冲击电压下SF6气体放电的驼峰现象及形成机理

高电压等级电力系统中,特快速暂态过电压（VFTO）引起的气体绝缘开关设备（GIS）绝缘事故日益严重。为确保GIS的安全运行,探究了冲击电压（包括VFTO和雷电冲击）下六氟化硫（SF6）气体放电的特性和机理,研制了陡波前冲击试验装置;固定电极间距,研究了电极半径对SF6间隙击穿特性的影响以及气压对缺陷支柱绝缘子击穿特性的影响;采用空间电荷模型对有无绝缘子存在时SF6气体＂驼峰＂现象的差异进行了解释。试验研究结果表明：冲击电压下,棒-板间隙击穿电压以及缺陷支柱绝缘子击穿电压均随气压的增加而先增大后减小,出现了明显的＂驼峰＂现象;＂驼峰＂对应的气压值为0.2~0.3 MPa之间;SF6气体间隙在VFTO下的＂驼峰＂现象比雷电冲击下更明显;VFTO下缺陷绝缘子的＂驼峰＂高度比棒-板间隙的＂驼峰＂高度更明显。分幅相机拍摄表明：在＂驼峰＂出现的气压值处,出现了密集的空间电荷层,阻碍了放电发展,放电通道出现明显的弯曲现象。依据流注先导击穿判据得到了50%击穿电压-气压（即U50%-p）图中的流注到达线和先导到达线,由此可得结论即采用先导击穿的微分电容判据可以对＂驼峰＂现象进行合理的解释。     

特快速暂态过电压和雷电冲击下SF6长间隙伏秒特性

为研究特高压气体绝缘开关设备(GIS)在特快速暂态过电压(VFTO)和雷电冲击(LI)下的SF6长间隙伏-秒(U-t)特性,设计了VFTO模拟产生装置。通过改变实验间隙距离、气压和电压种类,研究了不同气压下SF6棒-板和球-板长间隙在负极性VFTO和LI下的U-t特性。实验结果表明:球-板稍不均匀电场间隙在VFTO下的最小击穿电压高于LI下的,而VFTO下的U-t曲线较LI下的曲线平坦,导致2种电压下U-t曲线相交。对于高气压(0.5MPa)下棒-板间隙,VFTO下的U-t曲线位于LI的之下。基于对实验结果和U-t特性曲线物理意义的分析,得到了用于预测给定SF6长间隙U-t曲线的半经验公式,该公式为带有3个参数的幂指数函数,其中的待定参数可由气压、间隙距离和电场不均匀系数共同决定。校验结果表明:采用半经验公式预测的U-t曲线能准确反映SF6间隙击穿特性,从而为GIS绝缘设计提供参考。     

冲击电压下SF_6棒-板间隙放电极性效应的反转现象

电压等级较高的系统中,由特快速暂态过电压(VFTO)引起的气体绝缘组合电器设备(GIS)绝缘事故日益严重。为给GIS绝缘结构的优化设计提供参考,研制了陡前沿冲击实验装置,并利用其研究了SF6棒–板间隙在VFTO和雷电冲击(LI)作用下的绝缘特性。结果表明稍不均匀和极不均匀电场下,SF6间隙放电均存在极性效应。稍不均匀电场下,正极性VFTO与雷电冲击50%放电电压均高于负极性。极不均匀电场中,随着气压增加雷电冲击下SF6放电出现了极性反转现象:气压较低时,负极性雷电冲击放电电压高于正极性;当气压高于某临界气压时,正极性雷电冲击放电电压高于负极性。出现极性反转的临界气压值与间隙电场不均匀系数相关,随电场不均匀度增加而减小。极不均匀场中,VFTO作用下,负极性50%放电电压较正极性高,但在较低气压时,会出现负极性VFTO放电电压低于正极性的现象。分析表明,极性效应反转是由不同极性电压下SF6间隙中空间电荷迁移和扩散的差异而形成的。     

快速暂态过电压下GIS绝缘特性研究综述

随着电压等级升高,气体绝缘开关设备(GIS)的额定雷电冲击耐受电压和快速暂态过电压(VFTO)水平的差异逐渐减小,由VFTO引起的GIS绝缘事故日益增加。从工程应用角度出发,对VFTO下正常及存在缺陷的GIS气体间隙和绝缘子的绝缘特性进行了综述,详细对比了VFFO波头时间、振荡频率、衰减时间常数等特征参量对GIS绝缘特性的影响规律。指出了GIS绝缘特性的后期研究方向,即在统计分析工程实际VFTO波形的基础上提出VFTO典型试验波形,并研究典型波形下大尺寸GIS气体间隙和全尺寸绝缘子放电特性,给出GIS在VFTO和雷电冲击下的绝缘等价性关系,为工程实际中考虑VFTO特性的GIS绝缘配合提供基础数据。     

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。     

电压上升率对GIS绝缘缺陷击穿特性的影响

随着气体绝缘金属封闭开关设备(gasinsulated switchgear,GIS)设备容量不断增大,现场越来越难以开展对应电压等级的雷电冲击试验,其产生的冲击试验电压的波前时间可能长达十几μs。探究长波前冲击电压波前参数对SF6气体间隙放电特性影响的研究,认识GIS中绝缘缺陷在冲击电压作用下的放电特性,是判定采用长波前冲击电压进行现场试验是否合理的前提与基础。主要探究了在棒–板电极和同轴母线针–板电极两种不同电极结构下,波前电压上升率(d U/dt)对SF6间隙击穿特性的影响规律。结果表明,2种结构电极间隙击穿电压随着电压上升率增加呈现U型变化趋势。研究表明U型曲线拐点电压与空间电荷"电晕稳定化"作用相关,且在U型曲线左右半支的击穿电压变化规律受空间电荷"电晕稳定化"和背景电场的"扫除作用"共同影响。     

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。     

纳秒脉冲下SF6气体放电特性

随着电力系统电压等级的提高,特快速暂态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO)对气体绝缘变电站(gas insulated switchgear,GIS)的安全稳定运行产生了越来越严重的威胁,为了提高设备运行的安全稳定性,促进设备小型化,需要深入分析VFTO下SF6气体的绝缘特性。因而该文利用基于半导体断路开关(SOS)的ns脉冲源SPG 200N的输出电压模拟VFTO波形的快速上升过程,黄铜板-板电极模拟GIS内的均匀场,研究了ns脉冲下SF6气体的放电特性,得到了重频耐受时间、施加脉冲个数等与重复频率的关系。实验结果表明,重频耐受时间随着脉冲重复频率的提高而降低,但击穿前所施加的ns脉冲个数与重复频率的关系比较复杂。随着气压的升高,临界击穿场强与气压的比值E/p有所下降,但在该文研究范围内其值仍高于理想状态下稳态电压对应的单位气压下临界值88.5kV/(mm.MPa)。获得的SF6放电特性为进一步明确VFTO下SF6气体的放电机理提供了实验依据。     

振荡冲击电压下SF_6极不均匀场间隙的放电特性

根据IEC 60060-3所规定的振荡冲击电压波形,研究了在正极性振荡雷电冲击电压和振荡操作冲击电压下SF6气体极不均匀场间隙的放电特性,包括SF6压强(P)和50%起晕电压(UP50)关系、SF6压强(P)和50%击穿电压(UB50)关系等。并且比较了振荡雷电冲击和标准波雷电冲击下SF6气体极不均匀场间隙的放电特性的异同。结果表明,振荡型冲击电压因其振荡特性,使SF6极不均匀场间隙的放电次数增加,这有利用发现GIS中存在的例如导电尖刺等电极缺陷;等波头的振荡冲击波和双指数冲击波作用下SF6极不均匀场间隙的有着相似的放电特性,这对振荡型冲击波替代双指数波在较高等级的GIS现场耐压试验中的运用有重要的指导意义。     

大容量电力设备标准雷电冲击现场试验技术

随着电压等级的提高,气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)等电力设备电容量增大。现场耐压及绝缘试验作为GIS设备投运前的最后一道关口,是提高入网质量的重要保障。为此,结合国内外SF6间隙放电特性研究成果,发现极不均匀电场中SF6间隙工频或直流击穿电压随气压变化会出现"驼峰"现象,高气压下间隙击穿电压和电晕起始电压相近;随冲击电压波前时间增加,间隙放电电压升高可达10%~20%。解释了现行交流耐压与局部放电试验检测GIS绝缘缺陷的局限性,阐明了开展现场雷电冲击试验的必要性及其技术瓶颈,并分析了冲击电压检测绝缘缺陷的有效性。基于研制的新型紧凑型低电感冲击电压发生器,提出大容量电力设备标准雷电冲击现场试验技术,并在特高压南京站得到应用。此外,还从提高绝缘检测有效性出发,提出了现场耐压与绝缘检测试验改进方案。     

Impulse partial discharge and breakdown characteristics of rod-plane gaps in N/sub 2//SF/sub 6/ gas mixtures

Impulse partial discharge (PD) and breakdown (BD) characteristics of rod-plane gaps in N/sub 2//SF/sub 6/ gas mixtures were investigated for different gap geometry, gas pressure and SF/sub 6/ gas content. Experimental results revealed that the 50% probability breakdown voltage increased with gas pressure, which agreed with the theoretical values with consideration of discharge time lag for impulse voltage application. For the calculation of discharge inception voltage, the volume-time theory was successfully applied to the N/sub 2//SF/sub 6/ gas mixture. Furthermore, impulse PD light emission image was observed together with PD current pulse and light intensity waveforms. The long discharge with stepwise propagation and double-peak PD pulses could be observed, which corresponded to the streamer/leader transition leading to breakdown.     

SF_6气体间隙低概率冲击击穿电压的计算

根据对SF_6气体极不均匀场间隙异常放电的分析,提出了由三条界限线,即流注击穿线、低概率冲击击穿线和电晕起始线组成的估算间隙低概率冲击击穿电压的方法;击穿电压的计算值和实验测量值的比较表明,计算给出的是稍偏严的结果.     

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。     

Very fast transient overvoltages in GIS with compressed SF6-N2 gas mixtures

This paper discusses the characteristics of very fast transient overvoltages (VFTO) in SF₆-N₂ gas mixtures at different percentages of SF₆. A comparison of the VFTO characteristics of pure SF₆ with those of pure N₂ is also presented. The investigations are performed using a laboratory model GIS bus duct having a test gap used for simulating a switching event leading to the generation of VFTO. A capacitive voltage sensor is used to measure the VFTO peak magnitude and temporal characteristics. Measurements were carried out at two different gap spacings (0.20 and 0.61 mm) over a pressure range of 100 to 500 kPa. VFTO characteristics for N₂, SF₆ and SF₆-N₂ mixtures obtained from the experiments show similar trends. The level of surge peak magnitude is <2.0 pu for all cases when the gap was 0.20 mm, but it reaches a maximum of 2.41 pu at 0.61 mm gap. At 0.20 mm gap, in SF₆-N₂ mixtures, the difference in peak magnitudes is not significant for 10% and 20% SF₆ mixtures (between 200 and 400 kPa) and also for pure SF₆ and 40% SF ₆ (between 200 and 300 kPa). The occurrence of corona stabilization during breakdown of the gap may be the cause for such a behavior. Unlike the above observations at 0.20 mm gap, at 0.61 mm gap, the peak magnitudes strictly increase with pressure for the pure gases and gas mixtures. At 0.20 mm gap, the time to breakdown of the gap is found to be almost constant in all cases. But at 0.61 mm gap, the time to breakdown is seen to be dependent on the mixture, pressure, and breakdown voltage, and this observation is in accordance with Toepler's spark law     

冲击电压波形对GIS由固定导电粒引发的击穿电压的影响

作者研究比较了正极性冲击电压波形对SF_6、空气、SF_6/空气的GIS电极装置由固定导电微粒引发的击穿电压的影响,结果表明:SF_6间隙的击穿电压受冲击电压波前时间长短的影响较大,而与波长的关系不大,当采用SF_6/空气混合气体时,则这种影响随SF_6含量增大而愈明显,并与电场不均匀程度有关。     

SF_6气体在交流叠加冲击电压下的放电特性

介绍了SF_6气体中球—球电极和同心球电极在交流叠加冲击电压下的放电特性,并给出了影响叠加波放电特性的几种因素和试验结果。     

快速振荡电压下SF6气体间隙放电的光电检测

利用光电倍增管及分幅式变象管高速相对放电产生的光信号进行了检测。实验证明,光电检测是研究快速振荡冲击（FOI）作用下SF6气体放电过程的有效手段。由检测结果可看出,SF6气体间隙在FOI下的放电特征与标准雷电波（LI）下的放电特征是不同的,负极性FOI作用下的放电机理遵循茎先导机理。     

Toepler's spark law in a GIS with compressed SF/sub 6/-N/sub 2/ mixture

This paper deals with the experimental measurements and analysis of the formative time lags to breakdown and an estimation of the Toepler's constant for gas gaps, under the application of 50 Hz AC voltage. The experiments were carried out in a 145 kV gas insulated system (GIS) bus duct with pure N/sub 2/, pure SF/sub 6/ and SF/sub 6/-N/sub 2/ mixture as insulating media. The formative time lags to breakdown in the gas gaps were measured using a fast response capacitive sensor. Toepler's spark law has been used to explain the breakdown phenomenon in the GIS and the values of Toepler's constant (k/sub t/), which gives an estimation of the formative time lags, were determined. Results show that the formative time lags vary inversely with gas pressure and the gas mixture concentrations for two gaps studied (0.46 mm and 0.61 mm). In the case of another gap (0.20 mm), the variation in the formative time lags with pressure as well as SE, concentration in the mixture has been found to be negligibly small between gas mixtures, although significant variation can be seen between pure SF/sub 6/ and pure N/sub 2/. Toepler's constant, k/sub t/, increases with gas pressure as well as SF/sub 6/ concentration in the mixture for the gaps studied. Hence, k/sub t/ is a function of the gas pressure and the concentrations of SF/sub 6/ in the gas mixture for the above-mentioned gaps.