律方成，張博禹，耿江海，王 平，丁玉劍，高樹國(guó)

（1.華北電力大學(xué) 河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；3.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021）

0 引言

隨著我國(guó)輸電線路電壓等級(jí)逐年提高，充分研究特高壓工程間隙的放電特性是保證輸電線路安全可靠的關(guān)鍵[1-4]。直流換流站閥廳作為高壓直流輸電工程中最重要的一環(huán)，擔(dān)負(fù)著交直流相互轉(zhuǎn)換的重要任務(wù)。閥廳內(nèi)高壓設(shè)備通過連接金具實(shí)現(xiàn)電氣連接，閥廳金具組成的不同距離的放電間隙直接影響整個(gè)閥廳中的電場(chǎng)分布。而且由于閥廳實(shí)際情況的差異，可能存在不同間隙距離的放電，導(dǎo)致放電過程也不盡相同。因此，對(duì)不同尺度間隙放電過程進(jìn)行試驗(yàn)觀測(cè)，進(jìn)而深入分析放電機(jī)理一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)[5]。

Les Renardieres Group[6-8]經(jīng)過長(zhǎng)間隙放電試驗(yàn)將放電過程分為4部分：初始流注、暗期、先導(dǎo)和末躍擊穿。初始流注是長(zhǎng)、短空氣間隙放電均具備的第一個(gè)階段，初始流注的發(fā)展經(jīng)歷各種電離過程的發(fā)生、發(fā)展和停止等過程[9-10]，目前的研究中對(duì)單一間隙距離放電研究較多。文獻(xiàn)[11]以短間隙為研究對(duì)象，對(duì)初始流注產(chǎn)生后放電區(qū)域內(nèi)、外的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。文獻(xiàn)[12]對(duì)長(zhǎng)空氣間隙施加雷電沖擊電壓，分析有流注出現(xiàn)時(shí)間隙中電場(chǎng)的時(shí)空變化。文獻(xiàn)[13]實(shí)現(xiàn)了短間隙氣體放電仿真，對(duì)放電電流和流注發(fā)展速度兩種放電物理特征參數(shù)對(duì)流注發(fā)展的影響進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[14]運(yùn)用光電聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)正極性標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓下10 cm帶毛刺球-球間隙的瞬時(shí)光功率、空間電場(chǎng)和接地極放電電流進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)，可判斷流注的起始時(shí)刻以及流注電離的劇烈程度。文獻(xiàn)[15]結(jié)合傳統(tǒng)流注放電理論，描述了流注區(qū)電場(chǎng)躍升的過程及長(zhǎng)間隙放電的隨機(jī)性。在實(shí)際應(yīng)用中存在電極結(jié)構(gòu)各異、大型試驗(yàn)布置復(fù)雜問題，并不能覆蓋所有試驗(yàn)類型，因此通過適當(dāng)?shù)臏y(cè)量手段，對(duì)比分析不同距離的間隙放電過程中各特征參數(shù)的變化尤為重要，而電極類型的選擇在間隙放電試驗(yàn)中極為關(guān)鍵。

閥廳金具幾何結(jié)構(gòu)多樣，其中均壓屏蔽球與接地體組成的空氣間隙與球-板電極結(jié)構(gòu)相似。文獻(xiàn)[16]對(duì)直流導(dǎo)線和閥廳金具的電暈起始電壓進(jìn)行了預(yù)測(cè)，文獻(xiàn)[17-19]針對(duì)閥廳內(nèi)部典型空氣間隙開展操作沖擊放電試驗(yàn)，獲得了不同距離空氣間隙對(duì)應(yīng)的50%操作沖擊放電電壓。文獻(xiàn)[20-21]針對(duì)閥廳內(nèi)部典型空氣間隙開展操作沖擊放電試驗(yàn)，獲得了不同空氣間隙距離d對(duì)應(yīng)的50%操作沖擊放電電壓。上述研究由于考慮的是整個(gè)閥廳中球-板間隙表面電場(chǎng)分布和放電特性，均壓屏蔽球表面均處理光滑，沒有考慮到球電極表面毛刺缺陷特點(diǎn)對(duì)其放電特性的影響。

為了研究不同間隙距離毛刺缺陷對(duì)放電特性的影響，本研究利用光電倍增管（photomultiplier tube，PMT）、光電集成電場(chǎng)傳感器等設(shè)備搭建光電聯(lián)合測(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)行了5 cm、3 m間隙下的帶有毛刺缺陷的球-板電極間隙操作沖擊放電試驗(yàn)，并以棒-板電極與球-板電極間隙放電試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照。通過對(duì)5 cm和3 m間隙帶毛刺球-板電極初始流注起始時(shí)延、初始流注電場(chǎng)躍升幅值和光功率躍升幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析放電特征參數(shù)之間的關(guān)系，研究帶有毛刺缺陷的球-板電極的放電特征；最后將不同間隙距離下毛刺對(duì)于放電過程中流注起始時(shí)刻階段，流注發(fā)展階段的影響進(jìn)行對(duì)比分析，得出毛刺缺陷對(duì)不同間隙距離放電的作用規(guī)律。

1 光電聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng)搭建

搭建光電聯(lián)合系統(tǒng)檢測(cè)平臺(tái)，使用基于Mach-Zehnder[22-23]原理的光電集成電場(chǎng)傳感器作為空間電場(chǎng)測(cè)量裝置用于采集空間電場(chǎng)信號(hào)。該裝置的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量范圍為0～800 kV/m，分辨率為0.3 V/m。采用型號(hào)為H10721-210的PMT，該裝置的波長(zhǎng)采集范圍為230～700 nm，積分時(shí)間為10 ns。由于流注發(fā)光的光譜絕大部分位于300～400 nm區(qū)域內(nèi)[24]，使用該裝置可以準(zhǔn)確快速對(duì)瞬時(shí)光功率信號(hào)進(jìn)行采集。平臺(tái)使用的示波器（Teledyne Lecroy 3024型）靈敏度為1 mV/div～1 V/div，用于讀取所測(cè)電場(chǎng)和光功率波形和幅值。

對(duì)帶毛刺球-板電極間隙進(jìn)行試驗(yàn)布置，如圖1所示?？諝忾g隙距離d=5 cm時(shí)，球電極直徑D=13 cm，毛刺長(zhǎng)度l=3 cm，板電極尺寸為30 cm×30 cm；光纖橫置在距間隙軸線13 cm處，試驗(yàn)過程中將電場(chǎng)傳感器探頭和光電倍增管尾纖固定在光纖上，距離板電極高度為4 cm；d=3 m時(shí)，球電極直徑D=1.3 m，毛刺長(zhǎng)度l=5 cm，板電極尺寸為11 m×11 m。長(zhǎng)間隙試驗(yàn)布置電場(chǎng)傳感器距電極軸線3 m，距地2.8 m，光電倍增管距電極軸線1.5 m、距地2.8 m。5 cm和3 m空氣間隙毛刺缺陷的曲率半徑均為0.5 mm并保持板電極接地。試驗(yàn)過程中為保證無(wú)外界光源的影響，選擇在室內(nèi)無(wú)光條件下進(jìn)行。

圖1 光電聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng)Fig.1 Photoelectric joint detection system

試驗(yàn)采用的50%操作沖擊放電電壓（U50%）按照GB/T 16927.1—2011和GB/T 16927.2—2013規(guī)定的試驗(yàn)和測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量。

采用升降法求取50%放電電壓U50%，計(jì)算公式為式（1）。

式（1）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)。

試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ按照式（2）計(jì)算。

每次試驗(yàn)前后，均需要記錄大氣壓強(qiáng)、溫度和相對(duì)濕度等氣象條件，并采用GB/T 16927.1—2011推薦的g參數(shù)法校正到標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下。

2 帶毛刺球-板電極放電過程及參數(shù)分析

當(dāng)球電極表面存在毛刺缺陷時(shí)較易發(fā)生起暈[25-26]，特補(bǔ)充開展不同間隙距離下放電過程觀測(cè)，以獲取其放電電壓下降機(jī)制，從而判斷毛刺對(duì)放電過程的影響。

2.1 帶毛刺球-板電極放電過程觀測(cè)

分別對(duì)5 cm和3 m帶毛刺球-板電極空氣間隙多次施加50%操作沖擊放電電壓（U50%）為81 kV和1 611 kV的正極性標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓，使用光電聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行放電觀測(cè)。在進(jìn)行多次試驗(yàn)后對(duì)采集波形進(jìn)行對(duì)比，選取長(zhǎng)、短間隙放電過程中空間場(chǎng)強(qiáng)與瞬時(shí)光功率的典型特性曲線如圖2所示。圖2中，T1表示3 m間隙初始流注起始時(shí)刻；T2表示3 m間隙暗期起始時(shí)刻；T3表示3 m間隙先導(dǎo)起始時(shí)刻；T1′表示 5 cm間隙初始流注起始時(shí)刻；T2′表示 5 cm間隙暗期起始時(shí)刻；T3′表示5 cm間隙二次流注起始時(shí)刻。

圖2 3 m和5 cm帶毛刺球-板電極間隙典型放電過程Fig.2 Typical discharge process of ball plate gap with burr in 5 cm and 3 m gap

從圖2可以看出，3 m間隙中，當(dāng)T1=80.7 μs時(shí)，光電倍增管檢測(cè)到712.48 pW的光信號(hào)；場(chǎng)強(qiáng)傳感器檢測(cè)到了2.02 kV/m的空間電場(chǎng)躍升。隨著加壓時(shí)間的增加，外加電壓上升，間隙場(chǎng)強(qiáng)逐漸升高，當(dāng)達(dá)到初始流注起始場(chǎng)強(qiáng)，初始流注起始，空間中的粒子電離為正電荷和自由電子，同時(shí)釋放光子，PMT檢測(cè)到光功率脈沖。電離產(chǎn)生的正電荷質(zhì)量過大，在空間中移動(dòng)緩慢會(huì)滯留在間隙中，而電子質(zhì)量較小，其受到電場(chǎng)力的作用會(huì)迅速向正電極方向移動(dòng)，而后通過流注匯入球電極的毛刺凸起，致使空間場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)躍升。當(dāng)T2=86.3 μs時(shí)，PMT測(cè)得的瞬時(shí)光功率降低為0同時(shí)電場(chǎng)躍升結(jié)束。初始流注過程產(chǎn)生的正空間電荷削弱了毛刺球電極周圍空間電場(chǎng)，電離過程停滯，致使初始流注發(fā)展停滯。此后空間中不再釋放出光子，放電進(jìn)入到暗期階段。當(dāng)T3=94.5 μs時(shí)，PMT第二次檢測(cè)到脈沖。在3 m間隙中，經(jīng)過暗期中能量的馳豫過程，中性分子溫度能夠升高至1 500 K[27]以致完成流注向先導(dǎo)的轉(zhuǎn)化，但由于毛刺球電極附近的電場(chǎng)被抑制，先導(dǎo)不會(huì)立刻發(fā)展。等到正空間電荷逐漸消散恢復(fù)空間電場(chǎng)，暗期結(jié)束后，T3時(shí)刻先導(dǎo)開始發(fā)展。

5 cm帶毛刺球-板電極間隙的放電過程在初始流注階段與3 m間隙相近，亦為光電聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng)同時(shí)檢測(cè)到了電場(chǎng)與光躍升，隨著流注的發(fā)展，空間中的正電荷抑制了流注的發(fā)展，隨后放電過程進(jìn)入暗期。但5 cm間隙距離過小，發(fā)生初始流注起始所需的電壓較低，其電離過程產(chǎn)生的自由電子數(shù)較少，因此在暗期中作用于氣體溫度上升的電子也相應(yīng)減少，暗期中提供的能量無(wú)法使流注莖達(dá)到臨界溫度（1500 K）形成先導(dǎo)。因此經(jīng)過暗期后，在T3′=115.2 μs時(shí)，5 cm間隙中PMT再次檢測(cè)到光信號(hào)，隨著外加電壓的升高，流注前方的空間正電荷進(jìn)行漂移和擴(kuò)散，短間隙放電將以二次流注形式繼續(xù)發(fā)展。

2.2 不同間隙距離下帶毛刺球-板電極間隙放電物理特征參數(shù)對(duì)比分析

為了探究不同間隙距離下的放電規(guī)律，分別對(duì)多次試驗(yàn)得到的5 cm和3 m帶毛刺球-板電極間隙50%閃絡(luò)概率下的初始流注起始時(shí)延（ΔT）、電場(chǎng)躍升（ΔE）和光功率躍升幅值（ΔP）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并對(duì)比分析，參數(shù)曲線如圖3所示。從圖3可以得出，在5 cm和3 m帶毛刺球-板電極間隙中，光功率躍升幅值的增大都伴隨著電場(chǎng)躍升幅值的增大。外加電壓產(chǎn)生足夠多的有效自由電子后，流注起始，在流注發(fā)展過程中，碰撞電離產(chǎn)生的凈正電荷滯留在空間中，同時(shí)釋放出光子，導(dǎo)致電場(chǎng)和光功率的躍升。初始流注起始時(shí)延越大，代表此時(shí)流注起始時(shí)外加電壓較大，有效自由電子較多，碰撞電離的過程更劇烈，產(chǎn)生的正電荷和釋放出的光子數(shù)較多，導(dǎo)致電場(chǎng)和光功率躍升值升高。5 cm和3 m間隙規(guī)律一致，流注起始時(shí)延、初始流注光功率躍升與空間電場(chǎng)躍升幅值呈正相關(guān)的關(guān)系。

圖3 初始流注起始時(shí)延、光功率躍升與電場(chǎng)躍升幅值的關(guān)系Fig.3 Relationship between initial delay,optical power jump amplitude,and electric field jump amplitude of initial streamer

3 毛刺缺陷對(duì)間隙放電特性影響

3.1 不同間隙距離和電極類型下的放電對(duì)比試驗(yàn)

毛刺缺陷會(huì)影響球電極局部結(jié)構(gòu)的曲率使其電極類型發(fā)生改變，為了能夠定性、定量地考量毛刺缺陷這種特殊結(jié)構(gòu)對(duì)間隙放電特性的影響，基于前文搭建的光電聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng)，分別開展了5 cm短間隙、3 m長(zhǎng)間隙下典型的棒-板電極、球-板電極的正極性操作沖擊電壓U50%放電對(duì)比試驗(yàn)，比較毛刺球-板電極與上述兩種電極類型在流注過程中的關(guān)鍵物理特征參量的差異。在不同間隙距離及電極類型條件下進(jìn)行重復(fù)放電試驗(yàn)，每組試驗(yàn)之間保持足夠的時(shí)間間隔，確保放電結(jié)束后空間電荷消散完全，消除其對(duì)下次放電過程的干擾。

對(duì)每組間隙類型試驗(yàn)都進(jìn)行多次操作沖擊放電試驗(yàn)，測(cè)得5 cm和3 m間隙不同電極布置下初始流注的起始時(shí)延、電場(chǎng)躍升幅值、光功率躍升幅值的平均值和U50%如表1所示。

表1 不同間隙初始流注特征參數(shù)平均值與U50%對(duì)比Tab.1 Comparison between the average value of initial streamer characteristic parameters and U50%in different gaps

在不同間隙距離及電極類型下進(jìn)行放電觀測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)對(duì)5 cm間隙球-板電極多次施加81 kV的標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓進(jìn)行放電試驗(yàn)，其放電發(fā)展過程出現(xiàn)不同于其他間隙放電的情況：在初始流注階段，電場(chǎng)傳感器可以檢測(cè)到電場(chǎng)躍升，但光電倍增管只觀測(cè)到極小的光功率躍升。這是由于球-板電極較為均勻，起暈位置的隨機(jī)性較大，而光信號(hào)受制于光電倍增管狹縫布置位置，當(dāng)流注起始時(shí)，空間場(chǎng)強(qiáng)已經(jīng)發(fā)生畸變，但非球電極端部起暈情況下，采集到的光功率較低。因此為了保證特征參量的可比性，對(duì)于5 cm間隙球-板電極間隙只討論其電場(chǎng)躍升特性。

3.2 毛刺對(duì)球-板電極間隙的流注特性影響

在氣體放電過程中，初始流注起始時(shí)延能夠反映流注起始階段有效電子的積累效率，電場(chǎng)躍升幅值及光功率躍升幅值能夠反映流注的發(fā)展過程。通過3.1中進(jìn)行的重復(fù)對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，以全面、直觀地顯示帶毛刺球-板電極與典型傳統(tǒng)電極的放電過程差異特性，結(jié)果如表2所示。

對(duì)于初始流注的起始特性，毛刺的存在對(duì)球-板電極間隙的影響在不同間隙距離下表現(xiàn)不同。由表1和表2可知，在5 cm間隙下，帶毛刺球-板電極間隙的初始流注起始時(shí)延遠(yuǎn)小于棒-板電極間隙，二者表現(xiàn)出較大的差異性。由于毛刺缺陷與球電極共同作為正電極，在間隙距離很小時(shí)，毛刺部分改變正電極整體曲率半徑的程度較大。由于毛刺頭部的曲率半徑遠(yuǎn)小于棒電極，隨著時(shí)間的推移，帶毛刺球-板電極間隙能夠很快達(dá)到初始流注起始場(chǎng)強(qiáng)并能夠較快地形成足夠多的有效自由電子，使得初始流注快速起始；而在3 m間隙下，棒-板電極間隙和帶毛刺球-板電極間隙的初始流注起始時(shí)延分別比球-板電極間隙減小了約69.6%和58.5%，帶有毛刺缺陷的球-板電極間隙與棒-板電極間隙的流注起始特性表現(xiàn)出較明顯的相似特征，與球-板電極間隙表現(xiàn)出較大的差異。在3 m間隙下，球電極的曲率半徑最大，支撐其放電起始需要足夠多的能量，但毛刺可以減小球電極表面的曲率半徑，使得所需的初始流注起始場(chǎng)強(qiáng)降低，間隙中的有效自由電子數(shù)減少，加速了初始流注的起始，但影響程度較弱，未能快于棒-板間隙電極?？梢娒痰拇嬖谀軌蚩s短初始流注放電起始時(shí)延，其中對(duì)于短空氣間隙更明顯。

表2 歸一化后放電特征參數(shù)對(duì)比Tab.2 Comparison of discharge characteristic parameters after normalization

當(dāng)流注開始發(fā)展后，毛刺球-板電極間在不同間隙距離下初始流注的發(fā)展規(guī)律相近。由表1和表2可知，對(duì)于5 cm間隙，毛刺球-板電極的電場(chǎng)躍升幅值已經(jīng)趨向于棒-板電極間隙；而棒-板電極間隙的光功率幅值與帶毛刺球-板電極間隙相似，說(shuō)明在初始流注起始后，放電過程產(chǎn)生了近乎同樣數(shù)量級(jí)的凈空間正電荷并釋放出相應(yīng)數(shù)量的光子，造成了等幅的電場(chǎng)強(qiáng)度及光功率躍升。毛刺的存在加劇了放電的發(fā)展，使得帶毛刺球-板電極間隙與棒-板電極間隙流注的發(fā)展特征類似；在3 m間隙中，帶毛刺球-板電極間隙的初始流注光功率和電場(chǎng)躍升幅值較球-板電極間隙分別減小了約34.9%和75.3%；棒-板電極間隙的光功率與電場(chǎng)躍升幅值較球-板電極間隙減小了約44.4%和93.6%，帶毛刺球-板電極間隙與棒-板電極間隙流注的發(fā)展規(guī)律亦相近，這是由于毛刺的存在明顯加劇了放電的發(fā)展。

在多次擊穿發(fā)生后，對(duì)電壓進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，測(cè)得的不同間隙距離下不同電極的U50%如表1和表2所示：在5 cm和3 m間隙中，球-板電極間隙的U50%最大，帶毛刺球-板電極間隙的U50%次之，棒-板電極間隙的U50%最小。以球-板電極間隙的U50%為基準(zhǔn)，當(dāng)球電極表面光滑時(shí)，5 cm間隙和3 m間隙下的U50%比棒-板電極間隙分別高了84.2%與66.7%；而當(dāng)球電極表面存在毛刺時(shí)，5 cm間隙和3 m間隙下的U50%分別比棒-板電極間隙高了2.4%與1.5%，屏蔽球表面存在毛刺會(huì)改變高壓電極表面狀態(tài)，使得毛刺局部放電不均勻度大幅增大。球表面電極存在毛刺會(huì)大幅降低放電電壓，臨近同等間隙下棒-板電極間隙放電電壓。

4 結(jié)論

（1）在不同間隙距離下，帶毛刺球-板電極間隙中初始流注起始時(shí)延、初始流注電場(chǎng)躍升幅值均與初始流注光功率躍升成正相關(guān)。

（2）流注起始時(shí)，3 m間隙中棒-板電極間隙和帶毛刺球-板電極間隙的初始流注起始時(shí)延分別比球-板電極間隙減小了約69.6%和58.5%，間隙距離較長(zhǎng)時(shí)，毛刺的存在使球-板電極間隙的初始流注起始時(shí)延趨近于同等間隙距離下的棒-板電極間隙。5 cm間隙中帶毛刺球-板電極間隙的起始時(shí)延遠(yuǎn)小于棒-板電極間隙。毛刺的存在能夠縮短放電起始時(shí)延，其中對(duì)于短間隙最明顯。

（3）流注開始發(fā)展后，帶毛刺球-板電極間隙的光功率與電場(chǎng)躍升幅值更接近于棒-板電極間隙，表明帶毛刺球-板初始流注的發(fā)展規(guī)律與棒-板電極相近，毛刺的存在加劇了放電的發(fā)展；試驗(yàn)多次擊穿發(fā)生后，對(duì)于U50%，當(dāng)球電極表面光滑時(shí)，5 cm間隙和3 m間隙下的U50%比棒-板電極間隙分別升高了84.2%與66.7%，而當(dāng)球電極表面存在毛刺時(shí)，5 cm間隙和3 m間隙下的U50%分別比棒-板電極間隙升高2.4%與1.5%，球表面電極存在毛刺會(huì)大幅降低放電電壓。綜上，毛刺的存在促進(jìn)了放電過程的發(fā)展，而且會(huì)大幅降低球-板電極間隙放電電壓，使其臨近同等間隙下棒-板電極間隙放電電壓。