棒-板短空氣間隙淋雨交流放電特性及電壓校正

蔣興良 袁 耀 杜 勇 馬建國 畢茂強

（1.重慶大學(xué)輸配電裝備及國家系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室 重慶 400044 2.湖北超高壓輸變電公司 武漢 430050）

1 引言

近年來，隨著全球氣候的日益惡化，暴雨、大暴雨甚至特大暴雨出現(xiàn)的頻率不斷增加，暴風(fēng)雨的不斷襲擊對各國輸電線路的安全運行提出了嚴峻的考驗。在我國，隨著超特高壓電網(wǎng)建設(shè)速度的加快，運行電壓等級的不斷提高，輸電線路外絕緣在這種暴風(fēng)雨天氣的襲擊下，也出現(xiàn)了許多亟待解決的問題[1]。強降雨時發(fā)生空氣間隙絕緣擊穿事故就是其中的主要問題之一，表 1列出了自 2005年以來我國輸電線路在暴風(fēng)雨天氣發(fā)生導(dǎo)線對桿塔空氣間隙擊穿事故的不完全統(tǒng)計情況。由表 1的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，降雨條件下空氣間隙絕緣擊穿事故已嚴重影響我國電力系統(tǒng)安全可靠的運行。但到目前為止，國內(nèi)外對降雨條件下空氣間隙放電特性和機理的研究還很少，并且在進行外絕緣設(shè)計時也一般不考慮淋雨對空氣間隙放電特性的影響，對降雨條件下空氣間隙的放電機理并沒有形成統(tǒng)一的認識。目前只有少部分學(xué)者對淋雨條件下的空氣間隙放電進行了研究，其中，文獻[2,3]分別對球-板、環(huán)-板和棒-板三種電極結(jié)構(gòu)在淋雨條件下的操作沖擊放電特性進行了研究，指出在淋雨條件下，球-板、環(huán)-板的操作沖擊放電電壓較干燥環(huán)境時會有一定程度的降低，但棒-板正極性操作沖擊電壓變化不明顯。2002年，Yoshibumi Yamagata等在日本特高壓試驗基地研究了淋雨對真型均壓環(huán)與真型塔窗空氣間隙的放電影響[4]，試驗結(jié)果表明：被雨水濕潤后的空氣間隙的操作沖擊放電電壓有明顯降低的趨勢，即空氣間隙的操作沖擊濕閃電壓比干閃電壓降低了8%～15%。文獻[5]則研究了風(fēng)雨對導(dǎo)線-桿塔空氣間隙工頻放電特性的影響，指出隨著淋雨強度的增大，導(dǎo)線-桿塔空氣間隙的放電電壓將逐漸降低；文獻[6]通過對直流正極性棒-板空氣間隙的試驗研究，也得出了相同的結(jié)論。

雖然現(xiàn)有的電力行業(yè)標準[7,8]對空氣間隙放電電壓的校正作了規(guī)定，但其應(yīng)用范圍都受到限制。文獻[7]應(yīng)用g參數(shù)法校正空氣間隙放電電壓時規(guī)定其校正公式的適用條件是：①1≤h/δ≤15；②海拔不超過 2km。但在自然降雨中，環(huán)境相對濕度達到 100%，h/δ的值往往超過了 15，不滿足g參數(shù)法的應(yīng)用條件。而文獻[8]直接規(guī)定了其校正公式不能用于淋雨條件下空氣間隙放電電壓的校正。

表1 國內(nèi)輸電線路導(dǎo)線―桿塔空氣間隙雨閃事故的不完全統(tǒng)計情況Tab.1 Incomplete statistics to the flashover of conductorto-tower air gap when raining in China

綜上所述，關(guān)于淋雨對外絕緣放電的影響目前尚未達成共識，有必要對其進行深入的探討。同時，對淋雨條件下外絕緣放電的研究對我國電網(wǎng)的安全運行也有著重要的意義。

為此，本文在重慶大學(xué)人工氣候試驗室和雪峰山自然試驗站對棒-板短空氣間隙在淋雨條件下的放電特性進行了研究，根據(jù)試驗結(jié)果分析了淋雨對空氣間隙放電電壓的影響，提出了淋雨條件下空氣間隙放電電壓的校正方法，對降雨特別是特大暴雨情況下的電氣絕緣距離選擇提供參考和技術(shù)依據(jù)。

2 試驗布置及方法

人工模擬淋雨試驗是在直徑7.8m、高11.6m人工氣候室[9]內(nèi)完成的。“棒-板”間隙采用豎直布置方式，棒電極為直徑 19.6mm的金屬避雷針，其尖端為直徑 2mm的圓錐，板電極為厚 3mm，直徑 3m的圓形鐵板。試驗原理如圖1所示。

圖1 試驗原理示意圖T1—調(diào)壓器 T2—試驗變壓器 R0—保護電阻F—電容分壓器 H—穿墻套管 E—人工氣候室Fig.1 The sketch map of test

試驗電壓由500kV交流污穢試驗變壓器提供。大氣參數(shù)（溫、濕度和氣壓）采用綜合數(shù)字式測量儀（PTU200）測量，在環(huán)境溫度為20℃時，其溫度、相對濕度和氣壓的測量誤差分別為±0.2℃、±1%和±0.03kPa。試驗采用 JFZ—01型數(shù)字式雨量計測量淋雨強度，采用DD—810E精密型電導(dǎo)率儀測量雨水電導(dǎo)率及雨水溫度。自然條件下，由于降落至地表附近的雨水溫度與環(huán)境溫度相差不大，因此淋雨時控制雨水溫度與環(huán)境溫度差小于2K。

所有試驗均采用均勻升壓法進行加壓，每個試驗點的有效試驗次數(shù)至少為10次，為了保證試驗數(shù)據(jù)的有效性，每隔3～5min進行淋雨強度的測量，保證淋雨強度在有效范圍之內(nèi)。

本文對長度為0.2m、0.4m、0.6m的三種“棒-板”間隙進行了人工淋雨試驗。人工模擬淋雨由符合IEC標準要求的淋雨排產(chǎn)生，可根據(jù)要求調(diào)節(jié)淋雨強度和方向，須注意的是，在每次加壓前應(yīng)觀察雨水運動方向，使棒電極尖端盡量不要形成水膜，水滴或者水柱，從而提高試驗結(jié)果的準確性。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 淋雨的影響規(guī)律

根據(jù)以上試驗方法，本文得到的0.2～0.6m棒-板短空氣間隙交流放電特性試驗結(jié)果如表 2和圖2所示，其中，人工氣候室氣壓 p為 98.6kPa（海拔H=232m），淋雨時環(huán)境相對濕度RH為100%，淋雨強度的測量誤差為±0.3mm/min，試驗時的雨水電導(dǎo)率γ20為384±10μS/cm。表中淋雨強度為0mm/min時的間隙擊穿電壓為停雨2min后測得的，此時棒-板間隙周圍相對濕度仍然為100%。

表2 人工氣候室模擬試驗結(jié)果及試驗環(huán)境Tab.2 The simulating results and experimental conditions of artificial climate room

圖2 不同間隙距離下?lián)舸╇妷号c淋雨強度的關(guān)系Fig.2 Breakdown voltages vs.rain intensity at different gap separations

由表 2可知，試驗結(jié)果的標準偏差小于 4%，且23個試驗結(jié)果中僅2個的標準偏差超過3%，即淋雨條件下“棒-板”短空氣間隙交流放電電壓的分散性較小。由圖2可知，人工淋雨對棒-板短空氣間隙的交流放電電壓有一定的影響，其影響程度與淋雨強度有關(guān)，即隨淋雨強度的增加而降低。但淋雨對其影響不明顯，如淋雨強度從0增加到14mm/min時，0.20m、0.40m和 0.60m的“棒-板”短空氣間隙的交流放電電壓分別僅下降了 10.32%、8.01%和8.58%。

3.2 淋雨的影響機理

淋雨時空氣間隙放電模型可看作是有懸浮導(dǎo)體的空氣間隙放電，文獻[10]曾通過試驗指出懸浮在絕緣氣體中的自由移動的金屬顆粒會導(dǎo)致?lián)舸╇妷旱膰乐叵陆怠?/p>

淋雨條件下，空氣間隙中雨滴的存在會對電場產(chǎn)生強烈畸變：雨滴內(nèi)部場強較低，雨滴外部場強較高，這種畸變使得電極附近的電場強度也會有所變化，導(dǎo)致電極附近的局部電場得到加強。而局部電場的增強會使空間中因碰撞電離產(chǎn)生的電子數(shù)目相應(yīng)增多，從而有利于流注的形成；此外，局部電場的增強還會加快電子和正負離子的運動速度，進而有助于流注的發(fā)展。

其次，在淋雨強度較大時（此時間隙中雨滴數(shù)目較多，大雨滴所占的比重也較大），雨滴表面由于吸附作用將積聚起更多的帶電粒子，其表面附近的電場畸變更加嚴重，更有利于放電的發(fā)展。

為了進一步說明雨滴對空間電場的畸變作用，本文對棒-板空氣間隙中有雨滴時的靜電場分布進行了仿真分析，仿真結(jié)果如圖3及表3所示。

圖3 棒-板間隙中有無水滴時的靜電場分布Fig 3.The distribution of electric field in air gap with and without droplets

表3 間隙最大場強與雨滴直徑的關(guān)系Tab.3 Relationship between maximum electric field and equivalent diameter of water droplet

由表3仿真結(jié)果可知：雨滴等效直徑越小，其對棒-板空氣間隙電場的影響也越小。對直徑為1mm的雨滴，間隙中最大場強值為2 3.16kV/cm，僅比沒有雨滴時的空間場強增加了0.68kV/cm；而對直徑為 8mm的雨滴，此時空間最大場強值為30.00kV/cm，比沒有雨滴時的場強增加了7.52kV/cm。由此可以看出，當(dāng)雨滴直徑增大時（即淋雨強度增加時），雨滴對其周圍空間電場的畸變程度會隨之增強，也就是說，隨著淋雨強度的增大，間隙擊穿電壓會隨之降低，這與試驗所得到的結(jié)果相一致。

4 淋雨強度對放電電壓影響的校正

由圖2的試驗結(jié)果可知，隨著淋雨強度的增大，間隙擊穿電壓會逐漸降低，即呈負相關(guān)關(guān)系；同時，自然降雨特別是大暴雨時，環(huán)境的相對濕度達到100%，因此在校正過程中沒有考慮絕對濕度的影響；此外，本文在數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)若采用文獻[7]提出的g參數(shù)法擬合時，得到的空氣密度指數(shù)m為負值，與g參數(shù)法規(guī)定的m值范圍相矛盾，而且由此得到的擬合結(jié)果和現(xiàn)場結(jié)果的誤差也較大。基于以上三點，本文將壓強 p（即海拔高度 H）和環(huán)境溫度T作為兩個獨立的參數(shù)進行分析，并根據(jù)鐵路行業(yè)標準對海拔 4000m及以下隧道內(nèi)電氣絕緣間隙選擇的建議[11]，提出了淋雨強度的電壓校正公式，即

式中，U1為海拔1000m，t=20℃時的放電電壓，根據(jù)文獻[11]可知 U1=0.909U0，U0為 p=101.3kPa，t=20℃時（此時h=17.3g/m3）的放電電壓；KH=1.1-H×10-4為海拔校正指數(shù)；H為海拔高度，m；Kt=[(t+273)/293]a為溫度校正因數(shù)；t為溫度，℃；a為溫度的影響特征指數(shù)；KI=（1-cI）n為淋雨條件下棒-板空氣間隙放電電壓的淋雨強度校正指數(shù)；I為瞬時淋雨強度，mm/min；c為淋雨強度的影響系數(shù)；n為淋雨強度的影響特征指數(shù)。

在擬合分析中發(fā)現(xiàn)，若采用式（1）對表2的試驗結(jié)果直接進行擬合計算，得到的n值是不收斂的。因此，有必要采用另外的方法對表2的試驗結(jié)果進行擬合。

為了能擬合出符合實際情況的校正公式，本文在人工氣候室對 0.4m的棒-板空氣間隙進行了另外一組試驗，試驗條件及試驗結(jié)果如表4所示。

表4 0.4m棒-板空氣間隙試驗條件及結(jié)果Tab.4 Test results and experimental conditions of 0.4m rod-plane air gap

將表4的結(jié)果按式（1）進行擬合，得到間隙距離為 0.4m，淋雨強度為 9mm/min時的交流放電電壓可表示為

其中，擬合決定系數(shù)R2=0.9704，擬合相關(guān)性很好。

將式（2）中的a、c值代入式（1），即

再將表2的試驗結(jié)果按照式（3）進行擬合，得到間隙距離分別為0.2m、0.4m和0.6m時的交流放電電壓可分別表示為

式中，Kt=[（t+273）/293]a；a=1.278。

式（4）中的擬合結(jié)果的決定系數(shù) R2分別為0.9290、0.9310和 0.9273，擬合的相關(guān)性較好，由此可知：

（1）式（4）適用于 0.2～0.6m間隙放電電壓校正。

（2）不同間隙距離下的淋雨強度影響特征指數(shù)n基本一致，可取n的平均值nav=0.2752。

由式（4）中0.2～0.6m間隙的放電電壓，可得U1與間隙長度d的關(guān)系為

其中，式（5）的擬合相關(guān)系數(shù)平方達到0.9948。

因此，由式（4）、式（6）可得0.2～0.6m棒-板空氣間隙的交流放電電壓為

根據(jù)標準[11]，對于海拔低于 1000m的地區(qū)，按 1000m條件進行校正，因此對于式（7），當(dāng)H≤1000m時，取KH=1。

由式（7）可繪制不同空氣間隙在P=101.3kPa，t=20℃時間隙擊穿電壓與淋雨強度的關(guān)系圖，如圖4所示。

圖4 間隙擊穿電壓與淋雨強度的關(guān)系Fig.4 Relationship between breakdown voltage and rain intensity

由圖4可知，在環(huán)境參數(shù)一定時，間隙擊穿電壓與淋雨強度近似呈線性關(guān)系。因此，在式（7）中利用泰勒級數(shù)將 KI=(1-0.0189I)n展開，其中n=0.2752，并略去二階以上的高階項后可得淋雨條件下棒-板空氣間隙交流放電電壓的淋雨強度校正指數(shù)KI為

由上式可知，在大氣環(huán)境參數(shù)不變時，淋雨強度每增加2mm/min，對于0.2～0.6m的空氣間隙，其交流放電電壓將降低1.04%。

5 放電電壓校正公式驗證及電壓預(yù)測

5.1 校正公式驗證

為了檢驗由人工氣候試驗結(jié)果得到的式（7）的準確性，本文在人工氣候室對不同間隙下的棒-板空氣間隙進行了淋雨放電試驗，試驗結(jié)果及計算結(jié)果見表5。

由表5可知：由式（7）計算得到的結(jié)果與人工氣候室的試驗結(jié)果相對誤差小于±5%，且二者結(jié)果很接近。因此，對于人工氣候室模擬試驗結(jié)果，采用式（7）的校正方法其誤差是在允許范圍以內(nèi)的。

表5 人工氣候室試驗結(jié)果和校驗結(jié)果Tab.5 Test and calculation results in artificial climate room

5.2 淋雨時棒-板空氣間隙交流擊穿電壓預(yù)測

利用式（7），本文對其他淋雨條件下的棒-板空氣間隙擊穿電壓也進行了預(yù)測，并與實際的試驗結(jié)果進行了對比，計算結(jié)果和試驗結(jié)果見表6、表7。

表6 人工氣候室0.7m棒-板空氣間隙試驗結(jié)果及預(yù)測Tab.6 Test and calculation results of 0.7m rod-plane air gap in the artificial climate room

表7 雪峰山（H=1500m）覆冰試驗站自然降雨條件下0.05～0.15m棒-板空氣間隙試驗結(jié)果及預(yù)測Tab.7 Test and calculation results of 0.05～0.15m rod-plane air gap at the Xuefeng mountain natural site

由表6可知：式（7）與人工模擬試驗結(jié)果的誤差最大為 2.80%，最小為0.65%，平均誤差為 2.05%，即采用式（7）對0.7m棒-板空氣間隙放電電壓進行預(yù)測的效果較好。

由表7可知：

（1）式（7）與自然降雨條件下試驗結(jié)果的誤差最大為1 2.66%，最小為 3.21%，平均誤差為9.28%。

（2）文獻[5,6]指出，降雨時棒-板空氣間隙交流擊穿電壓隨著雨水電導(dǎo)率的增加而降低。式（7）是由重慶大學(xué)人工氣候?qū)嶒炇以囼灲Y(jié)果擬合得到的，試驗時的雨水電導(dǎo)率為 384μS/cm左右，而在雪峰山現(xiàn)場試驗時，其雨水電導(dǎo)率只有 40μS/cm，而本文提出的校正式（7）并沒有考慮雨水電導(dǎo)率的影響；此外，現(xiàn)場試驗時風(fēng)速較大，棒在風(fēng)的作用下左右搖擺對試驗結(jié)果也會有一定的影響。最后，自然降雨時，棒電極的末端可能會有水膜、水滴或者水柱產(chǎn)生，由于水的介電常數(shù)較高，是電的良導(dǎo)體，所以，一方面它們的存在會在一定程度上減小空氣間隙的距離，另一方面它們本身對空間電場也有畸變作用。因此，基于上述三種原因，使得自然降雨條件下棒—板空氣間隙擊穿電壓的試驗值要低于式（7）所得到的計算值。

6 結(jié)論

（1）淋雨時，棒-板空氣間隙的交流放電電壓分散性較小，其標準偏差基本都小于 3%；棒-板空氣間隙的交流放電電壓會隨淋雨強度的增加而逐漸降低，對 0.2m、0.4m、0.6m間隙，其最大降低幅度分別為10.32%、8.01%和8.58%。

（2）降雨時短空氣間隙交流放電電壓的校正公式可以表示為

（3）棒-板空氣間隙放電電壓的淋雨強度校正指數(shù)可表示KI=1-ncI=1-0.0052I，即在環(huán)境條件不變時，淋雨強度每增加2mm/min，其交流放電電壓將降低1.04%。

（4）提出的校正方法可用于 0.7m 棒-板空氣間隙淋雨條件下交流放電電壓的預(yù)測，但在自然條件下，采用該方法得到的計算結(jié)果與實際試驗值誤差較大，需進一步研究分析。

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