操作冲击电压下长间隙放电特性的试验研究

操作冲击电压下长间隙放电特性的试验研究翼舟牮李致最像Ｉ张小勇李岩孙晓滨西安高压电叠研究所西安７１００７７糠Ｉ奉炼篇进长空气一一（长阊■）放电理电的同时－针对捧一簟・棒棒问■履蟪聋子柱ｔ在正极性特种泼、撮怍蕞电压屈其与工囊的联合加压下的垃电特性进行了试验研究．碍ｔｉｌｔ一些有效畸救摆和结ｉ￡，这对长阿裱放电的理论研究厦Ｔ捍宵用●＾有宴用价值．差ｔ诅：长目Ｒ放电特性量作冲击一、前言近年来，随着我国超高压、特高压输变电系统的发展、岛层建筑和空中飞行器雷击事故的增多、各种高电压物理装置的研崩，长空气间隙的放电问题越来越受到人们的羲视．迫切希望眨预测长空气闻隙的放电电压值，研究长问隙的物理过程，来提高间隙的绝缘强度。

从理论上讲，长间隙放电的物理过程可分为三个阶段．一是初始电晕，二是先导发展，三是最后跳跃…。

当高电压旌加于问骧的两端时，闻隙的正极开始出现电晕（俗称线状顶放电。

本质上属流注放电）．然后形成先导，先导前砸有流注，继而再出现．：：次先导，先导差不多以恒定速度前进：壤后先导长到一定程度．流注接触刭对面的电极，剑达“最后跳跃“（也叫末跃），闻骧迅速击穿。

当然流注理论还可以借助近代研究长火花与闪电现象的方法和测试技术，从放电的物理过程出发，更详细的说明长间隙放电机理．但是这些理论目前还比较租鞑．实际上只限于放电过程的定性描述。

：［程上设计、改进绝缘结构常直接依靠实验方法或利用各种典型电极的试验数据。

我们在长期的长问隙放电试验中，得到了大量的试验数据和结论，并与以前的放电数据和理论进行丁比较归纳，希望能得蓟一些新的结论。

从而更进一步研讨长问隙的放电特性。

二、试验理论分析在长问骧中电场作用于空气而造成的电离现象改变了空气的绝缘性篦，影响电场和气体组分的外来因素可以改变其耐电强度．通常外来因素可咀分为三个方面：一是决定电场努问分布的电板结构的几何因素，包括间隙长度ｄ、电极形状及周围的接地体或带电体；二是决定电场瞬时变化的电气参数，比如蘑加于长闻隙的不同电压类型或者同一电压类型下的不同电压波形等等：兰是决定气体状态的气象因素，包括空气的清洁度、湿度与空气密度。

隅此外，长闻隙放电发展需要一定时间，所以对放电某一具体阶段的分析要参考其前匿阶段的电高状态，黔要考虑空气击穿的统计性。

通常情况下，空气的击穿概率服从高斯分布：，厂、２烈∽＝百Ｌ［眈“＿｛≮丝ｌ№■ｚ五口ｑ‘一＼｜、／２ａ＂ｏｊ式中：Ｕ。

为长问隙的５０％放电电压，ｄ。

为标准偏差。

还有大量试验数据统计得出，长问隙的５％放电电压与其耐受电压ｕｏ之闻的关系约为：ｕ矿１．１Ｕ。

虽然不同几何参数的电板结构布置在不同波形的屯压作用下，空气闻骧的击穿电鹾不同．但是，长闻骧放电研究领域主要为高压、超高压输变电系统，电压等级常达到几百千伏５０以ｔ，由于电力系统中存在电感或电容，所以在操作过程或发生事故时会引起振荡而产生更高的操作过电压，而在操作过电压下间隙较大后有比交流更低的击穿电压．此时电力系统及其电气设备的绝缘强度将主要由操作过电压来确定。

因此，操作过电压常被作为研究对象。

为了有利于试验结果的对比，本试验一般选用正极性操作波电压．因为它是摄常被选用的电压并具有最典型的放电现象．而且正极性操作波加在棒一板间隙上得出的击穿电压值在国际上各大试验中有良好的莺复性＿］。

因此．本试验针对性地对正操作波下棒一板、棒一棒问隙的击穿及绝缘支柱的闪络进行了大量的试验工作，选取ｒ２５０／２５００ｕＳ、５００／２５００Ⅱｓ两种操作波和０．５／２５０ｐｓ的特种波．并采用了标准操作波与反向工频电压的联合加压试验方法进行长问隙放电试验，试验所得到的电压数据都用按ＧＢｌ６９２７．１－１９９７ＣｅｑｖＩＥＣ６０－ｌｔ１９８９）规定而计算的大气校正因数换算到标准参考大气条件下，以便于数据问的比较。

三、试品布置及试验方法对于典型的长空气问隙，试验选用了棒一扳间隙（具体结构尺寸见圈卜ａ）和棒—棒问隙（具体结构尺寸见图ｌ－ｂ）。

ｌ－ａ棒一扳问隙卜ｂ棒—棒阃辣圈ｌ典型的长空气阃晾试验选用的绝缘子柱是由１２６ｋＶ支柱绝缘子和１４ＳＫＹ支柱绝缘子叠装丽成的任意高度的长间隙，两种尺寸的支柱绝缘子结构见图２．此外．试验还用１２６ｋｖ支柱绝缘子组装成绝缘支垫（见图３），并将其与绝缘子柱组装在一起来考核长间隙的放电特性。

涠咱调脏吐阻／７■弗一■主ｔ圆ｉＬ————型坠———一田２支柱绝缘子蛄构示意圈圈３绝缘支垫结构示意圈试验方法如图４所示的冲击试验线路图，操作波是由４８００ｋＶ冲击电压发生嚣产生的。

５ｌ寰凄４一堪房｜刮≮图中：ｃ一冲击发生器主电容；哗一发生器并联电阻（波尾电阻）；Ｒ。

—阻尼电阻：Ｒ酊一发生器串联电阻（波前电阻）；ｑ一发生器负荷电容：ｃ。

—分压器高压臂电容；ｃ２＿—分压器低压臂电容；Ｔｏ—试品；ｗ：Ｈｅａｅｆｌｙ的６４Ｍ峰值电压表；ＯＳＣ－－Ｔｅｋ２４３０Ａ数字示波嚣。

ＳＣ盈４冲击电压试验线路示意圈试验通过改变波头电阻Ｒ《和波尾电阻脚的值（见表１）来分别产生２５０／２５００ｐｓ、５００／２５００ｐｓ和０．５／２翮ｐｓ三种不同波形的，如图５所示ｌ表１试验所用冲击设备主要参数波形Ｕ。

（ｋｖ）陆（Ｑ）毗（ｋＯ）ＣＩ（ｐＦ）Ｃ２（ｕＦ）ＣＬ（ｐＦ）Ｒｌ（Ｑ）２５０／２５００Ｐｓ４踟０８４×１０３１２９．６２７４．４４０．９７４２０３８４５００∥２５∞Ｐｓ４８００８３．２×１０３ｌ∞．２２７４．４４０．９７４２４４７０３８４０．５／２５０ｕｓ４舳Ｏ９０２１．７２７４．４４０．９７４２０３８４５００／２５００ｐｓｏ．５／２６０Ｐｓ联合加压试验示渡圈田５试验波形示意圈此外．．试验还采用联合加压方式（见图６）．在长问隙两端分别施加正极性标准操作冲击电压和反向工频电压，用于模拟开关设备在打开时的绝缘试验考核．其示波圈如图５所示．圈６联合加压试验线路圈示建嚣四、试验结果及分析Ｉ．典型长间隙放电对棒一板、棒一棒间隙（如图１）施加０．５＿３０％／２５０“ｓｉＦ＿极性特种波，求出相应于额定耐受电压１１７５～１６７５ｋＶｐ范围内的５０９６放电电压与空气问隙长度之间的关系如表２表２捧一板、棒一棒间隙的５帆放电电压与空气阃隙长度的关系蠢葡～巡篓竺棒一扳间隙棒—棒间隙空气间隙长度（ｍ）１．５２．５３．Ｏ３．５１．５１．８２．５３．０５０％放电电压（ｋＶｐ）８８９１４８ｌ１７６３１８９５１０１２１１９５１５９２１７８５标准偏差ｏ（ｋＶｐ）４９７７】ｌ４６６由卜袭的试验结果可以作出棒一板、棒一棒间隙在０．５／２５０ｕｓ正极性特种波冲击Ｆ５帆放电电压ｕ５０与间隙长度ｄ之间的关系曲线，如图７所示：一彩１ａｌｉ．｝煮ｊ∥｝二？ｉ｛ｏ｛｝∥√Ｊ∥｛』ｊ”｝¨＿。

！｛”１呷怖圈７特种渡冲击电压（＋ｏ．５／２５０ｕｓ）下罂８雷电冲击电压（＋１．５／４０ｕｓ）下５０％击穿电压和问隙距离的关系５脯击穿电压和闻睬距离的关系１－－上梓巾５０一钢管长钿ｔ地面铺７Ｘ７ｒ钢板ｌ一上棒１０Ｘ１０－２铜棒，地面铺７Ｘ７１２钢板２一巾５０ｕ钢管，上棒长６－。

下棒长６Ｉ２一中５她钢管．上棒长钿．下棒长钿从图７中曲线可以看出，正极性０．５／２６０¨ｓ特种波下棒一板、棒一棒问隙的放电特性已经比较接近其在雷电冲击下的试验结果，故列出棒一板、棒—棒间隙在Ｉ．５／４０ｐＳ的雷电冲击电压下的５０％击穿电压和问隙距离的关系曲线（见图８）【３】，并作以下比较和归纳：ａ．从图７和图８中都可以看出，在正极性冲击电压下，相同间隙长度的棒—板问隙５呻击穿电压要比棒一棒阃隙低，这是因为电极形状的不同引起了长间隙电场分布的不同，棒一板问隙电场的不均匀程度较大，在正极性冲击下就有更低的击穿电压。

ｂ．图７中棒～板、棒—棒问隙在正极性０．５／２５０ｕＳ特种波下５０％击穿电压和问隙距离的关系曲线比较接近线性，已经没有明显的“饱和”特征，放电分数性也比较小，这是因为长间隙在冲击电压下的放电特性主要决定于波前时间，此特种波的半峰值时闻虽然比较长，但是波前时问只有０．５ｕＳ，故其放电特性比较接近雷电冲击电压下的放电特性。

ｃ．图７中棒一棒问隙的５０％击穿电压比同间隙长度下图８中的棒—棒闯隙的５０％击穿电压还要高，这更说明了长间隙的击穿电压主要决定于电压波形的波静时间，由此可知长间隙在０．５／２５０ｐＳ特种波下的击穿电压要比雷电冲击电压下高。

２．绝缘子柱闪络放电分别对由３、４、５节１４５ｋＶ支柱绝缘子叠装而成的绝缘子柱（见图９）施加正极性标准操作电压，求出其５０％放电电压如表３所示。

＜——ｌ一ｌ一●＾ｚ荽靛臣圈８３、４，５节单绝维子柱结构示意图圈９带绝缘支垫的３、４节绝缘子柱结构示意图再分别将３、４节１４５ｋＶ绝缘子柱叠装在短接接地的绝缘支垫上（见图１０）．施加正极性标准操作冲击电压，并求出其耐受电压值如表４所示。

表３绝缘子柱５％放电电压与问骧长度关系表４带绝缘支垫的子柱耐受电压与闻隙长度关系淤３节子柱４节子柱５节子柱ｄ（ｍ）４．４５．９７．４Ｕ∞（ｋＶｐ）１１７３１３９２１５３０ｏ（ｋＶｐ）ｌｌ（１％）２５（２％）１９（１．５％）二莱３节子柱４节子柱ｄ（ｍ）４．４５．９Ｕ＿慢（ｋＶｐ）１３３４１４６９ｏ（ｋＶｐ）２２（２％）２７（２％）比较袭３和表４中的试验结果．可以看出：ａ．绝缘子柱的闪络电压和安装高度有关，安装高度越小，闪络电压越低。

这是由于大地的影响造成的，直接安装于地砸时，类似于棒一板间隙：而当安装高度越高时，就越接近于棒—棒间隙。

ｂ．在正操作冲击电压下。

图１０中的３、４节绝缘子柱的耐受电压比图９中的３、４节绝缘子柱的５０９６放电电压还要高得多，这是因为圈ｌｏ中的绝缘予柱叠装在短接接地的绝缘支垫上，改善了空气问隙的电极形状，降低了杂散电容对电场分布的影响，提高了电场分布的均匀程度．此外，接地的绝缘支垫也使绝缘子柱长问骧远离了大地影响，降低了“邻近效应”。

提高了问隙的正极性击穿电压。

ｃ．可以看出，绝缘子柱长间隙在操作冲击电压下的放电有比较大的分数性．这是因为空问电荷的形成、扩散和放电时延有很大的统计性．对图９中的四节绝缘子柱施加５００／２５００ｐＳ正极性操作冲击求得其耐受电压为１４６３ｋｖｐ，由此耐受电压值估算出绝缘子柱的５帆放电电压为ｕ６０＝１４６３×１．１＝１６０９ｋＶｐ．比从表３所得的四节绝缘子柱的正极性标准操作渡５０％放电电压１３９２ｋＶｐ要高的多．这应该也有由耐受电压估算的５嗍放电电压值比较保守、稍有裕度的缘故。

３．两端加压下的长问胬ｅ放电用两节１４５ｋＶ子柱绝缘子叠装在绝缘支垫上组装成一个绝缘子柱，对此绝缘子柱分别旖加２５０／２５００ｐｓ和５００／２５００ｕｓ正极性操作冲击电压并求出其耐受电压分别为１３７３ｋＶｐ和１４７２ｋＶｐ，这说明波前时问大于２５０ｕｓ正极性操作冲击电压下长问隙的击穿电压明显高于其在正匝亡々极性标准操作电压下的击穿电压．用两个这样的绝缘予柱平行布置，分掰施加１３００ｋＶｐ正极性标准操作冲击电压和６５０ｋＶｐ反向工频电压，求得两绝缘予拄之间的问骧长度为５．５－，如图ｌｌ所示。