長空氣間隙放電通道的絕緣恢復特性

劉曉鵬 趙賢根 劉 磊 汪顯康 何俊佳

長空氣間隙放電通道的絕緣恢復特性

劉曉鵬1趙賢根1劉 磊2汪顯康1何俊佳1

（1. 強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學電氣與電子工程學院） 武漢 430074 2. 直流輸電技術國家重點實驗室（南方電網科學研究院） 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對重合閘時間的整定具有重要的指導作用。該文在長空氣間隙施加不同沖擊電壓，基于高速紋影技術，觀測間隙耐受和間隙擊穿時放電通道的絕緣恢復過程。試驗結果表明：間隙耐受時，靠近電極的放電通道消散較快，并且形態類似“蘑菇云”，而遠離電極的放電通道僅做徑向擴張；間隙擊穿時，通道演化形態類似“毛毛蟲”，而且在放電通道彎曲處和分叉處，中心發光區域存在“瓶頸”現象。統計表明，間隙耐受時放電通道的絕緣恢復時間為5～25ms，且隨著注入能量的增大，絕緣恢復時間呈對數增大；間隙擊穿且自然風速約為2m/s時，正極性雷電沖擊電壓、正極性操作電壓、負極性操作電壓作用下放電通道的絕緣恢復時間分別為46.1～243.9ms、6.97～107.74ms和8.09～153.62ms。

長空氣間隙 放電通道 絕緣恢復 形態演化 紋影技術

0 引言

空氣是輸電線路最主要的絕緣介質，當電力系統出現故障或遭受雷擊時，產生的過電壓會導致空氣間隙放電[1-4]。電力系統因出現空氣間隙放電而跳閘后，若在間隙未恢復到正常的絕緣水平時進行重合閘，新的放電會沿著原有放電通道發生[5]，再次發生跳閘。為避免上述情況，重合閘時間需要大于空氣中放電通道的絕緣恢復時間[6]。因此，長空氣間隙放電通道的絕緣恢復研究對于保證電力系統的安全穩定運行具有重要的意義[7]。

長空氣間隙放電通道的絕緣恢復過程是指放電停止后通道內注入電流為零，發光逐漸減弱，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]。長空氣間隙放電的相關研究多集中于放電發展過程[10-15]，而較少針對放電停止后的絕緣恢復過程。這主要是由于放電通道在絕緣恢復過程中并不發光，依靠傳統的光學記錄無法捕捉通道的演化。然而，放電通道在絕緣恢復過程中伴隨著中性氣體密度（或溫度）的演化，當間隙絕緣逐漸恢復時，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過程[16]。

紋影技術可用于測量透明介質的密度變化，而且光路簡單、成實像，適用于空氣中放電通道的熱特性觀測[17-18]。A. Kurimoto通過紋影系統研究了10～30cm短間隙放電先導通道的膨脹過程和擊穿后的絕緣恢復過程，結果表明放電階段先導通道的最大直徑為0.6mm，擊穿后通道經過幾百ms恢復至室溫[19]。P. Domens利用紋影技術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過程，結果表明，該過程的時間常數約為1ms[20]。上述工作說明了紋影技術應用于空氣間隙放電通道絕緣恢復特性研究的可行性，但是試驗數據較少且缺乏不同條件下放電通道絕緣恢復特性的研究。

本文搭建適用于長空氣間隙放電通道絕緣恢復過程觀測的紋影系統，在間隙施加不同波形的電壓，觀測放電通道的絕緣恢復特性，并統計分析其形態演化和恢復時間。為了進一步理解放電通道的絕緣恢復過程，本文也觀測了間隙耐受時放電通道的絕緣恢復，并將其與間隙擊穿時進行對比分析。

1 試驗布置

圖1 試驗整體布置示意圖

試驗中紋影系統透鏡焦距為1 500mm，通光口徑為150mm，高速攝影儀型號分別為Photron FASTCAM SA-X2和Phantom V12.1。放電電流測量采用文獻[21]提出的高電位瞬態電流測量系統，該系統包含采樣電阻、數字式采集單元、電光轉換單元和供電電源。其中，采樣電阻由10個無感電阻并聯而成，并采用籠型結構，減少其電感和電容，提高測量系統的測量帶寬。采樣電阻兩端的電壓通過數字采集單元轉換為數字信號，再通過電光轉換單元就地轉換為光信號。整個電流測量系統置于放電高壓端的空心鐵磁屏蔽圓筒內，通過光纖將電流信號傳至低壓控制端，有效地抑制了放電帶來的強電磁干擾。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，使得電極本體所產生的位移電流無法流經采樣電阻。經測試，電流測量系統帶寬上限為75MHz，測量精度為±0.7%。低壓端接收高壓側的光信號后，將其轉換為電信號，經由USB接口與計算機中數字式采集單元的控制程序進行通信。值得注意的是，電流測量系統的量程由采樣電阻決定，而存儲電流數據的峰值還與數字式采集單元控制程序的量程設置相關；當測量電流超出控制程序的量程時，電流波形將被削頂。試驗過程中，當示波器滿足觸發條件時，輸出觸發信號并經光纖傳輸分別觸發電流測量系統和高速攝影儀。由于兩路光纖具有一定時延，后期對電流波形和紋影圖像進行時間修正即可實現電壓、電流和圖像的同步[22]。

圖2 絕緣恢復試驗現場布置

2 典型試驗結果

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放電通道絕緣恢復過程的典型試驗結果分別如圖3和圖4所示。間隙耐受時，放電前幾十ms為電暈放電階段，間隙發生多次電暈放電，與起始階段的多個電流脈沖相對應，從紋影圖像上可以觀測到流注莖的產生。隨后放電進入先導發展階段，放電通道不斷向前發展，與電暈放電電流相比，此時電流幅值較小，持續時間較長。在時間=650ms以后通道內注入電流為零，通道逐漸消散，整個間隙進入絕緣恢復過程。間隙擊穿時，=2.3ms左右放電進入末躍階段，放電通道迅速將整個間隙貫穿并伴隨著強烈的發光現象，此階段因放電電流幅值超出電流測量系統的量程而削頂；=50ms以后間隙電壓和注入電流均為零，放電通道的發光逐漸減弱，整個間隙進入絕緣恢復過程。

圖3 正極性操作沖擊電壓下間隙耐受時典型試驗結果

3 放電通道絕緣恢復形態特性

間隙耐受時，棒電極附近的放電通道以“蘑菇云”的形態消散，而遠離棒電極的放電通道僅做徑向擴張。文獻[23]定義了“蘑菇云”生長的角度和速度并對雷電和操作沖擊電壓作用下“蘑菇云”的消散進行了定量研究；同時仿真結果表明，“蘑菇云”的形成是由于電極表面高溫高壓氣體團的熱對流。本文主要對遠離棒電極放電通道的徑向擴張進行介紹。在絕緣恢復過程中，遠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[23]流注莖熱直徑的定義方式相同。遠離棒電極的放電通道在絕緣恢復過程中徑向不斷擴張，隨著時間變化擴張速率逐漸減慢。

間隙擊穿時，放電通道的形態演化相對而言更加復雜，整體形態類似“毛毛蟲”，目前暫無有效的方法對其進行定量分析，但放電通道在擊穿后具有兩個突出的特征。首先，間隙擊穿后放電通道的中心發光區域在通道彎曲處或者分叉處存在“瓶頸”現象，如圖6所示。圖6a中，放電通道中心發光區域在彎曲處達到最小值，在紋影圖像上發光區域直徑最小值與最大值比值為2/1=0.25；圖6b中，放電通道發光區域在分叉處同樣為最小，發光區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產生明顯的激波[12]，結果表明，放電產生的激波主要分為兩類：一類是以放電通道與電極接觸點為球心的球面激波；另一類是放電通道其余位置以放電通道為對稱軸的柱面激波，如圖7所示。圖中，實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間間隔。放電通道產生的激波在空氣中傳播時的速度與半徑關系如圖7所示。試驗結果表明，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過程中的形態演化

圖7 放電通道產生的激波

4 放電通道絕緣恢復時間

放電通道絕緣恢復時間的統計重點在于確定該過程的起始時刻和結束時刻。本文定義間隙耐受時放電電流為零的時刻作為絕緣恢復的起始時刻，間隙擊穿時電壓為零的時刻作為絕緣恢復的起始時刻，如圖3a和圖4a中灰色區域的起始時刻，此時通道內不再有能量注入；同時，定義紋影圖片的擾動消散完成時為絕緣恢復的結束時刻，如圖3b和圖4b的最后一張紋影圖片，可以看出，兩者均已恢復至放電前的狀態，即第一張紋影圖片所示。

放電停止后通道內不再有能量的注入，因此放電通道內的能量主要是放電發展過程中注入的。間隙耐受時放電通道內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間上的積分。圖8給出了間隙耐受時放電通道的絕緣恢復時間與放電通道內注入的能量之間的關系。可見，放電發展過程中通道內注入的能量越多對應的絕緣恢復時間越長，與文獻[24]的仿真結果一致。在注入能量為0.06～3J的范圍內，放電通道的絕緣恢復時間與放電通道內注入能量為對數關系：=3.03ln(+0.02)+ 15.72（能量單位為J，絕緣恢復時間單位為ms）。因此，當放電通道內注入能量不斷增加時，對應的絕緣恢復時間并非線性增加而是呈現出飽和趨勢。

間隙擊穿時不同電壓作用下的絕緣恢復時間平均值和標準差如圖9所示，結果表明，在其他條件相同時，雷電沖擊電壓作用下間隙擊穿后通道的絕緣恢復時間較操作沖擊電壓下要長。正極性雷電沖擊電壓、正極性操作沖擊電壓和負極性操作沖擊電壓作用下放電通道的絕緣恢復時間見表1，絕緣恢復時間平均值分別為121.53ms、51.53ms、48.74ms，標準差為66.64ms、28.02ms、31.92ms。本文試驗中絕緣恢復時間最大值為243.90ms，最小值僅為6.97ms。值得注意的是，按照本文的定義，絕緣恢復時間的測量值將小于其真實值，主要原因包括兩個方面：①紋影系統的靈敏度有限，較小的氣體溫升或密度變化并不能被紋影系統所探測；②即使放電區域的溫度恢復至室溫，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通道的絕緣恢復時間

圖9 間隙擊穿時不同電壓作用下通道絕緣恢復時間

表1 不同電壓波形作用下的絕緣恢復時間

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

表1的數據表明，本文獲得的間隙擊穿后絕緣恢復時間的分散性很大，其原因可能與本文的試驗條件和統計方法有關。本文試驗在戶外場進行，自然風速約為2m/s，該風速對放電發展過程（時間尺度為百ms量級）的影響不大，但是對絕緣恢復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，如圖10a所示，觀測區域之外的放電通道會隨風持續進入紋影圖片；其二為放電通道的朝向順風，如圖10b所示，觀測區域的放電通道會隨風移出紋影圖片，按照風速2m/s計算，則10ms時間內空氣移動距離為20mm，達到了觀測范圍的量級。于是按照本文的計算方法，圖10a和圖10b的絕緣恢復時間分別為130.80ms和18.30ms。由此可見，自然風速和放電通道方向對絕緣恢復時間的觀測結果具有較大的影響。若沒有風速的影響，放電通道的絕緣恢復時間會大于目前的觀測結果。

圖10 風速對絕緣恢復過程的影響

5 結論

本文采用高速紋影技術，觀測了不同波形的電壓作用下長空氣間隙放電通道的絕緣恢復過程，獲得了0.74m間隙耐受和1.27m間隙擊穿時放電通道在絕緣恢復過程中的形態演化和恢復時間，主要結論如下：

1）紋影觀測結果顯示，間隙耐受時，靠近電極表面的放電通道消散較快，而且形態類似“蘑菇云”，而遠離電極的放電通道僅做徑向擴張；間隙擊穿后，放電通道整體形態類似“毛毛蟲”，而且擊穿后較短時間內放電通道的中心發光區域在通道彎曲處或者分叉處存在“瓶頸”現象。

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量級時，放電通道的絕緣恢復時間為5～25ms；間隙擊穿時，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的負極性操作沖擊電壓作用下，放電電流幅值為kA量級，放電通道的絕緣恢復時間為7～244ms。

3）間隙耐受的試驗結果表明，在通道內注入能量為0.06～3J的范圍內，隨著注入能量的增加，放電通道的絕緣恢復時間增大，并呈現出飽和趨勢。

4）風速對絕緣恢復時間具有明顯影響，風速使得不同條件下放電通道的絕緣恢復時間分散性很大。

本文主要考慮沖擊電壓作用下放電通道的絕緣恢復過程，而實際電力系統發生短路故障時短路電流可達幾十kA[25-26]，放電通道內注入能量大。因此，后續將開展長空氣間隙大能量注入時的絕緣恢復過程研究。

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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

南方電網科技資助項目（ZBKJXM20180229）。

2019-11-19

2020-02-15

劉曉鵬 男，1995年生，碩士研究生，研究方向為長空氣間隙放電和介質恢復特性。E-mail: lxpeng@hust.edu.cn（通信作者）

趙賢根 男，1989年生，博士，研究方向為長空氣間隙放電機理和介質恢復特性。E-mail: zhaoxiangen@outlook.com

（編輯 崔文靜）