VFTO下SF_6间隙及绝缘子沿面预放电电流特性

VFTO 下 SF6 间隙及绝缘子沿面预放电电流特性 3 西安交通大学 (西安 710049) 　陈庆国 　张乔根 　邱毓昌 　王中方 哈尔滨工业大学 (哈尔滨 150001) 　魏新劳 　　【摘 　要】　对 SF6 气体间隙及绝缘子沿面的预 放电电流进行了测量。测量结果证实 ,正极性VFTO 作用下 SF6 的击穿遵从先导击穿机理 ;而负极性 VFTO 作用下 SF6 的击穿一般遵从茎先导机理或流 注放电导致直接击穿。气压大小直接影响先导的起 始电压及先导的间隔时间。存在绝缘子时 ,先导形 成时间间隔及步长变短 ,且在快速振荡冲击电压作 用下会出现“逆放电”现象 ,这有利于先导形成 ,从而 降低了闪络电压。 【叙 　词】　预放电 　快速暂态过电压 　先导 　 流注 【Abstract】　Predischarge current in the SF6 gap and on the spacer surface is detected. The measuring re2 sults show that the breakdown characteristics under the positive VFTO conform to the leader mechanism. But un2 der negative VFTO , the streamer may cause the break2 down directly. Gas pressure has a direct effect on the leader step length and time interval . The back2discharge phenomenon is probably a reason for lowering the flash2 over voltage of the spacer stressed by VFTO. 【Key words】　predischarge , VFTO , leader , stre2 amer 1 　引言 由于 SF6 具有良好的绝缘性能和理化特性 ,目 前被广泛地应用于气体绝缘高压封闭式组合电器 ( GIS)中〔1〕。现场测试及模拟试验结果表明 , GIS 中 的开关操作会在 GIS 中产生波头极陡并伴有高频振 荡的快速暂态过电压 (以下简称 VFTO)〔2、3〕 ,尽管 VFTO 幅值并不高 ,一般不超过 2. 5p . u. ,但由于它 所导致的 GIS 事故率超过了雷电波和操作冲击下的 事故率〔4〕 ,因此研究VFTO 下 SF6 的击穿特性及机理 对进一步提高 GIS 运行可靠性具有重要意义。3 国家自然科学基金资助项目 (59807006) 对 VFTO 作用下 SF6 间隙及绝缘子沿面击穿特 性进行研究时 ,传统的方法是对一些宏观参数 (如击 穿电压、击穿时延等) 进行测量 ,但这很难对放电机 理有一很好的了解。因为气体放电与初始电子崩的 形成有很大的关系 ,而初始电子崩的形成过程可由 预放电电流来观测 ,所以对预放电电流的检测可有 效地研究 VFTO 作用下 SF6 间隙及绝缘子沿面电子 崩的形成情况。同时 ,通过研究预放电电流的变化 情况 ,可以了解电离通道中的电荷总量以及电离通 道和电极之间的电容变化 ,进而了解放电通道的发 展状况 ,有助于认识放电由流注向先导的转变过程。 2 　预放电电流检测系统 本文设计的电流探头如图 1 所示。其中板电极 为直径 100mm 的简化罗哥夫斯基铜板电极 ,中心开 一小孔。将陶瓷管穿过小孔并与板电极用环氧胶粘 在一起。直径为 1mm 的钢针上端穿过陶瓷管 ,伸出 板电极表面 3mm 作为尖电极 ;下端与阻值为 50Ω的 电阻相连。针与上板间距离为 17mm。在进行绝缘 子沿面试验研究时 ,采用与上述相同的针结构 ,并粘 附在绝缘子表面上 ,绝缘子材料为聚四氟乙烯。 VFTO 的极性是指尖电极上的电压极性 ,当上板电 极施加正电压时 ,相当于尖电极上施加负极性电压 , 因而称之为负极性 VFTO。本文所用测量系统如图 2 所示。其中 , R1 = R2 = Z = 50Ω; TVS 为保护用瞬 态电压抑制器。整个测量系统的方波响应如图 3 所 示。由图 3 可见 ,测量系统的响应时间约为 2ns ,基 本满足测量要求。 用一冲击电压发生器与外接可变电感和电容来 产生叠加单一频率的衰减振荡波来模拟 VFTO。为 保证波形上升沿的陡度 ,采用充气的陡化间隙对波 形的上升沿或下降沿进行陡化 (陡化后波形的上升 沿小于 50ns) ,详细电路可参见文献〔6〕。 ·21· 高压电器 　2000 年 　第 4 期 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 3 　试验结果与讨论 311 　不同电压极性下的预放电电流特性 图 4 示出了正、负极性VFTO 作用下 SF6 间隙的 典型预放电电流。从图中可看出 ,正、负极性 VFTO 下 SF6 间隙中的预放电电流有很大差别。在正极性 VFTO 作用下 ,极不均匀场中 SF6 气体的击穿是以流 注Π先导方式发展的。先导一般出现在快速振荡冲 击电压的振荡峰值附近 ,并且连续增长直至击穿。 而在负极性 VFTO 作用下 SF6 间隙击穿常常是由一 个流注电晕直接导致击穿。 上述现象可用空间电荷的不同作用来解释。在 正极性 VFTO 作用下 ,尖电极附近的正空间电荷加 强了流注前方的电场 ,易于产生新的电子崩 ,有利于 先导的形成和发展。因此在正极性 VFTO 作用下 , 放电的发展速度快于负极性 ,击穿常发生于波头上 升处或前几个振荡周波内。而对于负极性快速振荡 冲击电压 ,虽然在尖电极附近容易形成流注电晕 ,但 电晕产生扩散状的等离子层起着类似增大尖电极曲 率半径的作用 ,使得前方电场削弱 ,只有当进一步提 高电压或流注电晕产生的正、负空间电荷逐渐消失 以后 ,电离才会重新开始。因此 ,即使负极性电压的 波头时间很短 , 也会存在很强的电晕稳定化作 用〔4、5〕 ,导致了先导起始电压明显高于正极性下的起 始电压。因此 ,在负极性快速振荡冲击电压作用下 , 流注不易转变成先导 ,击穿常常是由流注直接导致 击穿。 这一结果与文献〔7〕中的正极性VFTO 作用下击穿 发展一般遵从先导击穿机理 ,而在负极性VFTO 作用下 击穿发展一般遵从茎先导机理的结论相一致。 312 　不同气压下的预放电电流特性 SF6 气压的不同对预放电起始电压、流注电晕 半径及先导步进间隔时间都有较大的影响。不同气 压下预放电电流的波形如图 5 所示。由图 5 可见 , 当气压较低时 ,快速振荡冲击电压的每一个峰值一 般只出现一个先导 ,随气压升高 ,先导的转变时延变 短 ,步进发展的频率变高 ,因而在振荡电压的一个峰 值附近会出现几个先导 ,使得放电时延的分散性增 大。同时 , 由于气压的升高使得流注电晕的范围变 ·31·高压电器 　2000 年 　第 4 期 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 小 ,因而造成先导每步发展的长度下降和先导形成 的间隔时间缩短。 上述结果证实 ,在较低气压时 ,正极性 VFTO 作 用下 SF6 的击穿遵从茎先导机理 ,而在较高气压时 则遵从先导击穿机理这一结论。 313 　不同电压幅值下的预放电电流特性 图 6 示出了不同幅值正极性 1MHz VFTO 作用 下 SF6 间隙的预放电电流曲线。由图可见 ,当 VFTO 幅值较小时 ,爆发流注后 ,由于随后振荡幅值的衰 减 ,使电场强度下降 ,因此不足以使流注转变为先 导。随着 VFTO 电压的提高 ,则在击穿前会出现先 导 ,但电压提高到一定数值后 ,由于第一个流注电晕 较大 ,随后的第二个流注的爆发足以贯穿整个间隙 , 导致直接击穿 ,因此在击穿前不会出现先导。另外 , 随着电压的增加 ,流注向先导的转变时延减小 ,由此 导致整个击穿时延的下降。 314 　存在绝缘子时的预放电电流特性 存在绝缘子时的预放电电流测量结果如图 7 所 示。从预放电电流来看 ,绝缘子沿面闪络的预放电 过程也是先导的步进发展过程。但是 ,与 SF6 气隙 不同的是 ,先导发展的频率变快 ,同时先导的步长变 短。而且 ,在快速振荡冲击电压作用下 ,电压波形的 下降沿会出现一些相反极性的微放电。这些微放电 被称为“逆放电”(Back2discharge)〔8〕。由于尖电极附 近的绝缘子与 SF6 气体界面存在着很强的法向分 量 ,当电晕爆发时会在绝缘子表面 (流注头部处) 积 聚起表面电荷。这些与尖电极极性相同的表面电荷 削弱了尖电极附近的电场 ,电晕放电减弱 ,甚至停 止。此时需增加电压 ,电晕放电才会重新开始。然 而在快速振荡冲击电压作用下 ,当电压急速下降时 , 来不及扩散的表面电荷和先导通道之间的电位差将 形成一个与原电场方向相反的电场。这个反向电场 导致在表面电荷与先导通道之间产生一些“逆放 电”,这些“逆放电”一方面中和了表面电荷 ,减少了 表面电荷对下一次先导发展的屏蔽作用 ;另一方面 , 由微放电注入的电荷增加了先导通道的导电性 ,从 而加强了先导通道前方的电场 ;另外 ,这些放电还会 对先导通道起加热作用。“逆放电”的这些作用使得 下一级先导更容易产生。上述结果表明 ,“逆放电” 是造成绝缘子在快速振荡冲击电压作用下的闪络电 压低于雷电波及陡波作用下的原因之一。 4 　结论 由 SF6 间隙及绝缘子沿面的预放电电流测量结 果可得出如下结论 : 11 正极性快速振荡冲击电压作用下 SF6 间隙的 击穿遵从先导分步发展机理 (先导击穿) ;在负极性 快速振荡冲击电压作用下 ,SF6 间 (下转第 18 页) ·41· 高压电器 　2000 年 　第 4 期 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 之间 ,谐波电流在 5ms 内由 50A 衰减到 1A 之内。 暂态条件下阻容支路的电流是其稳态条件下电流的 近 200 倍 ,电阻消耗的短时功率可达 200kW ,但持续 时间很短 ,大约 2～3ms。断路器操作过程中 ,阻容 支路电流增大的原因是断路器开断短路电流时 ,断 路器两侧端子对地电压中含有高次谐波 ,频率主要 在 5～10kHz 范围之内 ,阻容支路中的电容对于频率 这么高的谐波 ,其容抗明显减小 ,由 X = 1Π(ωC) 可 知 ,谐波下的容抗只有基波下容抗的 1Π200～1Π100 , 从而导致阻容支路谐波电流增大。 6 　结论 11 发电机出口真空断路器在开断短路电流时 断口瞬态恢复电压与站内的网络接线密切相关 ,因 此 ,为了准确掌握发电机真空断路器断口瞬态恢复 电压 ,就必须根据实际工程的网络接线 ,进行仿真计 算。计算结果可作为用户选择发电机真空断路器的 依据。 21MOA 与 R - C 吸收器对瞬态恢复电压都能 起到一定的抑制作用 ,但两者的特性及作用不同 ,效 果也不一样。MOA 只能限制电压幅值 ,吸收能量 , 不能减缓电压上升陡度 ; R - C 吸收器响应速度快 , 不仅可以降低瞬态恢复电压的幅值 ,还可以抑制电 压上升陡度 ,同时 ,还可加快瞬态恢复电压中高频谐 波电压的衰减速度。 31 较理想的抑制发电机真空断路器瞬态恢复 电压的方法是 MOA 与 R - C 吸收器结合使用 ,MOA 用于限制瞬态恢复电压幅值 ,吸收瞬态恢复电压能 量 , R - C 吸收器用于抑制电压上升陡度 ,吸收高次 谐波电压分量 ,从而有效地降低发电机真空断路器 瞬态恢复电压 ,降低断路器的重燃率 ,保护发电机。 参 考 文 献 1 　李建国 1 真空断路器用作中小水电机组和大泵电机主开 关的过电压问题 1 真空断路器操作过电压及其保护论文 集 ,中国电器工业协会高压开关分会 ,1999 年 2 月 2 　别廖科夫 1 真空断路器过电压保护装置 1 真空断路器操 作过电压及其保护论文集 ,中国电器工业协会高压开关 分会 ,1999 年 2 月 (修改稿收到日期 :2000 —06 —08) 张万荣 : 　男 ,1964 年 10 月生 ,工程师 ,现从事高压直流 输电系统研究、绝缘配合及谐波治理等工作 (上接第 14 页) 　隙的击穿一般遵从茎先导机理或 流注放电所导致的直接击穿。 21 SF6 的气压影响着先导的步进时间及步长 , 在较低气压时 ,正极性 VFTO 作用下击穿一般遵从 茎先导机理 ,而在较高气压下击穿一般遵从先导击 穿机理。 31 存在绝缘子时 ,先导发展的间隔时间及步长 变短 ,且在快速振荡冲击电压作用下会出现“逆放 电”现象。“逆放电”使得下一步先导更容易形成 ,从 而降低了绝缘子沿面闪络电压。 总之 ,由于影响 SF6 气体击穿的因素很多 ,要彻 底搞清各因素对 VFTO 下 SF6 击穿的影响 ,以及在 不同条件下建立合适的 SF6 击穿物理模型 ,还需要 作进一步的研究。 参 考 文 献 1 　邱毓昌 1GIS 装置及其绝缘技术 1 北京 :水利电力出版 社 ,1994 2 　Grandl J et al. Study of Very Fast Transients (VFT) in a 765kV Substation. CIGRE , Paris , 1988 , 33. 12 3 　Cattaneo A et al. Measurement of Overvoltages during Discon2 necting of Capacitive Currents. 5th ISH , Brauschweig , 1987 , 12. 02 4 　Lee B H , Kawamura T et al. Dielectric Characteristics of SF6 Gap Stressed by the Steep2Fronted Oscillating Transient Over2 Voltages. 8th ISH , Yokohama , 1993 , 33. 03 5 　Lee B H , Kawamura T et al. Inhomogeneous Field Breakdown of SF6 Gas under Oscillating Pulse Voltage. 8th ISH , Yokoha2 ma , 1993 , 30. 02 6 　陈庆国等 1 GIS中快速暂态过电压的实验室模拟 1 高电 压技术 ,2000 ,26 (1) :1 7 　Hama H , Inami K et al. Streamer to Leader Transition of Sur2 face Discharges under Impulse Voltages in SF6 Gas. 8th ISH , Yokohama , 1993 , 34. 01 8 　Matsumoto S , Okubo H et al. Non2uniform Flashover Mecha2 nism in SF6 Gas under Fast2oscillating and Non2oscillating Im2 pulse Voltages. 6th ISH , New Orleans , 1989 , 32. 16 (收稿日期 :2000 —03 —17) 　　陈庆国 : 　男 ,1970 年生 ,在读博士 ,讲师 ,主要研究方向 为高压电器设备的绝缘检测、高电压气体绝缘。 ·81· 高压电器 　2000 年 　第 4 期 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条