雷电先导下行过程近地电场时空分布与模拟方法研究

在雷电下行先导趋近地面目标物过程中,地面目标物产生的正极性上行先导是影响雷击点和确定目标物引雷范围的主要因素。采用模拟试验是研究上行先导特性及检验各种防雷措施有效性的主要方法,而地面目标物附近电场时空分布的等效性是模拟试验的前提和基础。通过计算定量分析了雷电先导下行过程近地电场时空分布的典型特征,研究并提出了近地电场时空分布等效模拟方法和一种实现电场时变特征模拟的高电压发生方法,在此基础上开发出模拟试验电压源原型样机,样机试验结果验证了该方法的有效性和可行性。该研究对上行先导特性和检验防雷措施有效性的试验方法研究具有指导意义和实践价值。     

长空气间隙负极性操作冲击放电特性研究(Ⅰ)—试验研究

长空气间隙在负极性操作冲击电压下具有非线性放电特性。为了研究典型长空气间隙的负极性放电特性,利用7 500 kV冲击电压发生器产生20/2 500μs和80/2 500μs两种负极性操作冲击电压波,开展了间隙距离为1～10 m的棒–棒间隙、棒–板间隙和棒–线间隙的负极性放电特性试验研究,并与其他学者的试验结果进行对比分析。试验结果表明:随着间隙长度的增加,棒–棒间隙、棒–板间隙、棒–线间隙的50%放电电压都趋于饱和,但棒–板间隙的饱和趋势最为明显;当间隙长度为4 m时,棒–板间隙与棒–棒间隙的50%放电电压大小关系发生翻转;间隙的平均击穿场强随着间隙距离的增大而减小。该研究揭示了1～10 m长空气间隙的负极性操作冲击放电特性,加深了对长空气间隙放电特性的认识。     

特高压直流线路复合绝缘子悬挂方式对其冲击闪络特性的影响

V串绝缘子在输电线路中得到了广泛应用,但其与I串绝缘子的冲击闪络特性差异尚不明确。为此,在特高压工程技术(昆明)国家工程实验室开展了V串和I串悬挂方式的±800 k V复合绝缘子在操作冲击和雷电冲击作用下的放电试验,并通过有限元仿真软件对2种悬挂方式下复合绝缘子附近的电场分布进行仿真分析。结果表明:当有效绝缘距离相同时,正极性冲击电压下的V串绝缘子50%冲击放电电压低于I串绝缘子,而负极性冲击电压下的V串绝缘子50%冲击放电电压高于I串绝缘子;V串缘子下均压环与横担间的空气间隙的电场分布更接近棒–板间隙,而I串绝缘子2个均压环间的空气间隙的电场分布更接近棒–棒间隙。因此,I串和V串绝缘子间冲击闪络特性的差异是由于电极结构的极性效应引起的。     

冲击电压下SF_6棒-板间隙放电极性效应的反转现象

电压等级较高的系统中,由特快速暂态过电压(VFTO)引起的气体绝缘组合电器设备(GIS)绝缘事故日益严重。为给GIS绝缘结构的优化设计提供参考,研制了陡前沿冲击实验装置,并利用其研究了SF6棒–板间隙在VFTO和雷电冲击(LI)作用下的绝缘特性。结果表明稍不均匀和极不均匀电场下,SF6间隙放电均存在极性效应。稍不均匀电场下,正极性VFTO与雷电冲击50%放电电压均高于负极性。极不均匀电场中,随着气压增加雷电冲击下SF6放电出现了极性反转现象:气压较低时,负极性雷电冲击放电电压高于正极性;当气压高于某临界气压时,正极性雷电冲击放电电压高于负极性。出现极性反转的临界气压值与间隙电场不均匀系数相关,随电场不均匀度增加而减小。极不均匀场中,VFTO作用下,负极性50%放电电压较正极性高,但在较低气压时,会出现负极性VFTO放电电压低于正极性的现象。分析表明,极性效应反转是由不同极性电压下SF6间隙中空间电荷迁移和扩散的差异而形成的。     

雷电下直流运行电压对输电线路上行先导起始与发展特性的影响

在分析上行先导发展过程时,许多仿真模型虽在一定程度上考虑了直流运行电压的影响,但其依据主要由棒-板间隙下的试验结果、热力学及电磁学间接外推所得,其适用性并未得到验证。为此,在昆明国家特高压试验基地,就直流运行电压对输电线路上行先导起始与发展特性的影响展开了试验研究。经过仿真分析,设计并采用7m的板棒-导线间隙,并对该间隙施加最高达4MV的200/2 000μs负极性冲击电压,对导线施加最高达800kV的正极性直流运行电压,以此模拟了雷电下的上行先导起始与发展情况。采用最高拍摄速度为1 000 000帧/s的高速摄像机对放电过程的形态进行了观测,同时利用频率响应范围为0～6.5MHz的同轴分流器进行了电流测量。通过数百次试验发现,当线路上施加500kV正极性直流运行电压时,上行先导起始时间提前了21μs,平均发展速度增加了0.3cm/μs,这一结果说明,负极性雷电下较高的正极性直流运行电压有助于导线上行先导的发展。最后,进行了输电线路模拟试验,试验结果说明,负极性雷电下正极性直流运行电压能使导线上行先导的起始时间提前,甚至早于地线;同时正极性直流运行电压也会使导线上行先导的发展速度增加,从而使它对下行先导的截击概率增大,增加了线路绕击的可能性。     

雷击输电线路上行先导起始与发展特性模拟试验研究

上行先导是分析雷电绕击输电线路的关键因素之一,由于雷电放电的随机性,鲜有输电线路上行先导的直接影像资料,因而上行先导是否存在是电力系统防雷研究的一个热点。现有的上行先导仿真计算模型主要由棒-板及热力学的结论间接推导所得,缺乏实际输电线路的实验依据。在昆明国家特高压实验基地对输电线路上行先导起始及其发展特性开展了模拟试验研究,经过仿真分析,设计并采用5～8m的板棒-线间隙进行模拟试验,施加最高达3.6MV、200/2 000μs波前的冲击电压,利用最高拍摄速度为106帧/s的高速摄像机对放电过程的放电形态进行观测,利用3dB带宽范围为0～6.5MHz的同轴分流器进行了电流测量。通过500余次试验及其结果分析,发现在该试验条件下,导线和地线上明显有上行先导产生,其发展速度约为1.2～3cm/μs,与正极性操作波下棒-板间隙放电的先导速度基本一致。仿真分析发现,大多数自然雷情况下,输电线路临界半径处场强高于上行先导起始场强的时间比该文试验工况中更长,因此推断自然雷击输电线的过程中上行先导是很有可能存在的。     

高温状态下棒-板间隙的冲击击穿特性研究

研究了高温状态雷电冲击和操作冲击作用下的空气间隙击穿特性 ,发现雷电冲击棒 -板间隙击穿电压随温度升高而下降 ,其规律符合 U=U0 δ0 .5。负极性操作冲击击穿电压随温度增加下降速度大于雷电冲击 ,正极性操作冲击击穿电压先随温度增加而下降 ,再随温度增加而增高 ,温度 5 70K时间隙击穿电压达最大值 ,其后又随温度增加而下降     

典型空气间隙放电电压修正的试验研究

为深入了解不同海拔条件下空气间隙放电电压水平及其海拔修正关系,选择棒–板典型间隙,在昆明和南宁的高压试验场和实验室进行同等布置下的对比试验。试验在昆明特高压户外试验场、昆明超高压基地户外试验场和南宁高压大厅开展,内容包括0.8～1.8m间隙距离下正极性直流电压放电试验,1.5～4.5m间隙距离下正、负极性雷电冲击(lightning impulse,SI)放电试验以及1.5～5m间隙距离下正、负极性操作冲击(switching impulse,SI)放电试验。此外,在昆明获得了最长间隙距离至10m的正极性雷电、操作冲击放电试验数据。根据试验数据分析,讨论了大气条件影响和海拔修正。基于g参数的大气条件修正方法对正极性放电在昆明和南宁2地不同海拔条件下的计算结果重合性较好,而对负极性放电有较大偏差。最后,提出了棒–板间隙在直流、雷电、操作3种电压类型下、海拔高度2100m以下的放电电压海拔修正计算公式。     

长空气间隙负极性操作冲击放电特性研究(Ⅱ)-间隙系数

大气环境、电极布置方式和间隙类型等对长空气间隙的负极性操作冲击放电特性均有不同程度的影响。分别采用20/2 500μs和80/2 500μs两种负极性操作冲击电压波进行放电试验,研究了气象条件、波头时间、下电极高度及导线接地方式等对空气间隙放电特性的影响,并对以棒–板间隙为基准,分析计算棒–棒间隙、棒–线间隙的间隙系数。试验结果显示:湿度对长空气间隙的负极性操作冲击放电特性试验具有明显的影响;间隙距离大于3 m时,20/2 500μs负极性操作冲击电压波作用下空气间隙的50%放电电压较高,间隙距离小于3 m时,80/2 500μs负极性操作冲击电压波作用下空气间隙的50%放电电压较高;下电极高度对棒–棒间隙放电特性具有一定的影响;导线接地方式对棒–线间隙的50%负极性操作冲击放电电压具有显著影响。间隙系数随间隙距离呈非线性变化趋势,棒–线间隙对棒–棒间隙的间隙系数随间隙距离增大基本趋于稳定值1.05。     

低海拔地区长空气间隙放电特性试验研究

为进一步完善特高压线路的外绝缘设计,在南宁进行了棒-板长空气间隙的直流、雷电和操作冲击电压的放电试验,发现正极性的棒-板间隙放电电压比负极性的要低很多。应用相关标准对试验数据进行大气校正,并与海拔高度与南宁接近的北京中国电科院高压基地的棒-板间隙放电数据进行对比,结果显示：IEC 60060-1、DL/T 620—1997标准以及IEC 60060-1推荐校正方法适用于平原地区正极性放电试验的校正,DL/T 620—1997中的校正方法主要适用于对工频放电电压以及正极性冲击放电电压。     

基于长间隙放电研究雷电屏蔽问题的进展

长间隙放电是研究地面物体雷电屏蔽问题的最有效手段之一。首先介绍了国内外在雷电击距、直击雷防护措施的屏蔽性能试验和雷电迎面先导过程研究3个方面所取得的进展,并结合最新开展的长达6 m间隙尺度的放电试验观测,对现阶段上述3个方面研究所存在的问题进行了分析。认为基于雷电击距建立的电气几何模型(electric geometry model,EGM)仅适用于小尺度目标物的雷电屏蔽性能分析,现有的雷电屏蔽模拟试验方法仅能近似模拟不存在雷电迎面先导时的雷击过程,无法完全证明以提前流注发射模型装置为代表的非传统防雷装置具有比传统措施更优越的屏蔽性能。大尺度目标物的雷电屏蔽问题应聚焦于雷电迎面先导过程的研究,建立并完善雷电迎面先导过程的模拟试验方法和物理仿真模型。     

基于有限元弱解式的棒-板长空气间隙先导放电空间电场仿真研究

对棒-板长空气间隙先导放电过程的空间电场分布以及带电离子浓度等特征参数进行仿真计算研究。建立棒-板长空气间隙放电的二维模型,导出流注-先导放电的二阶偏微分方程,通过有限元弱解形式(weak form)数值计算方法求解先导放电过程中产生的电子、正、负离子浓度与空间电场的大小。仿真结果显示：气体放电所产生的空间电荷对空间电场分布影响显著;间隙距离1.5 m的棒-板长空气间隙下,外加500 kV、250/2 500 ms正极性操作电压时的先导放电起始条件为,流注头部带电离子浓度达到4′1013 cm-3数量级,空间电场最低达到10 kV/cm;先导放电形成后,先导通道内电场约为1~2 kV/cm,先导起始时间在400 ms左右且以3′104 m/s速度传播;有限元弱解形式能有效消除计算离子流中的数值振荡,使偏微分方程求解迅速收敛。     

避雷针迎面先导发展物理过程仿真研究

开展避雷针迎面先导起始及发展过程的仿真研究对建立正确的雷电屏蔽分析模型具有重要意义。基于长间隙放电的物理机制,建立了包括正极性电晕起始与流注发展、先导起始、先导–流注体系发展等物理过程的迎面先导发展物理过程仿真模型,并使用实验室和自然雷电条件下的迎面先导发展过程观测结果对其进行了验证,最后采用该模型对避雷针迎面先导特性进行了分析讨论。结果表明:该模型的计算结果与实验室条件下和一次自然雷电条件下获得的正极性迎面先导发展过程观测结果相吻合;迎面先导起始时刻随着雷电流幅值和避雷针高度的增加而提前;避雷针迎面先导的发展过程主要受雷电流幅值、避雷针高度影响,其发展速度随着下行先导的趋近而逐渐增加;由实验室条件下的正极性棒–板间隙放电获得的先导起始特性直接用于自然雷电中正极性迎面先导起始的计算,以及在迎面先导发展过程的计算中假设迎面先导发展速度与下行先导发展速度成一固定比例是不合适的。     

Electrode conditioning characteristics in vacuum under impulse voltage application in nonuniform electric field

In this paper, we quantitatively investigated the impulse conditioning mechanism under nonuniform electric field electrodes in a vacuum. A negative standard lightning impulse voltage was applied between rod and plane electrodes whose materials were Cu-Cr, stainless steel and Cu and the gap lengths were d=5 and 10 mm, respectively. Experimental results revealed the transition of the breakdown (BD) sport region on the rod electrode and the corresponding BD field strength in the conditioning process. As a result, we found that the BD spot region started at the tip of the rod electrode and moved to the wider region of the rod electrode with lower electric field as the shots of the voltage application increased before the saturation of the BD voltage. Finally, by analyzing the results with an electric field strength, we propose that "the conditioning degree" along the electrode surface distributed directly proportional to the electric field distribution under a nonuniform electric field in a vacuum, irrespective of the electrode materials     

电晕离子流对先导放电路径的影响

为探明当空气中含有电晕产生的离子时(离子背景),对雷电先导的发展、击穿过程和路径的选择有何影响,分别采用两种不同的实验方法研究了正、负离子流对先导放电进展路径影响的特点及规律,两种方法得出的一致结果表明,有离子背景的雷电先导放电路径具有选择负离子背景而回避正离子背景的特点和规律并运用电子崩发展和电场作用两方面原理,分析了离子背景的影响机制。这对于特高压输电线路与设备的防雷及其绝缘设计的进一步研究具有重要参考意义。     

空间电荷对球头棒-板间隙放电击中点的影响

雷电引起的输电线路事故中因绕击导致的故障所占比例很大,一些学者认为空间电荷的影响是导致屏蔽失效的原因之一。为此,通过试验研究了直流电压下球头棒-板间隙的电晕电流,以此来衡量一定电压下球头周围空间电荷的量;并试验研究了正极性操作冲击下球头棒-板间隙放电击中点的分布规律,且与尖头棒试验结果比较。试验结果和仿真结果表明:与尖头棒相比,球头棒更容易吸引放电;球头棒周围电场畸变不严重,没有形成有效屏蔽层,从而使放电点更容易发生在头部。     

500 kV交流线路复合绝缘子并联间隙应用研究

为了设计和开发性能优良的的超高压输电线路并联间隙防雷保护装置,开展了绝缘子串并联间隙的相关研究,包括其雷电冲击放电特性试验、操作冲击放电特性试验、工频短路电流试验和工频电压分布研究。提出了一种兼具绝缘子防雷保护和工频电场均压功能的环形并联间隙,并评估了加装并联间隙后的500 kV交流线路的耐雷性能。研究结果表明,所设计的并联间隙具有绝缘子雷击闪络保护、转移疏导工频电弧和均匀电场分布的功能,使得平原地区架空线路加装并联间隙后雷击跳闸率低于0.14次/(100 km.a)。     

Simulation of energized Franklin rods for lightning protection

In this paper, the onset criterion of the upward streamers from an energized Franklin rod is formulated as a function of the geometry of the rod and the height and current of the downward leader. The electric field in the vicinity of the lightning rod is calculated using the charge simulation technique. The dependency of the radius of protection on the amplitude of the pulse voltage applied to the Franklin rod, the downward leader current, and the tip radius and height of the rod is investigated     

正极性雷电冲击电压下流注起始特性研究

流注是长空气间隙放电的主要过程,其起始特性具有重要的理论价值与广泛的工程应用。以往对直流电压作用下流注起始特性的研究较多,对冲击电压特别是电压上升率较大的雷电冲击电压下流注起始特性研究很少。采用基于光电集成技术的高压侧电流测量系统与空间电场测量系统,对1 m棒–板间隙在正极性雷电冲击电压下流注起始特性进行研究,提出了新的流注起始观测手段,获得不同半径棒电极、不同电压上升率下的流注起始电压与场强,拟合得到考虑电压变化率的流注起始场强判据,并验证了所提出判据的广泛适用性。另外,还对正极性雷电冲击电压作用下流注起始时延的变化规律进行研究,定量测量了流注的起始时延,为研究流注起始时延的概率分布奠定基础。     

Laser‐induced discharge in a rod–plane electrode in the presence of a negative dc electric field

Discharge induction experiments were performed between a plate and a rod on a plate electrode configuration with a gap length of 1 m using a high‐power CO₂ laser and a dc voltage generator. The electrodes are parallel planes. Each plate electrode consists of a central flat part having a diameter of 3 m with a circular edge on a cross section. The length of the rod is 10 cm. A chain of plasma beads of length 10 cm was created on the tip of the rod by the CO₂ laser and used for artificial triggering of negative high‐voltage sparkover. The behavior of streamer, leader, and return stroke was observed by an image converter camera. It was found that a positive upward traveling leader can be triggered from the tip of the rod on the lower plane to the upper plane by the chain of plasma beads created by the CO₂ laser. This apparatus is useful for study for realization of laser‐induced lightning. © 2000 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 132(4): 19–27, 2000