正极性操作冲击下棒-棒间隙先导发展试验与仿真研究

正极性操作冲击下棒-棒间隙先导发展试验与仿真研究

Experimental and Simulation Study on the Leader Development in Rod-rod Air Gaps Under Positive Switching Impulse Voltage

谢耀恒¹, 刘赟¹, 叶会生¹, 贺恒鑫², 何俊佳²

1．国网湖南省电力公司电力科学研究院,湖南省长沙市 410007

2．华中科技大学电气与电子工程学院,湖北省武汉市 430074

XIE Yaoheng¹, LIU Yun¹, YE Huisheng¹, HE Hengxin², HE Junjia²

1. Electric Power Research Institute, State Grid Hunan Electric Power Company, Changsha 410007, Hunan Province, China

2. School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Province, China

谢耀恒(1985),男,博士,主要从事电力系统过电压、长间隙放电和电力设备状态检测方面的研究,xieyaoheng@163.com

文章编号: 0258-8013(2016)21-5983-07 中图分类号: TM85

摘要

先导发展是正极性棒-棒长间隙放电中影响其击穿特性的最主要过程,为了更加准确的研究并获得先导发展特性,基于两台CMOS高速摄相机,通过搭建棒-棒长间隙放电综合观测平台,开展了不同尺度下放电试验,获得了比传统方法更加清晰的先导发展过程图谱。然后作为进一步的对比研究,建立了考虑上、下棒电极电场畸变作用对先导发展影响的仿真模型,利用试验结果验证了该模型的准确性,并运用所提出的仿真模型对先导发展过程进行了仿真。试验和仿真结果表明,负极性上行先导在先导跃变阶段才会起始并朝正极性下行先导方向发展,两者的发展速度几乎相等并随着距离接近发展越快,负极性上行先导发展长度几乎等于跃变距离的一半。

关键词 : 正极性放电; 操作冲击; 先导发展; 棒-棒间隙; 仿真;

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.152489

ABSTRACT

The main form of electrical discharge in long air rod-rod gaps is broken down by leader mechanism. The leader development in rod-rod gaps under positive switching impulse was investigated by using two high-speed CMOS cameras. The clearer and more particular colorized physical morphology of the leader propagation process than the traditional image converter cameras was recorded and the leader development parameters were also obtained. As a comparative study, an improved simplified model for the rod-rod configuration was performed to simulate the leader development. The numerical simulations of leader development characteristics were in a close agreement with that of experimental measurements. From the experimental measurements and simulated results, it is obtained that the negative upward leader is incepted at the beginning of the final jump stage and develops to the positive downward leader. Moreover, the propagation velocities of both leaders are almost equal and keep gradually increase with the decrease of the distance of the rest gap. The length of the negative upward leader is almost half of the final jump distance.

KEY WORDS : positive discharge; switching impulse; leader development; rod-rod air gap; simulation;

0 引言

操作冲击下的长空气间隙击穿特性是高压设备外绝缘设计的基础参数,先导放电是长空气间隙的主要放电形式。因此,国内外学者和机构对不同试验条件下的长空气间隙先导放电发展过程以及特性开展了大量试验和理论研究^[1-6]。在这些研究当中大多数是基于棒-板间隙结构下开展工作的。在这种间隙结构下,板作为地电极,棒电极施加操作冲击电压,先导从棒电极起始并朝向板电极发展。目前有部分学者基于棒板间隙下的试验结果建立了先导发展仿真模型^[7-10],能计算不同条件下的先导放电特征参数,指导工程应用。

棒-棒间隙作为另外一种基本放电间隙,主要用于研究如绝缘子串的外绝缘特性,相比棒-板间隙,棒-棒放电间隙的试验和理论研究报道较少。在20世纪80年代,Suzuki和Hutzler使用ICC(image converter cameras)相机才观测到了棒-棒间隙先导的放电过程^[11],由于该相机采用的是条纹模式,不能获得先导发展的时间特征。目前基于互补性金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor transistor,CMOS)原理的高速摄像机技术快速发展,已有学者将其应用到放电现象研究中^[12-15]。现有的CMOS高速相机拍摄速度可达10⁶帧/秒,并具有很高的分辨率,相比ICC相机更适合长间隙放电先导发展过程的研究。

在已有的研究工作中^[16-19],先导发展仿真模型是建立在棒-板间隙结构下的,间隙结构对电场分布的影响只考虑棒电极的畸变作用。而在棒-棒间隙中,上棒电极和下棒电极以及从下棒电极起始与发展起来的电晕流注都会影响间隙的电场分布,从而影响从上棒电极起始的下行先导发展过程。并且,现有的先导发展仿真模型没有考虑跃变阶段中下行先导和从下棒电极起始的上行先导的发展过程。

本文首先开展了正极性操作冲击下的棒-棒间隙放电试验观察研究,其中使用了两台CMOS高速相机分别观测和记录正、负极性先导的发展过程。根据试验结果,获得了先导的瞬时发展速度、轴向平均速度、长度和跃变高度等参数。然后建立了一个简化的先导发展物理仿真模型,与试验结果进行了对比,并进一步开展了棒-棒间隙的先导发展特性仿真研究。

1 试验布置

搭建了如图1所示的试验观测平台。图1中,250/2500μs正极性操作波由额定参数为4000kV/400kJ冲击电压发生器输出,使用精度为0.5%冲击分压器和数字示波器记录放电电压波形。采用两台FASTCOM SA5高速摄影仪分别对放电过程进行光学观测,#1高速摄影仪采用的拍摄速度为300kfps(对应分辨率为256 × 64pixels,单帧曝光

图1
试验布置示意图 图1 试验布置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of experimental setup

时间为3.33μs),观测整个放电间隙,记录正极性下行先导发展过程。#2高速摄影仪采用的拍摄速度为930kfps(对应分辨率为128 × 16pixels,单帧曝光时间为1.07μs),观测下棒电极头部附近1.3m区域,记录负极性上行先导发展过程。冲击电压发生器的点火信号被转化为一个晶体管-晶体管逻辑集成电路(transistor-transistor logic,TTL)电平信号,作为高速相机的触发信号,用来触发高速相机以记录先导发展过程。

试验所用上棒电极和下棒电极的头部曲率半径均为1cm,上棒电极头部到下棒电极头部的间隙距离D为2~5m,下棒电极长度L为1m。首先根据升降法获得每种间隙尺度的50%击穿电压(2、3、5m),然后针对每一种间隙施加20次的50%击穿电压,记录先导放电发展过程。

2 试验结果

2.1 先导发展过程观测结果

图2为一次典型的3m棒-棒间隙放电先导发展观测图,其中t = 0μs时刻对应高速相机被触发的时刻。如图2所示,在t = 23.4μs放电起始(初始电晕),经过一段“暗期”,在t = 36.7μs正极性先导从上棒

图2
一次典型的3m棒-棒间隙先导发展过程观测结果 图2 一次典型的3m棒-棒间隙先导发展过程观测结果 Fig. 2 Observation result of 3m rod-rod gap discharge under positive switching impulse voltage

电极起始并开始传播。先导的重新起始和发展现象在t = 96.7µs被观测到,该现象被称之为“restrike”。先导前方的锥形区域是流注电晕,随着先导-流注体系朝向下棒电极发展,棒电极头部附近的电场增强,下棒电极的负极性电晕在t = 120.1μs起始。跃变阶段出现在t = 123.4μs,此时剩余间隙被正、负极性流注填充。在跃变阶段,负极性先导向上发展。正、负极性先导通道亮度和发展速度均增加的越来越快。最后在t = 126.7μs,当正、负极性先导相遇时,间隙击穿。棒-棒间隙先导发展过程示意图如图3所示。

图3
棒棒间隙先导发展过程示意图 图3 棒棒间隙先导发展过程示意图 Fig. 3 Illustration of leader development processes in rod-rod gaps under positive impulse

图3中,t₀、t₁、t₂、t₃、t₄和t₅分别为电晕起始时刻、下行先导起始时刻、迎面流注起始时刻、跃变起始时刻、迎面先导起始时刻以及间隙击穿时刻。正极性先导和负极性先导分别在t₁和t₄时刻起始。根据试验观测结果,棒-棒间隙的先导发展过程可以分为两个阶段：I为正极性下行先导自由发展阶段(时间从t₁时刻到t₃时刻),II为正极性下行先导约束发展阶段(时间从t₃时刻到t₅时刻),阶段II也被称为跃变阶段。在阶段II可以进一步细分为两个阶段：下行先导和迎面流注约束发展阶段(时间从t₃时刻到t₄时刻),此阶段负极性上行先导未起始,下行先导的发展只受到迎面流注的影响,以及正极性下行先导和负极性上行先导相互约束发展阶段(时间从t₄时刻到t₅时刻)。

2.2 先导发展特征参数

在棒-棒间隙中,先导跃变长度l_f等于正极性流注和负极性迎面流注长度之和(如图3所示)。根据试验结果统计到的跃变长度及其标准差、自由发展阶段的正极性下行先导轴向长度l_l如表1所示。

表1
先导跃变长度统计结果 表1 先导跃变长度统计结果 Tab. 1 Statistical results of the final jump length

由表1可知,先导跃变长度l_f随间隙距离增大逐渐增加,而其与间隙距离的比值(l_f/D)逐渐减小,说明随着间隙距离增大,正极性下行先导过程对于间隙桥接起主导作用。负极性上行先导从下棒电极起始并朝向下行先导发展,负极性先导平均轴向长度l_nf (图3)如表2所示,可知负极性上行先导长度随间隙距离增大而增加,大约为跃变长度的30%~40%。

表2
上行先导长度统计结果 表2 上行先导长度统计结果 Tab. 2 Statistical results of the upward leader axial length

表3
自由发展阶段下行先导轴向平均速度统计结果 表3 自由发展阶段下行先导轴向平均速度统计结果 Tab. 3 Statistical results of the average axial downward leader velocity in the free development stage

图4
正极性下行先导轴向瞬时速度统计结果 图4 正极性下行先导轴向瞬时速度统计结果 Fig. 4 Statistical results of the axial velocities of the positive downward leader

图5
负极性上行先导轴向瞬时速度统计结果 图5 负极性上行先导轴向瞬时速度统计结果 Fig. 5 Statistical results of the axial velocities of the negative upward leader

自由发展阶段的正极性下行先导平均轴向发展速度统计结果如表3所示。棒棒间隙的先导平均轴向发展速度大约在1.0~3.0cm/μs,与学者Shindo和Motoyama的观测结果一致^[20-21],随着间隙距离增大而缓慢逐渐增加。利用2#高速摄影机同时观测到了约束发展阶段正、负极性两个先导的发展过程,从而得到轴向瞬时发展速度,结果分别如图4、5所示。由图4、5可知,两种先导发展速度随着其长度而增加,也即随着两者间的距离减小而增加,速度大约在4~16cm/μs,并且在约束发展阶段,两者的发展速度大致相等。通过统计48次有效观测结果,获得了棒-棒间隙的负极性上行先导轴向平均速度约为(12.26 ± 5.31)cm/μs。

3 先导发展仿真模型

3.1 自由发展阶段

在自由发展阶段,棒-棒电极只有正极性下行先导。本模型采用步进式计算流程,先导发展的每一步分别计算特征参数如先导长度、发展速度、先导头部位置和先导注入电荷等。间隙电位分布考虑上下棒电极、先导通道、流注空间电荷的共同影响。本文推导了先导发展过程中相邻时刻电位变化规律,并以此计算先导发展的特征参数,如图6所示。图6中：阴影部分面积表示相邻时刻新增空间电荷的电位畸变;U_tip为先导头部电位;U_L(z)为间隙背景电位分布;U_S(z)为考虑流注空间电荷影响后的间隙电位分布;U_T(z)为总的电位分布。

图6
先导自由发展阶段相邻两个时刻间隙电位分布变化示意图 图6 先导自由发展阶段相邻两个时刻间隙电位分布变化示意图 Fig. 6 Evolution of the potential profile at various times during the leader propagation

第i步时刻的背景电位分布U_L⁽ⁱ⁾(z)采用模拟电荷法计算,其中分别对电极和先导通道用模拟电荷等效来考虑两者对电位分布畸变的影响。在当前时刻,由于外施电压的上升,以及上一时刻产生的空间电荷对电位畸变的贡献,此时,总的电位分布为

\(U_{\text{T}}^{(i)}(z)=(U_{\text{S}}^{(i-1)}(z)-U_{\text{L}}^{(i-1)}(z))+U_{\text{L}}^{(i)}(z)\) (1)

当正极性流注(电位梯度E_ps取450kV/m)位置由z_s⁽ⁱ^-1)发展到z_s⁽ⁱ⁾,间隙电位分布由U_T⁽ⁱ⁾(z)变为U_S⁽ⁱ⁾(z)。因此,第i步时刻新增的流注空间电荷 ΔQ⁽ⁱ⁾计算如下所示：

式中q_L为先导增长单位长度所需的电荷量,取50μC/m^[7-8]。

随着正极性下行先导-流注体系向下棒电极发展,下棒电极头部表面电场增强,负极性的流注从下棒电极起始和发展,负极性流注电位梯度也为一常数E_ns(750kV/m)^[16],如图6所示。当正、负极性流注头部相遇,先导跃变阶段开始。

3.2 跃变阶段

在跃变阶段,间隙剩余部分被正流注和负流注填充,当满足负极性先导起始条件,负极性先导从下棒电极起始并朝向正极性下行先导发展。在跃变阶段剩余间隙的电位分布如图7所示。图7中：

图7
先导约束发展阶段相邻两个时刻间隙电位分布变化示意图 图7 先导约束发展阶段相邻两个时刻间隙电位分布变化示意图 Fig. 7 Evolution of the potential profile during the final jump stage

点划线和实线分别表示跃变起始时刻和某时刻的电位分布;U_gap为剩余间隙电压降;U_gap为跃变起始时刻剩余间隙电压降;U_tip为正极性先导头部电位;U_nlt为负极性先导头部电位)

剩余间隙上的电压降\(U_{\text{gap}}^{(i)}\)和正极性先导头部电位\(U_{\text{tip}}^{(i)}\)计算如下：

注意到,在跃变阶段,由于不断增大的电流持续注入先导通道导致其温度上升,当先导通道内的气体分子温度达到5000~6000K,先导通道将出现热电离。因此,先导通道电场E_l的计算需要考虑先导通道性质的变化,即由非热电离状态转变为热电离状态,本模型采用文献[22]提出的方法计算先导通道电场。

跃变阶段先导注入电流I_l⁽ⁱ⁾可以表示为先导发展速度v_l⁽ⁱ⁾与先导单位长度所需电荷量q_L的关系式,如下：

\(I_{\text{l}}^{(i)}=v_{\text{l}}^{(i)}{{q}_{\text{L}}}\) (7)

不同于自由发展阶段,此时q_L主要与先导发展速度v_l⁽ⁱ⁾有关,可计算^[22]如下：

4 模型验证与讨论

根据图2的试验参数,间隙距离D取3m,采用本文提出的简化模型对先导发展过程进行了仿真计算。图8和图9分别给出了先导发展过程中的特征参数随时间的变化趋势。其中图8为自由发展阶段下行先导头部位置、速度和电流仿真结果,图9为约束发展阶段下行先导和上行先导头部位置发展速度、下行先导速度和电流仿真结果。

图8
3m棒-棒间隙自由发展阶段先导发展特性(仿真条件同<xref ref-type= 图8 3m棒-棒间隙自由发展阶段先导发展特性(仿真条件同 Fig. 8 Discharge characteristics for the 3m rod-rod configuration (same conditions as Fig. 2) during the free development stage

图9 3m棒-棒间隙约束发展阶段先导发展特性 (仿真条件同图2,施加电压1150kV) Fig. 9 Discharge characteristics for the 3m rod-rod configuration (same conditions as Fig. 2) during the constrained development stage

为了验证模型准确性,试验结果也画在了图8、9中。可知,简化模型与试验获得的先导发展参数基本一致。

由图8可知,正极性下行先导在t = 25μs时起始,朝下持续发展时间约为96μs,直到t = 121μs时正极性流注到达下棒电极头部,与试验结果观测接近。图9中,负极性上行先导在t = 121μs起始并朝向正极性先导发展,间隙在t = 129μs被击穿,跃变阶段持续时间为8μs,比实测值5μs稍长;图9(b)中正极性下行先导轴向发展速度和流入先导电流的数量级与试验结果也基本吻合,考虑到简化模型的经验关系式和参数,可认为仿真模型的有效性是令人满意的。需注意的是,本文模型是“静态”模型,即流注空间电荷的计算是假设空间电荷保持不动,没有考虑流注动态发展过程,因此只适用于施加操作冲击电压的情况(操作冲击条件下,电压变化较慢,可近似认为空间电荷保持不动)。

为了进一步研究棒-棒间隙先导传播过程中的先导发展特性,采用简化模型仿真了不同间隙距离尺度下自由发展阶段先导跃变长度和传播速度随间隙距离的变化规律,仿真结果如图10、11所示(计算条件为上、下棒电极的头部曲率半径均取1cm,下棒电极长度取1m,外施电压取各间隙50%操作冲击击穿电压)。由图10、11可知,跃变长度和先导发展速度随间隙距离增大而增加。由于先导头部前方流注区域尺度决定了先导跃变长度,当间隙距离越大时,其电位分布越平坦,有利于流注的发展,因此跃变长度更长。先导发展速度则由注入到先导头部的电流以及先导通道每增长单位长度所需的电荷量决定,由于在施加电压波形和电极确定条件下,后者几乎为常数,因此,间隙距离越大意味着流注区域尺度更大,从而产生的电荷越多,也即电流更大,使得先导传播速度更快。从图中还可以看出,本文模型计算结果与试验结果最大误差为19.4%,平均误差小于12%,基本满足工程应用要求。误差主要是由模型中流注空间电荷的计算导致的,下一步工作考虑建立更为准确地空间电荷计算方法。

图10 仿真计算的先导跃变长度 Fig. 10 Simulated final jump length for rod-rod gaps

图11 仿真计算的先导轴向平均发展速度 Fig. 11 Simulated axial average positive leader velocity for rod-rod gaps

5 结论

1）本文采用高速CMOS彩色相机搭建了棒-棒间隙先导发展过程观测平台,获得了更为细致、分辨率更高的先导传播光学图像,据此分析认为先导发展过程可分为两个阶段：正极性下行先导自由发展阶段和正极性下行先导约束发展阶段。

2）自由发展阶段,正极性下行先导跃变长度和轴向平均速度随间隙距离增加逐渐增大;约束发展阶段,正负极性先导轴向传播速度在4~16cm/μs并随着两者距离接近发展越快,负极性上行先导轴向平均速度约为(12.26 ± 5.31)cm/μs,发展尺度约为跃变长度的30%~40%。

3）本文建立了棒-棒间隙下考虑棒电极、先导通道和流注影响的先导发展仿真模型,并验证了模型的合理性。采用本模型仿真得到了不同间隙距离下先导跃变长度和发展速度随间隙距离增大而增加的变化规律。

(编辑胡琳琳)

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