长空气间隙负极性操作冲击放电特性研究(Ⅱ)-间隙系数

大气环境、电极布置方式和间隙类型等对长空气间隙的负极性操作冲击放电特性均有不同程度的影响。分别采用20/2 500μs和80/2 500μs两种负极性操作冲击电压波进行放电试验,研究了气象条件、波头时间、下电极高度及导线接地方式等对空气间隙放电特性的影响,并对以棒–板间隙为基准,分析计算棒–棒间隙、棒–线间隙的间隙系数。试验结果显示:湿度对长空气间隙的负极性操作冲击放电特性试验具有明显的影响;间隙距离大于3 m时,20/2 500μs负极性操作冲击电压波作用下空气间隙的50%放电电压较高,间隙距离小于3 m时,80/2 500μs负极性操作冲击电压波作用下空气间隙的50%放电电压较高;下电极高度对棒–棒间隙放电特性具有一定的影响;导线接地方式对棒–线间隙的50%负极性操作冲击放电电压具有显著影响。间隙系数随间隙距离呈非线性变化趋势,棒–线间隙对棒–棒间隙的间隙系数随间隙距离增大基本趋于稳定值1.05。     

长空气间隙负极性操作冲击放电特性研究(Ⅰ)—试验研究

长空气间隙在负极性操作冲击电压下具有非线性放电特性。为了研究典型长空气间隙的负极性放电特性,利用7 500 kV冲击电压发生器产生20/2 500μs和80/2 500μs两种负极性操作冲击电压波,开展了间隙距离为1～10 m的棒–棒间隙、棒–板间隙和棒–线间隙的负极性放电特性试验研究,并与其他学者的试验结果进行对比分析。试验结果表明:随着间隙长度的增加,棒–棒间隙、棒–板间隙、棒–线间隙的50%放电电压都趋于饱和,但棒–板间隙的饱和趋势最为明显;当间隙长度为4 m时,棒–板间隙与棒–棒间隙的50%放电电压大小关系发生翻转;间隙的平均击穿场强随着间隙距离的增大而减小。该研究揭示了1～10 m长空气间隙的负极性操作冲击放电特性,加深了对长空气间隙放电特性的认识。     

短空气间隙负极性操作冲击火花放电路径的初始方向统计特性

空气间隙火花放电路径具有曲折、分支的半随机发展特点。空间光电离过程光子数量和位置的随机性是导致空气间隙操作冲击火花放电路径具有随机性的主要原因,空间电荷和电场对放电路径的发展具有一定的约束。该文采用250/2500μs负极性操作冲击电压波分别开展了间隙距离为0.4~1.2m的三种不同空气间隙的放电试验,对比分析了间隙距离、负极性操作冲击电压幅值对火花放电路径初始方向角概率分布的影响。结果表明:棒–棒间隙、棒–双棒间隙火花放电路径初始方向角具有统计特性,且服从正态分布,该分布特性受间隙距离、棒电极形状及外施负极性冲击电压幅值影响。该研究结果可以加深对空气间隙火花放电过程的理论认识。     

强降雨条件下空气间隙长波前操作冲击放电特性

超、特高压输电线路风偏设计中,空气间隙的操作冲击放电特性是操作过电压等值风速选取的重要依据,现有研究主要集中在标准操作冲击电压的放电特性,强降雨条件下长波前空气间隙操作放电特性研究涉及较少。为此,在实验室模拟强降雨环境,对3种间隙长度、4种降雨强度和4种雨水电导率下导线–杆塔和棒–板空气间隙的1 000μs长波前正极性操作冲击放电特性U50进行了试验研究,结果表明,在所试验的条件范围内,强降雨条件下棒–板空气间隙U50最大降低了11.2%,导线–杆塔空气间隙U50最大降低了7.45%;棒–板空气间隙U50因雨水电导率变化最大降低3.32%,导线–杆塔间隙最大降低1.94%。对棒–板和导线–板空气间隙存在悬浮雨滴的静电场仿真计算表明,降雨强度越大则雨滴尺寸越大,空气间隙电场畸变越严重,且雨滴使棒–板间隙的电场畸变程度大于导线–板间隙。     

大尺寸特高压输电线路雷电屏蔽性能模拟试验影响因素

输电线路雷电屏蔽性能模拟试验研究是线路雷电防护研究的重要手段。根据实际观测的雷电梯级先导停滞时间,确定采用负极性20/2 500?s和负极性80/2 500?s两种操作冲击电压波形模拟雷电最后一击的放电过程,针对1 000 kV特高压线路SZ322型杆塔开展了模型比例为1:12.5的大尺寸雷电屏蔽性能模拟试验。试验结果表明:导线接地方式明显影响导线的放电被击概率;正极性偏置电压将增大导线的放电被击概率,负极性偏置电压将减小导线的放电被击概率;波头时间对放电路径影响不明显;导线被击概率随着线路保护角的增大而增大。所得结果为后续特高压线路雷电屏蔽性能试验的开展提供参考借鉴。     

特高压直流线路复合绝缘子悬挂方式对其冲击闪络特性的影响

V串绝缘子在输电线路中得到了广泛应用,但其与I串绝缘子的冲击闪络特性差异尚不明确。为此,在特高压工程技术(昆明)国家工程实验室开展了V串和I串悬挂方式的±800 k V复合绝缘子在操作冲击和雷电冲击作用下的放电试验,并通过有限元仿真软件对2种悬挂方式下复合绝缘子附近的电场分布进行仿真分析。结果表明:当有效绝缘距离相同时,正极性冲击电压下的V串绝缘子50%冲击放电电压低于I串绝缘子,而负极性冲击电压下的V串绝缘子50%冲击放电电压高于I串绝缘子;V串缘子下均压环与横担间的空气间隙的电场分布更接近棒–板间隙,而I串绝缘子2个均压环间的空气间隙的电场分布更接近棒–棒间隙。因此,I串和V串绝缘子间冲击闪络特性的差异是由于电极结构的极性效应引起的。     

超/特高压线路空气间隙电气特性试验中的若干问题

为了获得超/特高压线路杆塔间隙在各种影响因素下的闪络特性,满足线路绝缘配合需要,提高线路运行的安全性和经济性,依据超/特高压线路空气间隙电气特性试验结果,分析了冲击电压极性、间隙电极结构、杆塔宽度、导线结构、"邻近效应"等因素对空气间隙放电电压的影响,以及操作冲击放电特有的性能。结果表明杆塔宽度、导线结构、接地体"邻近效应"对闪络电压影响明显,如杆塔宽度增大,相等间隙距离冲击闪络电压降低,且随着间隙距离的增大,塔宽的影响逐渐减小;在相近条件下8分裂导线空气间隙的放电电压与4分裂导线的放电电压相比,最大相差约10%。     

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。     

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。     

长空气间隙放电特性研究综述

为获得长空气间隙在不同间隙距离、不同电压类型、不同电极结构下的放电规律,介绍了国内外长空气间隙放电特性研究的代表性成果,分析了棒-板和棒-棒间隙在不同间隙距离、不同冲击电压波前时间下的放电特性,给出了典型的放电特性曲线。对美国、日本和中国开展的输变电杆塔间隙试验结果进行了分析,介绍了线路和变电站相-地和导线相间空气间隙试验结果,对比了不同塔型结构条件和波形条件的影响。研究表明随间隙距离的增大,棒板间隙临界放电电压对应的波前时间逐渐增大;塔宽对杆塔间隙操作冲击下的放电电压有明显的影响;随着操作冲击电压的升高,海拔对操作冲击放电电压降低的作用减小。该综述是对目前国际上典型间隙和输变电间隙放电特性研究成果的总体分析,可为绝缘设计提供依据。     

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。     

±800kV同塔双回直流线路杆塔空气间隙的放电特性影响因素研究

±800 kV同塔双回线路电压等级较高,且杆塔形状和杆塔尺寸较±500、±660 kV直流输电线路杆塔都有很大差别,因此其空气间隙的放电特性有不同特点。为选择合适的±800 kV同塔双回直流线路空气间隙距离值,对影响±800 kV同塔双回输电线路杆塔上、下层空气间隙冲击放电特性的因素进行了真型尺寸模拟试验研究。研究了下层塔身宽度对杆塔下层间隙操作冲击放电特性的影响,均压环尺寸对直流V串塔头空气间隙放电特性的影响,直流运行电压对塔头间隙冲击放电特性的影响,±800 kV同塔双回输电线路杆塔下横担对上层间隙操作冲击放电特性的影响,并校核了下横担到上导线距离减小后杆塔的耐雷性能。研究结果表明:原有的塔身宽度对间隙操作冲击放电影响的修正公式已不适用于±800 kV同塔双回直流线路塔头;均压环尺寸大小与放电电压正相关;导线直流电场对间隙的放电路径有明显影响,但对放电电压影响不大;杆塔上导线到下横担的间隙距离可适当减小,但间隙距离减小后,杆塔的反击耐雷性能及绕击耐雷性能都略有降低。该研究结果可用于指导±800 kV同塔双回输电工程的设计。     

750kV输电线路相间操作冲击放电特性的研究

为取得我国750kV同塔双回输电线路的设计依据,结合我国西北电网公司即将建设的750kV同塔双回输变电线路工程,进行了模拟其线路相间操作冲击放电特性的试验研究。相间试验采用两台电压分别为5400kV和3000kV的冲击电压发生器联合进行,适当调整时延实现两台冲击同步。采用升降法获得5～9m距离6分裂导线相间操作冲击电压放电特性曲线算得其相间操作冲击的间隙系数K,并分析电压分配系数α对相间50%操作冲击击穿电压U50的影响。试验表明,U50随着α增大而增加,且通过长间隙放电理论中临界电荷法解释了相间绝缘的U50随着α增大而增加的原因,该结果接近IEC等国外类似试验,证明了其可比性和可靠性。     

500kV高海拔紧凑型输电线外绝缘特性及绝缘配合

为了获得德宏—墨江交流500kV单回紧凑型输电线路杆塔间隙的放电特性参数,为工程设计提供依据,针对该工程塔型及金具特点,采用模拟真型杆塔试验研究方法,开展了边相及中相V串导体对杆塔间隙的标准操作冲击、长波前操作冲击(波前500μs、1000μs)和标准雷电冲击电压放电特性试验研究,获得了多条50%放电电压特性曲线及不同波前时间操作冲击放电电压的差异。根据试验及过电压计算结果,推荐海拔2500m、3000m下相地最小绝缘间隙分别取4.2m和4.3m。     

典型空气间隙放电电压修正的试验研究

为深入了解不同海拔条件下空气间隙放电电压水平及其海拔修正关系,选择棒–板典型间隙,在昆明和南宁的高压试验场和实验室进行同等布置下的对比试验。试验在昆明特高压户外试验场、昆明超高压基地户外试验场和南宁高压大厅开展,内容包括0.8～1.8m间隙距离下正极性直流电压放电试验,1.5～4.5m间隙距离下正、负极性雷电冲击(lightning impulse,SI)放电试验以及1.5～5m间隙距离下正、负极性操作冲击(switching impulse,SI)放电试验。此外,在昆明获得了最长间隙距离至10m的正极性雷电、操作冲击放电试验数据。根据试验数据分析,讨论了大气条件影响和海拔修正。基于g参数的大气条件修正方法对正极性放电在昆明和南宁2地不同海拔条件下的计算结果重合性较好,而对负极性放电有较大偏差。最后,提出了棒–板间隙在直流、雷电、操作3种电压类型下、海拔高度2100m以下的放电电压海拔修正计算公式。     

输电线路雷电屏蔽模拟试验研究综述

输电线路雷电屏蔽模拟试验是研究输电线路雷电屏蔽性能最为直接有效的手段。文中从国内外输电线路雷电屏蔽模拟试验的研究现状出发,分别对缩比试验模型合理性、缩比模型导线接地方式、工作电压和施加电压极性4个方面进行理论分析和探讨。分析认为缩比试验模型与原系统应尽量在几何尺寸和物理参数具有相似性,推荐采用短波头操作冲击电压波进行大尺寸真型塔模拟试验;初步研究了导线接地方式对棒—缩比导线50%放电电压的影响,认为可通过光学观测等方式,研究缩比模型导线接地方式对放电过程的影响机理,这为今后输电线路雷电屏蔽性能试验研究奠定理论基础;缩比导线上工作电压的模拟方式应根据线路的具体类型而有所不同,指出交流线路宜采用三相同时施加电压;应施加不同电压极性,根据雷电屏蔽模拟试验结果为特高压输电线路雷电屏蔽性能设计提供参考和依据。     

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。     

空气间隙和绝缘子在直流电压上叠加冲击电压放电特性的试验

本文给出在+100kV、+200kV、+400kV和+500kV直流电压上叠加操作冲击(250/2500μs)或雷电冲击(1.2/50μs)电压的放电试验结果。试验是在棒—板间隙、支柱绝缘子以及悬式绝缘子上进行的。试验结果可供HVDC输电线路和换流站设计者参考。     

直流输电导线负极性电晕放电离子风流动特性研究

为厘清输电线路电晕放电与导线振动特性间的关系,该文对有来流时直流输电导线负极性电晕放电离子风的流动特性进行了研究。利用电–流体力学方法,建立与Navier-Stokes方程耦合的二维单极离子漂移模型,研究导线电晕放电时电压和导线直径对电流体力、离子风流场分布和流速大小的影响。研究结果表明,域内的最大速度出现在距离导线边缘1mm处,离子风会抑制模拟域中的最大速度,而对尾流区域的来流速度有明显激励作用;在电晕放电发生后,电压等级的增大对导线周围速度大小影响较小,但会使导线表面的电流体力增大;导线直径对离子风影响显著,导线直径的改变将诱导组合速度分布发生改变,并使电流体力增大,最大组合风速也相应提高。研究结果将为高压输电导线电晕振动特性研究提供理论指导。     

长棒形瓷绝缘子的冲击电压放电特性

为了研究长棒形瓷绝缘子的冲击电压放电特性,在特高压工程技术(昆明)国家工程实验室分别进行了串长为2～5节(干弧距离2.9～7.25m)的单串和双串并联布置方式下的操作冲击和雷电冲击试验,得到了该型绝缘子50%放电电压与干弧距离的关系,研究了引弧环、均压环及绝缘子串并联间隙距离对50%放电电压的影响。试验结果表明,操作冲击放电电压与干弧距离为非线性关系,雷电冲击放电电压随干弧距离增加而线性增大;引弧环和均压环对长棒形瓷绝缘子操作冲击放电电压无影响,但对雷电冲击放电电压影响较大,相比无引弧环和均压环时降低了11.7%;在50～60cm的并联间隙距离下,双串并联布置对操作冲击和雷电冲击放电电压基本无影响。