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正极性长空气间隙放电过程物理模型研究

谢耀恒  
【摘要】:空气间隙的绝缘特性是特高压输变电系统设计的关键问题之一。目前我国特高压输电系统外绝缘设计中,通过试验方法获得长空气间隙的绝缘特性,而试验受诸多因素影响,成本高且分散性大,无法为进一步优化超、特高压输变电系统的外绝缘设计提供参考;同时,针对特定对象的试验数据,仅适用于改试品,难以推广到其他试品,缺乏理论模型和分析方法的支撑。本文以正极性长空气间隙放电过程为研究对象,针对长间隙放电物理模型的建立开展了深入细致的研究。 利用正极性长间隙综合同步观测平台,研究了雷电冲击电压作用下流注的起始和发展特性,获得了流注起始时延与电极曲率半径和电压上升率的关系,验证了现有模型关于流注电场对称分布的假设。基于临界体积理论,推导了有效自由电子产生频率的数学表达式,通过考虑电极曲率半径和电压上升率对初始自由电子出现概率的影响,建立了计及流注起始分散性的流注起始模型,并从理论上给出了流注起始时延满足Rayleigh分布。基于流注稳定发展临界电场的概念,提出了确定流注区域形状的方法,并采用模拟电荷法建立了能考虑流注区域的实际形状和已有空间电荷对放电发展过程影响的流注空间电荷计算模型。通过与试验结果和其他模型进行对比,验证了模型的合理性。 借助观测平台,统计分析了操作冲击电压作用下先导起始的临界电荷、暗区时间和起始电压,获得了流注向先导转化所需的临界电荷,以及暗区时间和电压增量随初始电晕空间电荷量变化的规律。基于流注根部先导转化热电离理论,考虑二次电晕起始过程和初始电晕电荷对转化区附近电场的屏蔽作用,采用模拟电荷法建立了更为完善的正极性先导起始模型,并用实测结果验证了模型的正确性。 借助观测平台,开展了具有低电压上升率操作冲击电压作用下正极性先导不连续发展的试验研究,获得了两种类型的Restrike。同时获得了正极性先导不连续发展阶段的先导通道单位长度电荷量。提出了Restrike由三个物理过程组成的机理。引入先导通道去游离时间常数描述通道电场的演化,基于本文提出的Restrike过程的机理及数学描述,采用模拟电荷法建立了能考虑Restrike过程的先导发展模型,并通过试验结果验证了模型的合理性。 基于前面的研究成果采用模拟电荷法(Charge Simulation Method,CSM)建立了描述电晕起始、先导起始、流注-先导发展和最后跃变全过程的正极性长间隙放电物理仿真模型,以及在全模型的基础上,通对流注空间电荷计算进行合理简化,建立了考虑先导路径随机性的简化仿真模型,通过与试验结果进行对比,验证了模型的合理性和正确性。利用本文建立的模型研究了典型棒-板和棒-棒以及导线-塔窗间隙结构的放电特性,并获得了电极曲率半径、波头时间等对典型间隙击穿特性的影响规律。


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