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(guó) 畢茂強(qiáng)

（1.重慶大學(xué)輸配電裝備及國(guó)家系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400044 2.湖北超高壓輸變電公司 武漢 430050）

1 引言

近年來(lái)，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(duì)各國(guó)輸電線路的安全運(yùn)行提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。在我國(guó)，隨著超特高壓電網(wǎng)建設(shè)速度的加快，運(yùn)行電壓等級(jí)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(wèn)題[1]。強(qiáng)降雨時(shí)發(fā)生空氣間隙絕緣擊穿事故就是其中的主要問(wèn)題之一，表 1列出了自 2005年以來(lái)我國(guó)輸電線路在暴風(fēng)雨天氣發(fā)生導(dǎo)線對(duì)桿塔空氣間隙擊穿事故的不完全統(tǒng)計(jì)情況。由表 1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，降雨條件下空氣間隙絕緣擊穿事故已嚴(yán)重影響我國(guó)電力系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。但到目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)降雨條件下空氣間隙放電特性和機(jī)理的研究還很少，并且在進(jìn)行外絕緣設(shè)計(jì)時(shí)也一般不考慮淋雨對(duì)空氣間隙放電特性的影響，對(duì)降雨條件下空氣間隙的放電機(jī)理并沒(méi)有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。目前只有少部分學(xué)者對(duì)淋雨條件下的空氣間隙放電進(jìn)行了研究，其中，文獻(xiàn)[2,3]分別對(duì)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(jìn)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(shí)會(huì)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(yàn)基地研究了淋雨對(duì)真型均壓環(huán)與真型塔窗空氣間隙的放電影響[4]，試驗(yàn)結(jié)果表明：被雨水濕潤(rùn)后的空氣間隙的操作沖擊放電電壓有明顯降低的趨勢(shì)，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(xiàn)[5]則研究了風(fēng)雨對(duì)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(qiáng)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(xiàn)[6]通過(guò)對(duì)直流正極性棒-板空氣間隙的試驗(yàn)研究，也得出了相同的結(jié)論。

雖然現(xiàn)有的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[7,8]對(duì)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(xiàn)[7]應(yīng)用g參數(shù)法校正空氣間隙放電電壓時(shí)規(guī)定其校正公式的適用條件是：①1≤h/δ≤15；②海拔不超過(guò) 2km。但在自然降雨中，環(huán)境相對(duì)濕度達(dá)到 100%，h/δ的值往往超過(guò)了 15，不滿(mǎn)足g參數(shù)法的應(yīng)用條件。而文獻(xiàn)[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(guó)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(jì)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(duì)外絕緣放電的影響目前尚未達(dá)成共識(shí)，有必要對(duì)其進(jìn)行深入的探討。同時(shí)，對(duì)淋雨條件下外絕緣放電的研究對(duì)我國(guó)電網(wǎng)的安全運(yùn)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(yàn)室和雪峰山自然試驗(yàn)站對(duì)棒-板短空氣間隙在淋雨條件下的放電特性進(jìn)行了研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析了淋雨對(duì)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(duì)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(yàn)布置及方法

人工模擬淋雨試驗(yàn)是在直徑7.8m、高11.6m人工氣候室[9]內(nèi)完成的?！鞍?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(yàn)原理如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)原理示意圖T1—調(diào)壓器 T2—試驗(yàn)變壓器 R0—保護(hù)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(yàn)電壓由500kV交流污穢試驗(yàn)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(cè)量?jī)x（PTU200）測(cè)量，在環(huán)境溫度為20℃時(shí)，其溫度、相對(duì)濕度和氣壓的測(cè)量誤差分別為±0.2℃、±1%和±0.03kPa。試驗(yàn)采用 JFZ—01型數(shù)字式雨量計(jì)測(cè)量淋雨強(qiáng)度，采用DD—810E精密型電導(dǎo)率儀測(cè)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(shí)控制雨水溫度與環(huán)境溫度差小于2K。

所有試驗(yàn)均采用均勻升壓法進(jìn)行加壓，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的有效試驗(yàn)次數(shù)至少為10次，為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，每隔3～5min進(jìn)行淋雨強(qiáng)度的測(cè)量，保證淋雨強(qiáng)度在有效范圍之內(nèi)。

本文對(duì)長(zhǎng)度為0.2m、0.4m、0.6m的三種“棒-板”間隙進(jìn)行了人工淋雨試驗(yàn)。人工模擬淋雨由符合IEC標(biāo)準(zhǔn)要求的淋雨排產(chǎn)生，可根據(jù)要求調(diào)節(jié)淋雨強(qiáng)度和方向，須注意的是，在每次加壓前應(yīng)觀察雨水運(yùn)動(dòng)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(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 淋雨的影響規(guī)律

根據(jù)以上試驗(yàn)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(yàn)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(shí)環(huán)境相對(duì)濕度RH為100%，淋雨強(qiáng)度的測(cè)量誤差為±0.3mm/min，試驗(yàn)時(shí)的雨水電導(dǎo)率γ20為384±10μS/cm。表中淋雨強(qiáng)度為0mm/min時(shí)的間隙擊穿電壓為停雨2min后測(cè)得的，此時(shí)棒-板間隙周?chē)鄬?duì)濕度仍然為100%。

表2 人工氣候室模擬試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)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(qiáng)度的關(guān)系Fig.2 Breakdown voltages vs.rain intensity at different gap separations

由表 2可知，試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于 4%，且23個(gè)試驗(yàn)結(jié)果中僅2個(gè)的標(biāo)準(zhǔn)偏差超過(guò)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(duì)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(qiáng)度有關(guān)，即隨淋雨強(qiáng)度的增加而降低。但淋雨對(duì)其影響不明顯，如淋雨強(qiáng)度從0增加到14mm/min時(shí)，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(jī)理

淋雨時(shí)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(xiàn)[10]曾通過(guò)試驗(yàn)指出懸浮在絕緣氣體中的自由移動(dòng)的金屬顆粒會(huì)導(dǎo)致?lián)舸╇妷旱膰?yán)重下降。

淋雨條件下，空氣間隙中雨滴的存在會(huì)對(duì)電場(chǎng)產(chǎn)生強(qiáng)烈畸變：雨滴內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)較低，雨滴外部場(chǎng)強(qiáng)較高，這種畸變使得電極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)有所變化，導(dǎo)致電極附近的局部電場(chǎng)得到加強(qiáng)。而局部電場(chǎng)的增強(qiáng)會(huì)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(chǎng)的增強(qiáng)還會(huì)加快電子和正負(fù)離子的運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而有助于流注的發(fā)展。

其次，在淋雨強(qiáng)度較大時(shí)（此時(shí)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(chǎng)畸變更加嚴(yán)重，更有利于放電的發(fā)展。

為了進(jìn)一步說(shuō)明雨滴對(duì)空間電場(chǎng)的畸變作用，本文對(duì)棒-板空氣間隙中有雨滴時(shí)的靜電場(chǎng)分布進(jìn)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(wú)水滴時(shí)的靜電場(chǎng)分布Fig 3.The distribution of electric field in air gap with and without droplets

表3 間隙最大場(chǎng)強(qiáng)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(duì)棒-板空氣間隙電場(chǎng)的影響也越小。對(duì)直徑為1mm的雨滴，間隙中最大場(chǎng)強(qiáng)值為2 3.16kV/cm，僅比沒(méi)有雨滴時(shí)的空間場(chǎng)強(qiáng)增加了0.68kV/cm；而對(duì)直徑為 8mm的雨滴，此時(shí)空間最大場(chǎng)強(qiáng)值為30.00kV/cm，比沒(méi)有雨滴時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)增加了7.52kV/cm。由此可以看出，當(dāng)雨滴直徑增大時(shí)（即淋雨強(qiáng)度增加時(shí)），雨滴對(duì)其周?chē)臻g電場(chǎng)的畸變程度會(huì)隨之增強(qiáng)，也就是說(shuō)，隨著淋雨強(qiáng)度的增大，間隙擊穿電壓會(huì)隨之降低，這與試驗(yàn)所得到的結(jié)果相一致。

4 淋雨強(qiáng)度對(duì)放電電壓影響的校正

由圖2的試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著淋雨強(qiáng)度的增大，間隙擊穿電壓會(huì)逐漸降低，即呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；同時(shí)，自然降雨特別是大暴雨時(shí)，環(huán)境的相對(duì)濕度達(dá)到100%，因此在校正過(guò)程中沒(méi)有考慮絕對(duì)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(xiàn)[7]提出的g參數(shù)法擬合時(shí)，得到的空氣密度指數(shù)m為負(fù)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(chǎng)結(jié)果的誤差也較大?；谝陨先c(diǎn)，本文將壓強(qiáng) p（即海拔高度 H）和環(huán)境溫度T作為兩個(gè)獨(dú)立的參數(shù)進(jìn)行分析，并根據(jù)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(qiáng)度的電壓校正公式，即

式中，U1為海拔1000m，t=20℃時(shí)的放電電壓，根據(jù)文獻(xiàn)[11]可知 U1=0.909U0，U0為 p=101.3kPa，t=20℃時(shí)（此時(shí)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(qiáng)度校正指數(shù)；I為瞬時(shí)淋雨強(qiáng)度，mm/min；c為淋雨強(qiáng)度的影響系數(shù)；n為淋雨強(qiáng)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(duì)表2的試驗(yàn)結(jié)果直接進(jìn)行擬合計(jì)算，得到的n值是不收斂的。因此，有必要采用另外的方法對(duì)表2的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合。

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

表4 0.4m棒-板空氣間隙試驗(yàn)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(jìn)行擬合，得到間隙距離為 0.4m，淋雨強(qiáng)度為 9mm/min時(shí)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(yàn)結(jié)果按照式（3）進(jìn)行擬合，得到間隙距離分別為0.2m、0.4m和0.6m時(shí)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(qiáng)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(zhǎng)度d的關(guān)系為

其中，式（5）的擬合相關(guān)系數(shù)平方達(dá)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(biāo)準(zhǔn)[11]，對(duì)于海拔低于 1000m的地區(qū)，按 1000m條件進(jìn)行校正，因此對(duì)于式（7），當(dāng)H≤1000m時(shí)，取KH=1。

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

圖4 間隙擊穿電壓與淋雨強(qiáng)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(shí)，間隙擊穿電壓與淋雨強(qiáng)度近似呈線性關(guān)系。因此，在式（7）中利用泰勒級(jí)數(shù)將 KI=(1-0.0189I)n展開(kāi)，其中n=0.2752，并略去二階以上的高階項(xiàng)后可得淋雨條件下棒-板空氣間隙交流放電電壓的淋雨強(qiáng)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(shí)，淋雨強(qiáng)度每增加2mm/min，對(duì)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(yàn)證及電壓預(yù)測(cè)

5.1 校正公式驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)由人工氣候試驗(yàn)結(jié)果得到的式（7）的準(zhǔn)確性，本文在人工氣候室對(duì)不同間隙下的棒-板空氣間隙進(jìn)行了淋雨放電試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

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

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

5.2 淋雨時(shí)棒-板空氣間隙交流擊穿電壓預(yù)測(cè)

利用式（7），本文對(duì)其他淋雨條件下的棒-板空氣間隙擊穿電壓也進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并與實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6、表7。

表6 人工氣候室0.7m棒-板空氣間隙試驗(yàn)結(jié)果及預(yù)測(cè)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(yàn)站自然降雨條件下0.05～0.15m棒-板空氣間隙試驗(yàn)結(jié)果及預(yù)測(cè)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(yàn)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(duì)0.7m棒-板空氣間隙放電電壓進(jìn)行預(yù)測(cè)的效果較好。

由表7可知：

（1）式（7）與自然降雨條件下試驗(yàn)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(xiàn)[5,6]指出，降雨時(shí)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?yàn)室試驗(yàn)結(jié)果擬合得到的，試驗(yàn)時(shí)的雨水電導(dǎo)率為 384μS/cm左右，而在雪峰山現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，其雨水電導(dǎo)率只有 40μS/cm，而本文提出的校正式（7）并沒(méi)有考慮雨水電導(dǎo)率的影響；此外，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)風(fēng)速較大，棒在風(fēng)的作用下左右搖擺對(duì)試驗(yàn)結(jié)果也會(huì)有一定的影響。最后，自然降雨時(shí)，棒電極的末端可能會(huì)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(huì)在一定程度上減小空氣間隙的距離，另一方面它們本身對(duì)空間電場(chǎng)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(yàn)值要低于式（7）所得到的計(jì)算值。

6 結(jié)論

（1）淋雨時(shí)，棒-板空氣間隙的交流放電電壓分散性較小，其標(biāo)準(zhǔn)偏差基本都小于 3%；棒-板空氣間隙的交流放電電壓會(huì)隨淋雨強(qiáng)度的增加而逐漸降低，對(duì) 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(shí)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(qiáng)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(shí)，淋雨強(qiáng)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(cè)，但在自然條件下，采用該方法得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)值誤差較大，需進(jìn)一步研究分析。

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