长空气间隙放电研究进展

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。在此基础上,归纳分析了目前研究中存在的不足,认为: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;现有长间隙放电机理研究缺乏对流注区域空间电荷分布规律、先导通道特征参数的深刻认识,一些常见假设如流注几何形状和区域电场恒定、先导起始的临界温度及先导通道特性等,或没有测量证实,或带来与实际情况的较大偏差;空间电荷计算模型中不同的流注形状和电场分布假设,选取流注、先导的转换条件,以及将先导通道视为具有一定通道压降的导体,都使模型计算结果与试验测量值存有明显偏差。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。     

基于先导发展的特高压线路雷电屏蔽模型研究

基于长空气间隙的放电理论建立雷电屏蔽的先导发展模型,利用该模型进行特高压直流线路雷击过程仿真,并计算文献中给出的实际线路的雷电屏蔽性能。仿真计算结果表明：特高压线路存在明显的“回头雷击”现象;利用雷电屏蔽模型计算的结果较电气几何模型计算的结果更接近实际运行数据,可用于工程实际仿真计算。     

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。     

棒-板长间隙正极性放电仿真模型

长间隙放电模型常被用于仿真放电过程、分析机理及预测放电参数,对于绝缘设计具有重要的指导意义。针对棒-板长间隙正极性放电过程,提出了一种仿真模型。在假设流注区轴向电位梯度恒定的前提下,通过比较背景场与实际场求取流注区位置,提出双圆柱模型以计算长间隙放电过程中的空间电荷变化,在此基础上计算了先导发展速度并根据气体热力学理论分析了不同时刻产生的先导在放电过程中的变化,从而建立了正极性长间隙放电仿真模型。利用该模型对10m棒-板间隙正极性放电过程仿真,仿真结果在先导长度、空间电荷量、击穿时间及击穿电压等主要参数上与实验数据均较为符合,证明了模型的有效性。     

VFTO下SF_6间隙及绝缘子沿面预放电电流特性

对SF6气体间隙及绝缘子沿面的预放电电流进行了测量。测量结果证实 ,正极性VFTO作用下SF6的击穿遵从先导击穿机理 ;而负极性VFTO作用下SF6的击穿一般遵从茎先导机理或流注放电导致直接击穿。气压大小直接影响先导的起始电压及先导的间隔时间。存在绝缘子时 ,先导形成时间间隔及步长变短 ,且在快速振荡冲击电压作用下会出现“逆放电”现象 ,这有利于先导形成 ,从而降低了闪络电压。     

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。     

避雷针端部曲率半径对雷击接闪效能的影响

通常认为避雷针端部曲率半径越小,端部附近电场越强,雷击接闪效能越强;一些学者认为不同高度避雷针端部曲率半径对接闪效能的影响不同;还有学者则认为曲率半径对接闪效能没有影响。因此,研究避雷针端部曲率半径是否影响其雷击接闪效能对新型避雷针的设计研发和工程应用具有指导意义。论文开展了针–板间隙下不同曲率半径避雷针流注放电与先导放电模拟实验,结合实验室针–板间隙和避雷针–雷云超长间隙放电的空间电场计算,对曲率半径是否影响避雷针迎面流注和迎面先导接闪效能进行了分析。结果表明,不同曲率半径下避雷针流注放电起始时刻差异<0.22μs,发展速度差异<5%;当曲率半径小于临界半径时,避雷针连续稳定先导起始时刻差异<1.27μs,发展速度差异小于5%;自然雷电环境下,避雷针端部曲率半径的变化仅对端部附近区域电场产生影响。研究表明,避雷针端部曲率半径对其雷击接闪效能几乎不产生影响。     

正极性长间隙放电先导起始模型

为了准确地定量计算长间隙放电的先导起始时刻,基于流注-先导转化热电离理论,提出了1个计算先导起始暗区时间的简化物理模型。该模型能考虑初始电晕产生的空间电荷对先导起始过程中2次电晕起始的屏蔽作用。然后通过搭建长间隙放电综合观测平台,开展了3 m棒-板放电试验,利用试验结果验证了提出模型的合理性。最后利用该物理模型对正极性先导起始过程进行了仿真,结果表明对于流注-先导转化,不能忽略振动能弛豫过程对流注根部转化区内气体温度上升的影响;初始电晕空间电荷对抑制先导起始的作用十分明显,是决定先导起始时刻的主要因素。     

正极性操作冲击下球–板长间隙流注–先导转化模型

流注–先导转化是长空气间隙放电发展过程中最为重要的能量转化节点,针对换流站阀厅中大量存在的由屏蔽球和周围接地体组成的球–板长空气间隙类型,研究其流注–先导转化过程及机理具有重要的学术意义和工程价值。该文开展正极性标准操作冲击下球–板长间隙放电试验,利用光电联合检测系统采集放电过程瞬时光功率和电场强度等光电信息,测量流注–先导转化实测时长ta,对比由经典Gallimberti流注–先导转化模型获得的计算时长ts,发现经典模型适用于仅生成单根流注茎且注入电荷量较少的小尺寸电极放电分析;搭建考虑流注放电对流扩散和流注茎形态特征的流注–先导转化修正模型,依据电场跃升计算初始流注注入电荷量Qz和放电电流Iz,确定流注茎根数n和流注茎半径r,仿真获得流注–先导转化修正时长tsz,并与实测时长ta和计算时长ts进行对比。分析结果表明,考虑大直径电极流注茎根数及初始流注注入电荷量增多影响的流注–先导转化修正模型能显著提高计算精度。该文研究成果为今后建立更加完善的球–板长空气间隙放电先导起始模型奠定了基础。     

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)。     

人工模拟雷云及其放电机理研究的进展

人工模拟雷云为研究雷电机理、探索新型防雷技术提供了新的方法,本文简介人工模拟雷云研究的进展、正负雷云放电特性和机理。     

永磁操动机构特性分析和配用于高压真空断路器的可能性

本文介绍了永磁操动机构的工作原理 ,分析了永磁操动机构的特性 ,并探讨了其配用于高压真空断路器的可能性。     

Investigation of partial discharge mechanism by simultaneous measurement of current waveform and light emission

We observed current pulse waveforms of partial discharge (PD) in SF₆ gas so as to investigate the PD mechanism. We also measured light intensity and light emission image of PD simultaneously under different conditions of applies voltage and SF₆ gas pressure. From these experiments, we found that the “double-peak current waveform” appeared at high pressure and high voltage conditions. We also analyzed the mutual correlation of waveforms between a single current and the light emission. Moreover, we obtained experimental evidence of filmentlike light image appearing at the PD tip under the same condition with double-peak current waveform. From the electric field analysis around the needle electrode tip, we believe that the filamentlike light image expands beyond the critical electric field of SF₆ gas. Thus, we concluded that these current waveforms with double peaks showed evidence of leader-type PD, leading to breakdown. Finally, we could point out that leader-type PD should be distinguished and measured for the diagnosis of GIS insulation performance. © 1999 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 129(4): 58–65, 1999     

绝缘介质表面流注发展特性的机理研究

绝缘介质表面流注的发展是沿面闪络中的重要的物理过程,研究绝缘介质表面流注的发展特性有助于揭示沿面闪络的机理,对输电线路及电力设备的绝缘设计有着重要的意义。在“三电极”结构中,利用光电倍增管测量不同绝缘介质表面流注传播概率和传播速度随平板间电场强度的变化规律：绝缘介质表面流注传播所需的稳定传播场强大于流注在空气间隙中稳定传播的场强;同时,在高场强下,绝缘介质表面流注拥有“沿面分量”和“空气分量”2个分量,而流注在空气间隙中传播时不存在“沿面分量”,只有“空气分量”。此外,不同绝缘介质表面流注稳定传播场强和传播速度存在差异：沿面流注的稳定传播场强与介质的介电常数成正比;流注的传播速度与介质的介电常数的关系不太明显,主要与介质表面电荷附着效应和光致电子发射效应有关。     

环氧树脂材料对极不均匀场局部放电发展的影响研究

为了研究环氧树脂材料对极不均匀场局部放电的影响特征,依据局部放电测量标准IEC 60270设计了一套局部放电测量回路,采用光电倍增管(PMT)、罗氏线圈以及PDcheck等多种手段对6种典型沿面及悬浮缺陷进行检测,获得了不同电压下空气中6种缺陷的放电脉冲图谱以及PRPD图谱。对比悬浮放电和沿面放电的典型特征,将放电分为辉光放电、电子崩放电、流注放电3个阶段,根据不同阶段下悬浮放电和沿面放电的特征,分析了环氧树脂材料对放电发展的影响。结果表明:在放电初始阶段环氧树脂对放电的影响较小,随着电压的增大,环氧树脂会阻碍放电的发展,到达一定阶段又有助于沿面流注的形成。对比分析了不同位置金属颗粒的典型放电图谱,将沿面缺陷简化为等效电路模型,解释了缺陷在不同位置时正负半周期放电的差异。     

沿冰层表面流注传播场稳定性的实验研究与分析(英文)

The electric field required for stable propagation of a positive streamer along an ice surface was investigated by measuring the currents associated with the streamer discharge.The influence of the surface properties,namely the existence of a water film on the ice surface and surface contamination,was analyzed.Results showed that in the presence of an ice surface,except in case of low conductive surface,streamers propagate stably with an external field lower than that generally measured for propagation in air alone(approximately 5 kV/cm).For higher contamination levels,the stability field was found to be slightly influenced by the temperature,while for lower contamination levels,it decreased significantly with an increase in temperature.     

SF_6气体中极不均匀场正流注放电机制及其瞬态产物的仿真研究

为研究SF6气体中由极不均匀场引发的流注放电的微观机制以及放电过程中的瞬态产物,基于玻尔兹曼漂移扩散方程和SF6电子碰撞反应截面数据,对SF6气体中的流注放电进行有限元数值仿真。仿真模拟了流注发展过程中外部电流的3个阶段性特征,得到了SF6气体各发展阶段的微观过程,包括流注发展中电子、离子及电荷的密度分布;结合理论分析,揭示了外施电势与流注放电通道内外的电场分布的关系,并指出若使流注向前发展,外施电势不但要克服流注通道反向电场,还要维持流注头部电场大于电离临界场强。另外,通过该仿真模型还获得了SF6气体中电离瞬态产物的成分及各自比例,F、F+、SF6vib+、SF5+、SF4++、SF4+、SF3+和SF6+为流注放电过程中的主要瞬态产物。     

等离子体作用下甲烷和氮氧化物活化转化研究

比较了不同的放电方式,即单纯脉冲火花放电、脉冲流光放电(针-板式、线-筒式)、介质阻挡放电(正脉冲、交流)对NO和CH4的活化转化能力。其中脉冲火花放电和针-板式脉冲流光放电对CH4的活化能力较强,CH4的最大转化率分别为100%和36%,但是在N2+O2体系中NOx的合成加剧。如在针-板式脉冲流光放电中,在O2体积分数为9.8%时,NO的体积分数为449μL/L。线-筒式脉冲流光放电中,即使在输入功率为14.4W时,CH4的最大转化率小于3%,而NO的最大转化率为25%。正脉冲介质阻挡放电中,在21.6kV、输入功率6.4W时,NO和CH4的转化率分别为31%和4.4%,在交流介质阻挡放电中,在低温下有利于NO的转化,在100℃、输入功率为6W时,NO转化率为34.5%,但是对CH4的活化能力较弱。