图1 试验系统示意图
Fig.1 Schematic of test system
摘要 气体绝缘组合电器（GIS）是电力系统中的关键设备，冲击耐压试验是其安全可靠运行的重要保证。其中，振荡雷电冲击（OLI）和双指数雷电冲击（ALI）均适用于现场，但目前对两类波形异同的认识还不清晰，因此应首先研究OLI和ALI下绝缘缺陷的放电特性。该文针对GIS中极不均匀电场，构建高压导杆尖端缺陷，对比研究其在OLI和ALI下击穿特性。首先搭建冲击电压发生器，产生四种OLI和两种ALI；然后在363kV GIS中构建高压导杆尖端缺陷，尖端长12mm，端部曲率半径0.4mm，进而通过试验研究其50%击穿电压和伏秒特性。结果表明OLI和ALI下50%击穿电压差异极小，从检测尖端缺陷的角度而言，它们是等效的；随着波前时间的增大，50%击穿电压先降低后升高，3ms时最低，比1.2ms低1.5%，13ms时则升高约10%；OLI下击穿点集中在各波峰附近，伏秒特性呈分散状，ALI下则连续分布在波峰附近，当波前时间大于3ms时，两类波形下伏秒特性趋于重合。研究成果加深了对振荡雷电冲击下SF6中极不均匀场放电现象的认识，也为GIS现场冲击耐压试验波形参数的科学选择提供了支撑。
关键词：气体绝缘组合电器 振荡雷电冲击 极不均匀场 50%击穿电压 伏秒特性 等效性
气体绝缘组合电器（Gas Insulated Switchgear, GIS）是电力系统中最重要的设备之一，在超、特高压电网中应用广泛，对电力系统的安全运行起着至关重要的作用[1-7]。一旦出现故障，后果比分离敞开设备要严重得多，且其检修工作繁杂，停电时间长，停电范围波及非故障元件，造成巨大的经济损失，甚至影响运行人员和环境安全[8]。因此，必须保证GIS的可靠性。
GIS体积较大，通常分为体运输和现场组装，然后通过现场耐压试验，对运输和安装过程中可能引入的绝缘缺陷进行检测，以保证GIS整体绝缘良好[9]。交流耐压试验合并测量局部放电被认为是有效的手段，能检测绝大多数缺陷，但随着GIS规模的扩大和电压等级的提高，局部放电检测灵敏度逐渐降低，工频耐压试验已不能暴露所有缺陷。对于安装错误、高压凸起、绝缘子污秽、内部遗留物等缺陷的暴露，雷电冲击耐压试验则更为有效[10-11]，因此，很有必要进行GIS现场雷电冲击耐压试验，IEC 60060-3指出双指数雷电冲击（Aperiodic Lightning Impulse, ALI）和振荡雷电冲击（Oscillating Lightning Impulse, OLI）均适用于现场试验[12-13]。其中，振荡雷电具有产生效率高、易于调波的优势，更适用于现场。然而目前出厂试验均采用标准雷电，应首先明确两者对绝缘缺陷的检测能力如何、相互之间如何等效分析等相关问题。因此，亟需研究振荡雷电冲击电压下绝缘缺陷击穿特性，并与标准雷电下击穿特性进行对比分析。
SF6作为GIS绝缘介质，具有良好的电气性能、物理性能和化学性能，可一旦出现电场集中，其绝缘强度将明显下降，甚至导致绝缘失效[14-15]。高压导杆尖端将导致局部电场集中，是GIS典型绝缘缺陷，国内学者对冲击电压下放电特性进行了大量研究。S. Okabe等对MHz振荡的快速暂态过电压（Very Fast Transient Over-Voltage, VFTO）下极不均匀场间隙击穿特性进行研究，提出了其与标准雷电之间等效的K系数法[16-17]。张乔根等研究了VFTO和双指数雷电下高压尖端击穿特性，分析了波前时间对击穿特性的影响规律、放电临界半径现场和极性反转现象[18-20]。M. Seeger等研究了阶跃冲击下带尖刺的SF6平板间隙局部放电和击穿特性，对放电过程进行了机理分析和数学描述[21-23]。李彦明等较早地对振荡雷电下SF6中放电特性进行了研究，主要是各类缺陷局部放电特性[24-25]。综上可知，对于振荡雷电这一特殊波形下SF6间隙，特别是实体GIS中的长间隙下击穿特性，国内外研究还较少。
因此，本文针对SF6中极不均匀电场，研究其在振荡雷电冲击下击穿特性，并与双指数下击穿特性进行对比。首先搭建冲击电压发生器，产生四种振荡雷电冲击，波前时间分别为1.2ms、3ms、7ms、13ms，和两种双指数雷电冲击，波前时间分别为1.2ms、3ms。然后在实体363kV GIS中构建高压导杆尖端缺陷，进而研究其在振荡和双指数雷电冲击电压下击穿特性，包括50%击穿电压和伏秒特性。研究成果将加深对振荡雷电冲击下SF6中极不均匀场放电现象的认识，也为GIS现场冲击耐压试验波形参数的科学选择提供理论支撑。
试验系统示意图如图1所示，Marx电路产生雷电冲击电压，经过导线和高压套管，施加在GIS试验段上，期间电容分压器测量电压波形。特高频（Ultra High Frequency, UHF）传感器测量局部放电信号，辅助分析放电过程。
图1 试验系统示意图
Fig.1 Schematic of test system
雷电冲击电压波形参数选择依据IEC 60060-3和GB/T 16927.3，两者分别对电力设备现场冲击耐压试验波形参数做出要求，其中，双指数雷电和振荡雷电参数要求见表1。
表1 雷电波形冲击参数要求
Tab.1 Waveform parameters of lightning impulses
电压类型波前时间T1/ms半峰值时间T2/ms振荡频率f/kHz ALI0.8～2020～400— OLI0.8～2020～40015～400
典型振荡雷电冲击电压波形如图2所示。振荡雷电是电压迅速上升到峰值，然后伴随15～400kHz之间的阻尼振荡降低至零的冲击，用包络线和振荡频率表述其特性。通过发生器与高压套管之间串接电感产生振荡雷电，配合波头、波尾电阻，获得双指数和振荡雷电冲击电压波形参数见表2。
图2 典型振荡雷电冲击电压波形
Fig.2 Typical waveform of oscillating lightning impulse voltage
振荡雷电共产生4个振荡频率，波前时间分别为1.2ms、3ms、7ms和13ms，作为对比，双指数雷电波前时间分别为1.2ms和3ms。所有冲击电压半峰值时间均为50ms，双指数和振荡雷电冲击电压波形如图3所示。
表2 双指数和振荡雷电波形参数
Tab.2 Waveform parameters of ALI and OLI
电压类型波前时间T1/ms半峰值时间T2/ms振荡频率f/kHz ALI1.250— 350— OLI1.250296 350118 75051 135026
图3 双指数和振荡雷电冲击电压波形
Fig.3 Waveforms of oscillating lightning voltage of ALI and OLI
363kV GIS试验段中有一缺陷气室，用以布置绝缘缺陷，与其相邻的气室布置有内置特高频传感器，用于测量局部放电，如图1所示。尖端缺陷长12mm，为提高耐电弧烧蚀性能，由直径3mm钨铜棒加工而成，呈锥形，锥度1
3，端部曲率半径0.4mm。尖端布置在高压导杆上，导杆直径145mm，GIS外壳内直径406mm，放电间隙长130.5mm。试验时，气室先抽真空，然后注以运行压强0.55MPa（绝对值）的SF6气体，并静置2h。
冲击高压的测量采用弱阻尼电容分压器，高压臂电容300pF，分压比为4 0531，电压信号经过分压比为27.141的二次分压后，在示波器中显示和存储。内置UHF传感器输出经滤波和放大后，输入相同示波器。示波器型号为TEK 3032，最大采样率2.5GS/s，模拟带宽300MHz。
试验研究击穿特性包括50%击穿电压和伏秒特性，为了保证试验之间相互独立，两次加压间隔时间至少10min，以使间隙绝缘恢复至初始状态。
50%击穿电压测量采用升降法，相邻电压等级之间电压差
，其中，
为预估50%击穿电压[26]。试验中，加压至少30次，相邻两次加压间隔至少10min，以使每次加压前间隙绝缘恢复到初始状态，保证数据可靠性[14]。
试验测得双指数和振荡雷电下12mm尖端50%击穿电压见表3。
表3 双指数和振荡雷电下50%击穿电压
Tab.3 50% probability breakdown voltage under ALI and OLI
电压类型波前时间/msU50%/kV 正极性负极性 ALI1.2256.4558.4 3252.6550.8 OLI1.2257.2559.8 3253.1551.5 7265577.1 13283.3619.5
由表3可知，振荡和双指数雷电下50%击穿电压（U50%）十分接近。波前时间为1.2ms时，振荡雷电正负极性击穿电压比标准雷电分别高0.31%、0.25%；波前时间为3ms时，数值为更小的0.2%和0.13%。从检测尖端缺陷的角度而言，振荡雷电和双指数雷电是等效的。
此外，U50%极性效应明显，负极性下数值约为正极性2倍。随着波前时间的增大，50%击穿电压先降低后升高，双指数和振荡雷电下50%击穿电压如图4所示。
波前时间为3ms时击穿电压最低，正、负极性下分别比1.2ms低1.6%、1.5%。之后随着波前时间的增大，击穿电压升高，7ms时，正、负极性分别比1.2ms高3%、3.1%，13ms时则分别高10.5%、10.9%。
图4 双指数和振荡雷电下50%击穿电压
Fig.4 50% probability breakdown voltages under ALI and OLI
双指数雷电下伏秒特性如图5所示。
图5 双指数雷电下伏秒特性
Fig.5 V-t characteristics under ALI
双指数雷电下，击穿首先出现在外施电压波峰附近，负极性放电时延大于正极性，随着外施电压的升高，放电时延逐渐减小，伏秒特性连续，为典型的“下坡”分布[17-18]。由于负极性击穿电压明显高于正极性，伏秒特性位于正极性上方。
振荡雷电下伏秒特性如图6所示。由图6可知，击穿总是发生在外施电压各波峰附近，伏秒特性呈分散状，与图5中伏秒特性存在较大不同，但与VFTO下击穿点分布相似[16-18]。波前时间越小，击穿越容易出现在后面的第三、第二波峰，且正负极性差异也越明显。OLI, T1=1.2ms下，正极性击穿会出现在第二波峰，但出现概率较小，负极性击穿则首先出现在第三波峰；OLI, T1=3ms下，负极性击穿首先出现在第二波峰；而OLI、波前时间为7ms和OLI、波前时间为13ms下，击穿只出现在第一振荡周期，伏秒特性与ALI相似，负极性最大放电时延略大于正极性。
图6 振荡雷电下伏秒特性
Fig.6 V-t characteristics under OLI
分别以ALI和OLI视在原点为原点，将伏秒特性绘制于同一图中，振荡、双指数雷电伏秒特性对比如图7所示。
图7 振荡、双指数雷电伏秒特性对比
Fig.7 Comparison of V-t characteristics between OLI and ALI
由图7可知，波前时间越小，OLI和ALI伏秒特性差异越大。OLI下击穿会首先出现在第二或第三波峰，最大放电时延增大，负极性下尤为明显。随着外施电压的升高，击穿出现在波头，OLI和ALI下击穿点分布重合。
高压强、长间隙下SF6中极不均匀场放电均遵循流注/先导步进发展机理，图5～图7中振荡雷电与双指数雷电伏秒特性存在明显差异，这是由于振荡波尾导致放电过程中空间电荷运动有所不同[10, 18-19]。振荡过程中，间隙电压降低，驱动放电向前发展的背景电场强度降低，且相应迁移速度降低，引起空间电荷集聚减少，电场强度畸变变小，流注更难转变为先导[18-19]，最终放电受到抑制，第一波峰处击穿难度加大。但另一方面，波尾的振荡会产生位移电流，其流经流注通道，将对通道产生加热作用，促进放电发展[18]，因此，振荡雷电下放电能首先出现在波尾，放电时延大于标准雷电。由于同时存在抑制和促进作用，最终振荡和双指数雷电下50%击穿电压十分接近。
值得注意的是，随着振荡频率的增大，振荡特性影响增大，波尾击穿越明显。对于OLI、波前时间为7ms和OLI、波前时间为13ms，振荡频率较低，分别为51kHz和26kHz，此时击穿均发生在波头，振荡对放电无贡献。当振荡频率超过100kHz时，振荡才对放电特性产生影响，OLI、波前时间为3ms下击穿会出现在第二波峰，而OLI、波前时间为1.2ms下击穿会出现在第三波峰。对于VFTO，其振荡频率比OLI高1～2个数量级，波尾击穿十分明显，且位移电流对放电的促进作用更大，使其击穿电压甚至比标准雷电更低[18]，对高压等级GIS设备危害巨大[20]。
冲击电压下SF6中极不均匀场间隙击穿包括一系列过程，首先经过统计时延ts后，产生有效初始电子，引发第一流注电晕，进而转变为先导，并步进向前发展，最终转变为火花放电进而导致间隙击穿[22, 27]。本文中，雷电冲击电压波前时间范围为1.2～13ms，当波前时间较长时，击穿发生前会出现局部放电，形成空间电荷并均匀化尖端附近电场，形成所谓“电晕稳定化”作用，阻碍放电向前发展，因而击穿电压比标准雷电下高。此外，振荡雷电冲击电压下，击穿过程还受振荡特性影响。下面分别从统计时延、电晕稳定化作用和先导发展时延三方面进行论述。
统计时延由有效初始电子的产生决定，正极性下初始电子来源于尖端附近场致碰撞脱附，可由“时间-体积”定律计算；而负极性下则主要来源于金属电极场致发射，可由Richardson-Schottky定律计 算[28]。冲击电压下，外施电压随时间变化，相应初始电子生成率Ne(t)是时间的函数，通过Ne(t)对时间的积分，可计算有效初始电子数目随时间变化规律，最终确定统计时延[14]。
振荡雷电冲击电压下，统计时延随波前时间变化规律如图8所示，其中，相应外施电压幅值记为U(ts)。随着波前时间的减小，U(ts)与恒定电压下局部放电起始电压U0之间差值
逐渐增大，第一流注电晕放电强度越大，其转变为先导并向接地外壳发展[10]更容易。
图8 统计时延与波前时间关系示意图
Fig.8 Schematic of relation between statistical timelag and wavefront duration
波前时间为1.2ms和3ms时，一旦出现放电将立即导致击穿，OLI、波前时间为3ms下击穿电压和局部放电波形如图9所示。出现第一流注电晕时，特高频传感器测得明显脉冲信号，经过约0.5ms后，外施电压急剧下降，特高频信号则急剧增大，均预示击穿的出现，tf即为放电形成时延，约0.5ms。图中，零时刻干扰来源于冲击电压发生器球隙的导通。
图9 OLI, T1=3ms下击穿电压和局部放电波形
Fig.9 Waveforms ofbreakdown voltage and PD signal under positive OLI, T1=3ms
以负极性放电为例，流注电晕放电结束后，负离子沿流注通道分布，一段时间（0.2～1ms）内[29]，其沿流注通道径向扩散。扩散完成后，尖端附近电场被限制在临界场强附近，远低于无空间电荷时电场，同时，临界体积也被限制在尖端附近更小的范围内，至此电晕稳定化作用得以完全建立[26]。正极性OLI、波前时间为13ms下局部放电和击穿电压波形如图10所示。
电晕稳定化作用建立之后，空间电荷均匀了尖端附近电场，阻碍后续放电的产生和发展，最终形成局部放电，如图10a所示。在外施电压第一波峰附近，存在多个局部放电脉冲，第一脉冲幅值最大，约400mV，这里，零时刻干扰已被去除。
空间电荷随着负离子的迁移衰退，放电才得以重新开始，相应的衰退时间tsc正比于流注电晕的长度，反比于离子迁移速率[23]，典型值为数ms。在此期间，若外施电压迅速升高，后续放电强度将更大，甚至导致击穿，如图10b所示。
图10 正极性OLI, T1=13ms下局部放电和击穿
Fig.10 PD and breakdown under positive OLI, T1=13ms
值得注意的是，由于空间电荷迁移速率正比于电场强度，波前时间越长，空间电荷消散速度越慢，则电晕稳定化作用越强，击穿电压也就越高。当波前时间为13ms时，50%击穿电压比1.2ms时高10%以上；反之，当波前时间减小时，击穿电压降低。
先导由高压尖端发展至接地外壳需要一定时间，称为先导发展时延tp。本文中，缺陷气室间隙距离为较长的130.5mm，tp约为0.5ms，已经可以与OLI、波前时间为3ms的振荡周期相比拟。因此，负极性击穿首先出现在第二波峰，而击穿之前的第一振荡周期，必然存在局部放电，负极性OLI、波前时间为13ms下局部放电和击穿实测结果如图11所示。
对于第一振荡周期波峰处放电，在先导发展过程中，电压不再上升并开始快速下降，放电不能维持而停止，并在间隙中留下放电通道痕迹。当第二振荡周期来临时，放电重新开始并沿通道痕迹向前发展。由于通道痕迹内温度高、粒子数密度低，因此临界场强低得多，先导更易向前发展，最终导致击穿，第二波峰击穿示意如图12所示。
图11 负极性OLI, T1=13ms下局部放电和击穿
Fig.11 PD and breakdown under negative OLI, T1=3ms
图12 第二波峰击穿示意图
Fig.12 Schematic of breakdown around second wave peak
需要说明的是，高温的放电通道痕迹会因气体分子之间热传递而消散，消散时间
与外施电压极性及压强有关[18]，即
（1）式中，CCFD为比例系数，约为
；Cs为描述流注通道直径的系数，正极性为2m·Pa，负极性为3m·Pa；p为压强，p=0.55MPa；T0为参考温度，T0= 300K；T为放电通道痕迹初始温度。
SF6解离后导热性大大增强，通道温度将快速下降至解离温度，而后慢速与周围气体进行热传递。因此取T=1 500K[21]，正极性消散时间估算为5ms，负极性下消散时间更大，为11ms。OLI、波前时间为3ms振荡周期为8.5ms，大于正极性消散时间，而小于负极性消散时间，因此负极性下击穿能首先出现在第二波峰。而OLI、波前时间为1.2ms振荡周期为3.4ms，因此正极性下也能观察到第二波峰击穿，而负极性下放电首先出现在第三波峰。
当外施电压较高时，电压上升率du/dt较大，第一流注电晕放电后，来不及形成有效电晕稳定化作用，尖端附近电场强度因外施电压急速升高而得以加强，引发强度更大的二次放电，最终导致击穿。因此，在高外施电压下，振荡雷电击穿出现在第一振荡周期，与双指数雷电冲击下伏秒特性重合，如图7所示。
本文搭建冲击电压发生器，产生四种振荡雷电冲击，波前时间分别为1.2ms、3ms、7ms和13ms，和两种双指数雷电冲击，波前时间分别为1.2ms和3ms。针对GIS中极不均匀电场，设置高压导杆尖端缺陷，试验研究其在振荡和双指数雷电冲击电压下50%击穿电压和伏秒特性，并进行了对比分析，结论如下：
1）振荡和双指数雷电下50%击穿电压差异极小，从检测尖端缺陷的角度而言，它们是等效的。
2）随着波前时间的增大，50%击穿电压先降低后升高，3ms时最低，比1.2ms低1.5%；13ms时则高约10%。
3）振荡雷电下击穿点集中在各波峰附近，伏秒特性呈分散状，双指数雷电下则连续分布在波峰附近，当波前时间大于3ms时，两类波形下伏秒特性趋于重合。
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Breakdown Characteristics Study of Non-Uniform Field in Gas Insulated Switchgear under Oscillating Lightning Impulses
Abstract Gas insulated switchgear (GIS) is the key equipment of power system. Impulse voltage withstand test is an important guarantee for its safe and reliable operation, in which both oscillating lightning impulse (OLI) and aperiodic lightning impulse (ALI) can be used in field. However, the similarities and differences between the two types of waveforms are still unclear. Thus, breakdown characteristics of insulation defects under OLI and ALI should be studied first. This paper sets up a protrusion defect on HV conductor to form non-uniform field distribution, and compares the breakdown characteristics under ALI and OLI. An impulse voltage generator was firstly established to generate 4 OLIs and 2 ALIs. A protrusion defect on HV conductor was set up in 363kV GIS chamber. Its length was 12mm and top radius of curvature was 0.4mm. Then 50% probability breakdown voltage (U50%) and voltage-time (V-t) characteristics were experimentally studied. The results show that the U50% difference between OLI and ALI is small. They are equivalent considering the detection for protrusion defect. With the increase of wavefront, U50% decreases first and then increases. It is the lowest at 3ms, 1.5% lower than that at 1.2ms, and about 10% higher at 13ms. Breakdowns under OLI occur around each waveform peak, and V-t plots are dispersed. V-t plots under ALI always occur around the waveform peak continuously. Their V-t characteristics tend to coincide when wavefront exceeds 3ms. The results deepen the understanding of discharge phenomenon of non-uniform field in SF6 under OLI, and also provide support for the scientific selection of waveform parameters in field impulse voltage withstand test of GIS.
keywords：Gas insulated switchgear (GIS), oscillating lightning impulse (OLI), non-uniform field, 50% probability breakdown voltage, voltage-time characteristics, equivalence
中图分类号：TM855
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190605
国家自然科学基金资助项目（51877169）。
收稿日期 2019-05-20
改稿日期 2019-12-20
张 亮 男，1988年生，博士，研究方向为气体放电。E-mail: zhangliang129@stu.xjtu.edu.cn
李军浩 男，1980年生，副教授，博士生导师，研究方向电力设备新型现场试验及测量技术、电气设备绝缘特性及检测技术。E-mail: junhaoli@mail.xjtu.edu.cn（通信作者）
（编辑 陈 诚）