正極性操作沖擊電壓下長短空氣間隙放電特性

耿江海， 張博禹， 王 平， 丁玉劍， 律方成， 姚修遠(yuǎn)， 祝全樂

(1．華北電力大學(xué)河北省輸變電設(shè)備安全防御重點實驗室， 保定 071003；2． 中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192； 3.國家電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209)

隨著中國特高壓輸變電工程建設(shè)加速實施，全面了解和掌握特高壓輸變電工程間隙的放電特性是進(jìn)一步提升特高壓輸電系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟(jì)性所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)[1-4]。因此，對不同尺度間隙放電過程進(jìn)行試驗觀測，進(jìn)而深入分析放電機(jī)理一直是中外學(xué)者關(guān)注重點[5]。

Les Renardieres Group通過改變間隙距離和間隙結(jié)構(gòu)，對不同電壓下的正極性長間隙放電過程進(jìn)行觀測，將長空氣間隙放電過程劃分為:初始流注、暗期、先導(dǎo)和末躍擊穿[6-8]。文獻(xiàn)[9]開展了間隙距離10 cm的短間隙放電研究，將其發(fā)展過程分為:初始流注、暗期、二次流注和擊穿四個階段。

放電階段的劃分提供了對放電過程的初步認(rèn)識。而現(xiàn)場真型試驗是探究空氣間隙絕緣性能的關(guān)鍵，是對放電機(jī)理進(jìn)一步的研究。文獻(xiàn)[10]對棒-板1 m間隙正極性雷電沖擊電壓作用下流注放電區(qū)域電場進(jìn)行測量，并結(jié)合高速攝像機(jī)拍攝到的流注放電圖片對電場強(qiáng)度進(jìn)行分析。由于高速相機(jī)拍攝圖像的時間分辨率為μs級，無法連續(xù)記錄放電過程。文獻(xiàn)[11]利用光電倍增管測量不同間隙長度下棒-板電極施加直流電壓時的流注發(fā)展速度，同時準(zhǔn)確判斷了流注的起始、發(fā)展時刻。前人學(xué)者通過對瞬時光功率或空間電場的觀測，對放電過程及相關(guān)機(jī)理有了初步的認(rèn)識，但單獨的測量手段不利于空氣間隙放電過程中的變化規(guī)律的深入研究[12]。利用光電倍增管、電場傳感器進(jìn)行聯(lián)合觀測，不僅可以運(yùn)用光、電場等物理量之間的關(guān)聯(lián)獲取更準(zhǔn)確的放電信息，而且能夠獲取不同間隙尺度放電通道相關(guān)物理參數(shù)變化，得出定性與定量的關(guān)系。

初始流注和暗期是空氣間隙放電發(fā)展中的典型階段，流注的發(fā)展普遍都經(jīng)歷電離產(chǎn)生，發(fā)展和停止等過程，因此一定理論程度上，長、短間隙下的放電過程之間具有極為相似的物理機(jī)制[13-14]。目前的研究成果中，對于長、短間隙放電試驗觀測的討論較為分立。文獻(xiàn)[15]以短間隙為載體，對初始流注產(chǎn)生后放電區(qū)域內(nèi)、外的電場強(qiáng)度進(jìn)行測量。文獻(xiàn)[9]運(yùn)用光電聯(lián)合檢測系統(tǒng)，對正極性標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓下10 cm針-球間隙的瞬時光功率、空間電場和接地極放電電流進(jìn)行聯(lián)合觀測，可判斷流注的起始時刻以及流注電離的劇烈程度。文獻(xiàn)[16]對長空氣間隙進(jìn)行操作沖擊電壓放電試驗，定量測量了有流注間隙中暫態(tài)電場的時空變化并定性對流注變化特性進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[17]開展雷電沖擊電壓下5 m長空氣間隙放電試驗，觀測獲得流注起始時延和流注發(fā)展速度兩種放電物理特征參數(shù)。文獻(xiàn)[18]結(jié)合傳統(tǒng)流注放電理論，描述了流注區(qū)電場躍升的過程及長間隙放電的隨機(jī)性。在實際應(yīng)用中存在電極結(jié)構(gòu)各異、大型試驗布置復(fù)雜問題，并不能覆蓋所有試驗類型。因此通過適當(dāng)?shù)臏y量手段，對比分析長、短間隙放電過程中各特征參數(shù)的變化尤為重要。

現(xiàn)利用光電倍增管(photomultiplier，PMT)，光電集成電場傳感器等設(shè)備搭建光電聯(lián)合測量系統(tǒng)，分別測量獲得5 cm和3 m針-板間隙操作沖擊放電過程的空間電場、瞬時光功率等放電物理參數(shù)，根據(jù)這些觀測量對不同間隙尺度下的放電過程進(jìn)行階段劃分；通過對初始流注起始時刻、暗期起始時刻、二次流注起始時刻和擊穿時刻進(jìn)行統(tǒng)計，分析放電特征參數(shù)之間的關(guān)系，探究長、短間隙放電在初始流注和暗期階段的聯(lián)系。

1 光電聯(lián)合檢測系統(tǒng)搭建

長、短間隙放電試驗分別在北京昌平國網(wǎng)公司特高壓試驗基地和河北省輸變電設(shè)備安全防御重點實驗室開展，兩地氣壓約0.10 MPa，試驗時溫度在23～25 ℃，絕對濕度變化范圍為7.2～9.0 g/m3。兩地環(huán)境參數(shù)基本保持一致，以盡可能降低環(huán)境因素對本試驗的影響[19]。

操作沖擊放電試驗平臺示意圖和實物圖如圖1所示，實物圖以長間隙為例。對針-板試驗電極施加波形250/2 500 μs的正極性標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓。間隙距離布置為d=5 cm短間隙和d=3 m長間隙兩種類型。短間隙針電極長度l=3 cm，板電極S=30 cm×30 cm；長間隙球電極直徑D=1.3 m，針電極長度l=3 cm，板電極S=11 m×11 m。5 cm和3 m空氣間隙針電極曲率半徑均為0.5 mm并保持板電極接地。經(jīng)多次試驗確定，在上述電極條件下，5 cm和3 m針-板空氣間隙的50%放電電壓分別為45 kV和981 kV。

圖1 光電聯(lián)合檢測系統(tǒng)

采用Mach-Zehnder干涉儀[20-21]為基本結(jié)構(gòu)的光電集成電場傳感器和紫外波段(160～320 nm)的光電倍增管測量得到流注發(fā)展過程中的空間電場和瞬時光功率信號，示波器(Teledyne Lecroy 3024)讀取波形和幅值。短間隙試驗光纖橫置在距間隙軸線13 cm處，試驗過程中將電場傳感器探頭和光電倍增管尾纖固定在光纖上，距離板電極高度4 cm；長間隙試驗布置電場傳感器距電極軸線3 m，距地高度2.8 m，光電倍增管距電極軸線1.5 m、距地高度2.8 m。為保證無外界光源的影響，試驗在室內(nèi)無光條件下進(jìn)行。

2 長、短間隙下放電過程觀測

2.1 放電觀測結(jié)果

分別對5 cm和3 m針-板空氣間隙施加45 kV和981 kV的正極性標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓，光電聯(lián)合檢測系統(tǒng)采集到的長、短間隙放電過程的空間場強(qiáng)與瞬時光功率典型特性曲線如圖2所示。

T′1為5 cm間隙初始流注起始時刻；T′2為5 cm間隙暗期起始時刻；T′3為5 cm間隙二次流注起始時刻；T′4為5 cm間隙擊穿時刻；T1為3 m間隙初始流注起始時刻；T2為3 m間隙暗期起始時刻；T3為3 m間隙二次流注起始時刻；T4為3 m間隙擊穿時刻

5 cm間隙中，T′1=98.06 μs時PMT第一次檢測到了幅值為524.34 pW的光脈沖，同時場強(qiáng)傳感器檢測到了幅值為7.98 kV/m的電場躍升。3 m間隙中，T1=124.7 μs時光電倍增管檢測到了712.48 pW的光信號，此時場強(qiáng)傳感器檢測到了2.02 kV/m的空間電場躍升。在5 cm和3 m間隙中，當(dāng)外加電場達(dá)到初始流注起始場強(qiáng)，初始流注起始，同時空間中的粒子電離產(chǎn)生正電荷和自由電子并釋放出光子，因此PMT會檢測到光功率脈沖。由于電離產(chǎn)生的電子質(zhì)量較小，在電場力作用下會快速地向針電極移動并通過流注進(jìn)入針電極，正空間電荷由于質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子而滯留在空間中，使空間場強(qiáng)值出現(xiàn)了第一次躍升。

T′2=105.33 μs，PMT光功率降為0，電場強(qiáng)度躍升同步停止。T2=127.8 μs，PMT測得的瞬時光功率降低為0 pW同時電場躍升結(jié)束。在5 cm和3 m間隙中，初始流注產(chǎn)生的正空間電荷使針電極周圍空間電場受到抑制，電離過程停止，初始流注發(fā)展停滯，場強(qiáng)躍升停止，不再釋放光子，放電進(jìn)入暗期。5 cm與3 m間隙在暗期階段后的放電曲線出現(xiàn)差異，說明二者在暗期階段的放電發(fā)展過程不完全一致。長、短間隙放電在暗期階段都將經(jīng)歷以下兩個過程:一方面是自由電子經(jīng)過流注分支并進(jìn)入流注，以碰撞電離的形式將能量轉(zhuǎn)移給氣體分子作用于氣體溫度上升的過程；另一方面是畸變電場的恢復(fù)過程。由于5 cm間隙起暈電壓小，電離產(chǎn)生的自由電子較3 m間隙少，進(jìn)行碰撞電離將能量轉(zhuǎn)移作用于氣體分子溫度上升的電子也相應(yīng)較少，溫度達(dá)不到臨界溫度(1 500 K)[22]，無法形成先導(dǎo)。對于3 m長間隙而言，正空間電荷產(chǎn)生較多，產(chǎn)生的電子中作用于溫度升高的電子數(shù)目較多，又經(jīng)過能量的弛豫過程，中性分子溫度持續(xù)升高至1 500 K完成流注-先導(dǎo)轉(zhuǎn)化，但先導(dǎo)由于電極端部附近的電場被抑制不會立即發(fā)展。

T′3=202.44 μs，PMT再次檢測到光脈沖，5 cm間隙中隨著外加操作沖擊電壓的升高和滯留在流注前方正電荷的漂移和擴(kuò)散，放電將以二次流注形式繼續(xù)向前發(fā)展。T3=147.3 μs時，PMT也檢測到第二次脈沖，場強(qiáng)傳感器檢測到場強(qiáng)躍升。對于3 m長間隙而言，正空間電荷產(chǎn)生較多，經(jīng)過能量的弛豫過程，中性分子溫度持續(xù)升高至1 500 K完成流注-先導(dǎo)轉(zhuǎn)化，但先導(dǎo)由于電極端部附近的電場被抑制不會立即發(fā)展。空間中正電荷消散，電場恢復(fù)后，暗期結(jié)束。先導(dǎo)開始發(fā)展。

T′4=208.80 μs，瞬時光功率陡升，電場強(qiáng)度大幅下降。5 cm間隙中二次流注發(fā)展到板電極，間隙擊穿。T4=216.2 μs，3 m間隙中PMT測得光功率陡升同時空間電場產(chǎn)生了陡降。長間隙中先導(dǎo)即將發(fā)展到負(fù)極板，由于先導(dǎo)頭部與負(fù)極板間的電場強(qiáng)度很大，導(dǎo)致負(fù)電極附近發(fā)生強(qiáng)烈的碰撞電離，產(chǎn)生大量的自由電子和光子。隨后間隙擊穿空間電場逐漸降至0 kV/m。

2.2 長、短間隙放電物理特征參數(shù)變化規(guī)律

為了探究長，短間隙的放電規(guī)律，對5 cm和3 m針-板間隙分別施加45 kV和981 kV的正極性操作沖擊電壓，統(tǒng)計50%閃絡(luò)概率下兩種間隙針-板電極的初始流注起始時延，電場躍升和光功率躍升幅值、暗期時間并對不同間隙距離的上述參數(shù)進(jìn)行對比分析，參數(shù)變化曲線如圖3～圖5所示。在多組試驗過程中，確保每次加壓間隔足夠長，保證單次放電過程中產(chǎn)生的空間電荷充分消散，減小對試驗結(jié)果影響。

2.2.1 初始流注起始時延與電場躍升幅值的關(guān)系

如圖3所示，在5 cm和3 m針-板間隙中流注起始時延的增大都伴隨著電場躍升幅值的增大。流注起始時延與電場躍升幅值的變化趨勢一致。初始流注起始時延越大，流注起始時的外加電壓較大并產(chǎn)生了足夠多的有效自由電子。電子在向針電極移動中進(jìn)行碰撞電離的過程越劇烈，電離產(chǎn)生的自由電子會快速通過流注進(jìn)入針電極，空間中滯留的正電荷的數(shù)目越多，電場躍升的幅值也由此增大。因此當(dāng)流注起始時延越大，電場躍升幅值也變大。在長、短間隙中規(guī)律相近，初始流注起始時延與空間電場躍升幅值呈正相關(guān)的關(guān)系。

圖3 初始流注起始時延與電場躍升幅值的關(guān)系

2.2.2 暗期時間與電場躍升幅值的關(guān)系

圖4表明，在5 cm和3 m針-板間隙中電場躍升幅值的增大都伴隨著暗期時間的增大。電場躍升幅值和暗期時間的變化趨勢一致。出現(xiàn)電場躍升是由于空間中滯留了相當(dāng)數(shù)量的正電荷。當(dāng)電場躍升幅值越大，說明空間中碰撞電離產(chǎn)生的正空間電荷越多，抑制針電極頭部電場強(qiáng)度的能力越強(qiáng)。當(dāng)空間中滯留的正電荷越多，電荷消散所需要的電場恢復(fù)時間越長，相應(yīng)的，暗期時間也會變長。因此長、短間隙規(guī)律一致，暗期時間與初始流注空間電場躍升幅值呈正相關(guān)的關(guān)系。

圖4 暗期時間與電場躍升幅值的關(guān)系

2.2.3 光功率躍升與電場躍升幅值的關(guān)系

從圖5可以得出，在5 cm和3 m針-板間隙中光功率躍升幅值的增大都伴隨著電場躍升幅值的增大。電場躍升幅值和暗期時間的變化趨勢一致。當(dāng)空氣間隙中電離過程越劇烈，產(chǎn)生的正電荷越多，電場躍升值越大，同時釋放出的光子越多。長、短間隙規(guī)律一致，初始流注光功率躍升與空間電場躍升幅值呈正相關(guān)的關(guān)系。

圖5 光功率躍升與電場躍升幅值的關(guān)系

3 長、短間隙放電物理特征參數(shù)比較

為了進(jìn)一步分析兩種間隙的相似性，對放電過程中的流注起始時延、暗期時間、初始流注電場躍升幅值和初始流注光功率躍升幅值進(jìn)行統(tǒng)計分析，特征參數(shù)如表1所示。

表1 5 cm和3 m間隙放電物理特征參數(shù)

由表1可知，5 cm間隙暗期時間的均值較3 m間隙大2.40 μs；5 cm間隙初始流注起始時延的均值較3 m間隙大14.19 μs；5 cm間隙電場躍升幅值的均值較3 m間隙大1.15 kV/m，但5 cm間隙光功率躍升幅值的均值較短間隙小730.77 pW。

長、短間隙暗期時間，初始流注起始時延和電場躍升幅值的均值均相近，但光功率躍升幅值均值相差很大。上述物理特征參數(shù)之間不僅具有正相關(guān)這一共同的定性變化特征，初始流注起始時延，暗期時間，初始流注電場躍升幅值在長、短間隙中亦相近。但5 cm和3 m間隙中光功率躍升幅值相差很大。3 m針-板電極間隙距離較5 cm大，但5 cm間隙和3 m間隙電場躍升幅值相近，說明相對于5 cm間隙，在3 m間隙中碰撞電離過程更劇烈。針電極周圍產(chǎn)生了更多的正電荷，同時釋放出的光子越多，因此3 m間隙光功率躍升較5 cm間隙大很多。

對長、短間隙初始流注起始時延，暗期時間，初始流注電場躍升幅值和初始流注光功率躍升幅值的標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計如表2所示。

由表2可知，5 cm間隙暗期時間的標(biāo)準(zhǔn)差為1.10 μs，較3 m間隙小，為3.15 μs；5 cm間隙初始流注起始時延的標(biāo)準(zhǔn)差為12.09μs，較3 m間隙小，為19.30 μs；5 cm間隙空間電場躍升幅值的標(biāo)準(zhǔn)差為1.02 kV/m，較3 m間隙小，為2.08 kV/m；5 cm間隙光功率躍升幅值為64.38 pW，遠(yuǎn)小于3 m間隙，為795.15 pW。短間隙放電過程中物理特征參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差均小于長間隙。3 m間隙距離較長會形成先導(dǎo)放電，流注-先導(dǎo)轉(zhuǎn)換的過程極為復(fù)雜，且由于間隙距離的變長，流注-先導(dǎo)體系放電路徑發(fā)展的不確定性也在增加。不同尺度間隙的放電過程存在放電隨機(jī)性的差異。相比于短間隙，長間隙放電過程的隨機(jī)性較大。

表2 5 cm和3 m間隙放電物理特征參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差

4 結(jié)論

搭建了光電聯(lián)合檢測系統(tǒng)，對5 cm和3 m間隙的針-板電極放電過程進(jìn)行觀測，并在50%閃絡(luò)概率下測量空間電場和瞬時光功率，獲得了初始流注起始時延、暗期時間、初始流注電場躍升幅值和初始流注光功率躍升幅值等物理特征參數(shù)，進(jìn)行分析比較，得到了以下結(jié)論。

(1)5 cm間隙和3 m間隙在一定程度上具有相似性，主要表現(xiàn)在初始流注和暗期階段。在分別施加45 kV和981 kV的操作沖擊電壓試驗下，5 cm間隙與3 m間隙初始流注起始時延，暗期時間，電場躍升幅值相近，但光功率躍升幅值相差較大。

(2)5 cm間隙初始流注起始時延、暗期持續(xù)時間、電場躍升幅值和光功率躍升幅值方差分別為:1.10、12.09 μs、1.02 kV/m、64.38 pW；3 m間隙物理特征參數(shù)方差分別為:3.15、19.30 μs、2.08 kV/m、795.15 pW。短間隙放電過程中物理特征參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差均小于長間隙，長間隙放電隨機(jī)性較短間隙大。

(3)長、短間隙放電過程初始流注產(chǎn)生，發(fā)展，停滯和暗期階段發(fā)生的原因基本相同，二者放電的發(fā)展極為相似。對長、短間隙的特征分量進(jìn)行分析，得到暗期時間，初始流注起始時延，初始流注光功率躍升均與場強(qiáng)躍升值呈正相關(guān)的關(guān)系。在某些不易研究長間隙的場合，不考慮放電隨機(jī)性的影響，可以用短間隙為模型，研究長間隙初始流注和暗期階段的放電過程，給工程外絕緣所必須的長間隙放電試驗提供一定的參考作用。