换流站阀厅内空气间隙均压环(双环)放电特性研究

肖 锐

(国网湖北省电力公司 宜昌供电公司，湖北 宜昌 443000)

0 引言

阀厅空气间隙净距的选择直接决定特高压直流输电工程设计的结果，并影响工程造价。阀厅空气间隙净距的选择已经成为特高压直流输电工程设计中的关键问题之一[1]。近年来，国网电力科学研究院联合国内其他几家单位先后进行了不同电压等级输电线路以及变电站高海拔地区外绝缘空气间隙放电特性研究，提出了高海拔地区绝缘子、空气间隙和电气设备外绝缘选择的方法、计算公式和具体建议等，均已被工程釆用[2]。八十年代中期，国网武汉高压研究所联合国内几家中试所(云南、青海、西藏)以及高等院校(清华大学、西安交通大学、重庆大学)在不同海拔实验室：武汉(海拔23 m)、成都(海拔506 m)、贵阳(海拔1 040 m)、昆明(海拔1 890 m)、西宁(海拔2 300 m)进行不同间隙结构以及绝缘子的外绝缘破坏性放电的比对试验，获得了不同大气参数下的宝贵数据，对高海拔外绝缘设计起到一定积极作用。但由于受到试验条件限制并考虑到当时绝缘水平的实际需求，故选取的空气间隙及绝缘子串较短，间隙类型也较单一[3，4]。随着间隙的增加，海拔修正因数与放电电压，特别是操作冲击放电电压的大小关系紧密，因此对于长间隙的放电特性以及海拔高度、大气条件对放电电压的影响还有待于进一步研究。国内重庆大学高电压与电工新技术教育部重点实验室在人工气候室模拟低气压条件下对外绝缘放电特性进行了大量试验研究[5]，其中，主要研究不同间隙距离、不同模拟气压下的棒-板短空气间隙操作冲击放电特性，其放电特性试验数据是基于模拟试验所得。 关于长空气间隙的冲击放电特性，世界上很多国家的不同机构进行过研究[6～8]。其中美国在20世纪60年代就进行了棒-棒、棒-板空气间隙的放电特性试验研究。20世纪70年代瑞典和意大利也对棒-棒、棒-板等典型空气间隙进行了放电特性试验研究[9～11]。

国内目前对金具均压环的研究主要在于线路绝缘子及支柱绝缘子均压环的结构优化设计及表面电场的分布计算，且主要集中在特高压交流线路方面[12～14]，而对于特高压直流阀厅均压环的研究较少，且阀厅均压环的超过2 m的长空气间隙实际放电的研究更少。由于高压阀厅直流穿墙套管处全部采用均压环(双环)结构，本文针对换流站阀厅内典型均压环(双环)的尺寸结构，在试验基地开展了有无支撑绝缘子、对墙/地空气间隙以及不同布置方式均压环(双环)的操作冲击放电特性对比试验研究，总结了不同因素对放电电压的影响规律。

1 均压环双环放电特性试验及分析

空气间隙放电试验是一种随机试验，不同电极形状及不同间隙距离对应不同的间隙放电电压。在试验过程中，当施加电压较低时，由于电场强度不足以使间隙中空气发生电离而击穿，随着施加电压的逐渐升高，间隙击穿的比率也随之升高，当施加电压达到静态临界击穿电压时，由于放电的发展过程需要一定时间的电压作用才能击穿，因此空隙间隙不会立刻击穿。放电时延在一定程度上具有分散性，在一定时间之内，空气间隙有可能会击穿，也有可能不会击穿。在施加电压持续升高的过程中，间隙击穿的比率也随之增大到接近100%，发生击穿。

1.1 试验布置

在换流站阀厅中，所有支柱绝缘子、穿墙套管、管母线的端部和拐弯处，大多采用均压环屏蔽。并且在高压阀厅直流穿墙套管处全部采用均压环(双环)结构。本文试验参考换流站阀厅内实际均压环(双环)的结构，在试验基地开展了尺寸为Φ 2200×600均压环(双环)有无支撑绝缘子、对墙/地以及不同布置方式等不同空气间隙情况下操作冲击放电特性的对比试验。

试验时，高压引线的扁铜线经70×70 m门型架下航吊连接的绝缘子串悬挂下垂再串联至均压环(双环)，正对下方的地面铺设18×18 m2金属板，金属板底部通过铜线与远方地相连。试验冲击电压由7 200 kV/720 kJ冲击电压发生器产生，并通过一台弱阻尼电容分压器进行测量(测量系统经国家高电压计量站(武汉)的校准，校准结果的总不确定度在±3%范围内)。

1.2 试验方法

试验按照《高电压试验技术第一部分：一般试验要求》[15]和《高电压试验技术第二部分：测量系统》规定的试验和测量方法进行[16]。外绝缘破坏性放电电压与大气环境条件有关。通常，给定空气放电路径的破坏性放电电压随着空气密度或湿度的增加而升高。通过修正因数，可以将实际大气条件下的破坏性放电电压换算到标准参考大气条件下的电压值。

1.3 分析方法

在工程实际应用过程中，对于某一特定电极的空气间隙特性，一般采用50%放电电压U50及标准偏差σ来评价。空气间隙在冲击电压作用下发生击穿的概率大致服从正态分布，其函数表达式如式(1)所示：

(1)

式中：U为破坏性放电试验冲击放电电压测量值；U50为空气间隙50%放电电压；P(U)为冲击放电电压为U时的概率；σ为标准偏差，主要反映放电电压U与U50的偏离程度。

从数学角度来讲，试验次数越多，试验数据统计所得50%放电电压与标准偏差越准确，对分析空气间隙击穿特性越有利。然而，考虑到试验次数增加的同时，试验成本和试验时间也随之增加，由于所有试验均在户外进行，试验时间增加的同时，也带来了环境气象参数变化的弊端，对试验放电结果造成一定的影响，进而影响空气间隙放电特性，使得试验结果准确性下降。通常，使用多级法和升降法来确定空气间隙50%放电电压和标准偏差。多级法是指在试验过程中预先选择多个不同电压等级电压，对每一电压等级分别多次加压，每级电压加压次数相同，统计每级电压下间隙放电次数，进而根据放电频率来确定间隙50%放电电压和标准偏差的方法。升降法是指在试验开始之前，先预加几次电压，找到一个接近临界放电电压的数值作为试验初始施加电压，在试验过程中，根据每次试验结果改变施加电压大小，若在试验过程中加压Ui之后间隙击穿，则根据以往试验经验选择适当ΔU，在下次加压时应将电压降低ΔU至Ui-ΔU；反之，若间隙未击穿，则在下次加压时应将电压升高ΔU至Ui+ΔU，通过统计统计每级电压下的放电次数和耐受次数，结合数理统计方法来确定间隙50%放电电压和标准偏差。文献[2]指出，对某一特定的空气间隙，使用多级法和升降法两种试验方法进行试验，根据典型空气间隙放电试验统计数据结果显示，使用多级法每组试验次数50次多于升级法每组试验次数30次，试验成本多级法高于升降法，从对试验统计数据的处理结果来看，两种统计方法处理得到的50%空气间隙放电电压和标准偏差较小。故在后续开展操作冲击试验研究中使用升降法对试验所得统计数据进行处理。其流程如图1所示。

图1 升降法试验流程图

按照《高电压试验技术第一部分：一般试验要求》和《高电压试验技术第二部分：测量系统》规定的试验和测量方法进行试验数据的测量及处理。其中规定的试验数据处理方法大致如下：

(1)试验电压为250/2 500 μs标准操作冲击波。

(2)采用升降法求取冲击50%放电电压U50，计算公式如(2)：

(2)

式中：Ui为施加的电压，kV；ni为相同的施加电压Ui下试验的次数；n为有效试验的总次数，对操作冲击一般取30次。

(3)采用升压法求取直流放电电压U，计算公式如(3)：

(3)

式中：Ui为施加的电压，kV；n为有效试验的总次数，对直流放电试验取10～20次。

(4)试验的标准偏差σ按照式(4)计算：

(4)

(5)将试验放电电压数据修正到标准大气条件下。

总之，试验测试时50%冲击放电电压采用升降法确定，操作冲击放电试验每点加压的有效次数为30次。试验电压为直流电压和250/2 500 μs标准操作冲击波。采用升降法求取冲击50%放电电压U50，计算如式(2)所示。试验的标准偏差σ按照式(4)计算。

2 不同因素对试验电压的影响

2.1 支柱绝缘子对放电电压的影响

为分析支柱绝缘子对均压环(双环)放电电压的影响，对与地面水平布置的均压环(双环)进行测试，比较有无支柱绝缘子对试验结果的影响。 选取2.5 m/段的支柱绝缘子3段，串联之后在顶端放置均压环(双环)，均压环(双环)对地高度为6.98 m，得到阀厅环境下的数据如表1所示。

表1 有无支柱绝缘子比较

从试验数据可以看出，水平布置的均压环(双环)在有支柱绝缘子和没有支柱绝绝缘子情况下的间隙放电电压差异不超过1%。支柱绝缘子对空气间隙距离的影响可以忽略不计，后续试验均在没有支柱绝缘子的情况下进行。

2.2 墙-地对放电电压的影响

为分析墙和地对均压环(双环)间隙放电电压的影响，选取网格尺寸为0.02×0.02 m2，总面积18×18 m2的金属网模拟墙或地。对地试验将均压环(双环)竖直对地布置，测试均压环(双环)对地距离变化情况下的放电电压；对墙试验将均压环(双环)水平对地8.0 m固定布置，测试均压环(双环)对墙距离变化情况下的放电电压。

观察试验过程，可以发现对地试验均对地间隙放电，对墙试验均对墙间隙放电，因此对墙试验工况相当于单独对墙试验，可以与竖直单独对地的试验工况进行比较分析。对墙-地试验结果得到的阀厅环境下数据如图2所示。

图2 对墙-地布置试验结果

由图2可以看出，均压环(双环)对地竖直布置，对地距离从5.6 m变化到6.4 m时；以及对墙(对地8 m水平固定)布置，对墙距离从5.6 m变化到6.4 m布置时，U50%电压与距墙-地的距离大体上成正比关系。对墙放电电压比对地放电电压低3.56%～7.97%，且在环-板间隙增加时这种趋势越明显。

2.3 布置方式对放电电压的影响

为分析均压环(双环)与地面不同倾角对放电电压的影响，分别对均压环(双环)轴线与地分别呈90°(水平布置)、135°(倾斜布置)和180°(垂直布置)3种情况进行了试验测试，如图3所示。

图3 不同布置方式示意图

根据图3所示不同布置方式，进行均压环(双环)对地标准操作冲击放电试验，试验的空气间隙选择在5.6～6.4 m范围内，修正得到的阀厅环境下的数据如图4所示。

图4 不同布置时的试验结果

由图4可以看出，均压环(双环)对地水平、倾斜、竖直布置，对地距离从5.6 m变化到6.4 m时，U50%电压随距地距离的增加而升高。分析图4可知，在所试验的间隙范围内，对地水平布置时间隙放电电压最低、倾斜布置次之、竖直布置最高，且水平布置时的间隙放电电压明显低于倾斜和数值布置。其原因在于水平布置时，环面最下端面与地面等距，电场较均匀，可能发生先导的放电点较多，更易于发生击穿。

2.4 不同因素对放电电压的试验总结

结合前面所做试验测试结果及试验放电现象进行分析，可以得出以下结论：

1)水平布置的有支柱绝缘子存在时均压环间隙放电电压较无支柱绝缘子时低，均压环最下端面对地6.98 m时的差异在1%以内。

2)对于环-板间隙，U50%电压与距墙/地的距离大体上成正比关系；对墙布置的均压环间隙放电电压较对地布置时低，在环-板间隙从5.6 m变化到6.4 m的过程中，对墙放电电压比对地放电电压低3.56%～7.97%。

3)放电电压与布置方式相关，对于同一间隙放电电压，竖直布置间隙距离最小，倾斜布置次之，水平布置最大；换言之，同一对地高度的情况下，水平布置的均压环耐压水平最地，倾斜布置的次之，竖直布置的最高。

3 结论

本文针对均压环(双环)开展了放电电压的试验研究，主要工作和结论如下：

(1)参考换流变阀侧套管均压环(双环)设计尺寸，在试验基地开展的试验有无支柱绝缘子对间隙放电电压的影响，墙-地对间隙放电电压的影响，以及布置方式对间隙放电电压的影响。

(2)根据试验数据给出不同影响因素对应的变化规律，其中支柱绝缘子的存在可以降低间隙放电电压，水平布置的均压环间隙放电电压最小、倾斜次之、竖直布置的最大。