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中国电科院承担的国家973计划项目相关成果科普

—— 浅谈特高压长空气间隙放电机理与雷电防护研究

百科知识中国仪表网2015年10月27日 09:41人气:33189

  【中国仪表网 百科知识】10月26日,《国家电网报》报道了由中国电科院承担的国家973计划项目相关成果科普知识,浅谈特高压长空气间隙放电机理与雷电防护研究,探索空气间隙放电奥秘。
  

  中国的能源基地与负荷中心相隔较远,电能需要从西部地区输送到东部负荷中心。2009年以来,中国相继建成晋东南—南阳—荆门、向家坝—上海等多项特高压交直流输电工程,这些输电线路都以空气作为绝缘介质,间隙距离最长达10余米。这些长距离的空气间隙,不仅长时间承受交流或直流运行电压,还要承受雷击或系统操作引起的更高水平的过电压。空气间隙击穿放电会危害系统的安全运行,选择合适的绝缘距离是工程设计的一项关键要素。
  
  什么是长空气间隙放电?不同结构的间隙(如分裂导线—杆塔间隙、分裂导线—分裂导线间隙)在不同波形的电压作用下击穿电压是多少?交流或直流运行电压叠加冲击电压时间隙的击穿电压有何变化?特高压输电工程的空气绝缘设计向我们提出了诸多亟待解答的问题。
  
  目前,空气间隙距离的选择主要依赖试验数据,而对于长空气间隙放电机理的研究则不够深入。通过大量试验获取间隙的绝缘特性是十分必要的。而探索空气放电的机理,进而实现对间隙击穿过程的仿真计算,则可有效指导试验的开展与绝缘设计的优化,大大节省人力与经济成本。
  
  认识长空气间隙放电
  
  大部分人对长空气间隙放电较为陌生,但对于雷电,我们却十分熟悉,夏季雷雨天气时闪电的形态给了我们深刻的印象。雷电是最常见的自然现象之一,随机发生并具有强烈的破坏性。雷电放电过程中会产生瞬时高电压、大电流、强电磁脉冲,同时伴随强烈的发光和巨大的声响。我们可以形象地将高压领域关注的长空气间隙放电比喻为“微缩”的雷电,只是空间尺度缩小了百倍或千倍。虽然在空间尺度、发展速度等参量上,二者存在差别,但是它们的发展过程相似,都是由分支状的发光通道逐步向前发展,至最终形成贯穿的明亮的放电通道,完成击穿。

    经过大量的试验观测研究,学者把长间隙放电的过程划分为几个基本阶段:初始流注、先导、末跃。流注和先导放电是长间隙放电的主要阶段。我们可以将流注—先导体系的形态想象成树木,流注是放电的起始阶段,有许多分支通道,形态就像树枝;在这些树枝的汇聚处,树干慢慢地生长,这树干就像先导;随着树木的生长,枝叶越发茂密,难以清晰的分辨细微枝节,而随放电发展,先导前端的流注区域也呈一片晕状;起初细小的树枝,渐渐粗壮,成为了树木主干的分支,这就像是先导的分支,我们看到的雷电发光通道就是分支状的先导;树干连接着土壤,为枝叶提供水分,枝叶进行光合作用,为树干的生长提供能量。而先导与流注之间的关系亦是类似,彼此提供所需,共同发展。而末跃,是间隙击穿前的最后阶段,流注到达间隙的另一端时,先导的发展速度骤然加快,形成贯穿间隙的明亮通道。这就是长间隙放电的基本过程。
  
  特高压长间隙放电研究进展
  
  对特高压工程长间隙放电进行研究,既要通过宏观的试验获取其放电特性,也需要深入各个发展过程进行微观观测,了解每个阶段的物理机理,获得每个阶段的参数,从而实现对放电过程的仿真计算。
  

  在宏观试验方面,获取长空气间隙在各种类型电压下的击穿电压最为重要。由于长间隙放电具有随机性,利用50%击穿电压U50来衡量间隙的绝缘性能——当该电压施加至间隙,发生击穿与不击穿的概率各为50%。我国开展了上万次放电试验,获取了不同温湿度、0~5000米海拔高度(北京、西宁、海晏、羊八井、唐古拉)、正/负极性雷电和操作过电压下、交直流电压叠加过电压时、1~15米范围内的棒—棒/棒—板/导线—杆塔等典型工程间隙的50%击穿电压。这些数据,直接为特高压输电工程的空气间隙绝缘距离选择提供了依据。
  
  在微观观测与机理分析方面,课题组研发了国际领先的长空气间隙放电电场、电流、三维光学图像、先导热学参数同步观测系统,对长间隙放电的各个阶段进行了细致的观测,更深层次地了解放电过程与机理。例如,利用自主研发的集成光学瞬态强电场传感器,首次测量得到放电存在的空间电场跃升现象;利用纳秒级的超高速图像增强相机拍摄放电,揭示流注起始的精细过程,包括电离云起始、电离云扩张与流注迸发三个阶段;利用激光流场成像技术,配合高速摄像仪,对流注—先导转换过程的温度场进行观测,放电通道内的温度由室温上升至上千开尔文。
  
  基于对放电机理的细致探索,课题组提出了放电各个阶段的物理模型,并在数值计算方法上进行改进,最终实现了考虑流注起始与发展、流注—先导转换、流注—先导体系发展与末跃过程在内的正极性冲击电压下的长间隙放电全过程数值计算模型。对于典型的工程间隙,计算结果与工程试验结果有较高的一致性。
  
  输电线路雷电防护
  
  雷电是一种典型的空气间隙放电现象。根据国际大电网会议公布的12个国家的275~500千伏、共计3.27万千米输电线路超过3年的统计数据,由雷击引起的故障占总事故的60%。随着输电线路电压等级的提高,由雷击所引起的跳闸更成为系统跳闸的最主要原因。
  
  我国大量的输电线路雷击现场情况分析表明,特(超)高压输电线路的雷击故障主要形式是绕击,即地线屏蔽失效,雷电绕过地线击中相线。雷电绕击,本质是一个长间隙放电问题,可以直观理解为输电线路与发展至输电线路附近范围的雷电先导所形成间隙的击穿问题。那么,雷击屏蔽为何会失效?如何能够使雷电尽可能多地击中地线而不是导线?为了对特高压输电线路的绕击过程进行深入研究,我国科研工作者首次利用真型分裂导线模拟试验观测到了输电线路的上行先导起始过程,并将上行先导实测参数考虑在绕击分析计算中,改善了计算的有效性。基于计算结果,可对雷电绕击防护进行优化配置,有效降低雷击故障率。
  
  课题组成功研制、搭建了国际领先水平的综合观测系统,对放电各阶段的机理进行了深入探索,所建立的模型初步实现了有效的仿真计算。长间隙放电研究的成果也应用于输电线路的雷电绕击防护中,使雷电绕击风险计算的准确性得到提高。
  
  展望未来,对特高压工程长空气间隙放电、线路防雷的研究仍然充满挑战。从工程应用角度,长空气间隙放电仿真计算在工程间隙设计中的有效应用、温湿度与海拔对放电特性的影响机理与定量计算、运行电压与气象参数对输电线路雷击事故的影响分析等问题还需进一步研究。
(本文来源:《国家电网报》转载请注明出处
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