1、doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2023.01.012低气压正极性 1 m 空气间隙冲击流注放电起始特性研究胡锦洋1，徐晓贇1，车俊儒2，张宛霞2，程晨2，贺恒鑫2(1 国网上海市电力公司嘉定供电公司，上海 201800;2 华中科技大学，湖北 武汉 430074)摘要:流注放电是正极性长空气间隙放电过程中首个完整放电阶段，获取低气压流注放电特性对于理解高海拔地区空气间隙击穿机制和雷击接闪过程具有重要意义。基于冲击电压下流注放电临界体积模型，同时考虑气压对临界体积内负离子脱附速率的影响，建立了综合考虑气压、电极曲率半径及电压上升率等多种因素的流注放电起始模型，实现了不
2、同工况下流注放电起始场强和起始时延等特征参数的计算。设计构建了基于低气压 1 m 空气间隙放电腔体的流注放电实验观测系统，实验获取了 0.06 MPa、0.08 MPa及 0.1 MPa 三种气压条件下的流注放电起始时延分布特性，并进一步对模型计算准确性进行了验证。利用该流注起始模型，在约化电场 E/N 恒定条件下，计算分析了气压、端部电极尺寸及电压上升率对流注放电起始平均电场和起始时延分散性的影响规律。该研究可为高海拔输变电工程设备绝缘配合和雷电屏蔽性能评估提供指导和参考。关键词:长空气间隙放电;低气压;流注起始;临界体积模型;放电时延中图分类号:TM855文献标志码:A文章编号:1008-
3、0198(2023)01-0070-09基金项目:国家自然基金面上项目(51977090)收稿日期:2022-09-02修回日期:2022-10-18Study on Initiation Characteristics of LowPressurePositivePolarity 1 m Air Gap Impinging Stream DischargeHU Jinyang1，XU Xiaoyun1，CHE Junru2，ZHANG Wanxia2，CHENG Chen2，HE Hengxin2(1 State Grid Shanghai Jiading Electrical Power
4、Supply Company，Shanghai 201800，China;2 Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)Abstract:Flow discharge is the first complete discharge stage in positive long air gap discharge It is importantto understand the mechanism of air gap breakdown and lightning flash process at high
5、 altitude to obtain thecharacteristics of low pressure flow discharge Based on the critical volume model of flow discharge underimpulse voltage，and considering the effect of gas pressure on the rate of negative ion desorption in criticalvolume，the initial discharge model is established，which conside
6、rs many factors such as gas pressure，curvature radius of electrode and rise rate of voltage，etc A flow discharge experimental observation systembased on a low pressure 1m air gap discharge chamber is designed and constructed，the distributioncharacteristics of the initial delay of flow discharge at 0
7、.06 MPa，0.08 MPa and 0.1 MPa are obtained，and theaccuracy of the model is further verified By using this model，it can be found that，under the constant conditionof reduced electric field E/N，the effects of gas pressure，electrode size and voltage rise rate on the initial meanelectric field and the dis
8、persion of initial time delay of the discharge are calculated and analyzed The research07第 43 卷第 1 期湖南电力HUNAN ELECTIC POWE2023 年 2 月can provide guidance and reference for insulation coordination and lightning shielding performance evaluation ofhigh altitude transmission and transformation engineerin
9、g equipmentKey words:long air gap discharge;low pressure;streamer initiation;critical volume model;discharge delay0引言空气间隙绝缘强度会随着海拔升高、气压降低而显著下降，确定空气间隙的绝缘特性、合理选择间隙距离以优化绝缘配置，是高海拔输变电工程面临的重要问题14。由于正极性冲击闪络电压低于负极性，因而在电力系统设备绝缘配合中主要关注正极性冲击放电击穿特性。在负极性雷电下行先导作用下，输电线路和杆塔上方将会产生向上发展的正极性先导放电，放电的起始和发展过程将直接决定雷击接闪点的位置
10、，因此正极性长空气间隙放电物理过程也是雷电屏蔽设计过程中所关注的重点。实验室正极性长空气间隙放电击穿过程，通常呈现多种复杂放电形式在时域上的连续演化，包括流注放电起始、先导起始、先导连续发展及末跃等过程58。流注放电是长空气间隙放电过程中的首个放电阶段，流注放电特征参数是评估后续先导是否起始的关键依据，因此获取流注放电特性是长空气间隙放电特性研究的基础。流注放电特性由碰撞电离、电子附着等多种电子行为共同决定9，整个过程持续时间很短，通常为百纳秒量级，对建立流注放电仿真模型和准确测量放电电学特征参数均提出了挑战。同时长空气间隙流注放电形成时间和发展路径存在明显的分散性，通道发光强度较弱10，导致
11、放电通道光学特征参数难以捕获，获取长空气间隙流注放电特性十分困难。在经典流注理论提出前，Peek 基于大量的实验结果，总结出大气压条件下导线电晕起始的临界电场判据公式11，但没有理论支撑且没有考虑冲击电压下电压上升率 du/dt 的影响，导致该判据存在很大的局限性。针对工程应用，Abdel Salam 等学者基于 Peek 判据，考虑了电极曲率半径对临界起始场强的影响，分别提出了大气压条件下直流电压和冲击电压作用下正极性棒板间隙的起始场强判据12，该判据在高压输电线路和设备绝缘性能评估方面被广泛采用。针对流注起始临界体积模型难以直接应用于实际工程中结构复杂电极的问题，耿屹楠通过简化临界体积模型
12、，同时考虑电压上升率对流注起始的影响，对文献 12 中的电压上升率相关系数进行了进一步修正13，获得了大气压条件下正极性冲击电压下流注起始场强判据。但上述流注起始判据均是基于实验结果总结得到的经验公式，适用范围受限于特定的放电实验条件和间隙结构，不具有普适性，而且未考虑流注放电起始阶段的物理过程，未深入研究形成机制。aether 基于经典流注理论，引入临界电荷数，提出了大气压条件下流注起始条件判据14，由于临界电荷数受环境条件及间隙约化电场影响很大，此后学者们对该判据的临界电荷数在不同条件下的取值进行了修正1520。Abdel Salam 等学者认为光子的数量影响二次电子崩形成，提出流注起始的
13、等效电子崩判据，即二次电子崩中产生的电子数大于初始电子崩产生的电子数时，流注即可自持发展21。Les enardires Group 为了进一步描述冲击电压下流注起始分散性，通过引入临界体积理论，提出了冲击电压下流注起始时延分散性的累积概率模型22;并进一步研究了湿度对负离子寿命的影响，考虑了 O2、O2(H2O)n(n=1，2，3)在电场下的吸附和脱附反应，提出了考虑湿度影响下的大气压下流注放电起始计算模型23。为研究湿度和电场强度对负离子寿命 d的影响，Allen、Harid、Nishijima 和 Bousiou 等学者在该模型的基础上进行了简化2427，研究分析了负离子寿命 d与湿度和
14、电场的关系。综上所述，目前关于标准大气条件下的长空气间隙流注放电的起始条件、起始分散性的统计规律和空间电荷特性的研究已经较为充分，而低气压下长间隙流注放电特性研究结果报道较少，现有的流注理论和临界体积模型不能计算低气压下长间隙流注放电的起始条件和起始分散性，也难以评估低气压条件下流注放电对先导起始过程的影响。同时，开展低气压长空气间隙放电实验，通常需要在高海拔地区进行，实验条件严苛，实验窗口期短28;并且实验条件不可能包含所有工况，对低气压放电物理过程和关键物理参数的研究工作不够深入，导致难以全面、准确获取气压大小对放电特性参数分布的影响规律。本文基于冲击电压下流注放电临界体积模型，同时考虑气
15、压对临界体积内负离子脱附速率的影响，建立综合考虑气压、电极曲率半径和电压上升17第 43 卷第 1 期石吉银:直驱风力发电机组故障电压穿越模型二次侧实测建模方法2023 年 2 月率多种参数的流注放电起始模型;进一步通过设计构建气压可调的低气压 1 m 空气间隙放电腔体，获取了不同低气压条件下流注放电实验数据，并与模型计算结果进行了对比分析;最后通过模型计算获取低气压条件下流注放电起始特性。本文研究可为高海拔条件下高压输变电工程绝缘设计和雷电屏蔽性能评估提供重要的指导和参考。1基于临界体积法的低气压流注放电起始模型1.1临界体积边界的计算与提取研究低气压流注放电起始时延概率分布，需要计算电极端
16、部的临界体积，在临界体积内由负离子脱附产生初始电子，最终导致流注起始，而当施加电压小于流注临界起始电压 Ui时，临界体积为 0，因此首先需要确定流注最小起始电压。经典流注理论认为初始电子崩产生的空间正离子数目必须大于某一临界值才能保证二次电子崩的发展，流注起始。因此当间隙施加某一电压值时，电极端部的轴向位置刚好有一点 za满足式(1)、式(2)，则此时施加的电压即为流注最小起始电压。Ns=expz0za E/N()E/N()()dl(1)Ns Nstable(2)式中，和 为碰撞电离系数和附着系数，均是与约化电场 E/N 相关的函数;z0表示电极端部的位置;l 表示初始电子崩到电极端部的距离;Nstable为临界电荷数，本文在标准大气条件下选取临界电荷数1820 Nstable=1104。当施加电压大于流注最小起始电压时，临界体积开始形成。临界体积由内外边界组成，外边界需要满足在该边界上碰撞电离系数等于附着系数，即(E/N)=(E/N)，在该边界以外，碰撞电离系数小于附着系数，电子无法通过碰撞电离产生电子崩。对于内边界，电子朝电极运动，通过碰撞电离产生的正离子数目刚好满足二次电子崩的发