雷击输电线路上行先导起始与发展特性模拟试验研究

上行先导是分析雷电绕击输电线路的关键因素之一,由于雷电放电的随机性,鲜有输电线路上行先导的直接影像资料,因而上行先导是否存在是电力系统防雷研究的一个热点。现有的上行先导仿真计算模型主要由棒-板及热力学的结论间接推导所得,缺乏实际输电线路的实验依据。在昆明国家特高压实验基地对输电线路上行先导起始及其发展特性开展了模拟试验研究,经过仿真分析,设计并采用5～8m的板棒-线间隙进行模拟试验,施加最高达3.6MV、200/2 000μs波前的冲击电压,利用最高拍摄速度为106帧/s的高速摄像机对放电过程的放电形态进行观测,利用3dB带宽范围为0～6.5MHz的同轴分流器进行了电流测量。通过500余次试验及其结果分析,发现在该试验条件下,导线和地线上明显有上行先导产生,其发展速度约为1.2～3cm/μs,与正极性操作波下棒-板间隙放电的先导速度基本一致。仿真分析发现,大多数自然雷情况下,输电线路临界半径处场强高于上行先导起始场强的时间比该文试验工况中更长,因此推断自然雷击输电线的过程中上行先导是很有可能存在的。     

高压输电线路雷电绕击分析方法及模拟试验研究*

大量线路雷电跳闸故障统计资料显示,雷电绕击是引起电压等级为500 kV及以上输电线路雷击跳闸的主要原因。综述了几种有代表性的输电线路雷电绕击分析方法,并介绍了在南方电网昆明特高压基地开展的雷电绕击模拟试验研究。试验模拟了下行雷电先导接近线路时输电线路上行先导起始和发展的过程。试验结果表明,导线、地线会产生上行先导放电,且地线上行先导放电起始易于导线,导线、地线上行先导发展速度约为1.2～2.4 cm/?s。该结果可为雷电绕击分析提供了试验基础和物理参数。     

雷电下直流运行电压对输电线路上行先导起始与发展特性的影响

在分析上行先导发展过程时,许多仿真模型虽在一定程度上考虑了直流运行电压的影响,但其依据主要由棒-板间隙下的试验结果、热力学及电磁学间接外推所得,其适用性并未得到验证。为此,在昆明国家特高压试验基地,就直流运行电压对输电线路上行先导起始与发展特性的影响展开了试验研究。经过仿真分析,设计并采用7m的板棒-导线间隙,并对该间隙施加最高达4MV的200/2 000μs负极性冲击电压,对导线施加最高达800kV的正极性直流运行电压,以此模拟了雷电下的上行先导起始与发展情况。采用最高拍摄速度为1 000 000帧/s的高速摄像机对放电过程的形态进行了观测,同时利用频率响应范围为0～6.5MHz的同轴分流器进行了电流测量。通过数百次试验发现,当线路上施加500kV正极性直流运行电压时,上行先导起始时间提前了21μs,平均发展速度增加了0.3cm/μs,这一结果说明,负极性雷电下较高的正极性直流运行电压有助于导线上行先导的发展。最后,进行了输电线路模拟试验,试验结果说明,负极性雷电下正极性直流运行电压能使导线上行先导的起始时间提前,甚至早于地线;同时正极性直流运行电压也会使导线上行先导的发展速度增加,从而使它对下行先导的截击概率增大,增加了线路绕击的可能性。     

1000kV交流紧凑型输电线路相间空气间隙放电特性

为了解1000kV特高压紧凑型输电线路相间空气间隙放电特性,获得相间空气间隙在模拟操作过电压条件下的放电特性参数,为相问绝缘间隙提供试验支撑,利用全尺寸特高压紧凑型塔窗,进行了塔窗内导线相间空气间隙操作冲击试验。并模拟档距中央的导线相问间隙,进行了标准操作冲击、1000μs长波前操作冲击放电特性试验研究。通过试验获得了...     

利用先导通道三维空间结构研究的先导发展速度

先导发展长度与速度是描述先导发展过程的重要参数,也是近年国内外研究热点。电荷耦合高速摄像机的广泛应用为研究先导发展速度提供了有力工具。为定量研究先导发展速度,利用2台电荷耦合高速摄像机对长空气放电过程进行同步拍摄结果,利用图像处理方法重建了长空气间隙放电先导通道发展过程的三维结构。对12m棒-板间隙在正极性操作冲击电压下先导发展过程进行观测后,基于先导通道三维空间结构的时域演变,将先导发展方式分为平稳发展与"突跳"2种方式。在此基础上定量分析了先导发展的一维轴向速度、二维路径速度以及三维空间速度。研究结果表明,在12m棒-板间隙的先导平均一维轴向发展速度为1.8cm/μs,平均二维路径速度为2.03cm/μs,平均三维空间速度为2.3cm/μs;先导通道发生"突跳"时,先导通道长度瞬时剧烈增大,发展速度瞬时剧烈增大,发展速度分散性很大,在10～30cm/μs。     

正极性雷电冲击电压下5m棒-板空气间隙放电特性试验研究

开展了正极性雷电冲击电压下5 m棒-板间隙的放电试验,同步测量获得了放电电压、放电电流和图像。根据放电不同阶段的电流特性,辨识了初始电流放电、二次流注放电和先导放电过程,并研究了电压幅值和电极形状对上述放电阶段的影响。试验结果表明,初始流注放电产生的空间电荷与电压幅值和电极曲率半径均正相关,其抑制作用使得流注起始时延的平均值近似为常数;二次流注的平均速度为700～1 060 cm/μs,其随着电压幅值的增加逐渐增大,而随着曲率半径的增大而减小;先导发展的平均速度为29～111 cm/μs,随电压幅值的增加线性增大,而随电极曲率半径增大有所降低。     

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。     

长间隙正极性放电流注-先导发展3维物理仿真研究

利用长间隙放电3维仿真模型对实际的放电现象进行机理分析、放电特性预测与绝缘设计评价具有指导意义。因此在流注-先导系统起始和动态发展的物理机制基础上,分析了初始电晕起始与流注发展的基本物理过程,推导了基于模拟电荷法与电位畸变法的流注空间电荷增量对电位畸变贡献的计算方法,建立了基于热电离理论的流注-先导转化模型,并利用电介质击穿模型(DBM)模型将2维模型外延至3维空间,从而完成了对长间隙放电正极性流注-先导发展全过程的3维仿真模型构建。利用该模型进行仿真获得的先导平均轴向速度为1.58~1.62cm/μs,空间电荷电位畸变系数KQ的平均值介于3.8×10-11~4.4×10-11 C/(V m)之间,并得到了不同间隙长度下击穿电压与先导发展过程等的变化规律,与长间隙放电试验综合同步观测平台在平均轴向速度、末跃高度等方面所获得的试验数据较为符合,证明了模型在3 m棒-板间隙下模拟正极性流注-先导发展方面的适用性。     

超高压交流/特高压直流同塔多回输电线路塔宽及离子流对带电作业间隙放电特性的影响

超高压交流/特高压直流同塔多回输电线路下层500kV交流导线平行处的塔身宽度(简称塔宽)比单一500kV线路铁塔增大1倍以上,同时下层带电作业间隙还存在着上层±800kV直流线路产生的离子流。为此,试验分析了"等电位作业人员-塔身"典型作业工况下,1.4～11.0m不同塔宽下空气间隙的操作冲击放电特性,并开展了0.80～1.25m间隙距离下离子流密度对空气间隙操作冲击放电电压影响的试验研究。研究结果表明,随着塔宽的增大,相等带电作业间隙距离的操作冲击放电电压相应降低;当作业间隙距离为7.5m时,11m塔宽下的操作冲击50%放电电压比1.4m塔宽下降低了约14%;在0～167nA/m2离子流密度范围内的离子流对0.80～1.25m间隙距离的空气间隙操作冲击放电电压无影响。该试验研究结果可以为超高压交流/特高压直流同塔多回输电线路带电作业工作的开展提供技术依据。     

1000kV交流紧凑型输电线路杆塔空气间隙放电特性

为了进一步提高特高压线路输电容量,建设节能环保型输电工程,在特高压试验示范工程建成投运后,需着手开展特高压紧凑型输电技术研究工作。为系统掌握1000kV特高压紧凑型线路空气间隙外绝缘放电特性,为后续工程绝缘设计提供技术支撑,采用全尺寸特高压紧凑型塔窗,对不同相V型串空气间隙进行了标准操作冲击、1000μs长波前操作冲击...     

负极性长间隙放电梯级先导特征

为获取负极性长间隙放电梯级先导特征参数,进行了多种间隙结构、多种间隙尺寸的负极性长间隙放电试验,得到了第1梯级先导长度、暗区持续时间的统计结果及梯级先导的发展速度。统计结果表明:短间隙(<2.5m)下的负极性放电仅1个梯级,梯级先导长度一般小于间隙长度的20%;长间隙(>6 m)下的负极性放电有多个梯级,梯级先导发展速度在104m/s量级~105m/s量级之间;同一次放电,梯级先导发展速度随先导长度增加而加快。     

基于脉冲定量纹影系统的正先导放电起始阶段通道瞬态温度测量

正极性先导放电特性是超特高压输变电系统操作过电压外绝缘配合和地面高目标物雷电屏蔽性能优化的基础。先导放电起始过程是流注茎向连续先导通道转化的关键阶段，通道处于非局部热力学平衡态，通道气体温度与电子密度、电场强度及径向尺寸等参数相互耦合，获取先导起始阶段通道温度演化规律对于揭示先导放电物理机制和实现全过程仿真建模至关重要。该文设计构建了一种脉冲LED光源驱动的定量纹影系统，时间和空间分辨率分别达到了0.37μs和31μm/像素，解决了长空气间隙放电通道瞬态温度时域连续测量的难题。开展了1.0 m棒-板间隙正极性先导放电观测实验，获得了放电电流、定量纹影图像及通道光学图像等数据。通过反演定量纹影图像获得了流注茎温度分布特性，发现了流注茎前端生长出一种热细通道的现象，其温度介于400～800 K，通道直径约为0.2 mm，轴向发展速度约为0.1 mm/μs。实验获得了二次流注电流注入阶段通道快速温升，以及不稳定先导弛豫阶段通道温度分布演化特性。     

1000kV线路杆塔空气间隙距离选择

特高压(UHV)线路空气间隙距离研究是UHV线路工程设计的基本参数,而前苏联、日本的相关工程参数也与我国情况不同。为此介绍了中国晋南荆1000kV输电线路杆塔空气间隙距离选择的原则、方法和结果。由于塔宽和试验电压波前时间对特高压线路杆塔空气间隙的放电电压有明显的影响,故采用特高压真型杆塔进行空气间隙的放电电压试验,操作冲击试验电压的波前时间为1000μs,和特高压线路操作过电压的实际波前时间比较接近。工作电压下空气间隙距离的选择考虑了最大工作电压、100a一遇的最大风速、多间隙并联对放电电压的影响并取闪络概率为0.13%,得到海拔500、1000、1500m时工作电压下的最小空气间隙距离分别为2.7、2.9、3.1m。操作冲击下空气间隙距离的选择考虑了沿线最大的统计(2%)操作过电压水平为1.7p.u.、操作过电压波前时间取1000μs、多间隙并联对放电电压的影响、计算风速为0.5倍最大风速、闪络概率为0.13%,得到海拔500、1000、1500m时的最小空气间隙距离中相分别为6.7、7.2、7.7m,边相分别为5.9、6.2、6.4m。试验结果表明,边相导线对杆塔的空气间隙距离受工作电压控制,中相导线对杆塔的空气间隙距离受操作冲击电压控制。雷电冲击下的空气间隙距离对杆塔塔头尺寸不起控制作用,可以不规定雷电冲击下的空气间隙距离要求值。     

地形对特高压同塔双回输电线路雷电屏蔽性能的影响

为研究地形条件对特高压输电线路的雷电屏蔽性能及山坡对放电过程的影响,采用最大距离为11 m的放电间隙进行雷击模拟试验。以型号为SZ322的铁塔为研究对象,将杆塔缩比取为1:12.5,研究了斜坡对放电路径走向及放电参数的影响。采用波形参数为80/2 500μs的负极性操作冲击电压波来模拟雷电先导,统计分析了平地与山坡2种地形条件下的放电路径选择概率、放电电压、放电时间等参数。研究结果表明:山坡改变了空间电场的分布,增大了特高压输电线路的雷电绕击空间;当高压棒电极与斜坡的垂直距离小于其与输电线路侧面的距离时,斜坡将影响放电路径的走向,且缩短放电先导与输电线路之间的距离会增大输电线路的绕击概率;当高压棒电极与斜坡和平地之间的垂直距离相同时,地形条件对该间隙的放电电压均值基本无影响,但会影响放电时间和放电的分散性。该研究结果对不同地形条件下特高压输电线路的雷电防护设计具有一定的参考价值。     

基于长间隙放电试验适用于大尺寸输电线路的改进电气几何模型

电气几何模型(electric geometry model,EGM)作为解决雷电屏蔽问题的工程模型,广泛应用于计算评估高压、超高压输电线路的雷电绕击性能。然而,随着特高压输电线路杆塔高度的提高和空气间隙的增长,运用现有EGM得到的绕击率和实际观测数据有较大出入。鉴于此,该文基于1~10m的棒-棒长空气间隙负极性20/2500μs操作冲击50%放电电压试验数据,并引入Idone的雷电通道回击速度概率分布,修正了现有击距公式;再根据棒-棒间隙和棒-板间隙的50%放电电压在4m处发生翻转的特点,结合试验结果修正了大地的击距系数,提出了一种适用于大尺寸输电线路的改进EGM。最后运用该文提出的改进EGM分别对日本500、1000和中国1000k V交流输电线路的绕击率进行计算,与日本长期的雷击观测数据对比表明:该文提出的改进EGM较现有EGM更加适合大尺寸输电线路,尤其是各相导线绕击比例和观测数据更加吻合。该文提出的改进EGM能为大尺寸输电线路雷电屏蔽设计提供参考。     

导线布置方式对棒–线长空气间隙负极性操作冲击放电特性的影响

空气间隙的负极性操作冲击放电特性受电极布置方式的影响。为了深入研究导线布置方式对棒–线间隙负极性冲击放电特性的影响,采用80/2500μs、20/2500μs负极性操作冲击电压波放电1000多次,试验研究了导线半径、高度和接地方式对棒–线间隙50%负极性操作冲击放电电压的影响以及导线接地方式对棒–输电线路组合间隙负极性操作冲击放电特性的影响。试验结果显示:棒–线间隙50%放电电压随着导线半径的增大而减小,棒–不接地线间隙比棒–接地线间隙的50%放电电压高;悬浮导线的感应电压随着间隙距离d增大先增大后减小;线接地方式不影响0.8m棒–线间隙流注放电过程,但影响棒–输电线路组合间隙放电路径的概率分布,对组合间隙放电电压和放电时间无影响。该研究工作可为电力系统外绝缘及线路防雷设计提供参考。     

特高压交流输电线路平台法直升机带电作业安全间隙距离试验研究

为了给直升机应用于特高压交流(UHVAC)输电线路带电检修工作提供参数依据,确保平台法直升机带电作业的安全开展,利用全尺寸模拟直升机布置了平台法带电作业过程中的典型作业工况,开展了1 000 k V输电线路带电作业间隙操作冲击放电试验,获取了各典型工况下的带电作业间隙放电特性,明确了直升机进入等电位过程中的最低放电位置,根据交流输电线路带电作业安全距离的计算方法,保证作业危险率10-5,得到了在海拔高度≤1 000 m地区的特高压交流输电线路平台法直升机带电作业最小安全间隙距离,即相地最小安全距离为6.8 m,相地最小组合间隙为7.3 m,相间最小安全距离为9.2 m,相间最小组合间隙为9.5 m。     

特高压交流输电线路的雷电屏蔽分析模型

绕击是引起超高压、特高压输电线路雷击跳闸的主要原因。将低电压等级输电线路绕击防护经验直接外推至更高电压等级时具有一定的局限性,可能导致新建线路的绕击耐雷性能显著低于预期值。基于先导发展的绕击分析模型细致地考虑了影响雷击发展物理过程各种因素的影响,较传统工程化分析方法更适用于新建电压等级线路的绕击性能评估。但由于对雷击物理过程和长间隙放电机理认识的不足,不同时期不同学者对雷击过程描述所采用的模型和方法不尽相同,若将现有学者所提出的绕击分析模型直接用于工程中,不同分析模型所得结果差异较大。为此,通过对比现有的雷电观测资料,认为Cooray提出的下行先导通道模型与最新的雷电观测结果比较相符;对迎面先导起始工程判据的对比分析结果表明,当导线对地高度10.0 m时,Rizk感应电压法和临界电晕半径法计算得的先导起始电压结果一致,外推至实际导线对地高度时,Rizk感应电压法的计算结果与长间隙放电理论相违背;同时依据长间隙放电理论,提出了下行先导和迎面先导的相对速度比近似等于迎面先导通道单位长度电压降与导线感应电压增量之比的迎面先导持续发展条件,建立了基于Schwarz-Christoffel变换的能考虑任意地形的2维特高压输电线路雷电屏蔽分析模型;该分析模型解释了传统先导发展模型无法解释的特高压输电线路ZMP2和ZBS2型杆塔的中相屏蔽问题。计算结果表明,在典型的平原、斜坡和山顶地形下,ZMP2和ZBS2型杆塔的绕击跳闸率低于设计预期值0.1次/(100 km.a)。     

棒-棒间隙操作冲击放电过程的试验观测

为揭示操作冲击作用下的棒-棒间隙放电过程,采用CCD高速摄影仪开展了2～10.5m间隙尺度正极性及1～4.5m间隙尺度负极性棒-棒间隙放电观测试验,根据观测结果总结了正、负极性棒-棒间隙放电发展过程,并获取了放电发展过程中跃变尺度、放电发展速度等特征参数随间隙尺度以及放电发展过程的变化规律。在正极性棒-棒间隙击穿过程中,正极性下行先导起主导作用;在负极性棒-棒间隙击穿过程中,梯级发展的负极性下行先导起主导作用;随着放电间隙尺度的增加,起主导作用的放电过程发展尺度占间隙的比例逐渐增加;跃变阶段的正、负极性先导发展速度均随先导的伸长而逐渐增加;负极性棒-棒间隙放电的跃变阶段可观测到空间先导的发展过程。试验观测研究进一步揭示了棒-棒间隙放电发展过程,可为棒-棒间隙放电物理过程研究提供参考。     

1000kV与500kV交流线路同塔架设相间放电特性及绝缘配合

为确保1000kV与500kV同塔架设相间绝缘设计的可靠性和经济性,采用2套长波前冲击电压发生装置产生不同波前时间冲击电压模拟线路相间过电压,针对中国1 000 kV双回特高压线路与500 kV双回超高压线路同塔架设的杆塔结构及导线布置特点,开展了上侧1000kV相间操作冲击放电试验、下侧500 kV相间操作冲击放电试验,以及1000kV与500 kV相间的空气间隙放电试验研究,获得了不同间隙距离放电特性曲线和对地高度影响等研究结果。并根据中国华东地区拟采用该输电方式的苏州—沪西段工程相间过电压水平,分析提出了相间绝缘间隙配置推荐值。研究表明8分裂导线相间1000 s操作冲击放电电压平均间隙系数K为1.61,8分裂—4分裂和4分裂-4分裂相间标准操作冲击放电电压平均间隙系数分别为1.44和1.49。该研究成果为国际上首次提出的特高压与超高压同塔架设输电方式提供了外绝缘设计依据。