液氮溫區(qū)固-液復(fù)合絕緣氣體小橋?qū)ρ孛娣烹姷挠绊?/h1>
2016-06-01 12:19:22于志誠黃曉華
低溫工程 2016年4期
鄭 重 于志誠 杜 赫 黃曉華
(1華北電力大學(xué)高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室 北京 102206) (2中國電力科學(xué)研究院 北京 100085)
液氮溫區(qū)固-液復(fù)合絕緣氣體小橋?qū)ρ孛娣烹姷挠绊?/p>
鄭 重1于志誠1杜 赫1黃曉華2
(1華北電力大學(xué)高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室 北京 102206) (2中國電力科學(xué)研究院 北京 100085)
采用IEC脈沖電流法(IEC60270標(biāo)準(zhǔn))對液氮溫區(qū)超導(dǎo)復(fù)合絕緣沿面放電現(xiàn)象及其影響因素進(jìn)行了研究。在六面屏蔽的局部放電實驗室內(nèi)，研究了不同放電條件對放電起始電壓、放電量、擊穿電壓等的影響，進(jìn)而研究了其作用機(jī)理，并用有限元方法開展了相關(guān)計算。實驗數(shù)據(jù)表明，不同放電條件明顯影響放電重復(fù)率、平均放電量、最大放電量等，放電產(chǎn)生的氣泡越容易逸出，放電越嚴(yán)重；液氮的流動使放電起始電壓有一定的升高，但對最終擊穿電壓影響不大；在放電通道上施加阻擋之后可明顯提高最終的閃絡(luò)擊穿電壓。
液氮溫區(qū) 超導(dǎo)復(fù)合絕緣 沿面放電 產(chǎn)氣逸出條件 液體擊穿
1 引 言
隨著超導(dǎo)材料和超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)體在電力方面的應(yīng)用不斷深入，低溫電工設(shè)備正逐步接近產(chǎn)業(yè)化水平。超導(dǎo)電力設(shè)備應(yīng)用的電壓等級提高，研究低溫條件下絕緣材料電氣性能愈加重要，液氮環(huán)境中絕緣材料的沿面閃絡(luò)問題成為超導(dǎo)電力設(shè)備外絕緣設(shè)計著重考慮的問題[1]。然而目前業(yè)界對液氮環(huán)境中絕緣材料沿面閃絡(luò)問題的研究大都局限在與其它環(huán)境中(如絕緣油、真空等)相同的研究方向，而針對液氮本身更易氣化、更易形成放電通道的特點，以及這些特點對于沿面放電的影響，所做的研究相對較少。
關(guān)于液-固交界面的閃絡(luò)機(jī)制，Atten P等在實驗中發(fā)現(xiàn)玻璃在變壓器油中發(fā)生閃絡(luò)時沿面放電通道的電壓降梯度(即場強(qiáng))與空氣中相等，指出固-液閃絡(luò)的通道可能在于氣液的交界面，或者就是氣體通道[2-3]。其他國外學(xué)者推測液-固交界面的閃絡(luò)也發(fā)生在介質(zhì)表面附著的氣體通道中，提出用二次電子崩理論來解釋固-液界面的閃絡(luò)，認(rèn)為3結(jié)合點處發(fā)射的電子，在電場作用下朝陽極運(yùn)動，在移動的途中與介質(zhì)表面發(fā)生碰撞并伴隨著二次電子發(fā)生，絕緣體表面開始脫氣形成氣化層在電子碰撞下氣體發(fā)生電離，產(chǎn)生新的電子和離子，新的電子在電場作用下重復(fù)上述行為，最終導(dǎo)致形成閃絡(luò)通道。絕緣表面的脫氣形成氣化層對發(fā)生閃絡(luò)起著至關(guān)重要的作用[4]。
本文中以環(huán)氧樹脂板為支撐板，以聚酰亞胺薄膜為試品，人為制造不同的放電條件，探究氣體通道對沿面放電的影響，對液氮中沿面閃絡(luò)現(xiàn)象的機(jī)制進(jìn)行了初步的探討。
2 實驗裝置和實驗步驟
2.1 實驗裝置
實驗系統(tǒng)接線圖如圖1所示。系統(tǒng)采用110 kV無局放試驗變壓器，保護(hù)電阻10 kΩ。實驗在六面屏蔽的局部放電試驗室內(nèi)進(jìn)行(背景噪聲小于1pC)。局部放電的測量方式為IEC脈沖電流法，儀器使用MPD600局部放電測量儀，其檢測帶寬300 kHz，中心頻率250 kHz，檢測靈敏度1pC。
圖1 系統(tǒng)接線圖Fig.1 System principle
測試電極試品及支架如圖2所示。其中實驗電極為尖-板電極(黃銅)以構(gòu)造極不均勻電場，尖端到板的距離為26 mm，其余尺寸如圖2中所示(單位：mm)，其中尖電極接高壓端， 板電極接地。實驗時以環(huán)氧樹脂板作為支撐板(最底層)，試品薄膜(試品位于中間層)平鋪于環(huán)氧樹脂板支撐板上方、電極(電極在最上層)下方，從上到下依次為電極、試品、支撐板。試品薄膜分別為：聚酰亞胺、PPLP(聚丙烯壓層紙)、Nomex(聚芳酰胺纖維紙)。
圖2 試品模型Fig.2 Test model
2.2 實驗內(nèi)容與方法
對以下4種不同放電條件進(jìn)行實驗并分析結(jié)果：
(1)不同放電產(chǎn)氣逃逸條件對于放電的影響；
(2)放電阻擋情況對于放電過程的影響；
(3)液氮流動對于放電的影響；
(4)不同固體絕緣試品對于放電過程的影響。
在每次實驗開始之前使用酒精對試品和電極表面進(jìn)行擦拭，保證表面光潔沒有污漬。然后將試品放于裝有液氮的容器中，使液氮完全沒過試品。在加壓之前使用配套的標(biāo)定儀對系統(tǒng)進(jìn)行放電量標(biāo)定。并等到液氮平靜不再沸騰，且液氮上方呈現(xiàn)一層薄霧后(此時液氮較為平靜)，開始實驗加壓。通過控制臺緩慢加壓至檢測放電量達(dá)到5pC，記錄電壓值為起始電壓。隨后每次加壓2 kV，加壓時間間隔1 min，記錄相關(guān)放電數(shù)據(jù)，直至發(fā)生閃絡(luò)擊穿，加壓過程示例如圖3所示。記錄整個過程中起始電壓、放電量、放電次數(shù)與放電相位、擊穿電壓等信息。
圖3 加壓過程示例Fig.3 Voltage rise process
3 實驗結(jié)果與分析
3.1 放電發(fā)展過程與放電相位
實驗過程中試品表面放電量隨電壓增加的變化如圖4所示，其中橫軸代表加壓時間，縱軸(左)代表放電量，縱軸(右)是電壓等級。從放電量中可以明顯看出整個放電擊穿過程經(jīng)歷了起始、發(fā)展、擊穿3個過程，在擊穿時放電量較之前急劇增加。這與常溫下油紙絕緣沿面放電有類似之處。
圖4 放電量隨電壓變化圖Fig.4 Variation of discharge with voltage
觀察其放電相位也具有明顯的沿面放電特征[5-6]，如圖5所示，放電集中在一、三象限，且具有明顯的不對稱性。這是由于采用尖-板電極產(chǎn)生極不均勻電場所導(dǎo)致的。
圖5 典型沿面放電相位譜圖Fig.5 PRPD of surface discharge
3.2 不同產(chǎn)氣逸出條件對放電的影響
當(dāng)氣泡產(chǎn)生于絕緣固體與液氮交界面時，如果產(chǎn)氣面上方是固體下方是液體(試品正面朝下)，則氣體無法直接逸出，積聚于固體表面。如果產(chǎn)氣面上方是液體下方是固體(試品正面朝上)，氣體可以直接逸出，但速度較慢。如果固液交界面平行于重力方向(試品側(cè)放)，氣泡可以聚集形成煙囪效應(yīng)[8]，氣體逃逸速度最快。顯然，這3種條件下放電特性應(yīng)該是不一樣的。
以圖2中電極所在面為正面，分別在試品正面朝上、正面朝下、試品側(cè)放(固液交界面平行于重力方向)3種條件下進(jìn)行沿面放電實驗，以達(dá)到人為制造不同產(chǎn)氣逸出條件的目的。
利用MATLAB對放電數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，計算得出其放電重復(fù)率，平均放電量，最大放電量隨電壓等級提升的變化規(guī)律，繪制如圖6、圖7、圖8所示。從這些圖中可以看到，當(dāng)試品側(cè)放時，放電重復(fù)率與平均放電量、最大放電量都是最大的，說明此時放電較容易發(fā)生，而當(dāng)試品正面朝上或朝下時，以上3個物理量都小得多的，說明此時放電較難發(fā)生。后兩者相比較而言，放電重復(fù)率相差不多，而試品正面朝下時平均放電量較大而最大放電量較小，即放電比較平均。這是因為當(dāng)試品側(cè)放時，由于煙囪效應(yīng)，放電產(chǎn)生的氣泡最容易上升逸出，而放電的擾動又使氣泡相互碰撞加劇，形成較多大的氣泡，使放電重復(fù)率、放電量都有較大的增長。試品正面朝下時，則氣體無法直接逸出，積聚于固體表面。而固體溫度比氣泡低得多，熱導(dǎo)率大且比熱容大，氣泡遇冷急劇收縮，不易形成大的氣泡[7]。從而放電量也比較小。
圖6 重復(fù)放電率Fig.6 Discharge repetition rate
圖7 平均放電量Fig.7 Average PD capacity
圖8 最大放電量Fig.8 Maximum PD capacity
由以上分析有理由認(rèn)為沿面放電發(fā)生在聚酰亞胺和液氮交界面的氣化層中。初始放電產(chǎn)生的熱量使液氮?dú)饣?，形成放電通道。在放電的發(fā)展過程中，氣泡體積的大小，逸出條件的好壞，都會影響氣泡內(nèi)電離出的電子的運(yùn)動規(guī)律，進(jìn)而影響放電的發(fā)展。氣泡越容易逸出，運(yùn)動的氣泡越容易帶動電子向前發(fā)展，放電現(xiàn)象越嚴(yán)重。這符合上述的實驗結(jié)果。因此對于正常運(yùn)行的過冷液氮溫區(qū)超導(dǎo)系統(tǒng)，對其危害最大的放電是沿固體絕緣的側(cè)面(固液交界面平行于重力方向)的放電，這是在實踐中應(yīng)該努力避免的。
3.3 放電阻擋情況對于放電過程的影響
由3.2的分析中可以看出放電很有可能是在氣體通道中進(jìn)行的。因此，研究了路徑阻擋對過冷液氮溫區(qū)超導(dǎo)復(fù)合絕緣沿面放電的影響。
將試品薄膜中間折起，使之產(chǎn)生約10 mm高度的阻擋層后(如圖9所示)，通過對實驗結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)該阻擋層對于放電的起始電壓，發(fā)展過程中的放電重復(fù)率，平均放電量，最大放電量基本無影響，但是能將閃絡(luò)電壓提高20%左右(如圖10所示)。這是因為當(dāng)沿面放電開始發(fā)生時，放電局限于電極尖端附近，阻擋層效果無法體現(xiàn)。但當(dāng)放電加劇向前發(fā)展時，由于阻擋層的存在，放電必須沿阻擋層的表面爬行[9]，而阻擋層的表面又是垂直于電場方向，電荷在此不受電場力驅(qū)動，因此閃絡(luò)電壓能有較大提高。基于此認(rèn)為，在過冷液氮溫區(qū)超導(dǎo)復(fù)合絕緣系統(tǒng)中，在易產(chǎn)生沿面放電的位置多設(shè)置垂直于電場方向的棱狀阻擋層是有利于減小放電影響的。
圖9 介質(zhì)阻擋的圖示Fig.9 Dielectric barrier
圖10 有/無阻擋情況下交流閃絡(luò)電壓Fig.10 AC flashover voltage with/without barrier
3.4 液氮流動對于放電的影響
3.4.1 液氮流體力學(xué)仿真
由于實際運(yùn)用的超導(dǎo)裝置中的液氮都是流動以帶走熱量的，故而本文設(shè)計實驗使試品表面上方的液氮垂直于電場方向流動，以帶走放電產(chǎn)生的氣體，觀測其對于放電的影響。實驗?zāi)Ｐ蛨D如圖11所示，圖中單位：mm。如圖所示，液氮入口接一根軟管，軟管另一端接帶閥門的液氮罐。實驗時將液氮罐閥門打開，液氮從入口流入，從出口自然溢出。
圖11 流速實驗?zāi)Ｐ蛨DFig.11 Simulation model
因為實驗條件的限制，不能對沿面放電可能發(fā)生位置的流速進(jìn)行測量，故對此進(jìn)行仿真計算，通過建模，利用進(jìn)出口流量計算出局部放電通道可能位置(環(huán)氧樹脂平板中心上方3 mm左右)的流速大小。在實際實驗中，將液氮存儲容器放在電子計量秤上，利用其質(zhì)量隨時間的變化情況，計算出每秒鐘從軟管流入容器的液氮質(zhì)量，液氮質(zhì)量變化如圖12所示。將每一時間間隔的質(zhì)量變化取平均值，即可計算出進(jìn)口軟管質(zhì)量流速。通過后面的計算可知進(jìn)液口的質(zhì)量流速應(yīng)該在2 g/s左右，通過調(diào)節(jié)液氮存儲容器的出口閥門，最終實驗流速為1.7 g/s。
圖12 液氮存儲容器質(zhì)量變化Fig.12 Quality change of storage container
通過仿真計算，可以得到整個流體域的流速分布，為了便于分析，在整個流體域取出三維截面來進(jìn)行分析，橫向截面如圖13所示，三維截面的流速分布如圖14所示。
圖13 豎直-橫向截面Fig.13 Vertical cross section
圖14 豎直-橫向截面速度大小分布圖Fig.14 Sectional velocity distribution diagram
最后對關(guān)鍵節(jié)點的液氮流速(或流量)進(jìn)行了計算，所得結(jié)果見表1。由表1可知，進(jìn)出口流量基本相同，與理論相符，并且環(huán)氧樹脂平板上方3 mm處流速為5.47 mm/s。此流速將作用于試品上方的氣體通道上。
表1 相關(guān)參數(shù)計算Table 1 Calculated parameters
3.4.2 液氮流動對放電影響的結(jié)果與分析
按上述流量控制進(jìn)行實際的實驗操作。電極與試品的布置與前述裝置一致，只是增加了液氮流動控制部分。液氮流入端通過控制液氮罐出口閥門大小達(dá)到設(shè)計的流量。在設(shè)計流速下加壓至產(chǎn)生沿面放電，記錄起始放電電壓。繼續(xù)加壓直至閃絡(luò)擊穿，記錄放電過程中相關(guān)放電數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果表明，液氮流動方向垂直于電場方向時，對放電過程參數(shù)和放電通道(痕跡)有明顯影響。而平行于電場方向時對以上各參量無明顯影響。圖15、圖16、圖17分別是液氮橫向流動和無液氮流動時平均放電量、最大放電量和放電重復(fù)率的比較。
圖15 平均放電量Fig.15 Average PD capacity
圖16 最大放電量Fig.16 Maximum PD capacity
圖17 放電重復(fù)率Fig.17 Discharge repetition rate
由以上圖中可看出，加了橫向于電場的流動液氮后對放電有明顯的抑制作用，尤其對最大放電量及放電重復(fù)率的作用更顯著。同時比較起始放電電場強(qiáng)度(根據(jù)放電電極幾何模型由有限元仿真軟件計算所得，為起始放電電壓所對應(yīng)的尖板電極尖端的電場強(qiáng)度)和閃絡(luò)電壓發(fā)現(xiàn)，加橫向流動液氮之后，起始電場強(qiáng)度有明顯提高，對閃絡(luò)電壓無影響。而縱向流動液氮對于起始放電場強(qiáng)、閃絡(luò)電壓以及各階段放電量均無影響，如圖18、圖19所示。
圖18 液氮流動與否起始放電電場強(qiáng)度Fig.18 Initial discharge field with/without flowing liquid nitrogen
圖19 液氮流動與否閃絡(luò)電壓Fig.19 Flashover voltage with/without flowing liquid nitrogen
以上分析中可以總結(jié)出，在施加垂直于電場方向的流速之后，流動的液氮將放電產(chǎn)生的氣泡帶走，阻礙了放電通道的進(jìn)一步形成，故而抑制了放電過程中的放電量、放電重復(fù)率以及起始放電電壓[10]。但是對于閃絡(luò)擊穿電壓，由于擊穿是瞬間完成的，流動的液氮對擊穿電壓影響不大。
實驗結(jié)果中還發(fā)現(xiàn)在施加橫向流動液氮之后，放電通道的形成路徑受到了影響，放電路徑偏向流速方向，如圖20所示。圖中可以明顯看出，放電路徑偏向了液氮的流動方向，說明由于液氮的流動，使通道形成所必須的氣泡發(fā)生了偏移，也可以從放電通道痕跡的角度證明放電發(fā)生在試品表面上方一定距離的氣體通道中。從實驗結(jié)果中可以看到，當(dāng)液氮垂直于放電方向流動時，即使流速非常小(5.5 mm/s)，對放電的起始電場、放電量與放電重復(fù)率都有將近一個數(shù)據(jù)級的變化，極大地抑制了放電的產(chǎn)生與發(fā)展。但當(dāng)電場過高時，由于擊穿是瞬間完成的，流速對擊穿電壓影響不大。
圖20 液氮流動對放電痕跡的影響Fig.20 Effect of flowing liquid nitrogen on discharge traces
3.5 不同固體絕緣試品對于放電過程的影響
沿面放電很大程度上取決于固體表面特性，特別是其表面粗糙程度。對液氮超導(dǎo)設(shè)備中常用的3種固體絕緣材料：聚酰亞胺、PPLP(聚丙烯壓層紙)、Nomex(聚芳酰胺纖維紙)，進(jìn)行沿面放電實驗，比較3種材料的放電特性。結(jié)果表明在相同等級電壓下，3種試品的平均放電量，最大放電量，放電重復(fù)率有較大區(qū)別，分別如圖21、圖22、圖23所示。
圖21 不同種類試品平均放電量Fig.21 Average PD capacity of different test items
圖22 不同試品最大放電量Fig.22 Maximum PD capacity of different test items
圖23 不同試品放電重復(fù)率Fig.23 Discharge repetition rate of different test items
從平均放電量、最大放電量、放電重復(fù)率3個指標(biāo)來看，都滿足Nomex(聚芳酰胺纖維紙)>PPLP>聚酰亞胺薄膜。即Nomex(聚芳酰胺纖維紙)最易放電，而聚酰亞胺薄膜放電量和放電重復(fù)率最低。推斷原因是Nomex(聚芳酰胺纖維紙)試品的表面最粗糙，故而表面分布大量陷阱(電子觸發(fā)極化松弛理論)，對電荷的儲存能力強(qiáng)，在放電過程中電極放電區(qū)域的外圍表面儲存了大量的空間電荷，故而在加壓放電過程中，外圍的空間電荷也會感應(yīng)產(chǎn)生次生放電，使放電過程中的平均放電量、最大放電量和放電重復(fù)率都明顯加大。
圖22顯示3者最大放電量可以達(dá)到十幾nC，遠(yuǎn)大于圖21中平均放電量中的數(shù)百pC，這說明放電分散性非常大，放電中大部分都是小放電且次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大放電次數(shù)，以致平均放電量較低。圖23顯示Nomex(聚芳酰胺纖維紙)與PPLP的放電重復(fù)率高達(dá)70 000次每秒。分析認(rèn)為是兩者表面電阻性高，空間電荷難以釋放，導(dǎo)致沿面分布的空間電荷二次放電，故放電重復(fù)率較高。
同時實驗發(fā)現(xiàn)不同絕緣試品的沿面放電起始場強(qiáng)和閃絡(luò)電壓也有明顯區(qū)別，分別如圖24和圖25所示。圖24顯示起始放電電場PPLP>聚酰亞胺薄膜>Nomex(聚芳酰胺纖維紙)。圖25顯示擊穿電壓Nomex(聚芳酰胺纖維紙)>PPLP>聚酰亞胺薄膜。其中Nomex(聚芳酰胺纖維紙)試品的起始放電場強(qiáng)低而閃絡(luò)擊穿電壓高，說明其表面電阻較大，一方面有利于電場集中，使放電容易發(fā)生，另一方面由于大量電荷堆積，對放電發(fā)展有阻礙作用，以致其閃絡(luò)電壓升高。同時擊穿電壓由高到低順序也滿足試品材料粗糙度由大到小的順序，本文認(rèn)為試品表面粗糙度越高，在放電的過程中表面積聚的電荷越多，這些電荷形成反向電場，削弱了原來的電場強(qiáng)度，致使閃絡(luò)電壓升高。
圖24 起始放電場強(qiáng)Fig.24 Initial discharge field
圖25 閃絡(luò)電壓Fig.25 Flashover voltage
4 結(jié) 論
采用IEC脈沖電流法對液氮溫區(qū)超導(dǎo)復(fù)合絕緣沿面放電現(xiàn)象及其影響因素進(jìn)行了研究，探究不同放電條件對放電起始電壓、放電量、擊穿電壓等的影響，進(jìn)而研究了其作用機(jī)理。實驗結(jié)果表明正常運(yùn)行的過冷液氮溫區(qū)超導(dǎo)系統(tǒng)，對其危害最大的放電是沿固體絕緣的側(cè)面(固液交界面平行于重力方向)的放電，這是在實踐中應(yīng)該努力避免的。對于電纜一類圓柱形設(shè)備，當(dāng)這一類交界面不可避免時，應(yīng)采取相應(yīng)措施，如增加阻流肋板等結(jié)構(gòu)，以減少氣泡的流動性。
在過冷液氮溫區(qū)超導(dǎo)復(fù)合絕緣系統(tǒng)中，在易產(chǎn)生沿面放電的位置多設(shè)置垂直于電場方向的棱狀阻擋層是有利于減小放電影響的。
還同時探究了液氮流動對于放電的影響，實驗結(jié)果表明當(dāng)液氮垂直于放電方向流動時，極大地抑制了放電的產(chǎn)生與發(fā)展，使起始放電電壓、放電量、放電重復(fù)率都小于液氮不流動的情況。但對擊穿電壓影響不大。實踐中可將易于產(chǎn)生放電的器件置于液氮垂直于電場方向的流動方向處。
最后對比了3種常用的不同低溫超導(dǎo)絕緣材料的放電特性，認(rèn)為在實際應(yīng)用中，可以考慮在強(qiáng)電場區(qū)域使用PPLP，以降低沿面放電產(chǎn)生的可能性，而在整體絕緣區(qū)域使用Nomex(聚芳酰胺纖維紙)，以提高系統(tǒng)的擊穿電壓水平。
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Zheng Zhong1Yu Zhicheng1Du He1Huang Xiaohua2
(1Beijing Key Laboratory of High Voltage&EMC，North China Electrical Power University，Beijing 102206，China) (2Electric Power Research Institute of China，Beijing 100085，China)
The IEC method of pulse current was adopted to study the surface discharge between solid insulation and liquid nitrogen. The influence of different gas escaping condition on the initial discharge voltage，discharge capacity and breakdown voltage effect and its mechanism of action were studied. Experimental data show that the gas escaping condition significantly affects the discharge repetition rate，average discharge quantity and the maximum discharge capacity. The easier the produced bubbles escape，the more serious the discharge will be, the flowing of liquid nitrogen increased the inception voltage，but had no effect on the final breakdown voltage.
temperature zone of liquid nitrogen；composite insulation in superconducting equipment；surface discharge；escape conditions of bubbles；flow of liquid nitrogen
2016-04-11；
2016-06-19
中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金(No.13MS02)項目。
鄭重，男，41歲，副教授。
TB663
A
1000-6516(2016)04-0027-08
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鄭 重 于志誠 杜 赫 黃曉華
(1華北電力大學(xué)高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室 北京 102206) (2中國電力科學(xué)研究院 北京 100085)
液氮溫區(qū)固-液復(fù)合絕緣氣體小橋?qū)ρ孛娣烹姷挠绊?/p>
鄭 重1于志誠1杜 赫1黃曉華2
(1華北電力大學(xué)高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室 北京 102206) (2中國電力科學(xué)研究院 北京 100085)
采用IEC脈沖電流法(IEC60270標(biāo)準(zhǔn))對液氮溫區(qū)超導(dǎo)復(fù)合絕緣沿面放電現(xiàn)象及其影響因素進(jìn)行了研究。在六面屏蔽的局部放電實驗室內(nèi)，研究了不同放電條件對放電起始電壓、放電量、擊穿電壓等的影響，進(jìn)而研究了其作用機(jī)理，并用有限元方法開展了相關(guān)計算。實驗數(shù)據(jù)表明，不同放電條件明顯影響放電重復(fù)率、平均放電量、最大放電量等，放電產(chǎn)生的氣泡越容易逸出，放電越嚴(yán)重；液氮的流動使放電起始電壓有一定的升高，但對最終擊穿電壓影響不大；在放電通道上施加阻擋之后可明顯提高最終的閃絡(luò)擊穿電壓。
液氮溫區(qū) 超導(dǎo)復(fù)合絕緣 沿面放電 產(chǎn)氣逸出條件 液體擊穿
1 引 言
隨著超導(dǎo)材料和超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)體在電力方面的應(yīng)用不斷深入，低溫電工設(shè)備正逐步接近產(chǎn)業(yè)化水平。超導(dǎo)電力設(shè)備應(yīng)用的電壓等級提高，研究低溫條件下絕緣材料電氣性能愈加重要，液氮環(huán)境中絕緣材料的沿面閃絡(luò)問題成為超導(dǎo)電力設(shè)備外絕緣設(shè)計著重考慮的問題[1]。然而目前業(yè)界對液氮環(huán)境中絕緣材料沿面閃絡(luò)問題的研究大都局限在與其它環(huán)境中(如絕緣油、真空等)相同的研究方向，而針對液氮本身更易氣化、更易形成放電通道的特點，以及這些特點對于沿面放電的影響，所做的研究相對較少。
關(guān)于液-固交界面的閃絡(luò)機(jī)制，Atten P等在實驗中發(fā)現(xiàn)玻璃在變壓器油中發(fā)生閃絡(luò)時沿面放電通道的電壓降梯度(即場強(qiáng))與空氣中相等，指出固-液閃絡(luò)的通道可能在于氣液的交界面，或者就是氣體通道[2-3]。其他國外學(xué)者推測液-固交界面的閃絡(luò)也發(fā)生在介質(zhì)表面附著的氣體通道中，提出用二次電子崩理論來解釋固-液界面的閃絡(luò)，認(rèn)為3結(jié)合點處發(fā)射的電子，在電場作用下朝陽極運(yùn)動，在移動的途中與介質(zhì)表面發(fā)生碰撞并伴隨著二次電子發(fā)生，絕緣體表面開始脫氣形成氣化層在電子碰撞下氣體發(fā)生電離，產(chǎn)生新的電子和離子，新的電子在電場作用下重復(fù)上述行為，最終導(dǎo)致形成閃絡(luò)通道。絕緣表面的脫氣形成氣化層對發(fā)生閃絡(luò)起著至關(guān)重要的作用[4]。
本文中以環(huán)氧樹脂板為支撐板，以聚酰亞胺薄膜為試品，人為制造不同的放電條件，探究氣體通道對沿面放電的影響，對液氮中沿面閃絡(luò)現(xiàn)象的機(jī)制進(jìn)行了初步的探討。
2 實驗裝置和實驗步驟
2.1 實驗裝置
實驗系統(tǒng)接線圖如圖1所示。系統(tǒng)采用110 kV無局放試驗變壓器，保護(hù)電阻10 kΩ。實驗在六面屏蔽的局部放電試驗室內(nèi)進(jìn)行(背景噪聲小于1pC)。局部放電的測量方式為IEC脈沖電流法，儀器使用MPD600局部放電測量儀，其檢測帶寬300 kHz，中心頻率250 kHz，檢測靈敏度1pC。
圖1 系統(tǒng)接線圖Fig.1 System principle
測試電極試品及支架如圖2所示。其中實驗電極為尖-板電極(黃銅)以構(gòu)造極不均勻電場，尖端到板的距離為26 mm，其余尺寸如圖2中所示(單位：mm)，其中尖電極接高壓端， 板電極接地。實驗時以環(huán)氧樹脂板作為支撐板(最底層)，試品薄膜(試品位于中間層)平鋪于環(huán)氧樹脂板支撐板上方、電極(電極在最上層)下方，從上到下依次為電極、試品、支撐板。試品薄膜分別為：聚酰亞胺、PPLP(聚丙烯壓層紙)、Nomex(聚芳酰胺纖維紙)。
圖2 試品模型Fig.2 Test model
2.2 實驗內(nèi)容與方法
對以下4種不同放電條件進(jìn)行實驗并分析結(jié)果：
(1)不同放電產(chǎn)氣逃逸條件對于放電的影響；
(2)放電阻擋情況對于放電過程的影響；
(3)液氮流動對于放電的影響；
(4)不同固體絕緣試品對于放電過程的影響。
在每次實驗開始之前使用酒精對試品和電極表面進(jìn)行擦拭，保證表面光潔沒有污漬。然后將試品放于裝有液氮的容器中，使液氮完全沒過試品。在加壓之前使用配套的標(biāo)定儀對系統(tǒng)進(jìn)行放電量標(biāo)定。并等到液氮平靜不再沸騰，且液氮上方呈現(xiàn)一層薄霧后(此時液氮較為平靜)，開始實驗加壓。通過控制臺緩慢加壓至檢測放電量達(dá)到5pC，記錄電壓值為起始電壓。隨后每次加壓2 kV，加壓時間間隔1 min，記錄相關(guān)放電數(shù)據(jù)，直至發(fā)生閃絡(luò)擊穿，加壓過程示例如圖3所示。記錄整個過程中起始電壓、放電量、放電次數(shù)與放電相位、擊穿電壓等信息。
圖3 加壓過程示例Fig.3 Voltage rise process
3 實驗結(jié)果與分析
3.1 放電發(fā)展過程與放電相位
實驗過程中試品表面放電量隨電壓增加的變化如圖4所示，其中橫軸代表加壓時間，縱軸(左)代表放電量，縱軸(右)是電壓等級。從放電量中可以明顯看出整個放電擊穿過程經(jīng)歷了起始、發(fā)展、擊穿3個過程，在擊穿時放電量較之前急劇增加。這與常溫下油紙絕緣沿面放電有類似之處。
圖4 放電量隨電壓變化圖Fig.4 Variation of discharge with voltage
觀察其放電相位也具有明顯的沿面放電特征[5-6]，如圖5所示，放電集中在一、三象限，且具有明顯的不對稱性。這是由于采用尖-板電極產(chǎn)生極不均勻電場所導(dǎo)致的。
圖5 典型沿面放電相位譜圖Fig.5 PRPD of surface discharge
3.2 不同產(chǎn)氣逸出條件對放電的影響
當(dāng)氣泡產(chǎn)生于絕緣固體與液氮交界面時，如果產(chǎn)氣面上方是固體下方是液體(試品正面朝下)，則氣體無法直接逸出，積聚于固體表面。如果產(chǎn)氣面上方是液體下方是固體(試品正面朝上)，氣體可以直接逸出，但速度較慢。如果固液交界面平行于重力方向(試品側(cè)放)，氣泡可以聚集形成煙囪效應(yīng)[8]，氣體逃逸速度最快。顯然，這3種條件下放電特性應(yīng)該是不一樣的。
以圖2中電極所在面為正面，分別在試品正面朝上、正面朝下、試品側(cè)放(固液交界面平行于重力方向)3種條件下進(jìn)行沿面放電實驗，以達(dá)到人為制造不同產(chǎn)氣逸出條件的目的。
利用MATLAB對放電數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，計算得出其放電重復(fù)率，平均放電量，最大放電量隨電壓等級提升的變化規(guī)律，繪制如圖6、圖7、圖8所示。從這些圖中可以看到，當(dāng)試品側(cè)放時，放電重復(fù)率與平均放電量、最大放電量都是最大的，說明此時放電較容易發(fā)生，而當(dāng)試品正面朝上或朝下時，以上3個物理量都小得多的，說明此時放電較難發(fā)生。后兩者相比較而言，放電重復(fù)率相差不多，而試品正面朝下時平均放電量較大而最大放電量較小，即放電比較平均。這是因為當(dāng)試品側(cè)放時，由于煙囪效應(yīng)，放電產(chǎn)生的氣泡最容易上升逸出，而放電的擾動又使氣泡相互碰撞加劇，形成較多大的氣泡，使放電重復(fù)率、放電量都有較大的增長。試品正面朝下時，則氣體無法直接逸出，積聚于固體表面。而固體溫度比氣泡低得多，熱導(dǎo)率大且比熱容大，氣泡遇冷急劇收縮，不易形成大的氣泡[7]。從而放電量也比較小。
圖6 重復(fù)放電率Fig.6 Discharge repetition rate
圖7 平均放電量Fig.7 Average PD capacity
圖8 最大放電量Fig.8 Maximum PD capacity
由以上分析有理由認(rèn)為沿面放電發(fā)生在聚酰亞胺和液氮交界面的氣化層中。初始放電產(chǎn)生的熱量使液氮?dú)饣?，形成放電通道。在放電的發(fā)展過程中，氣泡體積的大小，逸出條件的好壞，都會影響氣泡內(nèi)電離出的電子的運(yùn)動規(guī)律，進(jìn)而影響放電的發(fā)展。氣泡越容易逸出，運(yùn)動的氣泡越容易帶動電子向前發(fā)展，放電現(xiàn)象越嚴(yán)重。這符合上述的實驗結(jié)果。因此對于正常運(yùn)行的過冷液氮溫區(qū)超導(dǎo)系統(tǒng)，對其危害最大的放電是沿固體絕緣的側(cè)面(固液交界面平行于重力方向)的放電，這是在實踐中應(yīng)該努力避免的。
3.3 放電阻擋情況對于放電過程的影響
由3.2的分析中可以看出放電很有可能是在氣體通道中進(jìn)行的。因此，研究了路徑阻擋對過冷液氮溫區(qū)超導(dǎo)復(fù)合絕緣沿面放電的影響。
將試品薄膜中間折起，使之產(chǎn)生約10 mm高度的阻擋層后(如圖9所示)，通過對實驗結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)該阻擋層對于放電的起始電壓，發(fā)展過程中的放電重復(fù)率，平均放電量，最大放電量基本無影響，但是能將閃絡(luò)電壓提高20%左右(如圖10所示)。這是因為當(dāng)沿面放電開始發(fā)生時，放電局限于電極尖端附近，阻擋層效果無法體現(xiàn)。但當(dāng)放電加劇向前發(fā)展時，由于阻擋層的存在，放電必須沿阻擋層的表面爬行[9]，而阻擋層的表面又是垂直于電場方向，電荷在此不受電場力驅(qū)動，因此閃絡(luò)電壓能有較大提高。基于此認(rèn)為，在過冷液氮溫區(qū)超導(dǎo)復(fù)合絕緣系統(tǒng)中，在易產(chǎn)生沿面放電的位置多設(shè)置垂直于電場方向的棱狀阻擋層是有利于減小放電影響的。
圖9 介質(zhì)阻擋的圖示Fig.9 Dielectric barrier
圖10 有/無阻擋情況下交流閃絡(luò)電壓Fig.10 AC flashover voltage with/without barrier
3.4 液氮流動對于放電的影響
3.4.1 液氮流體力學(xué)仿真
由于實際運(yùn)用的超導(dǎo)裝置中的液氮都是流動以帶走熱量的，故而本文設(shè)計實驗使試品表面上方的液氮垂直于電場方向流動，以帶走放電產(chǎn)生的氣體，觀測其對于放電的影響。實驗?zāi)Ｐ蛨D如圖11所示，圖中單位：mm。如圖所示，液氮入口接一根軟管，軟管另一端接帶閥門的液氮罐。實驗時將液氮罐閥門打開，液氮從入口流入，從出口自然溢出。
圖11 流速實驗?zāi)Ｐ蛨DFig.11 Simulation model
因為實驗條件的限制，不能對沿面放電可能發(fā)生位置的流速進(jìn)行測量，故對此進(jìn)行仿真計算，通過建模，利用進(jìn)出口流量計算出局部放電通道可能位置(環(huán)氧樹脂平板中心上方3 mm左右)的流速大小。在實際實驗中，將液氮存儲容器放在電子計量秤上，利用其質(zhì)量隨時間的變化情況，計算出每秒鐘從軟管流入容器的液氮質(zhì)量，液氮質(zhì)量變化如圖12所示。將每一時間間隔的質(zhì)量變化取平均值，即可計算出進(jìn)口軟管質(zhì)量流速。通過后面的計算可知進(jìn)液口的質(zhì)量流速應(yīng)該在2 g/s左右，通過調(diào)節(jié)液氮存儲容器的出口閥門，最終實驗流速為1.7 g/s。
圖12 液氮存儲容器質(zhì)量變化Fig.12 Quality change of storage container
通過仿真計算，可以得到整個流體域的流速分布，為了便于分析，在整個流體域取出三維截面來進(jìn)行分析，橫向截面如圖13所示，三維截面的流速分布如圖14所示。
圖13 豎直-橫向截面Fig.13 Vertical cross section
圖14 豎直-橫向截面速度大小分布圖Fig.14 Sectional velocity distribution diagram
最后對關(guān)鍵節(jié)點的液氮流速(或流量)進(jìn)行了計算，所得結(jié)果見表1。由表1可知，進(jìn)出口流量基本相同，與理論相符，并且環(huán)氧樹脂平板上方3 mm處流速為5.47 mm/s。此流速將作用于試品上方的氣體通道上。
表1 相關(guān)參數(shù)計算Table 1 Calculated parameters
3.4.2 液氮流動對放電影響的結(jié)果與分析
按上述流量控制進(jìn)行實際的實驗操作。電極與試品的布置與前述裝置一致，只是增加了液氮流動控制部分。液氮流入端通過控制液氮罐出口閥門大小達(dá)到設(shè)計的流量。在設(shè)計流速下加壓至產(chǎn)生沿面放電，記錄起始放電電壓。繼續(xù)加壓直至閃絡(luò)擊穿，記錄放電過程中相關(guān)放電數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果表明，液氮流動方向垂直于電場方向時，對放電過程參數(shù)和放電通道(痕跡)有明顯影響。而平行于電場方向時對以上各參量無明顯影響。圖15、圖16、圖17分別是液氮橫向流動和無液氮流動時平均放電量、最大放電量和放電重復(fù)率的比較。
圖15 平均放電量Fig.15 Average PD capacity
圖16 最大放電量Fig.16 Maximum PD capacity
圖17 放電重復(fù)率Fig.17 Discharge repetition rate
由以上圖中可看出，加了橫向于電場的流動液氮后對放電有明顯的抑制作用，尤其對最大放電量及放電重復(fù)率的作用更顯著。同時比較起始放電電場強(qiáng)度(根據(jù)放電電極幾何模型由有限元仿真軟件計算所得，為起始放電電壓所對應(yīng)的尖板電極尖端的電場強(qiáng)度)和閃絡(luò)電壓發(fā)現(xiàn)，加橫向流動液氮之后，起始電場強(qiáng)度有明顯提高，對閃絡(luò)電壓無影響。而縱向流動液氮對于起始放電場強(qiáng)、閃絡(luò)電壓以及各階段放電量均無影響，如圖18、圖19所示。
圖18 液氮流動與否起始放電電場強(qiáng)度Fig.18 Initial discharge field with/without flowing liquid nitrogen
圖19 液氮流動與否閃絡(luò)電壓Fig.19 Flashover voltage with/without flowing liquid nitrogen
以上分析中可以總結(jié)出，在施加垂直于電場方向的流速之后，流動的液氮將放電產(chǎn)生的氣泡帶走，阻礙了放電通道的進(jìn)一步形成，故而抑制了放電過程中的放電量、放電重復(fù)率以及起始放電電壓[10]。但是對于閃絡(luò)擊穿電壓，由于擊穿是瞬間完成的，流動的液氮對擊穿電壓影響不大。
實驗結(jié)果中還發(fā)現(xiàn)在施加橫向流動液氮之后，放電通道的形成路徑受到了影響，放電路徑偏向流速方向，如圖20所示。圖中可以明顯看出，放電路徑偏向了液氮的流動方向，說明由于液氮的流動，使通道形成所必須的氣泡發(fā)生了偏移，也可以從放電通道痕跡的角度證明放電發(fā)生在試品表面上方一定距離的氣體通道中。從實驗結(jié)果中可以看到，當(dāng)液氮垂直于放電方向流動時，即使流速非常小(5.5 mm/s)，對放電的起始電場、放電量與放電重復(fù)率都有將近一個數(shù)據(jù)級的變化，極大地抑制了放電的產(chǎn)生與發(fā)展。但當(dāng)電場過高時，由于擊穿是瞬間完成的，流速對擊穿電壓影響不大。
圖20 液氮流動對放電痕跡的影響Fig.20 Effect of flowing liquid nitrogen on discharge traces
3.5 不同固體絕緣試品對于放電過程的影響
沿面放電很大程度上取決于固體表面特性，特別是其表面粗糙程度。對液氮超導(dǎo)設(shè)備中常用的3種固體絕緣材料：聚酰亞胺、PPLP(聚丙烯壓層紙)、Nomex(聚芳酰胺纖維紙)，進(jìn)行沿面放電實驗，比較3種材料的放電特性。結(jié)果表明在相同等級電壓下，3種試品的平均放電量，最大放電量，放電重復(fù)率有較大區(qū)別，分別如圖21、圖22、圖23所示。
圖21 不同種類試品平均放電量Fig.21 Average PD capacity of different test items
圖22 不同試品最大放電量Fig.22 Maximum PD capacity of different test items
圖23 不同試品放電重復(fù)率Fig.23 Discharge repetition rate of different test items
從平均放電量、最大放電量、放電重復(fù)率3個指標(biāo)來看，都滿足Nomex(聚芳酰胺纖維紙)>PPLP>聚酰亞胺薄膜。即Nomex(聚芳酰胺纖維紙)最易放電，而聚酰亞胺薄膜放電量和放電重復(fù)率最低。推斷原因是Nomex(聚芳酰胺纖維紙)試品的表面最粗糙，故而表面分布大量陷阱(電子觸發(fā)極化松弛理論)，對電荷的儲存能力強(qiáng)，在放電過程中電極放電區(qū)域的外圍表面儲存了大量的空間電荷，故而在加壓放電過程中，外圍的空間電荷也會感應(yīng)產(chǎn)生次生放電，使放電過程中的平均放電量、最大放電量和放電重復(fù)率都明顯加大。
圖22顯示3者最大放電量可以達(dá)到十幾nC，遠(yuǎn)大于圖21中平均放電量中的數(shù)百pC，這說明放電分散性非常大，放電中大部分都是小放電且次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大放電次數(shù)，以致平均放電量較低。圖23顯示Nomex(聚芳酰胺纖維紙)與PPLP的放電重復(fù)率高達(dá)70 000次每秒。分析認(rèn)為是兩者表面電阻性高，空間電荷難以釋放，導(dǎo)致沿面分布的空間電荷二次放電，故放電重復(fù)率較高。
同時實驗發(fā)現(xiàn)不同絕緣試品的沿面放電起始場強(qiáng)和閃絡(luò)電壓也有明顯區(qū)別，分別如圖24和圖25所示。圖24顯示起始放電電場PPLP>聚酰亞胺薄膜>Nomex(聚芳酰胺纖維紙)。圖25顯示擊穿電壓Nomex(聚芳酰胺纖維紙)>PPLP>聚酰亞胺薄膜。其中Nomex(聚芳酰胺纖維紙)試品的起始放電場強(qiáng)低而閃絡(luò)擊穿電壓高，說明其表面電阻較大，一方面有利于電場集中，使放電容易發(fā)生，另一方面由于大量電荷堆積，對放電發(fā)展有阻礙作用，以致其閃絡(luò)電壓升高。同時擊穿電壓由高到低順序也滿足試品材料粗糙度由大到小的順序，本文認(rèn)為試品表面粗糙度越高，在放電的過程中表面積聚的電荷越多，這些電荷形成反向電場，削弱了原來的電場強(qiáng)度，致使閃絡(luò)電壓升高。
圖24 起始放電場強(qiáng)Fig.24 Initial discharge field
圖25 閃絡(luò)電壓Fig.25 Flashover voltage
4 結(jié) 論
采用IEC脈沖電流法對液氮溫區(qū)超導(dǎo)復(fù)合絕緣沿面放電現(xiàn)象及其影響因素進(jìn)行了研究，探究不同放電條件對放電起始電壓、放電量、擊穿電壓等的影響，進(jìn)而研究了其作用機(jī)理。實驗結(jié)果表明正常運(yùn)行的過冷液氮溫區(qū)超導(dǎo)系統(tǒng)，對其危害最大的放電是沿固體絕緣的側(cè)面(固液交界面平行于重力方向)的放電，這是在實踐中應(yīng)該努力避免的。對于電纜一類圓柱形設(shè)備，當(dāng)這一類交界面不可避免時，應(yīng)采取相應(yīng)措施，如增加阻流肋板等結(jié)構(gòu)，以減少氣泡的流動性。
在過冷液氮溫區(qū)超導(dǎo)復(fù)合絕緣系統(tǒng)中，在易產(chǎn)生沿面放電的位置多設(shè)置垂直于電場方向的棱狀阻擋層是有利于減小放電影響的。
還同時探究了液氮流動對于放電的影響，實驗結(jié)果表明當(dāng)液氮垂直于放電方向流動時，極大地抑制了放電的產(chǎn)生與發(fā)展，使起始放電電壓、放電量、放電重復(fù)率都小于液氮不流動的情況。但對擊穿電壓影響不大。實踐中可將易于產(chǎn)生放電的器件置于液氮垂直于電場方向的流動方向處。
最后對比了3種常用的不同低溫超導(dǎo)絕緣材料的放電特性，認(rèn)為在實際應(yīng)用中，可以考慮在強(qiáng)電場區(qū)域使用PPLP，以降低沿面放電產(chǎn)生的可能性，而在整體絕緣區(qū)域使用Nomex(聚芳酰胺纖維紙)，以提高系統(tǒng)的擊穿電壓水平。
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Effect of gas bridge on surface discharge between solid insulation and liquid nitrogen
Zheng Zhong1Yu Zhicheng1Du He1Huang Xiaohua2
(1Beijing Key Laboratory of High Voltage&EMC，North China Electrical Power University，Beijing 102206，China) (2Electric Power Research Institute of China，Beijing 100085，China)
The IEC method of pulse current was adopted to study the surface discharge between solid insulation and liquid nitrogen. The influence of different gas escaping condition on the initial discharge voltage，discharge capacity and breakdown voltage effect and its mechanism of action were studied. Experimental data show that the gas escaping condition significantly affects the discharge repetition rate，average discharge quantity and the maximum discharge capacity. The easier the produced bubbles escape，the more serious the discharge will be, the flowing of liquid nitrogen increased the inception voltage，but had no effect on the final breakdown voltage.
temperature zone of liquid nitrogen；composite insulation in superconducting equipment；surface discharge；escape conditions of bubbles；flow of liquid nitrogen
2016-04-11；
2016-06-19
中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金(No.13MS02)項目。
鄭重，男，41歲，副教授。
TB663
A
1000-6516(2016)04-0027-08
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