長空氣間隙

長空氣間隙(以下簡稱長間隙)放電是高電壓工程領域長期關注的基礎問題之一。長間隙放電研究包括放電特性試驗、放電機理探索與建模仿真3方面內容，可為高壓輸變電工程的外絕緣設計提供依據，亦是雷電禁止問題研究的重要基礎。由於對氣體放電理論的研究涉及多學科交叉以及受到測量氣體放電過程中各種參數所需的先進儀器的制約。在氣體放電理論很不完善的情況下，高電壓與絕緣技術研究還是一門以試驗為基礎的學科。

基本介紹

• 中文名：長空氣間隙
• 外文名：Long air gap
• 學科：電力工程
• 領域：工程技術

簡介

長空氣間隙(以下簡稱長間隙)放電是高電壓工程領域長期關注的基礎問題之一。長間隙放電研究包括放電特性試驗、放電機理探索與建模仿真3方面內容，可為高壓輸變電工程的外絕緣設計提供依據，亦是雷電禁止問題研究的重要基礎。

簡史

20世紀50年代，瑞典(1952年)、前蘇聯(1952年)和美國(1954年)分別建成380、330、345 kV等級交流輸電工程。此電壓等級範圍內的輸變電工程外絕緣設計主要考慮工頻電壓和雷電過電壓作用，這一時期長間隙放電研究主要關注工頻和雷電衝擊電壓下間隙的擊穿特性。到20世紀60年代末，蘇聯(1959年)、加拿大(1965年)和美國(1969年)又相繼將輸電電壓等級提升至500、735和765 kV。更高電壓等級輸變電工程外絕緣設計中，操作過電壓的主導作用開始凸顯。蘇聯、美國、日本和義大利等國學者開始重點關注操作衝擊下空氣間隙的放電特性。通過開展大量的放電試驗，獲得了不同結構間隙的放電擊穿特性，建立了放電電壓的經驗計算公式。另一方面，長間隙放電試驗能力的提升使得學者們也開始利用長間隙放電來研究雷電禁止問題。1968年，mmstrong和whitehead等人提出了基於負極性長間隙放電特性計算雷電擊距的方法，並建立了雷電禁止性能分析的電氣幾何模型(electro-geometric mOdel，EGM)，成功解釋了美國345 kV輸電線路雷擊異常閃絡的原因。電氣幾何模型和由此衍生的滾球法是世界各國分析架空輸電線路和建築物雷電禁止性能的主要方法。

進入20世紀70年代，歐美已開發國家開始積極探索特高壓輸電技術。為了解決特高壓輸變電工程外絕緣設計中所面臨的挑戰，1970年，國際大電網會議33一03專業委員會成立了氣體放電物理研究工作組，組織歐美學者開始開展長間隙放電機理研究。1971年，法國電力公司邀請來自英、意、德等國的學者組成了雷納地研究組(ks RenardiresGmup)，建立先進的觀測系統，開展了近15 a的長間隙放電機理試驗觀測研究，獲得了1～10 m尺度棒一板等典型間隙的放電物理參數，基本澄清了長間隙放電的發展過程並解釋了部分放電機理。到20世紀70年代末，Les Renardires Group的部分學者開始基於已有的放電試驗觀測結果，探索建立基於長間隙放電發展過程的擊穿特性預測方法。期間，美國、加拿大、義大利和法國的一些學者還開展了輸變電工程間隙和尺度達34 m的棒一板典型間隙的擊穿特性試驗，為特高壓輸電技術的論證提供了大量基礎數據。

20世紀80年代，國外學者聚焦於新的放電觀測方法和仿真模型研究。與此同時，長間隙放電機理研究的深入也有力地推動了雷電禁止仿真模型的研究。20世紀80年代末，Eriksson、Dellera等學者將長間隙放電試驗中建立的正極性先導起始判據套用於架空線路和建築物雷電迎面先導起始條件的計算，建立了雷電禁止分析的先導發展模型(leader pmgression model，IJM)。LPM的建立克服了EGM無法考慮雷電迎面先導影響的不足，為大尺度目標物雷電禁止性能的分析提供了新的途徑。

我國從20世紀70年代起，為了滿足超、特高壓輸電技術研究的需要，也開展了大量的長間隙放電特性研究，更側重於輸變電工程間隙放電特性的試驗，在放電機理方面研究較少。進入20世紀後，國內學者也開始研究建立長間隙放電的觀測系統，開展長間隙放電參數的測量和放電機理的研究，取得了一定的進展。

我國正加快實施特高壓輸變電工程建設。全面掌握特高壓輸變電工程間隙的放電特性和最佳化線路的雷電禁止性能是進一步提升特高壓輸電系統安全性和經濟性所面臨的技術挑戰。為此，國內學者在國家973計畫的支持下，深入開展長間隙放電機理研究，目的在於獲取關鍵放電物理參數，建立和完善長間隙放電數學仿真模型，以實現對特高壓工程間隙放電特性的預測和分析，並促進特高壓輸電線路雷電禁止技術的發展。

長間隙放電特性試驗研究

長間隙放電特性試驗研究的主要目的是獲取實際工程間隙擊穿電壓的變化規律。研究對象一般包括棒一板等典型間隙和輸變電工程間隙2大類。通過開展典型間隙放電試驗，掌握長間隙擊穿的基本特性，利用間隙係數的概念預測工程間隙的擊穿特性，指導工程設計。在此基礎上，通過開展工程間隙放電試驗以檢驗絕緣配合設計的合理性。通常情況下，由於正極性擊穿電壓低於負極性的，在絕緣配合中主要關注正極性長間隙放電特性。而在雷電禁止研究中，既關注負極性放電特性，用以研究雷電擊距和避雷針(線)的保護範圍；也關注正極性放電特性，用以研究雷電迎面先導過程。

總結

1)長間隙放電研究可為高壓輸變電工程的外絕緣設計提供依據，亦是雷電禁止問題研究的重要基礎。長間隙放電特性試驗研究難以窮舉實際輸變電工程間隙，也無法準確獲得實際過電壓應力下間隙的絕緣特性。未來應重視長間隙放電基礎研究，探索建立長間隙放電仿真模型，實現間隙放電特性的準確預測，採用試驗與仿真相結合的手段，實現輸變電工程外絕緣精細化設計，有效地協同超、特高壓工程的安全性和經濟性。

2)應深入開展長間隙放電觀測技術和放電參數測量研究。重點發展3維瞬態電場測量技術和放電溫度與粒子密度測量技術。系統開展流注空間電荷分布特性、流注一先導轉換臨界溫度和先導通道特徵參數3個方面的試驗觀測研究。

3)針對長間隙放電仿真模型存在的不足，仍需深入開展流注空間電荷計算模型研究，完善先導起始判據，建立更具物理內涵的連續先導發展模型，最終實現長間隙放電特性的準確預測，同時為雷電迎面先導模型的完善提供參考。