正极性操作冲击电压下长短空气间隙放电特性

耿江海， 张博禹， 王 平， 丁玉剑， 律方成， 姚修远， 祝全乐

(1．华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室， 保定 071003；2． 中国电力科学研究院有限公司，北京 100192； 3.国家电网经济技术研究院有限公司，北京 102209)

随着中国特高压输变电工程建设加速实施，全面了解和掌握特高压输变电工程间隙的放电特性是进一步提升特高压输电系统安全性和经济性所面临的技术挑战[1-4]。因此，对不同尺度间隙放电过程进行试验观测，进而深入分析放电机理一直是中外学者关注重点[5]。

Les Renardieres Group通过改变间隙距离和间隙结构，对不同电压下的正极性长间隙放电过程进行观测，将长空气间隙放电过程划分为:初始流注、暗期、先导和末跃击穿[6-8]。文献[9]开展了间隙距离10 cm的短间隙放电研究，将其发展过程分为:初始流注、暗期、二次流注和击穿四个阶段。

放电阶段的划分提供了对放电过程的初步认识。而现场真型试验是探究空气间隙绝缘性能的关键，是对放电机理进一步的研究。文献[10]对棒-板1 m间隙正极性雷电冲击电压作用下流注放电区域电场进行测量，并结合高速摄像机拍摄到的流注放电图片对电场强度进行分析。由于高速相机拍摄图像的时间分辨率为μs级，无法连续记录放电过程。文献[11]利用光电倍增管测量不同间隙长度下棒-板电极施加直流电压时的流注发展速度，同时准确判断了流注的起始、发展时刻。前人学者通过对瞬时光功率或空间电场的观测，对放电过程及相关机理有了初步的认识，但单独的测量手段不利于空气间隙放电过程中的变化规律的深入研究[12]。利用光电倍增管、电场传感器进行联合观测，不仅可以运用光、电场等物理量之间的关联获取更准确的放电信息，而且能够获取不同间隙尺度放电通道相关物理参数变化，得出定性与定量的关系。

初始流注和暗期是空气间隙放电发展中的典型阶段，流注的发展普遍都经历电离产生，发展和停止等过程，因此一定理论程度上，长、短间隙下的放电过程之间具有极为相似的物理机制[13-14]。目前的研究成果中，对于长、短间隙放电试验观测的讨论较为分立。文献[15]以短间隙为载体，对初始流注产生后放电区域内、外的电场强度进行测量。文献[9]运用光电联合检测系统，对正极性标准操作冲击电压下10 cm针-球间隙的瞬时光功率、空间电场和接地极放电电流进行联合观测，可判断流注的起始时刻以及流注电离的剧烈程度。文献[16]对长空气间隙进行操作冲击电压放电试验，定量测量了有流注间隙中暂态电场的时空变化并定性对流注变化特性进行分析。文献[17]开展雷电冲击电压下5 m长空气间隙放电试验，观测获得流注起始时延和流注发展速度两种放电物理特征参数。文献[18]结合传统流注放电理论，描述了流注区电场跃升的过程及长间隙放电的随机性。在实际应用中存在电极结构各异、大型试验布置复杂问题，并不能覆盖所有试验类型。因此通过适当的测量手段，对比分析长、短间隙放电过程中各特征参数的变化尤为重要。

现利用光电倍增管(photomultiplier，PMT)，光电集成电场传感器等设备搭建光电联合测量系统，分别测量获得5 cm和3 m针-板间隙操作冲击放电过程的空间电场、瞬时光功率等放电物理参数，根据这些观测量对不同间隙尺度下的放电过程进行阶段划分；通过对初始流注起始时刻、暗期起始时刻、二次流注起始时刻和击穿时刻进行统计，分析放电特征参数之间的关系，探究长、短间隙放电在初始流注和暗期阶段的联系。

1 光电联合检测系统搭建

长、短间隙放电试验分别在北京昌平国网公司特高压试验基地和河北省输变电设备安全防御重点实验室开展，两地气压约0.10 MPa，试验时温度在23～25 ℃，绝对湿度变化范围为7.2～9.0 g/m3。两地环境参数基本保持一致，以尽可能降低环境因素对本试验的影响[19]。

操作冲击放电试验平台示意图和实物图如图1所示，实物图以长间隙为例。对针-板试验电极施加波形250/2 500 μs的正极性标准操作冲击电压。间隙距离布置为d=5 cm短间隙和d=3 m长间隙两种类型。短间隙针电极长度l=3 cm，板电极S=30 cm×30 cm；长间隙球电极直径D=1.3 m，针电极长度l=3 cm，板电极S=11 m×11 m。5 cm和3 m空气间隙针电极曲率半径均为0.5 mm并保持板电极接地。经多次试验确定，在上述电极条件下，5 cm和3 m针-板空气间隙的50%放电电压分别为45 kV和981 kV。

图1 光电联合检测系统

采用Mach-Zehnder干涉仪[20-21]为基本结构的光电集成电场传感器和紫外波段(160～320 nm)的光电倍增管测量得到流注发展过程中的空间电场和瞬时光功率信号，示波器(Teledyne Lecroy 3024)读取波形和幅值。短间隙试验光纤横置在距间隙轴线13 cm处，试验过程中将电场传感器探头和光电倍增管尾纤固定在光纤上，距离板电极高度4 cm；长间隙试验布置电场传感器距电极轴线3 m，距地高度2.8 m，光电倍增管距电极轴线1.5 m、距地高度2.8 m。为保证无外界光源的影响，试验在室内无光条件下进行。

2 长、短间隙下放电过程观测

2.1 放电观测结果

分别对5 cm和3 m针-板空气间隙施加45 kV和981 kV的正极性标准操作冲击电压，光电联合检测系统采集到的长、短间隙放电过程的空间场强与瞬时光功率典型特性曲线如图2所示。

T′1为5 cm间隙初始流注起始时刻；T′2为5 cm间隙暗期起始时刻；T′3为5 cm间隙二次流注起始时刻；T′4为5 cm间隙击穿时刻；T1为3 m间隙初始流注起始时刻；T2为3 m间隙暗期起始时刻；T3为3 m间隙二次流注起始时刻；T4为3 m间隙击穿时刻

5 cm间隙中，T′1=98.06 μs时PMT第一次检测到了幅值为524.34 pW的光脉冲，同时场强传感器检测到了幅值为7.98 kV/m的电场跃升。3 m间隙中，T1=124.7 μs时光电倍增管检测到了712.48 pW的光信号，此时场强传感器检测到了2.02 kV/m的空间电场跃升。在5 cm和3 m间隙中，当外加电场达到初始流注起始场强，初始流注起始，同时空间中的粒子电离产生正电荷和自由电子并释放出光子，因此PMT会检测到光功率脉冲。由于电离产生的电子质量较小，在电场力作用下会快速地向针电极移动并通过流注进入针电极，正空间电荷由于质量远大于电子而滞留在空间中，使空间场强值出现了第一次跃升。

T′2=105.33 μs，PMT光功率降为0，电场强度跃升同步停止。T2=127.8 μs，PMT测得的瞬时光功率降低为0 pW同时电场跃升结束。在5 cm和3 m间隙中，初始流注产生的正空间电荷使针电极周围空间电场受到抑制，电离过程停止，初始流注发展停滞，场强跃升停止，不再释放光子，放电进入暗期。5 cm与3 m间隙在暗期阶段后的放电曲线出现差异，说明二者在暗期阶段的放电发展过程不完全一致。长、短间隙放电在暗期阶段都将经历以下两个过程:一方面是自由电子经过流注分支并进入流注，以碰撞电离的形式将能量转移给气体分子作用于气体温度上升的过程；另一方面是畸变电场的恢复过程。由于5 cm间隙起晕电压小，电离产生的自由电子较3 m间隙少，进行碰撞电离将能量转移作用于气体分子温度上升的电子也相应较少，温度达不到临界温度(1 500 K)[22]，无法形成先导。对于3 m长间隙而言，正空间电荷产生较多，产生的电子中作用于温度升高的电子数目较多，又经过能量的弛豫过程，中性分子温度持续升高至1 500 K完成流注-先导转化，但先导由于电极端部附近的电场被抑制不会立即发展。

T′3=202.44 μs，PMT再次检测到光脉冲，5 cm间隙中随着外加操作冲击电压的升高和滞留在流注前方正电荷的漂移和扩散，放电将以二次流注形式继续向前发展。T3=147.3 μs时，PMT也检测到第二次脉冲，场强传感器检测到场强跃升。对于3 m长间隙而言，正空间电荷产生较多，经过能量的弛豫过程，中性分子温度持续升高至1 500 K完成流注-先导转化，但先导由于电极端部附近的电场被抑制不会立即发展。空间中正电荷消散，电场恢复后，暗期结束。先导开始发展。

T′4=208.80 μs，瞬时光功率陡升，电场强度大幅下降。5 cm间隙中二次流注发展到板电极，间隙击穿。T4=216.2 μs，3 m间隙中PMT测得光功率陡升同时空间电场产生了陡降。长间隙中先导即将发展到负极板，由于先导头部与负极板间的电场强度很大，导致负电极附近发生强烈的碰撞电离，产生大量的自由电子和光子。随后间隙击穿空间电场逐渐降至0 kV/m。

2.2 长、短间隙放电物理特征参数变化规律

为了探究长，短间隙的放电规律，对5 cm和3 m针-板间隙分别施加45 kV和981 kV的正极性操作冲击电压，统计50%闪络概率下两种间隙针-板电极的初始流注起始时延，电场跃升和光功率跃升幅值、暗期时间并对不同间隙距离的上述参数进行对比分析，参数变化曲线如图3～图5所示。在多组试验过程中，确保每次加压间隔足够长，保证单次放电过程中产生的空间电荷充分消散，减小对试验结果影响。

2.2.1 初始流注起始时延与电场跃升幅值的关系

如图3所示，在5 cm和3 m针-板间隙中流注起始时延的增大都伴随着电场跃升幅值的增大。流注起始时延与电场跃升幅值的变化趋势一致。初始流注起始时延越大，流注起始时的外加电压较大并产生了足够多的有效自由电子。电子在向针电极移动中进行碰撞电离的过程越剧烈，电离产生的自由电子会快速通过流注进入针电极，空间中滞留的正电荷的数目越多，电场跃升的幅值也由此增大。因此当流注起始时延越大，电场跃升幅值也变大。在长、短间隙中规律相近，初始流注起始时延与空间电场跃升幅值呈正相关的关系。

图3 初始流注起始时延与电场跃升幅值的关系

2.2.2 暗期时间与电场跃升幅值的关系

图4表明，在5 cm和3 m针-板间隙中电场跃升幅值的增大都伴随着暗期时间的增大。电场跃升幅值和暗期时间的变化趋势一致。出现电场跃升是由于空间中滞留了相当数量的正电荷。当电场跃升幅值越大，说明空间中碰撞电离产生的正空间电荷越多，抑制针电极头部电场强度的能力越强。当空间中滞留的正电荷越多，电荷消散所需要的电场恢复时间越长，相应的，暗期时间也会变长。因此长、短间隙规律一致，暗期时间与初始流注空间电场跃升幅值呈正相关的关系。

图4 暗期时间与电场跃升幅值的关系

2.2.3 光功率跃升与电场跃升幅值的关系

从图5可以得出，在5 cm和3 m针-板间隙中光功率跃升幅值的增大都伴随着电场跃升幅值的增大。电场跃升幅值和暗期时间的变化趋势一致。当空气间隙中电离过程越剧烈，产生的正电荷越多，电场跃升值越大，同时释放出的光子越多。长、短间隙规律一致，初始流注光功率跃升与空间电场跃升幅值呈正相关的关系。

图5 光功率跃升与电场跃升幅值的关系

3 长、短间隙放电物理特征参数比较

为了进一步分析两种间隙的相似性，对放电过程中的流注起始时延、暗期时间、初始流注电场跃升幅值和初始流注光功率跃升幅值进行统计分析，特征参数如表1所示。

表1 5 cm和3 m间隙放电物理特征参数

由表1可知，5 cm间隙暗期时间的均值较3 m间隙大2.40 μs；5 cm间隙初始流注起始时延的均值较3 m间隙大14.19 μs；5 cm间隙电场跃升幅值的均值较3 m间隙大1.15 kV/m，但5 cm间隙光功率跃升幅值的均值较短间隙小730.77 pW。

长、短间隙暗期时间，初始流注起始时延和电场跃升幅值的均值均相近，但光功率跃升幅值均值相差很大。上述物理特征参数之间不仅具有正相关这一共同的定性变化特征，初始流注起始时延，暗期时间，初始流注电场跃升幅值在长、短间隙中亦相近。但5 cm和3 m间隙中光功率跃升幅值相差很大。3 m针-板电极间隙距离较5 cm大，但5 cm间隙和3 m间隙电场跃升幅值相近，说明相对于5 cm间隙，在3 m间隙中碰撞电离过程更剧烈。针电极周围产生了更多的正电荷，同时释放出的光子越多，因此3 m间隙光功率跃升较5 cm间隙大很多。

对长、短间隙初始流注起始时延，暗期时间，初始流注电场跃升幅值和初始流注光功率跃升幅值的标准差统计如表2所示。

由表2可知，5 cm间隙暗期时间的标准差为1.10 μs，较3 m间隙小，为3.15 μs；5 cm间隙初始流注起始时延的标准差为12.09μs，较3 m间隙小，为19.30 μs；5 cm间隙空间电场跃升幅值的标准差为1.02 kV/m，较3 m间隙小，为2.08 kV/m；5 cm间隙光功率跃升幅值为64.38 pW，远小于3 m间隙，为795.15 pW。短间隙放电过程中物理特征参数的标准差均小于长间隙。3 m间隙距离较长会形成先导放电，流注-先导转换的过程极为复杂，且由于间隙距离的变长，流注-先导体系放电路径发展的不确定性也在增加。不同尺度间隙的放电过程存在放电随机性的差异。相比于短间隙，长间隙放电过程的随机性较大。

表2 5 cm和3 m间隙放电物理特征参数标准差

4 结论

搭建了光电联合检测系统，对5 cm和3 m间隙的针-板电极放电过程进行观测，并在50%闪络概率下测量空间电场和瞬时光功率，获得了初始流注起始时延、暗期时间、初始流注电场跃升幅值和初始流注光功率跃升幅值等物理特征参数，进行分析比较，得到了以下结论。

(1)5 cm间隙和3 m间隙在一定程度上具有相似性，主要表现在初始流注和暗期阶段。在分别施加45 kV和981 kV的操作冲击电压试验下，5 cm间隙与3 m间隙初始流注起始时延，暗期时间，电场跃升幅值相近，但光功率跃升幅值相差较大。

(2)5 cm间隙初始流注起始时延、暗期持续时间、电场跃升幅值和光功率跃升幅值方差分别为:1.10、12.09 μs、1.02 kV/m、64.38 pW；3 m间隙物理特征参数方差分别为:3.15、19.30 μs、2.08 kV/m、795.15 pW。短间隙放电过程中物理特征参数的标准差均小于长间隙，长间隙放电随机性较短间隙大。

(3)长、短间隙放电过程初始流注产生，发展，停滞和暗期阶段发生的原因基本相同，二者放电的发展极为相似。对长、短间隙的特征分量进行分析，得到暗期时间，初始流注起始时延，初始流注光功率跃升均与场强跃升值呈正相关的关系。在某些不易研究长间隙的场合，不考虑放电随机性的影响，可以用短间隙为模型，研究长间隙初始流注和暗期阶段的放电过程，给工程外绝缘所必须的长间隙放电试验提供一定的参考作用。