換流站閥廳內(nèi)空氣間隙均壓環(huán)(雙環(huán))放電特性研究

肖 銳

(國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司 宜昌供電公司，湖北 宜昌 443000)

0 引言

閥廳空氣間隙凈距的選擇直接決定特高壓直流輸電工程設(shè)計(jì)的結(jié)果，并影響工程造價(jià)。閥廳空氣間隙凈距的選擇已經(jīng)成為特高壓直流輸電工程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一[1]。近年來(lái)，國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院聯(lián)合國(guó)內(nèi)其他幾家單位先后進(jìn)行了不同電壓等級(jí)輸電線路以及變電站高海拔地區(qū)外絕緣空氣間隙放電特性研究，提出了高海拔地區(qū)絕緣子、空氣間隙和電氣設(shè)備外絕緣選擇的方法、計(jì)算公式和具體建議等，均已被工程釆用[2]。八十年代中期，國(guó)網(wǎng)武漢高壓研究所聯(lián)合國(guó)內(nèi)幾家中試所(云南、青海、西藏)以及高等院校(清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、重慶大學(xué))在不同海拔實(shí)驗(yàn)室：武漢(海拔23 m)、成都(海拔506 m)、貴陽(yáng)(海拔1 040 m)、昆明(海拔1 890 m)、西寧(海拔2 300 m)進(jìn)行不同間隙結(jié)構(gòu)以及絕緣子的外絕緣破壞性放電的比對(duì)試驗(yàn)，獲得了不同大氣參數(shù)下的寶貴數(shù)據(jù)，對(duì)高海拔外絕緣設(shè)計(jì)起到一定積極作用。但由于受到試驗(yàn)條件限制并考慮到當(dāng)時(shí)絕緣水平的實(shí)際需求，故選取的空氣間隙及絕緣子串較短，間隙類型也較單一[3，4]。隨著間隙的增加，海拔修正因數(shù)與放電電壓，特別是操作沖擊放電電壓的大小關(guān)系緊密，因此對(duì)于長(zhǎng)間隙的放電特性以及海拔高度、大氣條件對(duì)放電電壓的影響還有待于進(jìn)一步研究。國(guó)內(nèi)重慶大學(xué)高電壓與電工新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在人工氣候室模擬低氣壓條件下對(duì)外絕緣放電特性進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究[5]，其中，主要研究不同間隙距離、不同模擬氣壓下的棒-板短空氣間隙操作沖擊放電特性，其放電特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)是基于模擬試驗(yàn)所得。 關(guān)于長(zhǎng)空氣間隙的沖擊放電特性，世界上很多國(guó)家的不同機(jī)構(gòu)進(jìn)行過(guò)研究[6～8]。其中美國(guó)在20世紀(jì)60年代就進(jìn)行了棒-棒、棒-板空氣間隙的放電特性試驗(yàn)研究。20世紀(jì)70年代瑞典和意大利也對(duì)棒-棒、棒-板等典型空氣間隙進(jìn)行了放電特性試驗(yàn)研究[9～11]。

國(guó)內(nèi)目前對(duì)金具均壓環(huán)的研究主要在于線路絕緣子及支柱絕緣子均壓環(huán)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及表面電場(chǎng)的分布計(jì)算，且主要集中在特高壓交流線路方面[12～14]，而對(duì)于特高壓直流閥廳均壓環(huán)的研究較少，且閥廳均壓環(huán)的超過(guò)2 m的長(zhǎng)空氣間隙實(shí)際放電的研究更少。由于高壓閥廳直流穿墻套管處全部采用均壓環(huán)(雙環(huán))結(jié)構(gòu)，本文針對(duì)換流站閥廳內(nèi)典型均壓環(huán)(雙環(huán))的尺寸結(jié)構(gòu)，在試驗(yàn)基地開(kāi)展了有無(wú)支撐絕緣子、對(duì)墻/地空氣間隙以及不同布置方式均壓環(huán)(雙環(huán))的操作沖擊放電特性對(duì)比試驗(yàn)研究，總結(jié)了不同因素對(duì)放電電壓的影響規(guī)律。

1 均壓環(huán)雙環(huán)放電特性試驗(yàn)及分析

空氣間隙放電試驗(yàn)是一種隨機(jī)試驗(yàn)，不同電極形狀及不同間隙距離對(duì)應(yīng)不同的間隙放電電壓。在試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)施加電壓較低時(shí)，由于電場(chǎng)強(qiáng)度不足以使間隙中空氣發(fā)生電離而擊穿，隨著施加電壓的逐漸升高，間隙擊穿的比率也隨之升高，當(dāng)施加電壓達(dá)到靜態(tài)臨界擊穿電壓時(shí)，由于放電的發(fā)展過(guò)程需要一定時(shí)間的電壓作用才能擊穿，因此空隙間隙不會(huì)立刻擊穿。放電時(shí)延在一定程度上具有分散性，在一定時(shí)間之內(nèi)，空氣間隙有可能會(huì)擊穿，也有可能不會(huì)擊穿。在施加電壓持續(xù)升高的過(guò)程中，間隙擊穿的比率也隨之增大到接近100%，發(fā)生擊穿。

1.1 試驗(yàn)布置

在換流站閥廳中，所有支柱絕緣子、穿墻套管、管母線的端部和拐彎處，大多采用均壓環(huán)屏蔽。并且在高壓閥廳直流穿墻套管處全部采用均壓環(huán)(雙環(huán))結(jié)構(gòu)。本文試驗(yàn)參考換流站閥廳內(nèi)實(shí)際均壓環(huán)(雙環(huán))的結(jié)構(gòu)，在試驗(yàn)基地開(kāi)展了尺寸為Φ 2200×600均壓環(huán)(雙環(huán))有無(wú)支撐絕緣子、對(duì)墻/地以及不同布置方式等不同空氣間隙情況下操作沖擊放電特性的對(duì)比試驗(yàn)。

試驗(yàn)時(shí)，高壓引線的扁銅線經(jīng)70×70 m門型架下航吊連接的絕緣子串懸掛下垂再串聯(lián)至均壓環(huán)(雙環(huán))，正對(duì)下方的地面鋪設(shè)18×18 m2金屬板，金屬板底部通過(guò)銅線與遠(yuǎn)方地相連。試驗(yàn)沖擊電壓由7 200 kV/720 kJ沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生，并通過(guò)一臺(tái)弱阻尼電容分壓器進(jìn)行測(cè)量(測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)國(guó)家高電壓計(jì)量站(武漢)的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果的總不確定度在±3%范圍內(nèi))。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)按照《高電壓試驗(yàn)技術(shù)第一部分：一般試驗(yàn)要求》[15]和《高電壓試驗(yàn)技術(shù)第二部分：測(cè)量系統(tǒng)》規(guī)定的試驗(yàn)和測(cè)量方法進(jìn)行[16]。外絕緣破壞性放電電壓與大氣環(huán)境條件有關(guān)。通常，給定空氣放電路徑的破壞性放電電壓隨著空氣密度或濕度的增加而升高。通過(guò)修正因數(shù)，可以將實(shí)際大氣條件下的破壞性放電電壓換算到標(biāo)準(zhǔn)參考大氣條件下的電壓值。

1.3 分析方法

在工程實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)于某一特定電極的空氣間隙特性，一般采用50%放電電壓U50及標(biāo)準(zhǔn)偏差σ來(lái)評(píng)價(jià)。空氣間隙在沖擊電壓作用下發(fā)生擊穿的概率大致服從正態(tài)分布，其函數(shù)表達(dá)式如式(1)所示：

(1)

式中：U為破壞性放電試驗(yàn)沖擊放電電壓測(cè)量值；U50為空氣間隙50%放電電壓；P(U)為沖擊放電電壓為U時(shí)的概率；σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差，主要反映放電電壓U與U50的偏離程度。

從數(shù)學(xué)角度來(lái)講，試驗(yàn)次數(shù)越多，試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)所得50%放電電壓與標(biāo)準(zhǔn)偏差越準(zhǔn)確，對(duì)分析空氣間隙擊穿特性越有利。然而，考慮到試驗(yàn)次數(shù)增加的同時(shí)，試驗(yàn)成本和試驗(yàn)時(shí)間也隨之增加，由于所有試驗(yàn)均在戶外進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)間增加的同時(shí)，也帶來(lái)了環(huán)境氣象參數(shù)變化的弊端，對(duì)試驗(yàn)放電結(jié)果造成一定的影響，進(jìn)而影響空氣間隙放電特性，使得試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性下降。通常，使用多級(jí)法和升降法來(lái)確定空氣間隙50%放電電壓和標(biāo)準(zhǔn)偏差。多級(jí)法是指在試驗(yàn)過(guò)程中預(yù)先選擇多個(gè)不同電壓等級(jí)電壓，對(duì)每一電壓等級(jí)分別多次加壓，每級(jí)電壓加壓次數(shù)相同，統(tǒng)計(jì)每級(jí)電壓下間隙放電次數(shù)，進(jìn)而根據(jù)放電頻率來(lái)確定間隙50%放電電壓和標(biāo)準(zhǔn)偏差的方法。升降法是指在試驗(yàn)開(kāi)始之前，先預(yù)加幾次電壓，找到一個(gè)接近臨界放電電壓的數(shù)值作為試驗(yàn)初始施加電壓，在試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)每次試驗(yàn)結(jié)果改變施加電壓大小，若在試驗(yàn)過(guò)程中加壓Ui之后間隙擊穿，則根據(jù)以往試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)選擇適當(dāng)ΔU，在下次加壓時(shí)應(yīng)將電壓降低ΔU至Ui-ΔU；反之，若間隙未擊穿，則在下次加壓時(shí)應(yīng)將電壓升高ΔU至Ui+ΔU，通過(guò)統(tǒng)計(jì)統(tǒng)計(jì)每級(jí)電壓下的放電次數(shù)和耐受次數(shù)，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法來(lái)確定間隙50%放電電壓和標(biāo)準(zhǔn)偏差。文獻(xiàn)[2]指出，對(duì)某一特定的空氣間隙，使用多級(jí)法和升降法兩種試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)典型空氣間隙放電試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，使用多級(jí)法每組試驗(yàn)次數(shù)50次多于升級(jí)法每組試驗(yàn)次數(shù)30次，試驗(yàn)成本多級(jí)法高于升降法，從對(duì)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果來(lái)看，兩種統(tǒng)計(jì)方法處理得到的50%空氣間隙放電電壓和標(biāo)準(zhǔn)偏差較小。故在后續(xù)開(kāi)展操作沖擊試驗(yàn)研究中使用升降法對(duì)試驗(yàn)所得統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其流程如圖1所示。

圖1 升降法試驗(yàn)流程圖

按照《高電壓試驗(yàn)技術(shù)第一部分：一般試驗(yàn)要求》和《高電壓試驗(yàn)技術(shù)第二部分：測(cè)量系統(tǒng)》規(guī)定的試驗(yàn)和測(cè)量方法進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量及處理。其中規(guī)定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法大致如下：

(1)試驗(yàn)電壓為250/2 500 μs標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊波。

(2)采用升降法求取沖擊50%放電電壓U50，計(jì)算公式如(2)：

(2)

式中：Ui為施加的電壓，kV；ni為相同的施加電壓Ui下試驗(yàn)的次數(shù)；n為有效試驗(yàn)的總次數(shù)，對(duì)操作沖擊一般取30次。

(3)采用升壓法求取直流放電電壓U，計(jì)算公式如(3)：

(3)

式中：Ui為施加的電壓，kV；n為有效試驗(yàn)的總次數(shù)，對(duì)直流放電試驗(yàn)取10～20次。

(4)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ按照式(4)計(jì)算：

(4)

(5)將試驗(yàn)放電電壓數(shù)據(jù)修正到標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下。

總之，試驗(yàn)測(cè)試時(shí)50%沖擊放電電壓采用升降法確定，操作沖擊放電試驗(yàn)每點(diǎn)加壓的有效次數(shù)為30次。試驗(yàn)電壓為直流電壓和250/2 500 μs標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊波。采用升降法求取沖擊50%放電電壓U50，計(jì)算如式(2)所示。試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ按照式(4)計(jì)算。

2 不同因素對(duì)試驗(yàn)電壓的影響

2.1 支柱絕緣子對(duì)放電電壓的影響

為分析支柱絕緣子對(duì)均壓環(huán)(雙環(huán))放電電壓的影響，對(duì)與地面水平布置的均壓環(huán)(雙環(huán))進(jìn)行測(cè)試，比較有無(wú)支柱絕緣子對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。 選取2.5 m/段的支柱絕緣子3段，串聯(lián)之后在頂端放置均壓環(huán)(雙環(huán))，均壓環(huán)(雙環(huán))對(duì)地高度為6.98 m，得到閥廳環(huán)境下的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 有無(wú)支柱絕緣子比較

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，水平布置的均壓環(huán)(雙環(huán))在有支柱絕緣子和沒(méi)有支柱絕絕緣子情況下的間隙放電電壓差異不超過(guò)1%。支柱絕緣子對(duì)空氣間隙距離的影響可以忽略不計(jì)，后續(xù)試驗(yàn)均在沒(méi)有支柱絕緣子的情況下進(jìn)行。

2.2 墻-地對(duì)放電電壓的影響

為分析墻和地對(duì)均壓環(huán)(雙環(huán))間隙放電電壓的影響，選取網(wǎng)格尺寸為0.02×0.02 m2，總面積18×18 m2的金屬網(wǎng)模擬墻或地。對(duì)地試驗(yàn)將均壓環(huán)(雙環(huán))豎直對(duì)地布置，測(cè)試均壓環(huán)(雙環(huán))對(duì)地距離變化情況下的放電電壓；對(duì)墻試驗(yàn)將均壓環(huán)(雙環(huán))水平對(duì)地8.0 m固定布置，測(cè)試均壓環(huán)(雙環(huán))對(duì)墻距離變化情況下的放電電壓。

觀察試驗(yàn)過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)地試驗(yàn)均對(duì)地間隙放電，對(duì)墻試驗(yàn)均對(duì)墻間隙放電，因此對(duì)墻試驗(yàn)工況相當(dāng)于單獨(dú)對(duì)墻試驗(yàn)，可以與豎直單獨(dú)對(duì)地的試驗(yàn)工況進(jìn)行比較分析。對(duì)墻-地試驗(yàn)結(jié)果得到的閥廳環(huán)境下數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 對(duì)墻-地布置試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可以看出，均壓環(huán)(雙環(huán))對(duì)地豎直布置，對(duì)地距離從5.6 m變化到6.4 m時(shí)；以及對(duì)墻(對(duì)地8 m水平固定)布置，對(duì)墻距離從5.6 m變化到6.4 m布置時(shí)，U50%電壓與距墻-地的距離大體上成正比關(guān)系。對(duì)墻放電電壓比對(duì)地放電電壓低3.56%～7.97%，且在環(huán)-板間隙增加時(shí)這種趨勢(shì)越明顯。

2.3 布置方式對(duì)放電電壓的影響

為分析均壓環(huán)(雙環(huán))與地面不同傾角對(duì)放電電壓的影響，分別對(duì)均壓環(huán)(雙環(huán))軸線與地分別呈90°(水平布置)、135°(傾斜布置)和180°(垂直布置)3種情況進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，如圖3所示。

圖3 不同布置方式示意圖

根據(jù)圖3所示不同布置方式，進(jìn)行均壓環(huán)(雙環(huán))對(duì)地標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊放電試驗(yàn)，試驗(yàn)的空氣間隙選擇在5.6～6.4 m范圍內(nèi)，修正得到的閥廳環(huán)境下的數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 不同布置時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可以看出，均壓環(huán)(雙環(huán))對(duì)地水平、傾斜、豎直布置，對(duì)地距離從5.6 m變化到6.4 m時(shí)，U50%電壓隨距地距離的增加而升高。分析圖4可知，在所試驗(yàn)的間隙范圍內(nèi)，對(duì)地水平布置時(shí)間隙放電電壓最低、傾斜布置次之、豎直布置最高，且水平布置時(shí)的間隙放電電壓明顯低于傾斜和數(shù)值布置。其原因在于水平布置時(shí)，環(huán)面最下端面與地面等距，電場(chǎng)較均勻，可能發(fā)生先導(dǎo)的放電點(diǎn)較多，更易于發(fā)生擊穿。

2.4 不同因素對(duì)放電電壓的試驗(yàn)總結(jié)

結(jié)合前面所做試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及試驗(yàn)放電現(xiàn)象進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

1)水平布置的有支柱絕緣子存在時(shí)均壓環(huán)間隙放電電壓較無(wú)支柱絕緣子時(shí)低，均壓環(huán)最下端面對(duì)地6.98 m時(shí)的差異在1%以內(nèi)。

2)對(duì)于環(huán)-板間隙，U50%電壓與距墻/地的距離大體上成正比關(guān)系；對(duì)墻布置的均壓環(huán)間隙放電電壓較對(duì)地布置時(shí)低，在環(huán)-板間隙從5.6 m變化到6.4 m的過(guò)程中，對(duì)墻放電電壓比對(duì)地放電電壓低3.56%～7.97%。

3)放電電壓與布置方式相關(guān)，對(duì)于同一間隙放電電壓，豎直布置間隙距離最小，傾斜布置次之，水平布置最大；換言之，同一對(duì)地高度的情況下，水平布置的均壓環(huán)耐壓水平最地，傾斜布置的次之，豎直布置的最高。

3 結(jié)論

本文針對(duì)均壓環(huán)(雙環(huán))開(kāi)展了放電電壓的試驗(yàn)研究，主要工作和結(jié)論如下：

(1)參考換流變閥側(cè)套管均壓環(huán)(雙環(huán))設(shè)計(jì)尺寸，在試驗(yàn)基地開(kāi)展的試驗(yàn)有無(wú)支柱絕緣子對(duì)間隙放電電壓的影響，墻-地對(duì)間隙放電電壓的影響，以及布置方式對(duì)間隙放電電壓的影響。

(2)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)給出不同影響因素對(duì)應(yīng)的變化規(guī)律，其中支柱絕緣子的存在可以降低間隙放電電壓，水平布置的均壓環(huán)間隙放電電壓最小、傾斜次之、豎直布置的最大。