棒极结构对棒-板间隙操作冲击放电特性影响的试验研究

棒-板间隙是研究空气间隙放电的最典型间隙,其操作冲击放电特性是输电工程线路和换流站／变电站空气间隙选择的重要依据之一。为了更深入地研究棒-板间隙的操作冲击放电特性,选择不同直径的棒电极,以及半球彤和圆锥形2种棒电极端部形状,在2～5m间隙距离下进行了正极性操作冲击放电特性的试验,得到了棒电极端部形状和棒电极直径的改变对棒-板间隙正极性操作冲击50％放电电压造成的影响。另外,在北京、西宁和羊八井等几个不同海拔地区进行了临界半径的对比试验。通过改变棒电极端部连接球面的半径,得到了不同间隙距离对应的临界半径。由试验可以得出,当棒电极结构的半径小于临界半径时,棒电极半径和端部形状的改变不会对间隙的50％放电电压产生明显影响;临界半径随间隙距离的增加而增加,且随着海拔高度的增加,同一间隙对应的临界半径也随之增加。     

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。     

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。     

高海拔地区典型长空气间隙的操作冲击放电特性和海拔校正

研究棒-板和棒-棒空气间隙等典型的空气间隙的放电特性和海拔校正,不仅可为高海拔地区输变电工程空气间隙距离的选择提供参考,而且可为更高海拔地区空气间隙放电电压的海拔校正提供依据。为此,在海拔高度为0m、2 200m、3 000m、4 300m和5 000m的地区,对不同间隙距离的棒-板和棒-棒典型长空气间隙进行了标准操作冲击放电特性试验。根据试验结果计算分析了不同海拔地区典型的棒-板和棒-棒间隙的操作冲击放电电压的海拔校正因数。将IEC 60071-2标准中规定的放电电压海拔校正方法适用范围外延至海拔高度5 000m,对棒-板间隙的放电电压的海拔校正因数进行了计算。试验结果表明,随着海拔高度的升高,棒-板和棒-棒间隙的操作冲击放电电压都降低,棒-棒间隙放电电压的降低幅度要大于棒-板间隙。根据IEC 60071-2标准对海拔校正因数的计算结果在海拔高度为2 200m的地区与试验结果基本一致;但随着海拔高度的增加,计算结果与试验结果的差别越来越大:在海拔高度为4 300m和5 000m的地区,间隙距离约为2m时,计算结果比试验结果小10%以上。     

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。     

低气压下开关柜空气间隙工频放电特性

开关柜内裸露的导体之间易形成各种空气间隙,其工频放电特性对开关柜的绝缘性能有很大的影响。为得到开关柜内不同空气间隙类型在高海拔下的工频放电特性及其影响因素,以40.5 kV开关柜母线室存在的4种典型的空气间隙及棒-板间隙为研究对象,在人工气候实验室进行了海拔232~3000 m下的低气压工频放电特性试验。结果表明:开关柜内不同空气间隙类型的放电电压U明显不同,放电电压U随气压P下降的趋势也不同;在开关柜空气间隙海拔校正时,湿度h对间隙放电电压的影响较小,仅简单考虑气压是可行的;开关柜空气间隙的电场分布比棒-板间隙更不均匀,其放电电压U可能比棒-板间隙更低;此外,开关柜空气间隙在间隙距离d小于400 mm时放电电压U与距离d呈非线性关系。     

±1100 kV特高压直流杆塔间隙放电特性

±1100 kV直流是一个新的电压等级,杆塔间隙距离的选择是保证工程可靠和经济的关键技术之一,我国正在建设的±1100 kV输电线路超过3000 km,并且途经高海拔地区,为解决杆塔间隙放电电压的海拔校正问题,在国内两个不同海拔的试验基地,采用±1100 kV真型尺寸模拟杆塔,进行了空气间隙冲击放电试验,获得了相应的操作冲击、雷电冲击放电电压,并分析了不同海拔下操作冲击和雷电冲击放电电压的分散性;其次,利用典型的棒板间隙操作冲击放电公式,分析了间隙距离6~11 m范围的间隙系数;然后,结合IEC 60071-2规定的海拔校正方法,分析了±1100 kV杆塔操作冲击和雷电冲击的海拔校正系数,并计算得到了操作冲击的电压修正因数m。最后结合昌吉—古泉±1100 kV工程的过电压计算结果,推荐了海拔3000 m及以下地区±1100 kV输电线路直流电压和操作冲击电压所需的最小间隙距离。结果表明:未发现海拔的变化对间隙放电电压的相对标准偏差有明显影响,在1.57 pu操作过电压下,海拔1000 m时,±1100 kV输电线路杆塔操作冲击所需的最小间隙距离为8.9 m,海拔为3000 m时,最小间隙距离为9.8 m。直流电压要求的间隙距离较小,海拔3000 m时为4.2 m。     

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。     

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。     

2000m海拔35kV开关柜母排结构安全净距试验研究

35 kV开关柜母排相间、相对地保证安全的空气距离是在1 000 m以下海拔通过对棒—板间隙的试验得出,棒—板间隙结构与开关柜内部母排结构存在差异,同时高海拔地区大气压力降低,空气间隙放电变得容易,为了得到2 000 m海拔35 kV开关柜的安全净距,文中对开关柜内母排结构进行了分类并设计了模拟试验开关柜,对不同结构母排进行了2 000 m海拔的工频及冲击放电试验。试验通过对不同结构母排施加标准要求的试验电压值,得到相对应的最小不放电距离即安全净距,为2 000 m海拔开关柜的设计、制造提供了参考。     

空间电荷对球头棒-板间隙放电击中点的影响

雷电引起的输电线路事故中因绕击导致的故障所占比例很大,一些学者认为空间电荷的影响是导致屏蔽失效的原因之一。为此,通过试验研究了直流电压下球头棒-板间隙的电晕电流,以此来衡量一定电压下球头周围空间电荷的量;并试验研究了正极性操作冲击下球头棒-板间隙放电击中点的分布规律,且与尖头棒试验结果比较。试验结果和仿真结果表明:与尖头棒相比,球头棒更容易吸引放电;球头棒周围电场畸变不严重,没有形成有效屏蔽层,从而使放电点更容易发生在头部。     

Flashover Characteristics of Long Air Gaps with Negative Switching Impulses

The electrogeometric model (EGM) proposed by Armstrong and Whitehead has been used to calculate the lightning shielding features of transmission lines. While the striking distance equation in the EGM uses the 50% flashover voltage characteristics of negative switching impulses for rod-rod gaps, those characteristics for long air gaps have not been sufficiently examined. The present study has therefore focused on clarifying the 50% flashover characteristics of negative switching impulses for long air gaps. Consequently, saturating characteristics have been obtained for rod-plane gaps compared with almost linear characteristics for rod-rod and rod-conductor gaps. Furthermore, new knowledge was obtained indicating that, for air gaps of around 4 to 5 m, the 50% flashover voltage may possibly be lower for rod-plane gaps than for rod- rod and rod-conductor gaps.     

基于有限元弱解式的棒-板长空气间隙先导放电空间电场仿真研究

对棒-板长空气间隙先导放电过程的空间电场分布以及带电离子浓度等特征参数进行仿真计算研究。建立棒-板长空气间隙放电的二维模型,导出流注-先导放电的二阶偏微分方程,通过有限元弱解形式(weak form)数值计算方法求解先导放电过程中产生的电子、正、负离子浓度与空间电场的大小。仿真结果显示：气体放电所产生的空间电荷对空间电场分布影响显著;间隙距离1.5 m的棒-板长空气间隙下,外加500 kV、250/2 500 ms正极性操作电压时的先导放电起始条件为,流注头部带电离子浓度达到4′1013 cm-3数量级,空间电场最低达到10 kV/cm;先导放电形成后,先导通道内电场约为1~2 kV/cm,先导起始时间在400 ms左右且以3′104 m/s速度传播;有限元弱解形式能有效消除计算离子流中的数值振荡,使偏微分方程求解迅速收敛。     

锥尖棒－平板间隙电场不均匀系数的近似公式

本文分析了以往计算锥尖棒－平板间隙电场不均匀系数公式的局限性，采用ＣＳＭ对这种间隙电场进行了数值计算。根据计算结果讨论了锥尖棒电极圆柱体半径和长度对间隙电场的影响，并利用数据拟合方法给出了含圆柱体半径的锥尖棒－平板间隙电场不均匀系数近似计算公式。     

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。     

Effect of Discharge Electrode Parameters on the Flow Velocity Profile of the Wire?rod Type Electrohydrodynamic Gas Pump Exit

Experimental investigation has been conducted to study the effects of corona wire diameter, pipe length, and corona polarity on outlet flow velocity distribution profile of a wire-rod type electrohydrodynamic (EHD) gas pump. Upon applying negative or positive dc high voltage between a wire electrode (outer diameter (o.d.) 60 μm, 200 μm, or 300 μm) and a rod electrode (o.d. 3 mm) in atmospheric air, corona discharge occurs and EHD gas flow is generated in the direction from the wire electrode to the rod electrode through a cylindrical pipe (inner diameter (i.d.) 20 mm). For both polarities, the discharge current and average flow velocity increase monotonically on increasing the applied voltage before the onset of spark discharge. Using wire electrodes with a smaller diameter, stable corona discharge between corona onset and spark onset is generated in a wider voltage range, and the discharge current becomes larger, resulting in a higher flow velocity. The maximum average flow velocity of 2.0 m/s, corresponding to a flow rate of 38 l/min, was achieved with a wire of diameter 60 μm by applying a voltage of ?16 kV.     

Gaseous electrical discharge characteristics in air and nitrogen at cryogenic temperature

In designing superconducting electrical power apparatus, the knowledge of cryogenic gas and liquid insulation characteristics is essential. The authors have studied the discharge characteristics of relatively long-gap configurations in air and nitrogen at a cryogenic temperature. A sphere-to-sphere electrode with a gap length of 20 to 150 mm is used for measurements in uniform electric field. The breakdown voltage characteristics basically obey Paschen's law at cryogenic temperature for 50 Hz, AC, DC and lightning impulse voltage applications. A rod-to-plane electrode with a gap length of 20 to 330 mm is used for measurements in nonuniform electric field. In air at cryogenic temperature and nitrogen gas at both room and cryogenic temperature, streamer-like corona discharge appears near the tip of the rod electrode before the breakdown, and the breakdown voltage increases linearly with gap length. In air at room temperature thin film-like corona discharge, however, appears near the tip of the rod electrode before breakdown, and the breakdown voltage becomes higher than the other case. In order to examine the variation of corona discharge characteristics, some additional experiments are conducted. As a result, it becomes clear that thin film-like glow corona discharge appears when electronegative gas is contained and sufficient electrons are supplied from the cathode.     

Formation mechanism of surface corona on dielectric plates under negative impulse voltage in atmospheric air

The formation mechanism of the surface corona on dielectric plates under negative impulse voltages has been investigated with a high-speed gated image intensifier in atmospheric air. An acrylic plate was inserted perpendicularly to the axis of a rod-plane electrode system, and as a backside electrode, a translucent electric conductive film was used to observe the luminosity of the surface corona. The size and shape of the negative surface corona were measured using acrylic plates of 1, 2, 5 and 10 mm thick and rod electrode with diameters of 10, 20, 50 and 125 mm. Experiments show that the negative surface corona occurred just after the impulse voltage application and formed a ring-like luminescence. The diameter of the ring increased with the thickness of the acrylic plate and the diameter of rod electrode. The formation mechanism of the negative surface corona is studied using a numerical analysis of the electron avalanche developing along the electric line of force around the rod electrode. As a result, it is found that the occurrence positions of the surface corona agree with the theoretical computed points of the maximum linear density of positive ion.     

Performance of protective rod gaps for medium voltage networks inthe presence of dust particles under lightning impulses

Single and multiple rod gaps are used for the overvoltage protection of various power system apparatus. These are mostly located outdoors and are subjected to particulate contamination in desert lands. This paper discusses the influence of pollution on the breakdown voltage and breakdown time of protective air gaps. The rod radius and its end profile are changed to find the configuration which is least affected by pollution. In addition, practical protective gaps used across transformer bushings are tested to check their performance in clean and polluted conditions. It is found that such pollution drastically changes the gaps performance. Specific recommendations are made regarding the choice of suitable protective rod gap configuration for arid regions