棒-板短空气间隙淋雨交流放电特性及电压校正

蒋兴良 袁 耀 杜 勇 马建国 毕茂强

（1.重庆大学输配电装备及国家系统安全与新技术国家重点实验室 重庆 400044 2.湖北超高压输变电公司 武汉 430050）

1 引言

近年来，随着全球气候的日益恶化，暴雨、大暴雨甚至特大暴雨出现的频率不断增加，暴风雨的不断袭击对各国输电线路的安全运行提出了严峻的考验。在我国，随着超特高压电网建设速度的加快，运行电压等级的不断提高，输电线路外绝缘在这种暴风雨天气的袭击下，也出现了许多亟待解决的问题[1]。强降雨时发生空气间隙绝缘击穿事故就是其中的主要问题之一，表 1列出了自 2005年以来我国输电线路在暴风雨天气发生导线对杆塔空气间隙击穿事故的不完全统计情况。由表 1的统计结果可以看出，降雨条件下空气间隙绝缘击穿事故已严重影响我国电力系统安全可靠的运行。但到目前为止，国内外对降雨条件下空气间隙放电特性和机理的研究还很少，并且在进行外绝缘设计时也一般不考虑淋雨对空气间隙放电特性的影响，对降雨条件下空气间隙的放电机理并没有形成统一的认识。目前只有少部分学者对淋雨条件下的空气间隙放电进行了研究，其中，文献[2,3]分别对球-板、环-板和棒-板三种电极结构在淋雨条件下的操作冲击放电特性进行了研究，指出在淋雨条件下，球-板、环-板的操作冲击放电电压较干燥环境时会有一定程度的降低，但棒-板正极性操作冲击电压变化不明显。2002年，Yoshibumi Yamagata等在日本特高压试验基地研究了淋雨对真型均压环与真型塔窗空气间隙的放电影响[4]，试验结果表明：被雨水湿润后的空气间隙的操作冲击放电电压有明显降低的趋势，即空气间隙的操作冲击湿闪电压比干闪电压降低了8%～15%。文献[5]则研究了风雨对导线-杆塔空气间隙工频放电特性的影响，指出随着淋雨强度的增大，导线-杆塔空气间隙的放电电压将逐渐降低；文献[6]通过对直流正极性棒-板空气间隙的试验研究，也得出了相同的结论。

虽然现有的电力行业标准[7,8]对空气间隙放电电压的校正作了规定，但其应用范围都受到限制。文献[7]应用g参数法校正空气间隙放电电压时规定其校正公式的适用条件是：①1≤h/δ≤15；②海拔不超过 2km。但在自然降雨中，环境相对湿度达到 100%，h/δ的值往往超过了 15，不满足g参数法的应用条件。而文献[8]直接规定了其校正公式不能用于淋雨条件下空气间隙放电电压的校正。

表1 国内输电线路导线―杆塔空气间隙雨闪事故的不完全统计情况Tab.1 Incomplete statistics to the flashover of conductorto-tower air gap when raining in China

综上所述，关于淋雨对外绝缘放电的影响目前尚未达成共识，有必要对其进行深入的探讨。同时，对淋雨条件下外绝缘放电的研究对我国电网的安全运行也有着重要的意义。

为此，本文在重庆大学人工气候试验室和雪峰山自然试验站对棒-板短空气间隙在淋雨条件下的放电特性进行了研究，根据试验结果分析了淋雨对空气间隙放电电压的影响，提出了淋雨条件下空气间隙放电电压的校正方法，对降雨特别是特大暴雨情况下的电气绝缘距离选择提供参考和技术依据。

2 试验布置及方法

人工模拟淋雨试验是在直径7.8m、高11.6m人工气候室[9]内完成的。“棒-板”间隙采用竖直布置方式，棒电极为直径 19.6mm的金属避雷针，其尖端为直径 2mm的圆锥，板电极为厚 3mm，直径 3m的圆形铁板。试验原理如图1所示。

图1 试验原理示意图T1—调压器 T2—试验变压器 R0—保护电阻F—电容分压器 H—穿墙套管 E—人工气候室Fig.1 The sketch map of test

试验电压由500kV交流污秽试验变压器提供。大气参数（温、湿度和气压）采用综合数字式测量仪（PTU200）测量，在环境温度为20℃时，其温度、相对湿度和气压的测量误差分别为±0.2℃、±1%和±0.03kPa。试验采用 JFZ—01型数字式雨量计测量淋雨强度，采用DD—810E精密型电导率仪测量雨水电导率及雨水温度。自然条件下，由于降落至地表附近的雨水温度与环境温度相差不大，因此淋雨时控制雨水温度与环境温度差小于2K。

所有试验均采用均匀升压法进行加压，每个试验点的有效试验次数至少为10次，为了保证试验数据的有效性，每隔3～5min进行淋雨强度的测量，保证淋雨强度在有效范围之内。

本文对长度为0.2m、0.4m、0.6m的三种“棒-板”间隙进行了人工淋雨试验。人工模拟淋雨由符合IEC标准要求的淋雨排产生，可根据要求调节淋雨强度和方向，须注意的是，在每次加压前应观察雨水运动方向，使棒电极尖端尽量不要形成水膜，水滴或者水柱，从而提高试验结果的准确性。

3 试验结果及分析

3.1 淋雨的影响规律

根据以上试验方法，本文得到的0.2～0.6m棒-板短空气间隙交流放电特性试验结果如表 2和图2所示，其中，人工气候室气压 p为 98.6kPa（海拔H=232m），淋雨时环境相对湿度RH为100%，淋雨强度的测量误差为±0.3mm/min，试验时的雨水电导率γ20为384±10μS/cm。表中淋雨强度为0mm/min时的间隙击穿电压为停雨2min后测得的，此时棒-板间隙周围相对湿度仍然为100%。

表2 人工气候室模拟试验结果及试验环境Tab.2 The simulating results and experimental conditions of artificial climate room

图2 不同间隙距离下击穿电压与淋雨强度的关系Fig.2 Breakdown voltages vs.rain intensity at different gap separations

由表 2可知，试验结果的标准偏差小于 4%，且23个试验结果中仅2个的标准偏差超过3%，即淋雨条件下“棒-板”短空气间隙交流放电电压的分散性较小。由图2可知，人工淋雨对棒-板短空气间隙的交流放电电压有一定的影响，其影响程度与淋雨强度有关，即随淋雨强度的增加而降低。但淋雨对其影响不明显，如淋雨强度从0增加到14mm/min时，0.20m、0.40m和 0.60m的“棒-板”短空气间隙的交流放电电压分别仅下降了 10.32%、8.01%和8.58%。

3.2 淋雨的影响机理

淋雨时空气间隙放电模型可看作是有悬浮导体的空气间隙放电，文献[10]曾通过试验指出悬浮在绝缘气体中的自由移动的金属颗粒会导致击穿电压的严重下降。

淋雨条件下，空气间隙中雨滴的存在会对电场产生强烈畸变：雨滴内部场强较低，雨滴外部场强较高，这种畸变使得电极附近的电场强度也会有所变化，导致电极附近的局部电场得到加强。而局部电场的增强会使空间中因碰撞电离产生的电子数目相应增多，从而有利于流注的形成；此外，局部电场的增强还会加快电子和正负离子的运动速度，进而有助于流注的发展。

其次，在淋雨强度较大时（此时间隙中雨滴数目较多，大雨滴所占的比重也较大），雨滴表面由于吸附作用将积聚起更多的带电粒子，其表面附近的电场畸变更加严重，更有利于放电的发展。

为了进一步说明雨滴对空间电场的畸变作用，本文对棒-板空气间隙中有雨滴时的静电场分布进行了仿真分析，仿真结果如图3及表3所示。

图3 棒-板间隙中有无水滴时的静电场分布Fig 3.The distribution of electric field in air gap with and without droplets

表3 间隙最大场强与雨滴直径的关系Tab.3 Relationship between maximum electric field and equivalent diameter of water droplet

由表3仿真结果可知：雨滴等效直径越小，其对棒-板空气间隙电场的影响也越小。对直径为1mm的雨滴，间隙中最大场强值为2 3.16kV/cm，仅比没有雨滴时的空间场强增加了0.68kV/cm；而对直径为 8mm的雨滴，此时空间最大场强值为30.00kV/cm，比没有雨滴时的场强增加了7.52kV/cm。由此可以看出，当雨滴直径增大时（即淋雨强度增加时），雨滴对其周围空间电场的畸变程度会随之增强，也就是说，随着淋雨强度的增大，间隙击穿电压会随之降低，这与试验所得到的结果相一致。

4 淋雨强度对放电电压影响的校正

由图2的试验结果可知，随着淋雨强度的增大，间隙击穿电压会逐渐降低，即呈负相关关系；同时，自然降雨特别是大暴雨时，环境的相对湿度达到100%，因此在校正过程中没有考虑绝对湿度的影响；此外，本文在数据分析中发现若采用文献[7]提出的g参数法拟合时，得到的空气密度指数m为负值，与g参数法规定的m值范围相矛盾，而且由此得到的拟合结果和现场结果的误差也较大。基于以上三点，本文将压强 p（即海拔高度 H）和环境温度T作为两个独立的参数进行分析，并根据铁路行业标准对海拔 4000m及以下隧道内电气绝缘间隙选择的建议[11]，提出了淋雨强度的电压校正公式，即

式中，U1为海拔1000m，t=20℃时的放电电压，根据文献[11]可知 U1=0.909U0，U0为 p=101.3kPa，t=20℃时（此时h=17.3g/m3）的放电电压；KH=1.1-H×10-4为海拔校正指数；H为海拔高度，m；Kt=[(t+273)/293]a为温度校正因数；t为温度，℃；a为温度的影响特征指数；KI=（1-cI）n为淋雨条件下棒-板空气间隙放电电压的淋雨强度校正指数；I为瞬时淋雨强度，mm/min；c为淋雨强度的影响系数；n为淋雨强度的影响特征指数。

在拟合分析中发现，若采用式（1）对表2的试验结果直接进行拟合计算，得到的n值是不收敛的。因此，有必要采用另外的方法对表2的试验结果进行拟合。

为了能拟合出符合实际情况的校正公式，本文在人工气候室对 0.4m的棒-板空气间隙进行了另外一组试验，试验条件及试验结果如表4所示。

表4 0.4m棒-板空气间隙试验条件及结果Tab.4 Test results and experimental conditions of 0.4m rod-plane air gap

将表4的结果按式（1）进行拟合，得到间隙距离为 0.4m，淋雨强度为 9mm/min时的交流放电电压可表示为

其中，拟合决定系数R2=0.9704，拟合相关性很好。

将式（2）中的a、c值代入式（1），即

再将表2的试验结果按照式（3）进行拟合，得到间隙距离分别为0.2m、0.4m和0.6m时的交流放电电压可分别表示为

式中，Kt=[（t+273）/293]a；a=1.278。

式（4）中的拟合结果的决定系数 R2分别为0.9290、0.9310和 0.9273，拟合的相关性较好，由此可知：

（1）式（4）适用于 0.2～0.6m间隙放电电压校正。

（2）不同间隙距离下的淋雨强度影响特征指数n基本一致，可取n的平均值nav=0.2752。

由式（4）中0.2～0.6m间隙的放电电压，可得U1与间隙长度d的关系为

其中，式（5）的拟合相关系数平方达到0.9948。

因此，由式（4）、式（6）可得0.2～0.6m棒-板空气间隙的交流放电电压为

根据标准[11]，对于海拔低于 1000m的地区，按 1000m条件进行校正，因此对于式（7），当H≤1000m时，取KH=1。

由式（7）可绘制不同空气间隙在P=101.3kPa，t=20℃时间隙击穿电压与淋雨强度的关系图，如图4所示。

图4 间隙击穿电压与淋雨强度的关系Fig.4 Relationship between breakdown voltage and rain intensity

由图4可知，在环境参数一定时，间隙击穿电压与淋雨强度近似呈线性关系。因此，在式（7）中利用泰勒级数将 KI=(1-0.0189I)n展开，其中n=0.2752，并略去二阶以上的高阶项后可得淋雨条件下棒-板空气间隙交流放电电压的淋雨强度校正指数KI为

由上式可知，在大气环境参数不变时，淋雨强度每增加2mm/min，对于0.2～0.6m的空气间隙，其交流放电电压将降低1.04%。

5 放电电压校正公式验证及电压预测

5.1 校正公式验证

为了检验由人工气候试验结果得到的式（7）的准确性，本文在人工气候室对不同间隙下的棒-板空气间隙进行了淋雨放电试验，试验结果及计算结果见表5。

由表5可知：由式（7）计算得到的结果与人工气候室的试验结果相对误差小于±5%，且二者结果很接近。因此，对于人工气候室模拟试验结果，采用式（7）的校正方法其误差是在允许范围以内的。

表5 人工气候室试验结果和校验结果Tab.5 Test and calculation results in artificial climate room

5.2 淋雨时棒-板空气间隙交流击穿电压预测

利用式（7），本文对其他淋雨条件下的棒-板空气间隙击穿电压也进行了预测，并与实际的试验结果进行了对比，计算结果和试验结果见表6、表7。

表6 人工气候室0.7m棒-板空气间隙试验结果及预测Tab.6 Test and calculation results of 0.7m rod-plane air gap in the artificial climate room

表7 雪峰山（H=1500m）覆冰试验站自然降雨条件下0.05～0.15m棒-板空气间隙试验结果及预测Tab.7 Test and calculation results of 0.05～0.15m rod-plane air gap at the Xuefeng mountain natural site

由表6可知：式（7）与人工模拟试验结果的误差最大为 2.80%，最小为0.65%，平均误差为 2.05%，即采用式（7）对0.7m棒-板空气间隙放电电压进行预测的效果较好。

由表7可知：

（1）式（7）与自然降雨条件下试验结果的误差最大为1 2.66%，最小为 3.21%，平均误差为9.28%。

（2）文献[5,6]指出，降雨时棒-板空气间隙交流击穿电压随着雨水电导率的增加而降低。式（7）是由重庆大学人工气候实验室试验结果拟合得到的，试验时的雨水电导率为 384μS/cm左右，而在雪峰山现场试验时，其雨水电导率只有 40μS/cm，而本文提出的校正式（7）并没有考虑雨水电导率的影响；此外，现场试验时风速较大，棒在风的作用下左右摇摆对试验结果也会有一定的影响。最后，自然降雨时，棒电极的末端可能会有水膜、水滴或者水柱产生，由于水的介电常数较高，是电的良导体，所以，一方面它们的存在会在一定程度上减小空气间隙的距离，另一方面它们本身对空间电场也有畸变作用。因此，基于上述三种原因，使得自然降雨条件下棒—板空气间隙击穿电压的试验值要低于式（7）所得到的计算值。

6 结论

（1）淋雨时，棒-板空气间隙的交流放电电压分散性较小，其标准偏差基本都小于 3%；棒-板空气间隙的交流放电电压会随淋雨强度的增加而逐渐降低，对 0.2m、0.4m、0.6m间隙，其最大降低幅度分别为10.32%、8.01%和8.58%。

（2）降雨时短空气间隙交流放电电压的校正公式可以表示为

（3）棒-板空气间隙放电电压的淋雨强度校正指数可表示KI=1-ncI=1-0.0052I，即在环境条件不变时，淋雨强度每增加2mm/min，其交流放电电压将降低1.04%。

（4）提出的校正方法可用于 0.7m 棒-板空气间隙淋雨条件下交流放电电压的预测，但在自然条件下，采用该方法得到的计算结果与实际试验值误差较大，需进一步研究分析。

[1]胡毅.输电线路运行故障的分析与防治[J].高电压技术,2007, 33(3): 1-8.Hu Yi.Analysis on operation faults of transmission line and counter measures[J].High Voltage Engineering,2007, 33(3): 1-8.

[2]Rizk F A M.Electrical resistance of an insulatingsurface under artificial rain [J].Proceedings of the IEE, 1974, 121(3): 154-160.

[3]Rizk FA M.Influence of rain on switching impulse sparkover voltage of large-electrode air gaps[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and System, 1976,95(4): 1394-140 2.

[4]Yoshibumi Yamagata, Akio Oe, Kunihiko Miyake, et al.Phase-to-ground and phase-to-phase sparkover characteristics of external insulation at the entrance of a UHV substation[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2002, 17(1): 223-23 2.

[5]胡毅, 王力农, 邵瑰玮, 等.风雨对导线-杆塔空气间隙工频放电特性的影响[J].高电压技术,2008,.34(5): 845-850.Hu Yi，Wang Linong, Shao Guiwei, et al.Influence of rain and wind on power frequency discharge characteristic of conductor-to-tower air gap[J].High Voltage Engineering，2008，34(5)：845-850.

[6]蒋兴良, 刘伟, 奚思建, 等.降雨对“棒-板”短空气间隙正极性直流放电特性的影响[J].高电压技术,2011, 37(2): 261-267.Jiang Xingliang, Liu Wei, Xi Sijiang, et al.Influence of rain on positive DC discharge characteristic of rod-plane short air gap[J].High Voltage Engineering[J].2011, 37(2): 261-267.

[7]中华人民共和国电力行业标准 GB/T 16927.1—1997(eqv IEC60—1—1989)，高电压实验技术—第一部分：一般实验要求[S].

[8]中华人民共和国电力行业标准 DL/T 620—1997，交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].

[9]孙利朋.棒-板空气间隙淋雨操作冲击放电特性的研究[D].重庆: 重庆大学,2008.

[10]Ziomek W, Kuffel E.Activity of moving metallic particles in prebreakdown state in gas[J].IEEE Transactions.Dielectr.Electr.Insul.1997, 4(1): 39-4 3.

[11]TB1849—1987.隧道内接触网绝缘间隙(Insulation gaps of tunnel touch net)[S].中华人民共和国铁道部部标准.