典型工况下棒-悬浮棒-棒组合间隙操作冲击放电特性_孙泽中.pdf

年第 期（总第 期）年 月电瓷避雷器 （）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（编号：）。（）。：典型工况下棒 悬浮棒 棒组合间隙操作冲击放电特性孙泽中，鲁海亮，文习山，岳一石，李 欣，王 成，廖振宇，周光远，张 柳（国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，长沙；湖南省湘电试验研究院有限公司，长沙；武汉大学电气与自动化学院，武汉；国网湖北省电力有限公司荆门供电公司，湖北 荆门）摘 要：在电力工程中，存在一类特殊空气间隙，其内部含有电位未知悬浮导体，间隙整体放电特征与单空气间隙有明显不同。笔者旨在研究含悬浮棒组合空气间隙放电特征，设计棒 悬浮棒 棒间隙操作冲击放电试验平台，改变悬浮棒长度与空间位置，观测不同工况下组合间隙放电电压与放电过程。试验发现，随棒长增加，组合间隙击穿电压呈现单调递减趋势，悬浮棒存在“临界长度”，当棒长小于“临界长度”时，组合间隙击穿电压大于无悬浮棒时的单一间隙击穿电压；含悬浮棒组合间隙放电过程与单空气间隙不同，在放电过程中存在悬浮棒迎面流注起始与单间隙多次预击穿的特殊现象。本文研究结果能够为含组合间隙的外绝缘设计提供参考，具有实际工程意义。关键词：操作冲击电压；棒 悬浮棒 棒组合间隙；放电电压；放电过程 ，（，；，；，；，）：，年第 期典型工况下棒 悬浮棒 棒组合间隙操作冲击放电特性（总第 期），：；引言电力工程常采用空气作为外绝缘介质，或利用空气间隙不同组合方式释放过电压，例如放电箝位绝缘子上用来释放线路雷电过电压的串联放电间隙。如果各间隙绝缘配合不当，则可能在雷击等工况下出现间隙击穿问题。因此，科学设计间隙结构，确保绝缘配合合理，是保障电力系统安全运行的重要工作。在电力工程中，还存在一类由多导体组成的空气间隙，间隙整体包含多个子间隙，常称为“组合间隙”。其中，有一类特殊间隙，不仅包含高压极和接地极，还存在电位未定导体。例如无人机带电作业时，导线、无人机以及杆塔形成该类特殊间隙。鸟害涉及的导电异物下落时，例如鸟巢中导电金属丝下落，便会在杆塔突出端、金属丝、导线或金属附件突出端等构成棒 棒 棒或棒 棒 线间隙，是典型的组合间隙问题。同时，导电颗粒或其他导电异物入侵输电走廊时，均能在实际中形成此类特殊间隙。悬浮导体引入后，间隙整体击穿电压变化趋势是研究人员关心的问题。通过研究悬浮导体 大地系统，对不同工况下的操作冲击放电特性开展研究，发现含悬浮导体复合间隙的击穿电压相对于对照组降低。文献基于 带电作业实际问题，开展真型试验，分析作业人员处于不同工况时间隙的操作冲击放电特性。文献开展交流线路鸟粪闪络问题研究，分析不同鸟粪下落方式下，空气间隙的放电特性，并基于放电特性曲线提出一种适用于鸟粪闪络问题的击穿电压预测模型。研究人员不仅对实际存在的组合间隙结构开展放电特性研究，还逐步探索了不同结构形式下组合间隙的放电特性希望用以指导工程实际。文献在间隙中加入板形悬浮导体，发现其能够有效提高间隙整体击穿电压。文献 提出一种棒 板 棒组合间隙，利用该间隙工频击穿电压降低而雷电冲击击穿电压提升的特点，提出其作用于变压器中性点，利用其与避雷器并联配合，有效解决避雷器与原棒 棒间隙配合不当问题，具有实际工程意义。总结国内外学者对不同形式组合间隙的研究可知，对于含电位悬浮导体组合间隙放电特性研究，目前主要针对于实际工况，侧重于研究不同影响因素作用下间隙整体击穿电压变化规律，对于间隙放电发展过程的观测仍可继续研究。因此，笔者选取棒型悬浮导体，研究悬浮体尺寸与空间位置对组合间隙放电特性影响规律，对整体放电发展过程进行观测，为含悬浮导体组合间隙的外绝缘设计与实际应用提供试验数据与科学指导。棒 悬浮棒 棒组合间隙放电试验方案 本研究设计一套棒 悬浮棒 棒组合间隙操作冲击放电试验平台，包含基于高速摄影仪放电过程观测系统以及同步触发系统，观测棒 悬浮棒 棒间隙操作冲击放电行为，总结特性规律。棒 悬浮棒 棒组合间隙结构设计组合间隙试验装置整体使用环氧树脂绝缘材料制成，包含绝缘支柱与绝缘支架。高压棒电极与低压棒电极从绝缘支柱顶端穿孔通过，悬浮金属棒经绝缘支架悬吊于半空。试验中，保持高压棒电极、悬浮金属棒与低压棒电极位于同一轴线，高度为 。高压棒极尾部与高压引线相连，低压棒电极尾部经引线接地。试验棒电极采用钢材制作，棒电极半径为，其头部为半径 的半球头。组合间隙操作冲击放电试验装置布置见图。图 棒 悬浮棒 棒组合间隙试验整体布置图 为更好描述组合间隙有关参数，对组合间隙有关结构的参数进行定义，见图。年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）图 含悬浮棒的组合间隙参数定义 图 中，高压极 低压极距离定义为，保持 固定不变；定义悬浮棒长度为，悬浮棒与高压极间隙为间隙，长度，悬浮棒与低压极间隙为间隙，长度，试验中，始终保持悬浮棒轴线与中心轴线保持平行布置。基于高速摄影仪的放电同步观测系统本研究旨在对棒 悬浮棒 棒组合间隙开展放电特性观测，设计了操作冲击放电试验平台，选择 系列 型高速摄影仪记录组合间隙放电发展过程，其拍摄速率最快可达约 微秒 张，而最小曝光时间为 ，此时，图片分辨率最高可达 ，可清晰拍摄放电过程。试验中，采用单反相机拍摄间隙整体放电路径。试验过程中，为保证电压波形与所拍摄放电发展过程高速图像保持同步，设计的同步系统见图，采用来自示波器的同步触发信号对高速摄影仪进行同步触发。图 组合间隙操作冲击放电试验平台原理图 由图 可知，示波器实时采集来自分压器的电压信号，触发输出端连接高速摄影仪的触发信号输入端。当示波器采集的电压信号超过所预设的触发电平后，示波器实时输出同步阶跃触发信号，并输送至高速摄影仪；试验前，对同步信号传送过程的耗时进行测试并记录，在随后的数据处理中，对时间进行校正。试验方案本研究放电试验选取悬浮棒位置与悬浮棒长度为主要变量，悬浮棒长度 在 调整，悬浮棒位置选取 、以及 共 种典型位置，模拟悬浮棒距高压极较近、悬浮棒位于间隙正中以及悬浮棒距离低压极较近 种典型工况。在实际工程中，如带电作业组合间隙过程存在时主要可能遭遇操作过电压，遭遇雷电过电压的可能性不大，因此，本次试验选取负极性标准操作冲击波形，其波前时间为，半波峰时间为 。在试 验 中，使 用 升 降 法 测 试 得 到 组 合 间 隙，同时保证电压级差 ，每种工况下进行不小于 次有效放电，相邻两次放电间隔时间大于 ，记录试验中的放电电压、放电高速图像以及放电路径。同时，对试验时的温湿度进行记录，并采用 参数法校正试验结果。棒 悬浮棒 棒组合间隙操作冲击放电击穿电压特性分析 为研究悬浮棒位于距高压极 、组合间隙正中以及距低压极 共 种典型位置时不同长度悬浮棒作用下组合间隙击穿电压变化规律，同时研究组合间隙单间隙击穿电压与总击穿电压的关系，开展相应放电试验，总结得到如下规律。组合间隙击穿电压变化规律开展悬浮棒位于距高压极 、组合间隙正中以及距低压极 共 种典型工况下不同长度悬浮棒作用下组合间隙放电电压试验，得到变化规律见图。图 典型工况下的组合间隙击穿电压 由图 可知，含悬浮金属棒组合间隙击穿电压与对照棒 棒间隙相比，出现了明显变化，组合间隙击穿电压可能增加，也可能降低。对于 种工况下的组合间隙而言，整体击穿电压均随悬浮棒长度增加而降低，呈现单调递减趋势。对于同一长度悬浮棒位于 种典型位置时，当悬浮棒位于正中时组合间隙击穿电压最大，悬浮棒距高压极 时组合间隙击穿电压最低。存在悬浮棒临界击穿长度，此时组合间隙击穿电压与对照棒 棒间隙击穿电压相同，对于悬浮棒位于组合间隙正中工况，临界长度为 ；对于悬浮棒距低压极 工况，其临界长度为；对于悬浮棒距高压极 工况，年第 期典型工况下棒 悬浮棒 棒组合间隙操作冲击放电特性（总第 期）含不同长度悬浮棒的组合间隙击穿电压均低于对照组。单间隙击穿电压与组合间隙击穿电压为研究棒 悬浮棒 棒组合间隙击穿电压以及棒 棒单间隙击穿电压间关系，试验得到不同长度悬浮棒位于组合间隙正中的击穿电压。此时，组合间隙因悬浮棒而被分隔为两棒 棒间隙，开展试验得到对应高压极 悬浮棒间隙长度 的棒 棒间隙 的，与对应低压极 悬浮棒间隙长度 的棒 棒间隙 的，各击穿电压随悬浮棒长度变化情况见图。图 组合间隙击穿电压与单棒 棒间隙击穿电压 由图 可知，组合间隙击穿电压不能简单等效为两单间隙击穿电压之和，大于棒 棒间隙 的击穿电压与棒 棒间隙 的击穿电压的和。当悬浮棒长度增加，其对应的单侧棒 棒间隙长度越短，击穿电压降低，且棒 棒间隙 的击穿电压与棒 棒间隙 的击穿电压的和小于对照组。含悬浮棒的组合间隙空间电场分布为更好理解含悬浮棒组合间隙放电机理，利用有限元软件建立组合间隙空间电场计算模型，模型设置如下：）组合间隙大小、电极尺寸以及空间位置均与实际保持一致，悬浮金属棒位于组合间隙正中心，其轴线与组合间隙中心轴线平行布置。）高压棒电极施加负极性电位，电压值取，右侧低压棒电极与地面设置为接地状态，悬浮棒设置为悬浮电位；计算不同工况下组合间隙中心轴线场强值。含不同长度悬浮棒组合间隙空间电场研究 种不同长度 、与 悬浮棒位于组合间隙正中时，组合间隙中心轴线电场分布见图。图 组合间隙中心轴线电场分布 悬浮棒长度影响 由图 可知，不同长度悬浮棒作用下组合间隙中心轴线电场分布存在不同特点。对于高压极头部与低压极头部空间而言，悬浮棒的存在以及悬浮棒的长度对其电场畸变程度较小，该区域空间电场分布与对照组差异较小。在悬浮棒头部附近空间，其电场发生了明显畸变，悬浮棒头部场强增大明显；且悬浮棒长度越长，悬浮棒头部的电场畸变越大，其场强值越大；时，悬浮棒头部场强最大值 ，相对于 时的悬浮棒头部最大场强 ，增加了约 。悬浮棒的存在，畸变了悬浮棒头部的空间电场，有利于悬浮棒头部产生迎面流注，进而有利于促进组合间隙放电，且悬浮棒长度越长，该效应越明显，从而导致组合间隙击穿电压随悬浮棒长度增加而降低。悬浮棒位于不同位置时的电场分布为分析悬浮棒位于组合间隙电不同位置时电场分布及其变化趋势，分析悬浮棒位于组合间隙正中心、距高压极 、距低压极 共 种工况下组合间隙中心轴线上的电场分布，得到不同位置的场强见图。图 组合间隙中心轴线电场分布 悬浮棒位置影响 由图 可知，当悬浮棒位于不同位置时，组合间隙中心轴线电场分布存在以下规律：年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）对比 种工况，悬浮棒距高压极 工况下悬浮棒头部电场畸变最大，相对于位于组合间隙正中工况，其头部电场提高了 。高压极 悬浮棒间隙空间电场严重畸变，此时有利于高压极 悬浮棒间隙的击穿，也有利于悬浮棒头部的电晕 流注过程，降低了间隙整体击穿的难度，从而导致该种工况下组合间隙击穿电压最低。）悬浮棒距低压极 时，悬浮棒头部空间电场畸变明显，此时悬浮棒头部最大场强相对于悬浮棒位于组合间隙中心时变化不大，但此时悬浮棒距低压极较近，有利于低压极 悬浮棒间隙首先击穿，从而促进整体放电发展，因此该种工况下的击穿电压比悬浮棒位于组合间隙正中工况要小，但此时悬浮棒头部电场畸变小于悬浮棒距高压极 工况，因此该种工况下的击穿电压比悬浮棒距高压极 工况要大。组合间隙击穿过程特性分析对于含悬浮棒的组合间隙，其放电过程与普通棒 棒间隙有所不同，笔者基于建立的组合间隙操作冲击放电同步观测系统，记录组合间隙放电过程中放电发展图像，并对其放电特性及放电规律进行总结分析。时的组合间隙多次击穿现象当悬浮棒距离高压极 时，观测到高压极 悬浮棒间隙出现了多次击穿现象，以悬浮棒 且距高压极 的击穿过程为例，分析此时组合间隙的迎面流注起始及整体击穿过程，见图。如图 所示，为悬浮棒距离高压极 时某次组合间隙典型放电过程，其特点在于高压极 悬浮棒间隙出现多次预击穿现象：在 时，首次观测到高压极 悬浮棒间隙击穿，但该过程持续时间不足 ，随后立即消失；在 时，再次观测到高压极 悬浮棒间隙击穿；在 ，低压极头部电晕加强，但此时高压极 悬浮棒电弧熄灭；在 ，低压极头部流注生长，同时高压极 悬浮棒间隙再次击穿；在 ，悬浮棒右头部与低压极头部流注生长，并呈现出悬浮棒 低压极相连接的趋势；在