摘要 输电线路因过电压引起间隙放电而跳闸后，放电通道的绝缘恢复对重合闸时间的整定具有重要的指导作用。该文在长空气间隙施加不同冲击电压，基于高速纹影技术，观测间隙耐受和间隙击穿时放电通道的绝缘恢复过程。试验结果表明：间隙耐受时，靠近电极的放电通道消散较快，并且形态类似“蘑菇云”，而远离电极的放电通道仅做径向扩张；间隙击穿时，通道演化形态类似“毛毛虫”，而且在放电通道弯曲处和分叉处，中心发光区域存在“瓶颈”现象。统计表明，间隙耐受时放电通道的绝缘恢复时间为5～25ms，且随着注入能量的增大，绝缘恢复时间呈对数增大；间隙击穿且自然风速约为2m/s时，正极性雷电冲击电压、正极性操作电压、负极性操作电压作用下放电通道的绝缘恢复时间分别为46.1～243.9ms、6.97～107.74ms和8.09～153.62ms。
关键词：长空气间隙 放电通道 绝缘恢复 形态演化 纹影技术
空气是输电线路最主要的绝缘介质，当电力系统出现故障或遭受雷击时，产生的过电压会导致空气间隙放电[1-4]。电力系统因出现空气间隙放电而跳闸后，若在间隙未恢复到正常的绝缘水平时进行重合闸，新的放电会沿着原有放电通道发生[5]，再次发生跳闸。为避免上述情况，重合闸时间需要大于空气中放电通道的绝缘恢复时间[6]。因此，长空气间隙放电通道的绝缘恢复研究对于保证电力系统的安全稳定运行具有重要的意义[7]。
长空气间隙放电通道的绝缘恢复过程是指放电停止后通道内注入电流为零，发光逐渐减弱，带电粒子消散而中性气体分子温度下降、密度上升的过程[8-9]。长空气间隙放电的相关研究多集中于放电发展过程[10-15]，而较少针对放电停止后的绝缘恢复过程。这主要是由于放电通道在绝缘恢复过程中并不发光，依靠传统的光学记录无法捕捉通道的演化。然而，放电通道在绝缘恢复过程中伴随着中性气体密度（或温度）的演化，当间隙绝缘逐渐恢复时，放电通道的气体温度逐渐降至室温。因此，利用放电通道的热特性能较好地反映放电通道的绝缘恢复过程[16]。
纹影技术可用于测量透明介质的密度变化，而且光路简单、成实像，适用于空气中放电通道的热特性观测[17-18]。A. Kurimoto通过纹影系统研究了10～30cm短间隙放电先导通道的膨胀过程和击穿后的绝缘恢复过程，结果表明放电阶段先导通道的最大直径为0.6mm，击穿后通道经过几百ms恢复至室温[19]。P. Domens利用纹影技术研究了直流电压作用下2cm空气间隙棒电极附近的气体密度恢复过程，结果表明，该过程的时间常数约为1ms[20]。上述工作说明了纹影技术应用于空气间隙放电通道绝缘恢复特性研究的可行性，但是试验数据较少且缺乏不同条件下放电通道绝缘恢复特性的研究。
本文搭建适用于长空气间隙放电通道绝缘恢复过程观测的纹影系统，在间隙施加不同波形的电压，观测放电通道的绝缘恢复特性，并统计分析其形态演化和恢复时间。为了进一步理解放电通道的绝缘恢复过程，本文也观测了间隙耐受时放电通道的绝缘恢复，并将其与间隙击穿时进行对比分析。
长空气间隙耐受和间隙击穿时的绝缘恢复试验整体布置示意图如图1所示，现场布置如图2所示。间隙耐受时的试验中，冲击发生器为八级串联发生器，每级电容量为0.5mF，可以产生正负极性的雷电冲击电压和操作冲击电压，其最大输出电压幅值为±800kV。间隙距离为0.74m，施加电压为正极性操作冲击电压（160/2 000ms），幅值为140～380kV，电容分压器分压比为789
1，示波器型号为RIGOL MSO5104（带宽100MHz，采样率可达8GS/s）。间隙击穿情况下放电通道的绝缘恢复试验中，冲击发生器为三十六级串联发生器，标称电压为7 200kV，标称容量为720kJ，每级电容量为1mF，可产生正负极性的雷电冲击电压和操作冲击电压。间隙距离为1.27m，施加电压波形分别为正极性雷电冲击电压（1.95/50ms）、正极性操作冲击电压（150/1 800ms）、负极性操作冲击电压（150/1 800ms），电容分压器分压比为5 1381，示波器型号为Tektronix DPO- 4104B（带宽为1GHz，采样率为5GS/s）。
图1 试验整体布置示意图
Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup
试验中纹影系统透镜焦距为1 500mm，通光口径为150mm，高速摄影仪型号分别为Photron FASTCAM SA-X2和Phantom V12.1。放电电流测量采用文献[21]提出的高电位瞬态电流测量系统，该系统包含采样电阻、数字式采集单元、电光转换单元和供电电源。其中，采样电阻由10个无感电阻并联而成，并采用笼型结构，减少其电感和电容，提高测量系统的测量带宽。采样电阻两端的电压通过数字采集单元转换为数字信号，再通过电光转换单元就地转换为光信号。整个电流测量系统置于放电高压端的空心铁磁屏蔽圆筒内，通过光纤将电流信号传至低压控制端，有效地抑制了放电带来的强电磁干扰。放电的棒电极和铁磁屏蔽圆筒之间通过尼龙绝缘材料隔离，使得电极本体所产生的位移电流无法流经采样电阻。经测试，电流测量系统带宽上限为75MHz，测量精度为±0.7%。低压端接收高压侧的光信号后，将其转换为电信号，经由USB接口与计算机中数字式采集单元的控制程序进行通信。值得注意的是，电流测量系统的量程由采样电阻决定，而存储电流数据的峰值还与数字式采集单元控制程序的量程设置相关；当测量电流超出控制程序的量程时，电流波形将被削顶。试验过程中，当示波器满足触发条件时，输出触发信号并经光纤传输分别触发电流测量系统和高速摄影仪。由于两路光纤具有一定时延，后期对电流波形和纹影图像进行时间修正即可实现电压、电流和图像的同步[22]。
图2 绝缘恢复试验现场布置
Fig.2 Photograph of the insulation recovery test layout
正极性操作冲击电压作用下间隙耐受和正极性雷电冲击电压作用下间隙击穿时放电通道绝缘恢复过程的典型试验结果分别如图3和图4所示。间隙耐受时，放电前几十ms为电晕放电阶段，间隙发生多次电晕放电，与起始阶段的多个电流脉冲相对应，从纹影图像上可以观测到流注茎的产生。随后放电进入先导发展阶段，放电通道不断向前发展，与电晕放电电流相比，此时电流幅值较小，持续时间较长。在时间t =650ms以后通道内注入电流为零，通道逐渐消散，整个间隙进入绝缘恢复过程。间隙击穿时，t =2.3ms左右放电进入末跃阶段，放电通道迅速将整个间隙贯穿并伴随着强烈的发光现象，此阶段因放电电流幅值超出电流测量系统的量程而削顶；t =50ms以后间隙电压和注入电流均为零，放电通道的发光逐渐减弱，整个间隙进入绝缘恢复过程。
图3 正极性操作冲击电压下间隙耐受时典型试验结果
Fig.3 A typical results when gap withstands under positive switching impulse
图4 正极性雷电冲击电压下间隙击穿时典型试验结果
Fig.4 A typical results when gap breaks down under positive lightning impulse
间隙耐受时，棒电极附近的放电通道以“蘑菇云”的形态消散，而远离棒电极的放电通道仅做径向扩张。文献[23]定义了“蘑菇云”生长的角度和速度并对雷电和操作冲击电压作用下“蘑菇云”的消散进行了定量研究；同时仿真结果表明，“蘑菇云”的形成是由于电极表面高温高压气体团的热对流。本文主要对远离棒电极放电通道的径向扩张进行介绍。在绝缘恢复过程中，远离棒电极的放电通道的热直径变化如图5所示，放电通道热直径的定义与文献[23]流注茎热直径的定义方式相同。远离棒电极的放电通道在绝缘恢复过程中径向不断扩张，随着时间变化扩张速率逐渐减慢。
间隙击穿时，放电通道的形态演化相对而言更加复杂，整体形态类似“毛毛虫”，目前暂无有效的方法对其进行定量分析，但放电通道在击穿后具有两个突出的特征。首先，间隙击穿后放电通道的中心发光区域在通道弯曲处或者分叉处存在“瓶颈”现象，如图6所示。图6a中，放电通道中心发光区域在弯曲处达到最小值，在纹影图像上发光区域直径最小值与最大值比值为l2/l1=0.25；图6b中，放电通道发光区域在分叉处同样为最小，发光区域直径最小值与最大值比值为l4/l3=0.56。其次，放电通道在击穿后会产生明显的激波[12]，结果表明，放电产生的激波主要分为两类：一类是以放电通道与电极接触点为球心的球面激波；另一类是放电通道其余位置以放电通道为对称轴的柱面激波，如图7所示。图中，实线和虚线箭头分别为球面激波和柱面激波的传播方向。定义激波速度vj和激波半径rj分别为
图5 放电通道的热直径变化
Fig.5 Thermal diameter change of the discharge channel
（1）
（2）
式中，l1,i和l1,i+1为球面激波的球心到波面的距离；l2,i和l2,i+1为柱面激波对称轴至波面的距离；Dt为第i张纹影照片和第i+1张纹影照片之间的时间间隔。放电通道产生的激波在空气中传播时的速度与半径关系如图7所示。试验结果表明，随着激波半径的增加，激波传播速度迅速衰减至空气中的声速。
图6 放电通道在绝缘恢复过程中的形态演化
Fig.6 Shape evolution of the discharge channel during insulation recovery phase
图7 放电通道产生的激波
Fig.7 The shock waves in the discharge channel
放电通道绝缘恢复时间的统计重点在于确定该过程的起始时刻和结束时刻。本文定义间隙耐受时放电电流为零的时刻作为绝缘恢复的起始时刻，间隙击穿时电压为零的时刻作为绝缘恢复的起始时刻，如图3a和图4a中灰色区域的起始时刻，此时通道内不再有能量注入；同时，定义纹影图片的扰动消散完成时为绝缘恢复的结束时刻，如图3b和图4b的最后一张纹影图片，可以看出，两者均已恢复至放电前的状态，即第一张纹影图片所示。
放电停止后通道内不再有能量的注入，因此放电通道内的能量主要是放电发展过程中注入的。间隙耐受时放电通道内注入的能量为施加在间隙两端的电压与放电电流的乘积在时间上的积分。图8给出了间隙耐受时放电通道的绝缘恢复时间与放电通道内注入的能量之间的关系。可见，放电发展过程中通道内注入的能量越多对应的绝缘恢复时间越长，与文献[24]的仿真结果一致。在注入能量为0.06～3J的范围内，放电通道的绝缘恢复时间与放电通道内注入能量为对数关系：T=3.03ln(E+0.02)+ 15.72（能量E单位为J，绝缘恢复时间T单位为ms）。因此，当放电通道内注入能量不断增加时，对应的绝缘恢复时间并非线性增加而是呈现出饱和趋势。
间隙击穿时不同电压作用下的绝缘恢复时间平均值和标准差如图9所示，结果表明，在其他条件相同时，雷电冲击电压作用下间隙击穿后通道的绝缘恢复时间较操作冲击电压下要长。正极性雷电冲击电压、正极性操作冲击电压和负极性操作冲击电压作用下放电通道的绝缘恢复时间见表1，绝缘恢复时间平均值分别为121.53ms、51.53ms、48.74ms，标准差为66.64ms、28.02ms、31.92ms。本文试验中绝缘恢复时间最大值为243.90ms，最小值仅为6.97ms。值得注意的是，按照本文的定义，绝缘恢复时间的测量值将小于其真实值，主要原因包括两个方面：①纹影系统的灵敏度有限，较小的气体温升或密度变化并不能被纹影系统所探测；②即使放电区域的温度恢复至室温，带电粒子并未彻底消散。
图8 正极性操作电压作用下间隙耐受时通道的绝缘恢复时间
Fig.8 The insulation recovery time of the discharge channel under positive switching voltage when gap withstands
图9 间隙击穿时不同电压作用下通道绝缘恢复时间
Fig.9 The insulation recovery time of the discharge channel under different voltages when gap breaks down
表1 不同电压波形作用下的绝缘恢复时间
Tab.1 Statistical results of insulation recovery time under different voltage waveforms
电压平均值/ ms标准差/ ms最大值/ ms最小值/ ms温度/℃湿度 (%) 正雷电121.5366.64243.9046.1018.944.7 正操作51.5328.02107.746.971548 负操作48.7431.92153.628.0913.150
表1的数据表明，本文获得的间隙击穿后绝缘恢复时间的分散性很大，其原因可能与本文的试验条件和统计方法有关。本文试验在户外场进行，自然风速约为2m/s，该风速对放电发展过程（时间尺度为百ms量级）的影响不大，但是对绝缘恢复过程的影响不能忽略。上述影响主要分为两种情况：其一为放电通道的朝向逆风，如图10a所示，观测区域之外的放电通道会随风持续进入纹影图片；其二为放电通道的朝向顺风，如图10b所示，观测区域的放电通道会随风移出纹影图片，按照风速2m/s计算，则10ms时间内空气移动距离为20mm，达到了观测范围的量级。于是按照本文的计算方法，图10a和图10b的绝缘恢复时间分别为130.80ms和18.30ms。由此可见，自然风速和放电通道方向对绝缘恢复时间的观测结果具有较大的影响。若没有风速的影响，放电通道的绝缘恢复时间会大于目前的观测结果。
图10 风速对绝缘恢复过程的影响
Fig.10 Influence of wind speed on insulation recovery process
本文采用高速纹影技术，观测了不同波形的电压作用下长空气间隙放电通道的绝缘恢复过程，获得了0.74m间隙耐受和1.27m间隙击穿时放电通道在绝缘恢复过程中的形态演化和恢复时间，主要结论如下：
1）纹影观测结果显示，间隙耐受时，靠近电极表面的放电通道消散较快，而且形态类似“蘑菇云”，而远离电极的放电通道仅做径向扩张；间隙击穿后，放电通道整体形态类似“毛毛虫”，而且击穿后较短时间内放电通道的中心发光区域在通道弯曲处或者分叉处存在“瓶颈”现象。
2）间隙耐受情况下，施加幅值为140～380kV的正极性操作冲击电压（160/2 000ms）且放电电流幅值为A量级时，放电通道的绝缘恢复时间为5～25ms；间隙击穿时，在幅值为950～1 200kV的正极性雷电冲击电压、幅值为410～480kV的正极性操作冲击电压、幅值为-860～-690kV的负极性操作冲击电压作用下，放电电流幅值为kA量级，放电通道的绝缘恢复时间为7～244ms。
3）间隙耐受的试验结果表明，在通道内注入能量为0.06～3J的范围内，随着注入能量的增加，放电通道的绝缘恢复时间增大，并呈现出饱和趋势。
4）风速对绝缘恢复时间具有明显影响，风速使得不同条件下放电通道的绝缘恢复时间分散性很大。
本文主要考虑冲击电压作用下放电通道的绝缘恢复过程，而实际电力系统发生短路故障时短路电流可达几十kA[25-26]，放电通道内注入能量大。因此，后续将开展长空气间隙大能量注入时的绝缘恢复过程研究。
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Characteristics of the Discharge Channel during the Relaxation Process in the Long Air Gap
Abstract After the transmission line trips due to gap discharge caused by overvoltage, the insulation recovery time of the discharge channel plays an important role in the setting of the reclosing time of the power system. Based on the Schlieren technique, the insulation recovery process of the discharge channel after withstanding and breakdown was observed under different impulse voltages. The test results show that when the gap withstands, the discharge channel near the electrode dissipates faster, and the evolution shape is similar to the “mushroom cloud”, while the discharge channel far away from the electrode only makes radial expansion; when the gap breaks down, the channel evolves like a “caterpillar”, and the discharge channel has a “bottleneck” phenomenon in the central illuminating area at the bend and bifurcation. The statistical results show that the insulation recovery time under different voltage levels is 5～25ms, and increases logarithmically with the increase of the injection energy when the gap withstands; when the gap breaks down and the natural wind speed is 2m/s, the insulation recovery time under the positive lightning impulse voltage, the positive switching impulse voltage and the negative switching impulse voltage with different voltage levels are 46.1～243.9ms, 6.97～107.74ms and 8.09～153.62ms, respectively.
keywords：Long air gaps, discharge channel, insulation recovery, evolution shape, Schlieren technique
中图分类号：TM855
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191567
南方电网科技资助项目（ZBKJXM20180229）。
收稿日期2019-11-19
改稿日期 2020-02-15
刘晓鹏 男，1995年生，硕士研究生，研究方向为长空气间隙放电和介质恢复特性。E-mail: lxpeng@hust.edu.cn（通信作者）
赵贤根 男，1989年生，博士，研究方向为长空气间隙放电机理和介质恢复特性。E-mail: zhaoxiangen@outlook.com
（编辑 崔文静）