冲击电压下长空气间隙正极性流注放电特性研究

摘要

长空气间隙放电特性是输电线路外绝缘和防雷设计的基础。长空气间隙放电试验由于其放电分散性大、电磁环境复杂和试验成本高，一直以来都缺少对其放电过程特征参数的精确测量，对其放电特性的研究也不够深入。随着光电信息技术的发展，使得研制适用于长空气间隙放电的综合观测系统成为可能，进而可以获取更高时间分辨率、更高精度和更丰富的放电特征参数。本文以长空气间隙的正极性流注放电过程为研究对象，利用了适用于该放电特性研究的综合试验观测平台，采用试验研究的方法，针对流注起始、流注分支形态以及流注发展的特性开展深入研究。
　　建立了包括光学图像观测系统、放电电流测量系统、瞬态电场测量系统和同步采集系统的长空气流注放电综合观测平台。利用该平台和人工气候室，以1m棒-板间隙为对象，开展了冲击电压下正流注放电起始特性的试验，得到了湿度、电场分布和电场变化率对流注起始的影响规律，分析了流注起始时延和最小起始电压的变化规律。依此修正了传统直流电压下的流注起始判据，使其可以考虑电场分布、电压上升率和湿度影响，扩展了其适用范围。在此基础上，对临界体积时延概率分布模型中的电子分离速率计算方法进行了优化，提高了模型的计算效率；修正了湿度影响系数，使其能够考虑电压上升率、电场分布和湿度的影响，并通过试验校验了模型的正确性。
　　针对长空气间隙流注放电的特点，采用轴-径向正交观测方法，结合伪彩色还原算法得到了比传统径向观测方法可识别度更高的流注分支图像。结合树枝形态学，根据新生成分支与原分支发展方向的同异，提出了单轴型和二分型两种正极性流注分支类型，并给出了分类定义。研究了电场分布和电压上升率对不同类型流注分支特征的影响规律，发现流注分支长度、分叉角度和光学直径随流注的发展逐渐减小，同时随空间背景电场的减小逐渐减小，而电压上升率对流注分支特征没有影响。比较了两种流注分支的特点，得到其流注分支发展角度的分布规律和新生分支光学直径之间的关系。发现单轴型分支随间隙电场强度的增加而出现比例增多，相应二分型分支比例减少。结合流注光电离形成分叉的理论，解释了两种类型流注分支的形成机制，为正极性流注分叉过程研究提供了理论依据和特征参数。
　　利用瞬态电场测量仪测量到了流注放电空间电荷引起的电场阶跃现象和正极性流注区域内外空间电场的变化，估算了流注发展前后期的平均速度。统计得到了流注放电电流的上升时间和下降时间等特征参数随电场分布和电压上升率的影响规律，结合流注发展的物理过程，提出了放电电流上升时间对应流注在临界电场区域内的发展过程，依此给出了考虑电场影响的适用于长空气间隙放电的流注发展速度计算方法，并应用该方法完善了单根流注发展模型。根据不同电压上升率和电场分布对流注空间电荷量的影响规律，得到两者均是通过影响流注起始阶段分支数，进而影响空间电荷量。由此在单根流注发展模型的基础上提出了计算等效流注分支数的经验公式。综合上述方法，建立了考虑湿度、电场分布和电压上升率影响的正极性流注发展特征参数计算方法，并通过试验校验了该方法的合理性。最后总结了流注放电特性对先导起始的影响，提出了以单根流注分支注入电荷量为先导起始临界判据的推论，分析了流注放电放电特性的变化规律和计算方法对输电线路外绝缘和防雷设计的指导意义。

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1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的主要内容

2 冲击电压下正流注放电起始特性研究

2.1 长空气间隙流注放电试验观测系统

2.2 正流注起始的试验观测

2.3 正极性冲击电压下流注放电起始特性的影响研究

2.4正极性冲击电压下流注起始时延概率模型

2.5 本章小结

3 冲击电压下正极性流注分支特征研究

3.1 正流注分支形态的试验观测

3.2 正流注分支形态的类型

3.3 单轴型流注分支的形态特性研究

3.4 二分型流注分支的形态特性研究

3.5 流注分支类型的比较及其形成机制

3.6 本章小结

4 冲击电压下正极性流注发展特性研究

4.1 正流注放电发展物理过程讨论

4.2 正流注放电电场的测量及其特性研究

4.3 正流注放电电流的测量及其特性研究

4.4 基于正流注发展特性的放电电流和电荷量计算方法

4.5 本章小结

5 结论和展望

5.1 研究结论

5.2 研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的论文目录

附录2 攻读博士学位期间参与的科研项目