長(zhǎng)空氣間隙放電通道的絕緣恢復(fù)特性

劉曉鵬 趙賢根 劉 磊 汪顯康 何俊佳

長(zhǎng)空氣間隙放電通道的絕緣恢復(fù)特性

劉曉鵬1趙賢根1劉 磊2汪顯康1何俊佳1

（1. 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院） 武漢 430074 2. 直流輸電技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南方電網(wǎng)科學(xué)研究院） 廣州 510063）

輸電線路因過電壓引起間隙放電而跳閘后，放電通道的絕緣恢復(fù)對(duì)重合閘時(shí)間的整定具有重要的指導(dǎo)作用。該文在長(zhǎng)空氣間隙施加不同沖擊電壓，基于高速紋影技術(shù)，觀測(cè)間隙耐受和間隙擊穿時(shí)放電通道的絕緣恢復(fù)過程。試驗(yàn)結(jié)果表明：間隙耐受時(shí)，靠近電極的放電通道消散較快，并且形態(tài)類似“蘑菇云”，而遠(yuǎn)離電極的放電通道僅做徑向擴(kuò)張；間隙擊穿時(shí)，通道演化形態(tài)類似“毛毛蟲”，而且在放電通道彎曲處和分叉處，中心發(fā)光區(qū)域存在“瓶頸”現(xiàn)象。統(tǒng)計(jì)表明，間隙耐受時(shí)放電通道的絕緣恢復(fù)時(shí)間為5～25ms，且隨著注入能量的增大，絕緣恢復(fù)時(shí)間呈對(duì)數(shù)增大；間隙擊穿且自然風(fēng)速約為2m/s時(shí)，正極性雷電沖擊電壓、正極性操作電壓、負(fù)極性操作電壓作用下放電通道的絕緣恢復(fù)時(shí)間分別為46.1～243.9ms、6.97～107.74ms和8.09～153.62ms。

長(zhǎng)空氣間隙 放電通道 絕緣恢復(fù) 形態(tài)演化 紋影技術(shù)

0 引言

空氣是輸電線路最主要的絕緣介質(zhì)，當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障或遭受雷擊時(shí)，產(chǎn)生的過電壓會(huì)導(dǎo)致空氣間隙放電[1-4]。電力系統(tǒng)因出現(xiàn)空氣間隙放電而跳閘后，若在間隙未恢復(fù)到正常的絕緣水平時(shí)進(jìn)行重合閘，新的放電會(huì)沿著原有放電通道發(fā)生[5]，再次發(fā)生跳閘。為避免上述情況，重合閘時(shí)間需要大于空氣中放電通道的絕緣恢復(fù)時(shí)間[6]。因此，長(zhǎng)空氣間隙放電通道的絕緣恢復(fù)研究對(duì)于保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義[7]。

長(zhǎng)空氣間隙放電通道的絕緣恢復(fù)過程是指放電停止后通道內(nèi)注入電流為零，發(fā)光逐漸減弱，帶電粒子消散而中性氣體分子溫度下降、密度上升的過程[8-9]。長(zhǎng)空氣間隙放電的相關(guān)研究多集中于放電發(fā)展過程[10-15]，而較少針對(duì)放電停止后的絕緣恢復(fù)過程。這主要是由于放電通道在絕緣恢復(fù)過程中并不發(fā)光，依靠傳統(tǒng)的光學(xué)記錄無法捕捉通道的演化。然而，放電通道在絕緣恢復(fù)過程中伴隨著中性氣體密度（或溫度）的演化，當(dāng)間隙絕緣逐漸恢復(fù)時(shí)，放電通道的氣體溫度逐漸降至室溫。因此，利用放電通道的熱特性能較好地反映放電通道的絕緣恢復(fù)過程[16]。

紋影技術(shù)可用于測(cè)量透明介質(zhì)的密度變化，而且光路簡(jiǎn)單、成實(shí)像，適用于空氣中放電通道的熱特性觀測(cè)[17-18]。A. Kurimoto通過紋影系統(tǒng)研究了10～30cm短間隙放電先導(dǎo)通道的膨脹過程和擊穿后的絕緣恢復(fù)過程，結(jié)果表明放電階段先導(dǎo)通道的最大直徑為0.6mm，擊穿后通道經(jīng)過幾百ms恢復(fù)至室溫[19]。P. Domens利用紋影技術(shù)研究了直流電壓作用下2cm空氣間隙棒電極附近的氣體密度恢復(fù)過程，結(jié)果表明，該過程的時(shí)間常數(shù)約為1ms[20]。上述工作說明了紋影技術(shù)應(yīng)用于空氣間隙放電通道絕緣恢復(fù)特性研究的可行性，但是試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少且缺乏不同條件下放電通道絕緣恢復(fù)特性的研究。

本文搭建適用于長(zhǎng)空氣間隙放電通道絕緣恢復(fù)過程觀測(cè)的紋影系統(tǒng)，在間隙施加不同波形的電壓，觀測(cè)放電通道的絕緣恢復(fù)特性，并統(tǒng)計(jì)分析其形態(tài)演化和恢復(fù)時(shí)間。為了進(jìn)一步理解放電通道的絕緣恢復(fù)過程，本文也觀測(cè)了間隙耐受時(shí)放電通道的絕緣恢復(fù)，并將其與間隙擊穿時(shí)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)布置

圖1 試驗(yàn)整體布置示意圖

試驗(yàn)中紋影系統(tǒng)透鏡焦距為1 500mm，通光口徑為150mm，高速攝影儀型號(hào)分別為Photron FASTCAM SA-X2和Phantom V12.1。放電電流測(cè)量采用文獻(xiàn)[21]提出的高電位瞬態(tài)電流測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含采樣電阻、數(shù)字式采集單元、電光轉(zhuǎn)換單元和供電電源。其中，采樣電阻由10個(gè)無感電阻并聯(lián)而成，并采用籠型結(jié)構(gòu)，減少其電感和電容，提高測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量帶寬。采樣電阻兩端的電壓通過數(shù)字采集單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再通過電光轉(zhuǎn)換單元就地轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。整個(gè)電流測(cè)量系統(tǒng)置于放電高壓端的空心鐵磁屏蔽圓筒內(nèi)，通過光纖將電流信號(hào)傳至低壓控制端，有效地抑制了放電帶來的強(qiáng)電磁干擾。放電的棒電極和鐵磁屏蔽圓筒之間通過尼龍絕緣材料隔離，使得電極本體所產(chǎn)生的位移電流無法流經(jīng)采樣電阻。經(jīng)測(cè)試，電流測(cè)量系統(tǒng)帶寬上限為75MHz，測(cè)量精度為±0.7%。低壓端接收高壓側(cè)的光信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)由USB接口與計(jì)算機(jī)中數(shù)字式采集單元的控制程序進(jìn)行通信。值得注意的是，電流測(cè)量系統(tǒng)的量程由采樣電阻決定，而存儲(chǔ)電流數(shù)據(jù)的峰值還與數(shù)字式采集單元控制程序的量程設(shè)置相關(guān)；當(dāng)測(cè)量電流超出控制程序的量程時(shí)，電流波形將被削頂。試驗(yàn)過程中，當(dāng)示波器滿足觸發(fā)條件時(shí)，輸出觸發(fā)信號(hào)并經(jīng)光纖傳輸分別觸發(fā)電流測(cè)量系統(tǒng)和高速攝影儀。由于兩路光纖具有一定時(shí)延，后期對(duì)電流波形和紋影圖像進(jìn)行時(shí)間修正即可實(shí)現(xiàn)電壓、電流和圖像的同步[22]。

圖2 絕緣恢復(fù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置

2 典型試驗(yàn)結(jié)果

正極性操作沖擊電壓作用下間隙耐受和正極性雷電沖擊電壓作用下間隙擊穿時(shí)放電通道絕緣恢復(fù)過程的典型試驗(yàn)結(jié)果分別如圖3和圖4所示。間隙耐受時(shí)，放電前幾十ms為電暈放電階段，間隙發(fā)生多次電暈放電，與起始階段的多個(gè)電流脈沖相對(duì)應(yīng)，從紋影圖像上可以觀測(cè)到流注莖的產(chǎn)生。隨后放電進(jìn)入先導(dǎo)發(fā)展階段，放電通道不斷向前發(fā)展，與電暈放電電流相比，此時(shí)電流幅值較小，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。在時(shí)間=650ms以后通道內(nèi)注入電流為零，通道逐漸消散，整個(gè)間隙進(jìn)入絕緣恢復(fù)過程。間隙擊穿時(shí)，=2.3ms左右放電進(jìn)入末躍階段，放電通道迅速將整個(gè)間隙貫穿并伴隨著強(qiáng)烈的發(fā)光現(xiàn)象，此階段因放電電流幅值超出電流測(cè)量系統(tǒng)的量程而削頂；=50ms以后間隙電壓和注入電流均為零，放電通道的發(fā)光逐漸減弱，整個(gè)間隙進(jìn)入絕緣恢復(fù)過程。

圖3 正極性操作沖擊電壓下間隙耐受時(shí)典型試驗(yàn)結(jié)果

3 放電通道絕緣恢復(fù)形態(tài)特性

間隙耐受時(shí)，棒電極附近的放電通道以“蘑菇云”的形態(tài)消散，而遠(yuǎn)離棒電極的放電通道僅做徑向擴(kuò)張。文獻(xiàn)[23]定義了“蘑菇云”生長(zhǎng)的角度和速度并對(duì)雷電和操作沖擊電壓作用下“蘑菇云”的消散進(jìn)行了定量研究；同時(shí)仿真結(jié)果表明，“蘑菇云”的形成是由于電極表面高溫高壓氣體團(tuán)的熱對(duì)流。本文主要對(duì)遠(yuǎn)離棒電極放電通道的徑向擴(kuò)張進(jìn)行介紹。在絕緣恢復(fù)過程中，遠(yuǎn)離棒電極的放電通道的熱直徑變化如圖5所示，放電通道熱直徑的定義與文獻(xiàn)[23]流注莖熱直徑的定義方式相同。遠(yuǎn)離棒電極的放電通道在絕緣恢復(fù)過程中徑向不斷擴(kuò)張，隨著時(shí)間變化擴(kuò)張速率逐漸減慢。

間隙擊穿時(shí)，放電通道的形態(tài)演化相對(duì)而言更加復(fù)雜，整體形態(tài)類似“毛毛蟲”，目前暫無有效的方法對(duì)其進(jìn)行定量分析，但放電通道在擊穿后具有兩個(gè)突出的特征。首先，間隙擊穿后放電通道的中心發(fā)光區(qū)域在通道彎曲處或者分叉處存在“瓶頸”現(xiàn)象，如圖6所示。圖6a中，放電通道中心發(fā)光區(qū)域在彎曲處達(dá)到最小值，在紋影圖像上發(fā)光區(qū)域直徑最小值與最大值比值為2/1=0.25；圖6b中，放電通道發(fā)光區(qū)域在分叉處同樣為最小，發(fā)光區(qū)域直徑最小值與最大值比值為4/3=0.56。其次，放電通道在擊穿后會(huì)產(chǎn)生明顯的激波[12]，結(jié)果表明，放電產(chǎn)生的激波主要分為兩類：一類是以放電通道與電極接觸點(diǎn)為球心的球面激波；另一類是放電通道其余位置以放電通道為對(duì)稱軸的柱面激波，如圖7所示。圖中，實(shí)線和虛線箭頭分別為球面激波和柱面激波的傳播方向。定義激波速度v和激波半徑r分別為

圖5 放電通道的熱直徑變化

式中，1,i和1,i+1為球面激波的球心到波面的距離；2,i和2,i+1為柱面激波對(duì)稱軸至波面的距離；D為第張紋影照片和第1張紋影照片之間的時(shí)間間隔。放電通道產(chǎn)生的激波在空氣中傳播時(shí)的速度與半徑關(guān)系如圖7所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著激波半徑的增加，激波傳播速度迅速衰減至空氣中的聲速。

圖6 放電通道在絕緣恢復(fù)過程中的形態(tài)演化

圖7 放電通道產(chǎn)生的激波

4 放電通道絕緣恢復(fù)時(shí)間

放電通道絕緣恢復(fù)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)重點(diǎn)在于確定該過程的起始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻。本文定義間隙耐受時(shí)放電電流為零的時(shí)刻作為絕緣恢復(fù)的起始時(shí)刻，間隙擊穿時(shí)電壓為零的時(shí)刻作為絕緣恢復(fù)的起始時(shí)刻，如圖3a和圖4a中灰色區(qū)域的起始時(shí)刻，此時(shí)通道內(nèi)不再有能量注入；同時(shí)，定義紋影圖片的擾動(dòng)消散完成時(shí)為絕緣恢復(fù)的結(jié)束時(shí)刻，如圖3b和圖4b的最后一張紋影圖片，可以看出，兩者均已恢復(fù)至放電前的狀態(tài)，即第一張紋影圖片所示。

放電停止后通道內(nèi)不再有能量的注入，因此放電通道內(nèi)的能量主要是放電發(fā)展過程中注入的。間隙耐受時(shí)放電通道內(nèi)注入的能量為施加在間隙兩端的電壓與放電電流的乘積在時(shí)間上的積分。圖8給出了間隙耐受時(shí)放電通道的絕緣恢復(fù)時(shí)間與放電通道內(nèi)注入的能量之間的關(guān)系?？梢姡烹姲l(fā)展過程中通道內(nèi)注入的能量越多對(duì)應(yīng)的絕緣恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)，與文獻(xiàn)[24]的仿真結(jié)果一致。在注入能量為0.06～3J的范圍內(nèi)，放電通道的絕緣恢復(fù)時(shí)間與放電通道內(nèi)注入能量為對(duì)數(shù)關(guān)系：=3.03ln(+0.02)+ 15.72（能量單位為J，絕緣恢復(fù)時(shí)間單位為ms）。因此，當(dāng)放電通道內(nèi)注入能量不斷增加時(shí)，對(duì)應(yīng)的絕緣恢復(fù)時(shí)間并非線性增加而是呈現(xiàn)出飽和趨勢(shì)。

間隙擊穿時(shí)不同電壓作用下的絕緣恢復(fù)時(shí)間平均值和標(biāo)準(zhǔn)差如圖9所示，結(jié)果表明，在其他條件相同時(shí)，雷電沖擊電壓作用下間隙擊穿后通道的絕緣恢復(fù)時(shí)間較操作沖擊電壓下要長(zhǎng)。正極性雷電沖擊電壓、正極性操作沖擊電壓和負(fù)極性操作沖擊電壓作用下放電通道的絕緣恢復(fù)時(shí)間見表1，絕緣恢復(fù)時(shí)間平均值分別為121.53ms、51.53ms、48.74ms，標(biāo)準(zhǔn)差為66.64ms、28.02ms、31.92ms。本文試驗(yàn)中絕緣恢復(fù)時(shí)間最大值為243.90ms，最小值僅為6.97ms。值得注意的是，按照本文的定義，絕緣恢復(fù)時(shí)間的測(cè)量值將小于其真實(shí)值，主要原因包括兩個(gè)方面：①紋影系統(tǒng)的靈敏度有限，較小的氣體溫升或密度變化并不能被紋影系統(tǒng)所探測(cè)；②即使放電區(qū)域的溫度恢復(fù)至室溫，帶電粒子并未徹底消散。

圖8 正極性操作電壓作用下間隙耐受時(shí)通道的絕緣恢復(fù)時(shí)間

圖9 間隙擊穿時(shí)不同電壓作用下通道絕緣恢復(fù)時(shí)間

表1 不同電壓波形作用下的絕緣恢復(fù)時(shí)間

Tab.1 Statistical results of insulation recovery time under different voltage waveforms

表1的數(shù)據(jù)表明，本文獲得的間隙擊穿后絕緣恢復(fù)時(shí)間的分散性很大，其原因可能與本文的試驗(yàn)條件和統(tǒng)計(jì)方法有關(guān)。本文試驗(yàn)在戶外場(chǎng)進(jìn)行，自然風(fēng)速約為2m/s，該風(fēng)速對(duì)放電發(fā)展過程（時(shí)間尺度為百ms量級(jí)）的影響不大，但是對(duì)絕緣恢復(fù)過程的影響不能忽略。上述影響主要分為兩種情況：其一為放電通道的朝向逆風(fēng)，如圖10a所示，觀測(cè)區(qū)域之外的放電通道會(huì)隨風(fēng)持續(xù)進(jìn)入紋影圖片；其二為放電通道的朝向順風(fēng)，如圖10b所示，觀測(cè)區(qū)域的放電通道會(huì)隨風(fēng)移出紋影圖片，按照風(fēng)速2m/s計(jì)算，則10ms時(shí)間內(nèi)空氣移動(dòng)距離為20mm，達(dá)到了觀測(cè)范圍的量級(jí)。于是按照本文的計(jì)算方法，圖10a和圖10b的絕緣恢復(fù)時(shí)間分別為130.80ms和18.30ms。由此可見，自然風(fēng)速和放電通道方向?qū)^緣恢復(fù)時(shí)間的觀測(cè)結(jié)果具有較大的影響。若沒有風(fēng)速的影響，放電通道的絕緣恢復(fù)時(shí)間會(huì)大于目前的觀測(cè)結(jié)果。

圖10 風(fēng)速對(duì)絕緣恢復(fù)過程的影響

5 結(jié)論

本文采用高速紋影技術(shù)，觀測(cè)了不同波形的電壓作用下長(zhǎng)空氣間隙放電通道的絕緣恢復(fù)過程，獲得了0.74m間隙耐受和1.27m間隙擊穿時(shí)放電通道在絕緣恢復(fù)過程中的形態(tài)演化和恢復(fù)時(shí)間，主要結(jié)論如下：

1）紋影觀測(cè)結(jié)果顯示，間隙耐受時(shí)，靠近電極表面的放電通道消散較快，而且形態(tài)類似“蘑菇云”，而遠(yuǎn)離電極的放電通道僅做徑向擴(kuò)張；間隙擊穿后，放電通道整體形態(tài)類似“毛毛蟲”，而且擊穿后較短時(shí)間內(nèi)放電通道的中心發(fā)光區(qū)域在通道彎曲處或者分叉處存在“瓶頸”現(xiàn)象。

2）間隙耐受情況下，施加幅值為140～380kV的正極性操作沖擊電壓（160/2 000ms）且放電電流幅值為A量級(jí)時(shí)，放電通道的絕緣恢復(fù)時(shí)間為5～25ms；間隙擊穿時(shí)，在幅值為950～1 200kV的正極性雷電沖擊電壓、幅值為410～480kV的正極性操作沖擊電壓、幅值為-860～-690kV的負(fù)極性操作沖擊電壓作用下，放電電流幅值為kA量級(jí)，放電通道的絕緣恢復(fù)時(shí)間為7～244ms。

3）間隙耐受的試驗(yàn)結(jié)果表明，在通道內(nèi)注入能量為0.06～3J的范圍內(nèi)，隨著注入能量的增加，放電通道的絕緣恢復(fù)時(shí)間增大，并呈現(xiàn)出飽和趨勢(shì)。

4）風(fēng)速對(duì)絕緣恢復(fù)時(shí)間具有明顯影響，風(fēng)速使得不同條件下放電通道的絕緣恢復(fù)時(shí)間分散性很大。

本文主要考慮沖擊電壓作用下放電通道的絕緣恢復(fù)過程，而實(shí)際電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)短路電流可達(dá)幾十kA[25-26]，放電通道內(nèi)注入能量大。因此，后續(xù)將開展長(zhǎng)空氣間隙大能量注入時(shí)的絕緣恢復(fù)過程研究。

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Characteristics of the Discharge Channel during the Relaxation Process in the Long Air Gap

11211

（1. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology School of Electrical and Electronic Engineering Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China 2. State Key Laboratory of HVDC Electric Power Research Institute China Southern Power Grid Guangzhou 510063 China）

After the transmission line trips due to gap discharge caused by overvoltage, the insulation recovery time of the discharge channel plays an important role in the setting of the reclosing time of the power system. Based on the Schlieren technique, the insulation recovery process of the discharge channel after withstanding and breakdown was observed under different impulse voltages. The test results show that when the gap withstands, the discharge channel near the electrode dissipates faster, and the evolution shape is similar to the “mushroom cloud”, while the discharge channel far away from the electrode only makes radial expansion; when the gap breaks down, the channel evolves like a “caterpillar”, and the discharge channel has a “bottleneck” phenomenon in the central illuminating area at the bend and bifurcation. The statistical results show that the insulation recovery time under different voltage levels is 5～25ms, and increases logarithmically with the increase of the injection energy when the gap withstands; when the gap breaks down and the natural wind speed is 2m/s, the insulation recovery time under the positive lightning impulse voltage, the positive switching impulse voltage and the negative switching impulse voltage with different voltage levels are 46.1～243.9ms, 6.97～107.74ms and 8.09～153.62ms, respectively.

Long air gaps, discharge channel, insulation recovery, evolution shape, Schlieren technique

TM855

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191567

南方電網(wǎng)科技資助項(xiàng)目（ZBKJXM20180229）。

2019-11-19

2020-02-15

劉曉鵬 男，1995年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殚L(zhǎng)空氣間隙放電和介質(zhì)恢復(fù)特性。E-mail: lxpeng@hust.edu.cn（通信作者）

趙賢根 男，1989年生，博士，研究方向?yàn)殚L(zhǎng)空氣間隙放電機(jī)理和介質(zhì)恢復(fù)特性。E-mail: zhaoxiangen@outlook.com

（編輯 崔文靜）