在特高压电网中，空气湿度对先导放电有啥影响？现场试验有新发现
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
华南理工大学电力学院、中国南方电网有限责任公司、电力系统国家重点实验室、清华大学电机工程与应用电子技术系、南方电网科学研究院的研究人员刘昌、周旋、庄池杰、刘磊、曾嵘，在2019年第10期《电工技术学报》上撰文指出（论文标题为“两种湿度下特高压尺度真型工程间隙操作冲击放电试验观测”），合理确定输电线路的空气间隙距离是特高压输电工程外绝缘设计的主要问题之一。
搭建一套长间隙放电过程同步观测系统，并分别在位于北京与武汉的特高压试验基地开展真型工程间隙（6.7m的导线-杆塔间隙、10m的导线-导线相间间隙）操作冲击放电试验。
试验结果表明:在北京地区秋冬季节绝对湿度较低，先导放电趋于连续、稳定发展，先导发展的一维平均速度较小，不同工况下平均值在1.6～2.1cm/ s之间，且速度波动很小。当绝对湿度较大时，先导放电趋于不连续、重燃发展，速度较大，不同工况下平均值范围为4.5～6.5cm/s，且波动程度很大。
为解决远距离、大容量的电能输送问题，近年来，我国多项特高压交、直流（UHVAC、UHVDC）输电工程已投入建设或运行，截至2016年12月，已建成的特高压输电线路共计11条（“六交五直”）。空气是特高压架空输电线路的最主要绝缘介质，间隙距离可达数米至数十米，合理确定空气间隙（如导线-杆塔间隙、导线-导线相间间隙等）的距离是输电线路外绝缘设计中的一项重要任务。
这对长空气间隙放电的特性与机理研究提出了需求。环境条件主要指气压、湿度，对空气间隙的放电过程与击穿特性具有一定影响。研究气压对空气间隙放电特性的影响，主要通过在不同海拔（即低气压）地区开展典型间隙的放电试验，获取不同气压下的间隙击穿电压的校正系数。
例如：文献[11]给出了海拔4 300m以下地区的塔头空气间隙在操作冲击电压下击穿特性曲线。湿度对于空气间隙放电（尤其是大尺寸工程长间隙）的影响研究相对较少，多集中在湿度对电晕起始或流注放电的影响。
20世纪70年代，法国雷纳迪实验室分析了湿度对先导放电的影响，其推测湿度增大，先导的平均发展速度增大，重燃的发生频率增加。
此外，文献[19]通过操作冲击电压下的长空气间隙放电试验，指出含重燃在内的先导发展速度与重燃之间的连续先导发展速度均随着湿度的增加而增大，间隙击穿时间随湿度的增大而减小。
先导是特高压尺度放电的最重要过程，湿度对先导放电过程有显著影响。在特高压尺寸的真型空气间隙试验中，研究湿度对先导放电的影响几乎没有。
以往针对特高压工程大尺寸空气间隙放电的试验研究，通常仅获取间隙的击穿电压，而对放电具体发展过程的观测与分析较少。近年来，随着观测手段的进步，放电电流测量、放电光学图像拍摄逐渐应用于大尺寸工程间隙户外放电观测试验中。
本文搭建了一套适用于对户外大尺寸工程空气间隙放电现象观测的系统，在位于北京的国家电网公司特高压直流试验基地与位于湖北武汉的国家电网公司特高压交流试验基地分别开展典型大尺寸工程空气间隙的冲击放电观测试验，获取了间隙击穿过程的放电电流波形与放电通道光学形态图像。对比试验条件与放电现象的差异，讨论了空气湿度对先导放电过程的影响。
1 观测手段
本文搭建了一套适用于对户外大尺寸工程空气间隙在冲击电压下的放电现象进行多物理参数同步观测的系统，包括高电位放电电流测量系统、放电光学形态高速摄像系统，配合与冲击电压发生器配套的分压器及后端数据采集系统，可对放电的具体发展过程与现象进行较为全面的记录与分析。长空气间隙冲击放电同步观测平台示意图如图1所示。
图1 长空气间隙冲击放电同步观测平台示意图
放电电流测量系统的主要测量元件是同轴分流器（相当于一个采样电阻），位于金属制成的屏蔽桶内，整个电流测量装置串联在高压引线与施加高压的电极（通常为导线）之间，放电电流流经同轴分流器后产生电压信号，通过金属桶内的数据采集卡（型号为NI USB5133，2-ch，100MS/s Digitizer w/ 32MB/ch）、电-光转换模块（型号为Icron USB 2224，REX）后以光信号的形式传递至低压侧，经由光-电转换模块（型号为Icron USB 2224, LEX）转换成电信号，输出至终端。试验中同轴分流器的阻值选取为0.1 。
长空气间隙放电过程的流注、先导、末跃及击穿后的燃弧过程，均伴随放光现象，对其进行时间分辨摄像，结果直观且易于揭示放电各个阶段的现象与部分物理参数。本文采用CMOS高速摄像机实现放电通道发光图像的拍摄，采用的相机型号为Abelcine公司开发的Phantom V12.1，最大拍摄速率为680 000f/s（frame per second，帧/秒），此时图像的分辨率仅为128×8像素，具体使用中其工作参数的选定由试验工况、试验布置、镜头配置、观测时间分辨率的要求确定。
2 试验布置与开展（略）
特高压工程空气间隙放电特性观测试验分别在位于北京的国家电网公司特高压直流试验基地与位于湖北武汉的国家电网公司特高压交流试验基地开展，前者采用导线-杆塔空气间隙，后者采用导线-导线相间间隙。
图2 导线-杆塔空气间隙放电试验现场布置
图3 导线-导线相间空气间隙放电试验现场布置
3 试验数据与分析（略）
对比北京、武汉两地试验结果，北京的先导放电趋于连续、稳定发展，几乎观察不到重燃现象；武汉的先导放电趋于不连续、重燃发展。
由于北京与武汉两地开展的放电试验的电压极性、间隙不完全一致，分析不同放电现象的影响因素时，必须首先考虑这两个因素的影响。
在武汉试验基地补充了6m导线-塔窗间隙的正极性操作冲击放电观测试验。试验发现，正极性下导线-塔窗间隙的放电现象与导线-导线相间间隙相似，即先导放电体现为不连续的重燃发展形式，且不连续性更为显著（重燃间隔更大）。典型放电过程的高速摄像结果如图10所示。
图10 高湿度下导线-塔窗间隙典型放电发光图像
因此，放电现象的明显差异性，主要不是电压极性和间隙结构导致的。
推测引起北京与武汉的试验现象差异的主要因素是湿度，更确切地说，是绝对湿度。对特高压尺度的工程大间隙，高绝对湿度下（武汉试验条件，绝对湿度为20.0～30.1g/m3），先导放电趋于不连续、重燃发展，发展过程中速度波动范围很大；低绝对湿度下（北京试验条件，绝对湿度为4.4～10.0g/m3），先导放电趋于连续、稳定发展，发展过程中速度波动很小。这与雷纳迪试验室的关于高湿度环境下正极性放电存在重燃的结论吻合。
湿度对于先导发展模式（连续发展或重燃发展）的影响，推测主要源于放电过程中负离子与电子之间的相互转换过程，绝对湿度较大时，电子较容易附着，以负离子的形式存在（如O2 (H2O)n），则需要更强的局部电场畸变，才能维持电子的产生速率使得放电继续发展，因此放电的连续稳定发展受阻，逐渐趋于不连续发展。
但是，湿度的具体影响机制与重燃过程的机理目前研究并未给出确定性结论，仍有待深入探讨。
本文搭建了一套适用于对户外大尺寸工程空气间隙放电过程进行多参数观测的同步系统，分别在北京国家电网公司特高压直流试验基地与武汉国家电网公司特高压交流试验基地开展典型大尺寸工程空气间隙的冲击放电观测试验，获取了间隙击穿过程的放电电流波形与放电通道光学形态图像。
基于试验观测结果发现：
1）高绝对湿度下（武汉试验条件，绝对湿度为20.0～30.1g/m3），先导放电趋于不连续、重燃发展，不同工况下一维速度平均值约4.5～6.5cm/ s之间，先导发展过程中速度波动范围很大，变异系数可达60%～75%。
2）低绝对湿度下（北京试验条件，绝对湿度为4.4～10.0g/m3），先导放电趋于连续、稳定发展，几乎观察不到重燃现象，不同工况下平均速度在1.6～2.1cm/ s之间，发展过程中速度波动很小，变异系数约5%～15%之间。
未来，计划就湿度的具体影响机制与重燃过程的机理开展进一步研究。