臨近懸浮體影響下的均壓環放電特性研究

馬永福 包正紅 王生杰 李斯盟 任繼云

臨近懸浮體影響下的均壓環放電特性研究

馬永福1包正紅1王生杰1李斯盟2任繼云1

（1. 國網青海省電力公司電力科學研究院，西寧 810008； 2. 西安交通大學，西安 710049）

目前，現場交流耐壓試驗中被試設備頂部均壓環安全距離范圍內的懸浮體對試驗的影響尚不清楚，開展臨近懸浮體影響下的均壓環放電特性研究對提高現場試驗效率具有重要意義。首先搭建基于工頻試驗變壓器的模擬試驗平臺，通過反復試驗獲得750kV、330kV和110kV三個電壓等級共12種工況下的最大放電距離；其次建立三維模型，通過仿真計算掌握試驗時的空間最大電場、懸浮體表面電勢及其分布規律，通過引入修正系數及其擬合計算，使仿真模型具有普適性；最后考慮現場交流耐壓試驗電壓頻率為非工頻的現狀，開展空氣擊穿放電特性與試驗電壓頻率的相關性研究，獲得最大放電距離與試驗頻率的關系曲線。研究成果進一步完善了現場交流耐壓試驗體系，可為今后開展此類試驗提供技術支撐。

交流耐壓試驗；懸浮電位；放電特性；參數修正；試驗頻率

0 引言

組合電器等變電主設備在新建、改擴建、大修后都需要開展現場交流耐壓試驗[1-2]，以檢驗設備內部絕緣狀況和安裝工藝質量。在現場交流耐壓試驗過程中普遍存在被試設備（施壓體）電氣安全距離內有金屬或非金屬懸浮體的情況，試驗前一般將懸浮體拆除，但此種方式費時費力，甚至會延誤工期。

文獻[3-5]主要對現場交流耐壓試驗原理、方法、裝置、參數等進行研究；文獻[6]介紹了一種基于并聯補償電抗器的串聯諧振耐壓試驗方法；文獻[7]對現場交流耐壓試驗用防風抗暈試驗導線進行介紹；文獻[8]對同頻同相新型試驗技術進行分析和探討；文獻[9-12]對交流耐壓試驗現場容易出現的特殊問題進行探討，并給出具體處理措施。綜上所述，目前關于現場交流耐壓試驗方面的研究主要集中在試驗方法、參數修正、影響因素、新型試驗技術及現場試驗相關問題等方面，對于臨近懸浮體在耐壓試驗過程中的影響鮮有研究和報道。

本文搭建750kV、330kV和110kV三個電壓等級下的水平環-水平環、水平環-豎直環、水平環-水平瓷柱及水平環-豎直瓷柱四種布置方式共12種工況下的模擬試驗平臺和仿真模型，研究交流耐壓試驗時懸浮體對施壓體的影響，為后續開展此類試驗提供技術依據。

1 模擬試驗

1.1 試驗裝置及試品

電源采用1 800kV/2A工頻無局放試驗變壓器成套試驗設備。以三個電壓等級常規均壓環作為施壓體，與試驗變壓器高壓輸出端連接，試驗時施壓體均壓環模擬現場試驗以水平方式布置；以相應電壓等級均壓環和瓷柱式絕緣子作為典型懸浮體，懸浮在空氣中；調整懸浮體布置方式（水平或豎直），對施壓體施加工頻耐受電壓進行模擬試驗。各均壓環尺寸、曲率和光潔度等參數與現場基本一致。瓷柱式絕緣子選用普通單節絕緣子。

1.2 試驗方法

在高海拔高電壓實驗室將施壓體和懸浮體平穩吊起，以5cm固定步長調整施壓體和懸浮體之間的相對距離（以兩試品最外邊緣計），在每一種距離下將施壓體電壓從零穩步增加至耐受電壓值[1]，加壓過程中仔細觀察施壓體和懸浮體之間的放電情況，當出現火花放電或電弧放電時，應對間距進行記錄。在每一種工況下不斷調整間距，重復開展上述試驗過程，直到找到各工況下保證能夠發生火花放電或電弧放電的最大間距，記為最大放電距離。以330kV四種工況為例，試驗過程如圖1所示。

1.3 試驗結果

經調整間距反復試驗，得出12種工況下的最大放電距離和放電位置，試驗結果見表1。

表1 試驗結果

注：*表示該距離下未發生放電，考慮工程實際中出現此種懸浮情況的概率極小，因此本工況試驗結果按照該最小距離計。

2 仿真計算

建立三維有限元仿真模型，分析施壓體和懸浮體之間的電勢和電場分布規律，判斷放電位置，并與模擬試驗結果進行對比分析。

2.1 仿真模型

首先采用式（1）所示泊松方程計算工頻電壓峰值時刻的電場分布，由于負極性更容易產生電子崩，且湯遜判據與陰極二次電子發射有關，因此在計算時考慮負極性電壓（施壓體）。

式中：r為空氣相對介電常數；0為真空介電常數；為空間電勢；為空間電荷密度。

設置無限元域模擬無限遠處為地電位，考慮電氣擊穿特性，加壓導體電位設置為負極性交流峰值，未加壓導體設置為懸浮電位（即初始電壓與電荷均為0），靜電模塊及電擊穿檢測模塊邊界設置如圖2所示，仿真計算過程中不考慮空間電荷畸變，僅考慮背景電場分布。

圖2 靜電模塊及電擊穿檢測模塊邊界設置

采用湯遜判據分析空氣中帶電設備的起暈條件，其基本判據為

采用流注判據分析空氣中帶電設備的擊穿條件，其基本判據為

使用有限元仿真軟件中的空氣間隙電擊穿檢測模塊：①當結果滿足湯遜判據時，認為產生電暈放電，此時計算結果輸出為1，與陰極表面二次電子發射系數有關；②當結果滿足流注判據時，認為產生電弧擊穿，此時計算結果輸出為2，流注判據與無關，只認為超過空間電場閾值（軟件自帶常數17.7）就會產生二次電子崩；③上述判據均不滿足時，認為不放電，此時計算結果輸出為0。

2.2 仿真方法

基于所設置的氣壓與溫度參數，由靜電場中計算的電場分布獲得不同位置的碰撞電離系數，然后通過碰撞電離系數計算放電通路的總電子數，最后判斷總電子數對應的正離子是否能在陰極產生二次電子（電暈）或總電子對電場的畸變是否滿足二次電子崩判據（流注判據）。

由于未考慮表面粗糙、雜質、空氣水分等影響因素，仿真計算結果比現實情況更為理想，因此需要對仿真參數進行適當修正。選擇計算區域的閾值電場強度c（即超過c的區域才參與判據計算）作為仿真的修正參數，c的默認取值為30kV/cm，為了與實際工況相符，用式（4）所示的Peek公式代替c，考慮海拔因素有

式中：on為導線的起暈電場強度；0和為經驗常數，0=33.1kV/cm（正極）或31.0kV/cm（負極），=0.24（正極）或0.308（負極）；為相對空氣密度，標準大氣壓下 =1，仿真條件下 =0.7；為導體半徑（cm）；為表面粗糙系數，=0.7。

為了使較為理想的仿真結果與試驗結果匹配，引入修正系數對由Peek公式獲取的c進行修正，即

2.3 仿真結果

以試驗結果為標準進行修正后的12種工況最大放電距離和修正系數仿真結果見表2，懸浮電位及電場強度仿真結果見表3，以330kV水平環-水平環工況為例，最大放電距離下的電位分布、電場強度分布、放電位置云圖如圖3所示。

表2 最大放電距離及修正系數仿真結果

表3 懸浮電位及電場強度仿真結果

圖3 仿真結果

3 修正系數擬合

修正系數的引入使仿真結果與試驗結果基本吻合，在現場試驗裝備及試品發生變化時，為進一步獲得現場可直接應用的放電判據模型，需要對修正系數進行擬合計算。

3.1 擬合函數自變量

修正系數縮放的是由Peek公式獲取的計算域電場強度閾值，具有一定物理意義。在對修正系數進行擬合時，其作為因變量，需要匹配合適的擬合函數自變量。

3.2 擬合結果

1）水平環-水平環

三個電壓等級水平環-水平環工況擬合結果如圖4所示，擬合函數如式（6）所示。

圖4 水平環-水平環擬合結果

2）水平環-豎直環

三個電壓等級水平環-豎直環工況擬合結果如圖5所示，擬合函數如式（7）所示。

圖5 水平環-豎直環擬合結果

3）水平環-水平瓷柱

三個電壓等級水平環-水平瓷柱環工況擬合結果如圖6所示，擬合函數如式（8）所示。

圖6 水平環-水平瓷柱擬合結果

4）水平環-豎直瓷柱

三個電壓等級水平環-豎直瓷柱環工況擬合結果如圖7所示，擬合函數如式（9）所示。

圖7 水平環-豎直瓷柱擬合結果

4 放電特性與電壓頻率相關性

現場交流耐壓試驗一般采用變頻串聯諧振方法進行，試驗頻率在30～300Hz之間。本文模擬試驗和仿真計算全部基于工頻開展，為了使研究成果更好更快地應用于現場試驗，開展放電特性與試驗電壓頻率的相關性研究。

4.1 參數設置

仿真模型中擊穿檢測瞬態仿真時長為10ms，即50Hz頻率下的半個周波時長，在開展頻率相關性研究時，選取25Hz、50Hz、75Hz、100Hz、200Hz和300Hz六個典型頻率，根據典型頻率計算半個周波時長，在12種工況下分別進行計算。

4.2 計算結果

四種工況不同頻率下的仿真結果如圖8～圖11所示。

圖8 水平環-水平環工況

圖9 水平環-豎直環工況

圖10 水平環-水平瓷柱工況

4.3 放電特性與電壓頻率的相關性

施壓體和懸浮體間的最大放電距離隨著電壓頻率的增大而減小，這是由于隨著電壓頻率的增加，電壓半波時間減小，可用于產生電子崩并維持電弧發展的時間減少，因此發生擊穿性放電需要更短的距離。

圖11 水平環-豎直瓷柱工況

5 結論

1）同一電壓等級下施壓體和懸浮體間的最大放電距離最小值出現在水平環-水平瓷柱布置方式中，原因為瓷柱兩端金屬法蘭容易增強局部電場；同一試品布置方式中最大放電距離隨著電壓等級的升高而增大；模擬試驗中12種工況下的最大放電距離范圍為5～50cm，現場兩設備間實際布置距離一般遠大于該范圍，因此可直接忽略懸浮體影響進行交流耐壓試驗。

2）耐壓試驗中懸浮體懸浮電位與電壓等級呈正相關，最大懸浮電位為590kV，空間最大電場強度為55.4kV/cm。修正系數根據仿真工況不同與自變量呈指數或線性規律。

3）施壓體和懸浮體間的最大放電距離隨著試驗電壓頻率的增大而減小，仿真模型可直接應用于試驗參數發生變化的各類現場試驗。

[1] 電氣裝置安裝工程 電氣設備交接試驗標準: GB 50150—2016[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2016.

[2] 侍海軍, 張少炎, 王光前. 氣體絕緣組合電器現場試驗現狀與發展[J]. 絕緣材料, 2004, 37(6): 44-47.

[3] 溫定筠, 張秀斌, 孫亞明, 等. GIS交流耐壓試驗原理與裝置[J]. 電氣技術, 2014, 15(10): 108-109.

[4] 劉澤洪, 韓先才, 黃強, 等. 長距離、大容量特高壓GIL現場交流耐壓試驗技術[J]. 高電壓技術, 2020, 46(12): 4172-4181.

[5] 侯中峰, 劉瞻, 任民, 等. 一種大型汽輪發電機交流耐壓試驗方法[J]. 電氣技術, 2021, 22(6): 102-105.

[6] 覃宗濤. 并聯補償電抗器在串聯諧振耐壓試驗的應用[J]. 電氣技術, 2020, 21(5): 95-97.

[7] 楊照光, 張凱, 溫定筠, 等. 超高壓電氣設備現場交流耐壓試驗用防風抗暈試驗導線的研究與應用[J]. 高壓電器, 2015, 51(5): 118-122.

[8] 黃湛裕, 任重. 基于同頻同相技術的500kV瓷柱式SF6斷路器交流耐壓試驗分析[J]. 電氣技術, 2017, 18(2): 111-116.

[9] 陳忠. 串聯諧振耐壓試驗的現場問題及解決方法[J]. 電網技術, 2006, 30(增刊1): 205-207.

[10] 蔣頔. 高壓電氣設備交流耐壓試驗特殊情況及處理措施[J]. 工程技術研究, 2019, 4(20): 139-140.

[11] 哈圖. 高壓電氣設備交流耐壓試驗中的特殊情況研究[J]. 科技資訊, 2018, 16(33): 32-34.

[12] 穆焜, 秦瑩, 李勇. GIS現場耐壓試驗與相關設計問題分析[J]. 高壓電器, 2017, 53(12): 236-240.

Research on discharge characteristics of the equalizing ring under the influence of the adjacent suspension

MA Yongfu1BAO Zhenghong1WANG Shengjie1LI Simeng2REN Jiyun1

(1. State Grid Qinghai Electric Power Research Institute, Xining 810008; 2. Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049)

During the on-site AC withstand voltage test, the influence of the suspension within the safe distance of the pressure equalizing ring on the top of the tested equipment is still unclear, it is important to carry out research on the discharge characteristics of the pressure equalizing ring under the influence of the adjacent suspension so as to improve the efficiency of the test significance. In this paper, a simulation test platform based on the power frequency test transformer is built first, and the maximum discharge distances under 12 working conditions of three voltage levels of 750kV, 330kV and 110kV are obtained through repeated tests. Secondly, a three-dimensional model is established, and the simulation calculation the maximum electric field in space, the surface potential of the suspended body and its distribution rules during the test are mastered, and the simulation model is universal by introducing the correction coefficient and its fitting calculation. Finally, it is considered that the voltage frequency of the on-site AC withstand voltage test is not 50Hz. At present, the correlation study between the air breakdown discharge characteristics and the test voltage frequency is carried out, and the relationship curve between the maximum discharge distance and the test frequency is obtained. The research results further improve the on-site withstand voltage test system, and provide technical support for such tests in the future.

AC withstand voltage test; floating potential; discharge characteristics; parameter correction; test frequency

國網青海省電力公司群眾性技術創新基金資助項目（52280721000D）

2022-05-05

2022-06-21

馬永福（1994—），男，青海西寧人，助理工程師，主要從事變電設備特殊交接試驗及診斷試驗工作。