為解決遠距離、大容量的電能輸送問題，近年來，我國多項特高壓交、直流（UHVAC、UHVDC）輸電工程已投入建設或運行，截至2016年12月，已建成的特高壓輸電線路共計11條（“六交五直”）?？諝馐翘馗邏杭芸蛰旊娋€路的最主要絕緣介質，間隙距離可達數米至數十米，合理確定空氣間隙（如導線-桿塔間隙、導線-導線相間間隙等）的距離是輸電線路外絕緣設計中的一項重要任務。

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

例如：文獻[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擊穿特性曲線。濕度對于空氣間隙放電（尤其是大尺寸工程長間隙）的影響研究相對較少，多集中在濕度對電暈起始或流注放電的影響。

20世紀70年代，法國雷納迪實驗室分析了濕度對先導放電的影響，其推測濕度增大，先導的平均發(fā)展速度增大，重燃的發(fā)生頻率增加。

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

先導是特高壓尺度放電的最重要過程，濕度對先導放電過程有顯著影響。在特高壓尺寸的真型空氣間隙試驗中，研究濕度對先導放電的影響幾乎沒有。

以往針對特高壓工程大尺寸空氣間隙放電的試驗研究，通常僅獲取間隙的擊穿電壓，而對放電具體發(fā)展過程的觀測與分析較少。近年來，隨著觀測手段的進步，放電電流測量、放電光學圖像拍攝逐漸應用于大尺寸工程間隙戶外放電觀測試驗中。

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

1 觀測手段

本文搭建了一套適用于對戶外大尺寸工程空氣間隙在沖擊電壓下的放電現象進行多物理參數同步觀測的系統(tǒng)，包括高電位放電電流測量系統(tǒng)、放電光學形態(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據采集系統(tǒng)，可對放電的具體發(fā)展過程與現象進行較為全面的記錄與分析。長空氣間隙沖擊放電同步觀測平臺示意圖如圖1所示。

圖1 長空氣間隙沖擊放電同步觀測平臺示意圖

放電電流測量系統(tǒng)的主要測量元件是同軸分流器（相當于一個采樣電阻），位于金屬制成的屏蔽桶內，整個電流測量裝置串聯在高壓引線與施加高壓的電極（通常為導線）之間，放電電流流經同軸分流器后產生電壓信號，通過金屬桶內的數據采集卡（型號為NI USB◆5133，2-ch，100MS/s Digitizer w/ 32MB/ch）、電-光轉換模塊（型號為Icron USB 2224，REX）后以光信號的形式傳遞至低壓側，經由光-電轉換模塊（型號為Icron USB 2224, LEX）轉換成電信號，輸出至終端。試驗中同軸分流器的阻值選取為0.1 。

長空氣間隙放電過程的流注、先導、末躍及擊穿后的燃弧過程，均伴隨放光現象，對其進行時間分辨攝像，結果直觀且易于揭示放電各個階段的現象與部分物理參數。本文采用CMOS高速攝像機實現放電通道發(fā)光圖像的拍攝，采用的相機型號為Abelcine公司開發(fā)的Phantom V12.1，最大拍攝速率為680 000f/s（frame per second，幀/秒），此時圖像的分辨率僅為128×8像素，具體使用中其工作參數的選定由試驗工況、試驗布置、鏡頭配置、觀測時間分辨率的要求確定。

2 試驗布置與開展（略）

特高壓工程空氣間隙放電特性觀測試驗分別在位于北京的國家電網公司特高壓直流試驗基地與位于湖北武漢的國家電網公司特高壓交流試驗基地開展，前者采用導線-桿塔空氣間隙，后者采用導線-導線相間間隙。

圖2 導線-桿塔空氣間隙放電試驗現場布置

圖3 導線-導線相間空氣間隙放電試驗現場布置

3 試驗數據與分析（略）

對比北京、武漢兩地試驗結果，北京的先導放電趨于連續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展，幾乎觀察不到重燃現象；武漢的先導放電趨于不連續(xù)、重燃發(fā)展。

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

在武漢試驗基地補充了6m導線-塔窗間隙的正極性操作沖擊放電觀測試驗。試驗發(fā)現，正極性下導線-塔窗間隙的放電現象與導線-導線相間間隙相似，即先導放電體現為不連續(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）。典型放電過程的高速攝像結果如圖10所示。

圖10 高濕度下導線-塔窗間隙典型放電發(fā)光圖像

因此，放電現象的明顯差異性，主要不是電壓極性和間隙結構導致的。

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

濕度對于先導發(fā)展模式（連續(xù)發(fā)展或重燃發(fā)展）的影響，推測主要源于放電過程中負離子與電子之間的相互轉換過程，絕對濕度較大時，電子較容易附著，以負離子的形式存在（如O2 (H2O)n），則需要更強的局部電場畸變，才能維持電子的產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，濕度的具體影響機制與重燃過程的機理目前研究并未給出確定性結論，仍有待深入探討。

結論

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

基于試驗觀測結果發(fā)現：

1）高絕對濕度下（武漢試驗條件，絕對濕度為20.0～30.1g/m3），先導放電趨于不連續(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，先導發(fā)展過程中速度波動范圍很大，變異系數可達60%～75%。

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

未來，計劃就濕度的具體影響機制與重燃過程的機理開展進一步研究。