為解決遠(yuǎn)距離、大容量的電能輸送問(wèn)題，近年來(lái)，我國(guó)多項(xiàng)特高壓交、直流（UHVAC、UHVDC）輸電工程已投入建設(shè)或運(yùn)行，截至2016年12月，已建成的特高壓輸電線路共計(jì)11條（“六交五直”）。空氣是特高壓架空輸電線路的最主要絕緣介質(zhì)，間隙距離可達(dá)數(shù)米至數(shù)十米，合理確定空氣間隙（如導(dǎo)線-桿塔間隙、導(dǎo)線-導(dǎo)線相間間隙等）的距離是輸電線路外絕緣設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要任務(wù)。

這對(duì)長(zhǎng)空氣間隙放電的特性與機(jī)理研究提出了需求。環(huán)境條件主要指氣壓、濕度，對(duì)空氣間隙的放電過(guò)程與擊穿特性具有一定影響。研究氣壓對(duì)空氣間隙放電特性的影響，主要通過(guò)在不同海拔（即低氣壓）地區(qū)開(kāi)展典型間隙的放電試驗(yàn)，獲取不同氣壓下的間隙擊穿電壓的校正系數(shù)。

例如：文獻(xiàn)[11]給出了海拔4 300m以下地區(qū)的塔頭空氣間隙在操作沖擊電壓下?lián)舸┨匦郧€。濕度對(duì)于空氣間隙放電（尤其是大尺寸工程長(zhǎng)間隙）的影響研究相對(duì)較少，多集中在濕度對(duì)電暈起始或流注放電的影響。

20世紀(jì)70年代，法國(guó)雷納迪實(shí)驗(yàn)室分析了濕度對(duì)先導(dǎo)放電的影響，其推測(cè)濕度增大，先導(dǎo)的平均發(fā)展速度增大，重燃的發(fā)生頻率增加。

此外，文獻(xiàn)[19]通過(guò)操作沖擊電壓下的長(zhǎng)空氣間隙放電試驗(yàn)，指出含重燃在內(nèi)的先導(dǎo)發(fā)展速度與重燃之間的連續(xù)先導(dǎo)發(fā)展速度均隨著濕度的增加而增大，間隙擊穿時(shí)間隨濕度的增大而減小。

先導(dǎo)是特高壓尺度放電的最重要過(guò)程，濕度對(duì)先導(dǎo)放電過(guò)程有顯著影響。在特高壓尺寸的真型空氣間隙試驗(yàn)中，研究濕度對(duì)先導(dǎo)放電的影響幾乎沒(méi)有。

以往針對(duì)特高壓工程大尺寸空氣間隙放電的試驗(yàn)研究，通常僅獲取間隙的擊穿電壓，而對(duì)放電具體發(fā)展過(guò)程的觀測(cè)與分析較少。近年來(lái)，隨著觀測(cè)手段的進(jìn)步，放電電流測(cè)量、放電光學(xué)圖像拍攝逐漸應(yīng)用于大尺寸工程間隙戶外放電觀測(cè)試驗(yàn)中。

本文搭建了一套適用于對(duì)戶外大尺寸工程空氣間隙放電現(xiàn)象觀測(cè)的系統(tǒng)，在位于北京的國(guó)家電網(wǎng)公司特高壓直流試驗(yàn)基地與位于湖北武漢的國(guó)家電網(wǎng)公司特高壓交流試驗(yàn)基地分別開(kāi)展典型大尺寸工程空氣間隙的沖擊放電觀測(cè)試驗(yàn)，獲取了間隙擊穿過(guò)程的放電電流波形與放電通道光學(xué)形態(tài)圖像。對(duì)比試驗(yàn)條件與放電現(xiàn)象的差異，討論了空氣濕度對(duì)先導(dǎo)放電過(guò)程的影響。

1 觀測(cè)手段

本文搭建了一套適用于對(duì)戶外大尺寸工程空氣間隙在沖擊電壓下的放電現(xiàn)象進(jìn)行多物理參數(shù)同步觀測(cè)的系統(tǒng)，包括高電位放電電流測(cè)量系統(tǒng)、放電光學(xué)形態(tài)高速攝像系統(tǒng)，配合與沖擊電壓發(fā)生器配套的分壓器及后端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可對(duì)放電的具體發(fā)展過(guò)程與現(xiàn)象進(jìn)行較為全面的記錄與分析。長(zhǎng)空氣間隙沖擊放電同步觀測(cè)平臺(tái)示意圖如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)空氣間隙沖擊放電同步觀測(cè)平臺(tái)示意圖

放電電流測(cè)量系統(tǒng)的主要測(cè)量元件是同軸分流器（相當(dāng)于一個(gè)采樣電阻），位于金屬制成的屏蔽桶內(nèi)，整個(gè)電流測(cè)量裝置串聯(lián)在高壓引線與施加高壓的電極（通常為導(dǎo)線）之間，放電電流流經(jīng)同軸分流器后產(chǎn)生電壓信號(hào)，通過(guò)金屬桶內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡（型號(hào)為NI USB◆5133，2-ch，100MS/s Digitizer w/ 32MB/ch）、電-光轉(zhuǎn)換模塊（型號(hào)為Icron USB 2224，REX）后以光信號(hào)的形式傳遞至低壓側(cè)，經(jīng)由光-電轉(zhuǎn)換模塊（型號(hào)為Icron USB 2224, LEX）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，輸出至終端。試驗(yàn)中同軸分流器的阻值選取為0.1 。

長(zhǎng)空氣間隙放電過(guò)程的流注、先導(dǎo)、末躍及擊穿后的燃弧過(guò)程，均伴隨放光現(xiàn)象，對(duì)其進(jìn)行時(shí)間分辨攝像，結(jié)果直觀且易于揭示放電各個(gè)階段的現(xiàn)象與部分物理參數(shù)。本文采用CMOS高速攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)放電通道發(fā)光圖像的拍攝，采用的相機(jī)型號(hào)為Abelcine公司開(kāi)發(fā)的Phantom V12.1，最大拍攝速率為680 000f/s（frame per second，幀/秒），此時(shí)圖像的分辨率僅為128×8像素，具體使用中其工作參數(shù)的選定由試驗(yàn)工況、試驗(yàn)布置、鏡頭配置、觀測(cè)時(shí)間分辨率的要求確定。

2 試驗(yàn)布置與開(kāi)展（略）

特高壓工程空氣間隙放電特性觀測(cè)試驗(yàn)分別在位于北京的國(guó)家電網(wǎng)公司特高壓直流試驗(yàn)基地與位于湖北武漢的國(guó)家電網(wǎng)公司特高壓交流試驗(yàn)基地開(kāi)展，前者采用導(dǎo)線-桿塔空氣間隙，后者采用導(dǎo)線-導(dǎo)線相間間隙。

圖2 導(dǎo)線-桿塔空氣間隙放電試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置

圖3 導(dǎo)線-導(dǎo)線相間空氣間隙放電試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析（略）

對(duì)比北京、武漢兩地試驗(yàn)結(jié)果，北京的先導(dǎo)放電趨于連續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展，幾乎觀察不到重燃現(xiàn)象；武漢的先導(dǎo)放電趨于不連續(xù)、重燃發(fā)展。

由于北京與武漢兩地開(kāi)展的放電試驗(yàn)的電壓極性、間隙不完全一致，分析不同放電現(xiàn)象的影響因素時(shí)，必須首先考慮這兩個(gè)因素的影響。

在武漢試驗(yàn)基地補(bǔ)充了6m導(dǎo)線-塔窗間隙的正極性操作沖擊放電觀測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，正極性下導(dǎo)線-塔窗間隙的放電現(xiàn)象與導(dǎo)線-導(dǎo)線相間間隙相似，即先導(dǎo)放電體現(xiàn)為不連續(xù)的重燃發(fā)展形式，且不連續(xù)性更為顯著（重燃間隔更大）。典型放電過(guò)程的高速攝像結(jié)果如圖10所示。

圖10 高濕度下導(dǎo)線-塔窗間隙典型放電發(fā)光圖像

因此，放電現(xiàn)象的明顯差異性，主要不是電壓極性和間隙結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。

推測(cè)引起北京與武漢的試驗(yàn)現(xiàn)象差異的主要因素是濕度，更確切地說(shuō)，是絕對(duì)濕度。對(duì)特高壓尺度的工程大間隙，高絕對(duì)濕度下（武漢試驗(yàn)條件，絕對(duì)濕度為20.0～30.1g/m3），先導(dǎo)放電趨于不連續(xù)、重燃發(fā)展，發(fā)展過(guò)程中速度波動(dòng)范圍很大；低絕對(duì)濕度下（北京試驗(yàn)條件，絕對(duì)濕度為4.4～10.0g/m3），先導(dǎo)放電趨于連續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展，發(fā)展過(guò)程中速度波動(dòng)很小。這與雷納迪試驗(yàn)室的關(guān)于高濕度環(huán)境下正極性放電存在重燃的結(jié)論吻合。

濕度對(duì)于先導(dǎo)發(fā)展模式（連續(xù)發(fā)展或重燃發(fā)展）的影響，推測(cè)主要源于放電過(guò)程中負(fù)離子與電子之間的相互轉(zhuǎn)換過(guò)程，絕對(duì)濕度較大時(shí)，電子較容易附著，以負(fù)離子的形式存在（如O2 (H2O)n），則需要更強(qiáng)的局部電場(chǎng)畸變，才能維持電子的產(chǎn)生速率使得放電繼續(xù)發(fā)展，因此放電的連續(xù)穩(wěn)定發(fā)展受阻，逐漸趨于不連續(xù)發(fā)展。

但是，濕度的具體影響機(jī)制與重燃過(guò)程的機(jī)理目前研究并未給出確定性結(jié)論，仍有待深入探討。

結(jié)論

本文搭建了一套適用于對(duì)戶外大尺寸工程空氣間隙放電過(guò)程進(jìn)行多參數(shù)觀測(cè)的同步系統(tǒng)，分別在北京國(guó)家電網(wǎng)公司特高壓直流試驗(yàn)基地與武漢國(guó)家電網(wǎng)公司特高壓交流試驗(yàn)基地開(kāi)展典型大尺寸工程空氣間隙的沖擊放電觀測(cè)試驗(yàn)，獲取了間隙擊穿過(guò)程的放電電流波形與放電通道光學(xué)形態(tài)圖像。

基于試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1）高絕對(duì)濕度下（武漢試驗(yàn)條件，絕對(duì)濕度為20.0～30.1g/m3），先導(dǎo)放電趨于不連續(xù)、重燃發(fā)展，不同工況下一維速度平均值約4.5～6.5cm/ s之間，先導(dǎo)發(fā)展過(guò)程中速度波動(dòng)范圍很大，變異系數(shù)可達(dá)60%～75%。

2）低絕對(duì)濕度下（北京試驗(yàn)條件，絕對(duì)濕度為4.4～10.0g/m3），先導(dǎo)放電趨于連續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展，幾乎觀察不到重燃現(xiàn)象，不同工況下平均速度在1.6～2.1cm/ s之間，發(fā)展過(guò)程中速度波動(dòng)很小，變異系數(shù)約5%～15%之間。

未來(lái)，計(jì)劃就濕度的具體影響機(jī)制與重燃過(guò)程的機(jī)理開(kāi)展進(jìn)一步研究。