝缘配合设计的合理性。通常情况下，由于正极性击穿电压低于负极性的，在绝缘配合中主要关注正极性长间隙放电特性。而在雷电屏蔽研究中，既关注负极性放电特性。而在雷电屏蔽研究中，既关注负极性放电特性，用以研究雷电击穿距离和避雷针（线）的保护范围；也关注正极性放电特性，用以研究雷电迎面先导过程。２０世纪７０年代末，我国自首个５００ｋＶ输电工程前期研究起，就十分重视长间隙放电特性的试验研究。随着电网电压等级的不断提高，相继开展了５００ｋＶ、７５０ｋＶ和１０００ｋＶ等级交流输变电工程间隙的放电特性试验研究。同时在直流输电方面还开展了±５００ｋＶ、±６６０ｋＶ、±８００ｋＶ和±１０００ｋＶ等级线路和换流站工程间隙放电特性试验，获得了大量的试验数据，很好地支撑了我国超、特高压交直流输电工程的建设。鉴于超、特高压等级线路工作电压可能对间隙放电特性存在影响，我国学者开展了±５００ｋＶ和±８００ｋＶ等级直流叠加操作冲击放电特性的专题研究，提出了按照单独施加正操作冲击时的试验值进行绝缘设计是偏安全的结论。3长间隙放电机理研究长间隙放电机理研究主要是通过建立长间隙放电观测手段，开展长间隙放电试验观测，测量放电过程中的关键物理参数并分析观测结果，揭示各个阶段放电机理，解释长间隙放电呈现出的宏观特性，同时为长间隙放电数学模型建立和完善奠定基础。国外学者的研究成果初步揭示了正、负极性长间隙放电的物理过程，较好地解释了放电呈现出的宏观特性，但是要实现对长间隙放电机理的定量描述还存在以下不足：1）缺乏对流注区域空间电荷分布规律的深刻认识，通过假定流注几何形状和区域电场恒定来计算空间电荷分布存在较大误差。2）流注向先导转化的主要机制是热电离，目前假设先导起始的临界温度等于负离子脱附的临界温度（１５００Ｋ），尚未得到试验测量的证实。3）缺乏对先导通道特征参数认识，目前假设先导通道具有与电弧相似特性，且单位长度先导电荷密度为常数，无法准确反映先导特征参数与热电离程度之间的关系。未来应关注放电空间电场测量方法和放电通道温度测量方法。优化集成光波导电场传感器的结构，提升其动态性能，排除空间电荷附着对测量的影响，实现对流注区域空间电荷３维电场和先导通道３维电场的测量。并建立对亚微秒量级流注放电分叉过程图像观测手段，深入开展不同流注放电形态下空间电荷分布特性研究。在放电温度测量方面，应积极开展激光纹影技术研究。借鉴近年来在短间隙放电和热气流温度测量方面的研究进展，解决大尺度放电空间内测量局部区域瞬时温度场（先导通道半径为mm量级）所面临的技术难题，实现对长间隙放电通道温度的定量测量，深入研究流注向先导转化物理机制和先导特征参数与热电离程度之间的关联。4结论1）长间隙放电研究可为高压输变电工程的外绝缘设计提供依据，亦是雷电屏蔽问题研究的重要基础。目前长间隙放电特性试验研究难以穷举实际输变电工程间隙，也无法准确获得实际过电压应力下间隙的绝缘特性。未来应重视长间隙放电基础研究，探索建立长间隙放电仿真模型，实现间隙放电特性的准确预测，采用试验与仿真相结合的手段，实现输变电工程外绝缘精细化设计，有效地协同超、特高压工程的安全性和经济性。2）应深入开展长间隙放电观测技术和放电参数测量研究。重点发展３维瞬态电场测量技术和放电温度与粒子密度测量技术。系统开展流注空间电荷分布特性、流注－先导转换临界温度和先导通道特征参数３个方面的试验观测研究。3）针对目前长间隙放电仿真模型存在的不足，仍需深入开展流注空间电荷计算模型研究，完善先导起始判据，建立更具物理内涵的连续先导发展模型，最终实现长间隙放电特性的准确预测，同时为雷电迎面先导模型的完善提供参考。参考文献[1]AndersonJG，345kVandsuperhighvoltagetransmissionlines[M]．Beijing，China：ElectricPowerIndustryPress，1981.[2]陈勇，万启发，谷莉莉，等．特高压真型塔长波头操作冲击放电特性研［Ｊ］．高电压技术，2003，29(11)：21-22．[3]马乃祥，长间隙放电［Ｍ］．北京：中国电力出版社，1998：87-106．[4]张海燕，王文端．长间隙中雷电冲击电场测量的研究［Ｊ］．高电压技术，1995，15（3）：15-17.[5]耿屹楠，庄池杰，曾嵘，等．正极性雷电冲击电压下流注起始特性研究［Ｊ］．中国电机工程学报，2012，32（19）：148-153.[6]谷山强，陈家宏，陈维江，等．长间隙放电综合观测系统的建立[Ｊ]．高电压技术，2009，35（11）：2540-2646.[7]成永红，陈玉.气体绝缘系统中典型缺陷的超宽频带放电信号的分形分析[J].中国电机工程学报，2004,24（8）：99-102.[8]曾嵘，耿屹楠，牛犇，等．空气间隙放电物理参数测量研究进展[Ｊ]．高电压技术，2011,37（3）：528-536.[9]陈维江，谷山强，谢施君，等．长空气间隙放电过程的试验观测技术[Ｊ]．中国电机工程学报，2012，32(3)：528-536.[10]张赟，曾嵘，黎小林．大气中短空气间隙流注放电过程数值仿真［Ｊ］．中国电机工程学报，2008,25（5）：6-12.[11]万启发，陈勇，霍锋，等．1000kV交流输电线路真性塔空气间隙放电特性试验研究[R]，武汉：国网电力科学研究院，2008.[12]赵中原，肖登明，邱毓昌.电力设备局部放电模式识别中分形理论的应用[J].高压电器，2001,37（3）：18-20.