临近悬浮体影响下的均压环放电特性研究

马永福 包正红 王生杰 李斯盟 任继云

临近悬浮体影响下的均压环放电特性研究

马永福1包正红1王生杰1李斯盟2任继云1

（1. 国网青海省电力公司电力科学研究院，西宁 810008； 2. 西安交通大学，西安 710049）

目前，现场交流耐压试验中被试设备顶部均压环安全距离范围内的悬浮体对试验的影响尚不清楚，开展临近悬浮体影响下的均压环放电特性研究对提高现场试验效率具有重要意义。首先搭建基于工频试验变压器的模拟试验平台，通过反复试验获得750kV、330kV和110kV三个电压等级共12种工况下的最大放电距离；其次建立三维模型，通过仿真计算掌握试验时的空间最大电场、悬浮体表面电势及其分布规律，通过引入修正系数及其拟合计算，使仿真模型具有普适性；最后考虑现场交流耐压试验电压频率为非工频的现状，开展空气击穿放电特性与试验电压频率的相关性研究，获得最大放电距离与试验频率的关系曲线。研究成果进一步完善了现场交流耐压试验体系，可为今后开展此类试验提供技术支撑。

交流耐压试验；悬浮电位；放电特性；参数修正；试验频率

0 引言

组合电器等变电主设备在新建、改扩建、大修后都需要开展现场交流耐压试验[1-2]，以检验设备内部绝缘状况和安装工艺质量。在现场交流耐压试验过程中普遍存在被试设备（施压体）电气安全距离内有金属或非金属悬浮体的情况，试验前一般将悬浮体拆除，但此种方式费时费力，甚至会延误工期。

文献[3-5]主要对现场交流耐压试验原理、方法、装置、参数等进行研究；文献[6]介绍了一种基于并联补偿电抗器的串联谐振耐压试验方法；文献[7]对现场交流耐压试验用防风抗晕试验导线进行介绍；文献[8]对同频同相新型试验技术进行分析和探讨；文献[9-12]对交流耐压试验现场容易出现的特殊问题进行探讨，并给出具体处理措施。综上所述，目前关于现场交流耐压试验方面的研究主要集中在试验方法、参数修正、影响因素、新型试验技术及现场试验相关问题等方面，对于临近悬浮体在耐压试验过程中的影响鲜有研究和报道。

本文搭建750kV、330kV和110kV三个电压等级下的水平环-水平环、水平环-竖直环、水平环-水平瓷柱及水平环-竖直瓷柱四种布置方式共12种工况下的模拟试验平台和仿真模型，研究交流耐压试验时悬浮体对施压体的影响，为后续开展此类试验提供技术依据。

1 模拟试验

1.1 试验装置及试品

电源采用1 800kV/2A工频无局放试验变压器成套试验设备。以三个电压等级常规均压环作为施压体，与试验变压器高压输出端连接，试验时施压体均压环模拟现场试验以水平方式布置；以相应电压等级均压环和瓷柱式绝缘子作为典型悬浮体，悬浮在空气中；调整悬浮体布置方式（水平或竖直），对施压体施加工频耐受电压进行模拟试验。各均压环尺寸、曲率和光洁度等参数与现场基本一致。瓷柱式绝缘子选用普通单节绝缘子。

1.2 试验方法

在高海拔高电压实验室将施压体和悬浮体平稳吊起，以5cm固定步长调整施压体和悬浮体之间的相对距离（以两试品最外边缘计），在每一种距离下将施压体电压从零稳步增加至耐受电压值[1]，加压过程中仔细观察施压体和悬浮体之间的放电情况，当出现火花放电或电弧放电时，应对间距进行记录。在每一种工况下不断调整间距，重复开展上述试验过程，直到找到各工况下保证能够发生火花放电或电弧放电的最大间距，记为最大放电距离。以330kV四种工况为例，试验过程如图1所示。

1.3 试验结果

经调整间距反复试验，得出12种工况下的最大放电距离和放电位置，试验结果见表1。

表1 试验结果

注：*表示该距离下未发生放电，考虑工程实际中出现此种悬浮情况的概率极小，因此本工况试验结果按照该最小距离计。

2 仿真计算

建立三维有限元仿真模型，分析施压体和悬浮体之间的电势和电场分布规律，判断放电位置，并与模拟试验结果进行对比分析。

2.1 仿真模型

首先采用式（1）所示泊松方程计算工频电压峰值时刻的电场分布，由于负极性更容易产生电子崩，且汤逊判据与阴极二次电子发射有关，因此在计算时考虑负极性电压（施压体）。

式中：r为空气相对介电常数；0为真空介电常数；为空间电势；为空间电荷密度。

设置无限元域模拟无限远处为地电位，考虑电气击穿特性，加压导体电位设置为负极性交流峰值，未加压导体设置为悬浮电位（即初始电压与电荷均为0），静电模块及电击穿检测模块边界设置如图2所示，仿真计算过程中不考虑空间电荷畸变，仅考虑背景电场分布。

图2 静电模块及电击穿检测模块边界设置

采用汤逊判据分析空气中带电设备的起晕条件，其基本判据为

采用流注判据分析空气中带电设备的击穿条件，其基本判据为

使用有限元仿真软件中的空气间隙电击穿检测模块：①当结果满足汤逊判据时，认为产生电晕放电，此时计算结果输出为1，与阴极表面二次电子发射系数有关；②当结果满足流注判据时，认为产生电弧击穿，此时计算结果输出为2，流注判据与无关，只认为超过空间电场阈值（软件自带常数17.7）就会产生二次电子崩；③上述判据均不满足时，认为不放电，此时计算结果输出为0。

2.2 仿真方法

基于所设置的气压与温度参数，由静电场中计算的电场分布获得不同位置的碰撞电离系数，然后通过碰撞电离系数计算放电通路的总电子数，最后判断总电子数对应的正离子是否能在阴极产生二次电子（电晕）或总电子对电场的畸变是否满足二次电子崩判据（流注判据）。

由于未考虑表面粗糙、杂质、空气水分等影响因素，仿真计算结果比现实情况更为理想，因此需要对仿真参数进行适当修正。选择计算区域的阈值电场强度c（即超过c的区域才参与判据计算）作为仿真的修正参数，c的默认取值为30kV/cm，为了与实际工况相符，用式（4）所示的Peek公式代替c，考虑海拔因素有

式中：on为导线的起晕电场强度；0和为经验常数，0=33.1kV/cm（正极）或31.0kV/cm（负极），=0.24（正极）或0.308（负极）；为相对空气密度，标准大气压下 =1，仿真条件下 =0.7；为导体半径（cm）；为表面粗糙系数，=0.7。

为了使较为理想的仿真结果与试验结果匹配，引入修正系数对由Peek公式获取的c进行修正，即

2.3 仿真结果

以试验结果为标准进行修正后的12种工况最大放电距离和修正系数仿真结果见表2，悬浮电位及电场强度仿真结果见表3，以330kV水平环-水平环工况为例，最大放电距离下的电位分布、电场强度分布、放电位置云图如图3所示。

表2 最大放电距离及修正系数仿真结果

表3 悬浮电位及电场强度仿真结果

图3 仿真结果

3 修正系数拟合

修正系数的引入使仿真结果与试验结果基本吻合，在现场试验装备及试品发生变化时，为进一步获得现场可直接应用的放电判据模型，需要对修正系数进行拟合计算。

3.1 拟合函数自变量

修正系数缩放的是由Peek公式获取的计算域电场强度阈值，具有一定物理意义。在对修正系数进行拟合时，其作为因变量，需要匹配合适的拟合函数自变量。

3.2 拟合结果

1）水平环-水平环

三个电压等级水平环-水平环工况拟合结果如图4所示，拟合函数如式（6）所示。

图4 水平环-水平环拟合结果

2）水平环-竖直环

三个电压等级水平环-竖直环工况拟合结果如图5所示，拟合函数如式（7）所示。

图5 水平环-竖直环拟合结果

3）水平环-水平瓷柱

三个电压等级水平环-水平瓷柱环工况拟合结果如图6所示，拟合函数如式（8）所示。

图6 水平环-水平瓷柱拟合结果

4）水平环-竖直瓷柱

三个电压等级水平环-竖直瓷柱环工况拟合结果如图7所示，拟合函数如式（9）所示。

图7 水平环-竖直瓷柱拟合结果

4 放电特性与电压频率相关性

现场交流耐压试验一般采用变频串联谐振方法进行，试验频率在30～300Hz之间。本文模拟试验和仿真计算全部基于工频开展，为了使研究成果更好更快地应用于现场试验，开展放电特性与试验电压频率的相关性研究。

4.1 参数设置

仿真模型中击穿检测瞬态仿真时长为10ms，即50Hz频率下的半个周波时长，在开展频率相关性研究时，选取25Hz、50Hz、75Hz、100Hz、200Hz和300Hz六个典型频率，根据典型频率计算半个周波时长，在12种工况下分别进行计算。

4.2 计算结果

四种工况不同频率下的仿真结果如图8～图11所示。

图8 水平环-水平环工况

图9 水平环-竖直环工况

图10 水平环-水平瓷柱工况

4.3 放电特性与电压频率的相关性

施压体和悬浮体间的最大放电距离随着电压频率的增大而减小，这是由于随着电压频率的增加，电压半波时间减小，可用于产生电子崩并维持电弧发展的时间减少，因此发生击穿性放电需要更短的距离。

图11 水平环-竖直瓷柱工况

5 结论

1）同一电压等级下施压体和悬浮体间的最大放电距离最小值出现在水平环-水平瓷柱布置方式中，原因为瓷柱两端金属法兰容易增强局部电场；同一试品布置方式中最大放电距离随着电压等级的升高而增大；模拟试验中12种工况下的最大放电距离范围为5～50cm，现场两设备间实际布置距离一般远大于该范围，因此可直接忽略悬浮体影响进行交流耐压试验。

2）耐压试验中悬浮体悬浮电位与电压等级呈正相关，最大悬浮电位为590kV，空间最大电场强度为55.4kV/cm。修正系数根据仿真工况不同与自变量呈指数或线性规律。

3）施压体和悬浮体间的最大放电距离随着试验电压频率的增大而减小，仿真模型可直接应用于试验参数发生变化的各类现场试验。

[1] 电气装置安装工程 电气设备交接试验标准: GB 50150—2016[S]. 北京: 中国计划出版社, 2016.

[2] 侍海军, 张少炎, 王光前. 气体绝缘组合电器现场试验现状与发展[J]. 绝缘材料, 2004, 37(6): 44-47.

[3] 温定筠, 张秀斌, 孙亚明, 等. GIS交流耐压试验原理与装置[J]. 电气技术, 2014, 15(10): 108-109.

[4] 刘泽洪, 韩先才, 黄强, 等. 长距离、大容量特高压GIL现场交流耐压试验技术[J]. 高电压技术, 2020, 46(12): 4172-4181.

[5] 侯中峰, 刘瞻, 任民, 等. 一种大型汽轮发电机交流耐压试验方法[J]. 电气技术, 2021, 22(6): 102-105.

[6] 覃宗涛. 并联补偿电抗器在串联谐振耐压试验的应用[J]. 电气技术, 2020, 21(5): 95-97.

[7] 杨照光, 张凯, 温定筠, 等. 超高压电气设备现场交流耐压试验用防风抗晕试验导线的研究与应用[J]. 高压电器, 2015, 51(5): 118-122.

[8] 黄湛裕, 任重. 基于同频同相技术的500kV瓷柱式SF6断路器交流耐压试验分析[J]. 电气技术, 2017, 18(2): 111-116.

[9] 陈忠. 串联谐振耐压试验的现场问题及解决方法[J]. 电网技术, 2006, 30(增刊1): 205-207.

[10] 蒋頔. 高压电气设备交流耐压试验特殊情况及处理措施[J]. 工程技术研究, 2019, 4(20): 139-140.

[11] 哈图. 高压电气设备交流耐压试验中的特殊情况研究[J]. 科技资讯, 2018, 16(33): 32-34.

[12] 穆焜, 秦莹, 李勇. GIS现场耐压试验与相关设计问题分析[J]. 高压电器, 2017, 53(12): 236-240.

Research on discharge characteristics of the equalizing ring under the influence of the adjacent suspension

MA Yongfu1BAO Zhenghong1WANG Shengjie1LI Simeng2REN Jiyun1

(1. State Grid Qinghai Electric Power Research Institute, Xining 810008; 2. Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049)

During the on-site AC withstand voltage test, the influence of the suspension within the safe distance of the pressure equalizing ring on the top of the tested equipment is still unclear, it is important to carry out research on the discharge characteristics of the pressure equalizing ring under the influence of the adjacent suspension so as to improve the efficiency of the test significance. In this paper, a simulation test platform based on the power frequency test transformer is built first, and the maximum discharge distances under 12 working conditions of three voltage levels of 750kV, 330kV and 110kV are obtained through repeated tests. Secondly, a three-dimensional model is established, and the simulation calculation the maximum electric field in space, the surface potential of the suspended body and its distribution rules during the test are mastered, and the simulation model is universal by introducing the correction coefficient and its fitting calculation. Finally, it is considered that the voltage frequency of the on-site AC withstand voltage test is not 50Hz. At present, the correlation study between the air breakdown discharge characteristics and the test voltage frequency is carried out, and the relationship curve between the maximum discharge distance and the test frequency is obtained. The research results further improve the on-site withstand voltage test system, and provide technical support for such tests in the future.

AC withstand voltage test; floating potential; discharge characteristics; parameter correction; test frequency

国网青海省电力公司群众性技术创新基金资助项目（52280721000D）

2022-05-05

2022-06-21

马永福（1994—），男，青海西宁人，助理工程师，主要从事变电设备特殊交接试验及诊断试验工作。