冲击电压下流注放电路径展特性

作者： 国自电气 时间：2024-08-31 09:23:05 阅读：51

近年来,我国特高压直流输电工程不断发展,大幅度提高了线路的输送能力,同时对设备的绝缘要求也大幅提升,空气间隙作为应用最为广泛的绝缘介质,其绝缘特性逐渐成为特高压输电工程绝缘设计的关键问题之一。自20世纪70 年代以来,国内外学者进行了大量的试验研究和仿真模拟,获得了间隙放电物理机制、特征参数以及放电起始时延、发展方向,放电路径分散等随机特性。

流注是非均匀电场中放电的起始阶段,发生于先导和闪络阶段之前,对间隙击穿过程有着重要的影响。目前主要以流注电气参数以及形态参数为研究对象展开对流注放电特性的试验研究。相关 文献利用气压罐改变放电试验时的气压和湿度,得到流注头部电离程度随气压降低而减弱。 相关文献采用ICCD相机观测导线-板间隙流注发展光学形态,得到脉冲电压作用下,外施电压上升率从1.5×10^3kV/μs增大至2.0×10^3kV/μs,流注发展速度自0.5×10^6m/s增加至2.5×10^6m/s。为进一步深入研究流注放电发展中常见的分支现象,相关文献采用轴-径向观测方法搭建长流注放电发展观测平台,并利用伪彩色还原算法对流注发展图像进行处理,获得更具有辨识度的流注发展形态,流注分支呈树枝状结构。相关文献搭建了短空气间隙放电实验平台,改变外施电压、电极结构进行试验,得到外施电压增加时,流注分支数量随之增加。相关文献试验研究了冲击电压下流注起始特性,得到流注起始时延服从Rayleigh分布。通过试验研究,建立了流注放电理论基础,探究了放电特性的影响因素,并逐渐认识到放电具有分散性和随机性这一典型特征。

为了能够解释流注放电的分散性现象,相关文献基于正极性雷电冲击电压下棒-板间隙流注起始时延的试验数据,考虑电压变化率对放电起始的影响,拟合得到适用于工程实际应用的正极性冲击电压下流注起始场强判据,以自由电子形成时延体现流注起始的分散性,将流注起始时延分成升压时延和自由电子形成的统计时延。为了分析放电的随机性,针对流注放电过程中的分支现象,相关文献建立了三维蒙特卡洛粒子碰撞数值模型,探究了毫米尺度下流注分支发展与放电参数之间的关系。计算精度高,可反映真实放电形貌和结构特征,但模型计算量过大,难以拓展至m级长空气间隙数值仿真。基于分形电介质击穿模型 引入放电通道压降和放电阈值场强参数的WZ模型,由放电阈值场强参数抑制放电通道向左右两侧方向生长,数值模拟结果趋向于试验观测,且计算量小。相关文献在此基础上针对流注发展提出了单路径和多路径两种模拟计算方法。单路径,单步发展时间步长内仅生长一条路径,时间步长为该路径发展时间;多路径,时间步长固定,发展时间小于步长的路径均可发展。相关文献考虑到放电分支之间互相影响,且存在竞争关系,选择单路径分形发展。相关文献基于分形模型进一步考虑了空间电荷对放电仿真的影响,通过求解电场及累积电荷,以此确定放电过程中的时间常数。但以上仿真模型主要针对于流注放电路径的随机发展,忽略了流注起始时延、间隙结构以及气压、湿度等环境影响因素。

针对以上问题,本文在已有的分形电介质击穿模型基础上,考虑流注起始时延的分散性以及环境因素对放电的影响,引入不同海拔和温度下正极性流注起始判据,建立了空间电荷屏蔽下棒- 板间隙动态流注随机发展计算模型。基于该模型对不同间隙结构放电发展过程进行数值模拟,得到流注起始时延、发展形态、发展速度及空间电荷量等特征参数,并搭建试验观测平台,开展操作冲击放电对比试验,结合试验结果对模型进行验证, 分析流注轴向发展速度与轴线空间电场分布关系,探究间隙结构、外施电压上升率对放电随机性影响情况。

结论

本文基于正极性流注起始模型及分形理论建立了空气间隙流注放电动态发展模型,研究流注放电过程中起始时延、发展形态、发展速度、放电通道空间电荷等特征参数,并搭建了操作冲击电压作用下,5cm空气间隙流注放电试验观测平台, 结合试验结果验证了模型的正确性,并得到以下结论:

(1)初始流注轴向发展速度先增加后减缓至停止,轴向平均发展速度为5.39×10^5m/s;二次流注在向板电极发展的过程中,发展速度先增加后逐渐减缓,待流注发展至板电极附近发展速度又增加,轴向平均速度为5.70×10^5m/s。发展速度与流注头部场强分布变化趋势呈正相关。

(2)流注发展速度和放电发展形态受外施电压上升率的影响。外施电压上升率从0.45 kV/μs 上升至11.15 kV/μs,棒-板间隙流注轴向平均发

展速度自5.70×10^5m/s增加至8.32×10^6m/s,放电通道分形维数自1.19增加至1.28,放电路径随机性增加。

(3)在相同波形外施电压作用下,随着电极曲率半径增加,电极头部电场分布更均匀,有效自由电子越难出现,流注临界起始电压更高,起始时延

增大,放电起始分散性增加。