不同霧霾條件下棒板間隙擊穿特性研究

謝利娟

（烏蘭察布職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 烏蘭察布012000）

不同霧霾條件下棒板間隙擊穿特性研究

謝利娟

（烏蘭察布職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 烏蘭察布012000）

霧霾天氣對電力系統(tǒng)的外絕緣也帶來了嚴峻的考驗。搭建了交流電壓作用下間隙距離為5 cm的棒-板空氣間隙電場模型，通過改變霧霾顆粒濃度、霧霾顆粒粒徑、霧霾成分等，研究了不同霧霾環(huán)境下棒板間隙工頻擊穿特性。根據(jù)試驗結(jié)果得出了如下結(jié)論：當通入霾濃度小于一定程度時，隨著霾濃度的增加，擊穿電壓升高，而當濃度大于一定程度時，擊穿電壓隨霾濃度增加而降低，同時，霾成分也是影響間隙擊穿特性的重要因素，其取決于霾成分的電導(dǎo)率；另一方面研磨后的霾顆粒作用下的擊穿電壓明顯高于未研磨的霾顆粒作用下的擊穿電壓。研究結(jié)果可以在一定程度上對復(fù)雜環(huán)境下外絕緣配置的選擇提供參考。

空氣間隙；棒板模型；霧霾；擊穿電壓

0 引言

霧霾天氣中的顆粒物主要是礦物氣溶膠（沙塵、粉塵），硫酸鹽，硝酸鹽，銨鹽，有機碳氣溶膠。是霧霾中最主要的水溶性無機鹽，且多以 CaSO4，NH4NO3，（NH4）2SO4的形式結(jié)合[1-3]。 霧霾天氣的發(fā)生將直接對輸電線路和電力設(shè)備的外絕緣帶來巨大的考驗[4-5]。

在我國，霧霾天氣引起的外絕緣事故頻發(fā)，且事故的波及面廣，造成的停電時間久，給國民經(jīng)濟的正常運行帶來了惡劣的影響[6]。與此同時，我國電力需求日益增大，電力系統(tǒng)輸電線路電壓等級不斷提高，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，交、直流聯(lián)網(wǎng)不斷增多，輸電線路外絕緣在這種霧霾天氣下面臨著嚴峻的考驗。

電氣設(shè)備的外絕緣水平在一定程度上能夠決定電網(wǎng)運行的可靠性，文獻[7]指出，電力系統(tǒng)的外絕緣設(shè)計必須滿足以下兩個基本原則：一是電力設(shè)備必須有足夠的絕緣強度來耐受系統(tǒng)運行中可能出現(xiàn)的各種過電壓，即耐受過電壓水平；二是，對于各個不同電壓等級的輸變電系統(tǒng)，在滿足其絕緣強度的同時還應(yīng)盡可能的降低其經(jīng)濟成本。

隨著流注先導(dǎo)放電理論的發(fā)展，研究人員對空間電荷的放電過程進行了重點研究，并將其作為氣體擊穿放電中的兩個主要影響因素。國內(nèi)外大量研究表明大氣參數(shù)是影響電氣設(shè)備外絕緣的重要因素，電力線路和變電所的絕緣設(shè)計就必須考慮到大氣中的污穢物并留有一定的裕度。且近年來，霧霾天氣在我國發(fā)生的次數(shù)越來越多，其給電力系統(tǒng)的安全運行帶來了巨大的挑戰(zhàn)[8-9]。

筆者以霧霾環(huán)境下棒－板短間隙的工頻擊穿特性為研究目的，結(jié)合已有研究成果，通過建立霧霾環(huán)境下棒-板短空氣間隙電場模型，來分析霧霾環(huán)境下影響空氣短間隙工頻放電電壓的因素，為高壓外絕緣的設(shè)計提供理論標準，這可保證對超高壓外絕緣設(shè)計的合理性與經(jīng)濟性，提高超特高壓輸變電設(shè)備運行的安全，從而更進一步保證電力系統(tǒng)供電的可靠性、優(yōu)質(zhì)性、經(jīng)濟性。

1 試驗介紹

1.1 試品

試驗采用棒-板豎直布置結(jié)構(gòu)，其中棒極結(jié)構(gòu)是長為40 cm，直徑為2 cm的圓柱，其尖端為半球體；板電極采用邊長為50 cm的正方形金屬板，其厚度為0.4 cm。棒板電極均為鋁合金材料。棒電極的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 棒電極結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the rod electrode

1.2 試驗裝置及布置

霧霾環(huán)境棒板短間隙的工頻擊穿特性試驗主要設(shè)備及接線示意圖如圖2所示。

霧霾試驗罐內(nèi)右側(cè)有水霧、粉塵兩個通道，可以方便水霧和霾的通入。罐底放有一小型風扇，可以加快罐內(nèi)空氣的循環(huán)，以免霾顆粒沉降影響試驗效果。

1.3試驗布置及方法

1.3.1 構(gòu)建棒板空氣間隙

“棒-板”間隙采用豎直布置方式，棒電極為帶有半球體型尖端的圓柱體，板電極為一方形鐵板。其中棒電極接高壓端，板電極接地。

圖2 試驗原理接線圖Fig.2 Diagram of the test circuit

1.3.2 模擬自然霧霾環(huán)境

霧霾天氣中的顆粒物主要是礦物氣溶膠（沙塵、

1.3.3 施加電壓進行試驗（交流）

所有試驗均采用均勻升壓法進行加壓，均勻升壓法雖不是國家標準和IEC標準首選的推薦方法，但是科學(xué)研究中常用的方法。均勻升壓法是將施加電壓以一定的速度均勻升高，直至試品放電擊穿。這種試驗方法雖然與實際運行狀況不同，但它節(jié)省時間。

1.3.4 測量設(shè)備

試驗電壓經(jīng)分壓器或電壓互感器直接并聯(lián)在試品兩端，用峰值電壓表進行測量。

2 試驗結(jié)果分析

筆者選取無水CaSO4、硫酸銨、硅藻土來模擬霾顆粒進行不同霧霾環(huán)境下棒板間隙的擊穿試驗，通過改變霾成分、霾顆粒濃度、霾顆粒粒徑、相對濕度三個因素分析其對放電特性的影響。

2.1 霾濃度對間隙放電的影響

霾濃度的變化將對棒-板間隙的擊穿特性帶來較為明顯的影響，筆者分別采用了無水CaSO4、硅藻土及 （NH4）2SO4等霾成分通入試驗罐內(nèi)進行了棒-板間隙的擊穿試驗，對試驗結(jié)果進行分析發(fā)現(xiàn)上述三種物質(zhì)的濃度對擊穿電壓值的影響具有相同的規(guī)律，因此以無水CaSO4為例進行列舉說明，其試驗結(jié)果分別如表1及圖3所示，其中以C1表示無水Ca-SO4的濃度，其單位為g/m3。

表1 不同無水CaSO4濃度下的擊穿電壓值Table 1 Breakdown voltage under different concentration of CaSO4

圖3 無水CaSO4濃度與擊穿電壓的關(guān)系Fig.3 Relationship between breakdown voltage and the concentration of CaSO4

其中通入無水CaSO4濃度為0時所對應(yīng)的擊穿電壓值即代表純空氣間隙下的棒板短間隙擊穿電壓值，由圖3可知，隨著通入無水CaSO4濃度的增大擊穿電壓值先增大后減小，當無水CaSO4的濃度為2.24 g/m3時，擊穿電壓增大值為8.4 kV，與純空氣間隙下的擊穿電壓相比，升高比率為34.15%，但當通入g/m3的濃度為3.36 g/m3時，擊穿電壓值又減小到31.0 kV，其升高率降低到26.02%。對于這一現(xiàn)象，其原因可分析如下：

1）隨著小型霧室里面的無水CaSO4濃度的增加，間隙中將會布滿越來越多的霾顆粒，間隙中霾顆粒的存在將會捕獲自由電子，這將不利于間隙放電的發(fā)展，擊穿電壓將會增高，另一方面，高能光子在電離區(qū)域也會被霧霾顆粒所吸收，也會導(dǎo)致?lián)舸╇妷旱纳摺?/p>

2）隨著小型霧室里無水CaSO4濃度的進一步增大，此時間隙中存在的霾顆粒也將大幅度增加，霾顆粒的存在使得間隙電場畸變更為嚴重，且霾顆粒越多，間隙中的電場畸變點也會更多，整個間隙電場畸變也將更加嚴重，電場的畸變有利于擊穿的發(fā)生，擊穿電壓隨之降低。

根據(jù)以上闡述可知，擊穿電壓的變化取決于上述兩種討論，在無水CaSO4濃度增加的初期間隙中霾顆粒相對較少，此時（1）占據(jù)主導(dǎo)地位，擊穿電壓增大，而當無水CaSO4濃度越來越大時，間隙中霾顆粒的分布越來越多，此時（2）將占據(jù)主導(dǎo)地位，擊穿電壓值也將會減小。

2.2 不同霾成分對間隙放電的影響

棒-板間隙在其他條件均一致的情況下，不同的霾成分下的擊穿電壓值各不相同，且各自之間的差距較為明顯，本文對比了三種不同霾成分在不同濃度下的擊穿電壓來研究霾成分對于棒板工頻擊穿特性的影響，其中每種霾成分各自通入0、1.12、2.24、3.36 g/m3四種濃度進行試驗，霾成分濃度以C表示。試驗結(jié)果如表2及圖4所示。

表2 不同霾成分在各個濃度下的擊穿電壓Table 2 Breakdown voltage under different haze compositions and concentration

圖4 不同霾成分的濃度與擊穿電壓的關(guān)系Fig.4 Breakdown voltage under different haze compositions and concentration

由圖4可知在通入相同濃度的霾成分時，硅藻土所對應(yīng)的的擊穿電壓明顯高于無水CaSO4所對應(yīng)的擊穿電壓值，而（NH4）2SO4所對應(yīng)的擊穿電壓值最低。這是因為（NH4）2SO4極易溶解于空氣中的水分，增加了間隙的電導(dǎo)率，有利于放電的發(fā)生，故同等條件下其所對應(yīng)的擊穿電壓值最低，而硅藻土的導(dǎo)電率十分低，近乎于不導(dǎo)電，故整個間隙的介電常數(shù)相對較低，其對應(yīng)的擊穿電壓值也將最高，無水CaSO4的導(dǎo)電性能在兩者之間，故其所對應(yīng)的擊穿電壓也介于兩者之間。

2.3 霾粒徑對間隙放電的影響

研究霾顆粒的粒徑對棒板工頻擊穿特性的影響，試驗采用全方位變頻行星式球磨機對硅藻土和硫酸銨兩種物質(zhì)進行了長達半個小時的研磨，然后分兩組將研磨后及未研磨的硫酸銨進行對照組，開展擊穿試驗。通過激光粒度儀測試了研磨前后的顆粒物粒徑分布，其中對于未研磨的顆粒物，其粒徑主要分布在0.5～1 mm之間，近似呈正態(tài)分布，即在1 mm處的累積頻率達99%，而在0.7 mm處的頻率最大，為55%；對于研磨后的顆粒物，其粒徑主要分布在 20～50 μm 之間，也近似呈正態(tài)分布，且在 50 μm處的累積頻率為99%，而在36 μm處的頻率最大，達到50%。以C1表示通入的未研磨（NH4）2SO4的濃度，以 C2表示通入的研磨（NH4）2SO4的濃度。試驗結(jié)果分別如圖5及表3、4所示。

圖5 不同粒徑的（NH4）2SO4的濃度與擊穿電壓的關(guān)系Fig.5 Relationships of the breakdown voltage with different concentration of different size （NH4）2SO4particles

表3 不同濃度的未研磨 （NH4）2SO4對應(yīng)的擊穿電壓值Table 3 Breakdown voltage of large size （NH4）2SO4 particles under different haze concentration

表4 不同濃度的研磨后 （NH4）2SO4對應(yīng)的擊穿電壓值Table 4 Breakdown voltage of large size （NH4）2SO4 particles under different haze concentration

其中通入硫酸銨濃度為0時所對應(yīng)的擊穿電壓即為該間隙下所對應(yīng)的純空氣電壓擊穿值。由表4及圖5可知隨著通入（NH4）2SO4濃度的增加，研磨后的硫酸銨及未研磨的硫酸銨的擊穿電壓和無水CaSO4一樣，均是先增加后減小。另外，從上圖可以清晰的觀察到研磨后的硫酸銨的擊穿電壓值在每個濃度下均高于未研磨的硫酸銨，其主要原因是在相同濃度下，研磨后的硫酸銨具有的顆粒數(shù)遠大于未研磨的硫酸銨，這就使得研磨后的硫酸銨將俘獲更多流注前端的自由電子，使得放電不利于進行，從而擊穿電壓值更高，而另一方面，較之于未研磨的硫酸銨，研磨后的硫酸銨使得間隙中自由電子的存在時間下降，這也使得放電不利于進行，擊穿電壓值進一步增加。繼續(xù)對研磨的硅藻土和未研磨的硅藻土開展相同的對照試驗，且得到了一致的趨勢，試驗結(jié)果如表5、6和圖6所示，其中分別以C3、C4表示研磨和未研磨兩種硅藻土的濃度。

表5 不同濃度的未研磨硅藻土對應(yīng)的擊穿電壓值Table 5 Breakdown voltage with different concentration of large size kieselguhr

表6 不同濃度的研磨后硅藻土對應(yīng)的擊穿電壓值Table 6 Breakdown voltage with different concentration of large size kieselguhr

圖6 不同粒徑的硅藻土的濃度與擊穿電壓的關(guān)系Fig.6 Relationships of the breakdown voltage with different concentration of different size kieselguhr

2.4 霧霾共同作用對間隙擊穿的影響

在實際環(huán)境中，霧和霾往往是同時作用于電力系統(tǒng)的，因此，有必要將霧和霾同時通入小型試驗罐內(nèi)來研究其對于棒板短間隙的工頻擊穿特性。本文采用研磨后的（NH4）2SO4顆粒作為霾成分，與超聲水霧一起通入試驗罐內(nèi)來研究兩者同時作用下對棒-板工頻擊穿特性的影響。試驗共分為兩組，第一組固定通入（NH4）2SO4的濃度為 2.24 g/m3，通過改變通入水霧的時間來改變相對濕度；第二組固定通入水霧的時間為1分鐘，改變通入（NH4）2SO4的濃度。

第一組試驗中，在（NH4）2SO4濃度為 2.24 g/m3時，不同相對濕度下的試驗結(jié)果如下表6所示。其中實驗組為在通入水霧的同時，同時使試驗罐內(nèi)（NH4）2SO4濃度為 2.24 g/m3時棒板的擊穿電壓，對照組為只通入純水霧時的擊穿電壓，其中t表示通入水霧的時間，試驗結(jié)果如下表7所示。

第二組，控制純水霧通入時間為1 min鐘來保持穩(wěn)定的相對濕度，改變試驗罐內(nèi)（NH4）2SO4的濃度，其中 （NH4）2SO4的濃度分別為 1.12 g/m3、2.24 g/m3、3.36 g/m3，試驗結(jié)果如下表8所示。

表7 （NH4）2SO4濃度固定時不同濕度下的擊穿電壓Table 7 Breakdown voltage under different relative humidity when （NH4）2SO4concentration is stable

表8 相同濕度下不同濃度的 （NH4）2SO4所對應(yīng)的擊穿值Table 8 Breakdown voltage under different concentration of （NH4）2SO4when RH%is stable

由表7可知，實驗組的擊穿電壓值相較于對照組均有所上升，但上升的并不明顯，甚至可以忽略；不同濕度下棒板間隙的擊穿電壓有一定的差異，擊穿電壓均先隨著濕度的增加而有所提高，當濕度繼續(xù)增大后擊穿電壓的變化不明顯。這可能是因為濕度增加，空氣中水分子含量增多，水分子的電負性作用會吸附電子、阻礙間隙放電，使擊穿電壓升高；而當濕度達到一定程度后，霧水會在電極端凝露并使間隙的電場畸變，從而阻礙擊穿電壓的升高。

由表8可知，在通入水霧時間一定時，即環(huán)境的相對濕度基本為定值時，通入（NH4）2SO4的濃度的變化對間隙擊穿電壓的影響并不明顯，甚至可以忽略，這說明在霧和霾同時作用時，霧對放電的影響更為明顯，幾乎掩蓋了霾的作用，即霧霾環(huán)境下霧霾對于棒板間隙的影響主要表現(xiàn)為霧的影響。

3 結(jié)論

1）霾的濃度對棒板間隙擊穿特性有影響，體現(xiàn)在：當霾的濃度小于一定程度時，隨著霾濃度的增加擊穿電壓隨著增加，當霾的濃度大于一定程度時，隨著霾濃度的增加擊穿電壓隨之降低。

2）霾的成分對棒板間隙擊穿特性有影響，體現(xiàn)在：相同的霾質(zhì)量濃度下，硅藻土所對應(yīng)的的擊穿電壓明顯高于無水CaSO4所對應(yīng)的擊穿電壓值，其中（NH4）2SO4所對應(yīng)的擊穿電壓值最低。

3）霾顆粒的直徑對棒板間隙擊穿電壓的影響也比較明顯，體現(xiàn)在：對于相同的霾質(zhì)量濃度和相同的霾成分，研磨過的粒徑較小的霾顆粒對應(yīng)的擊穿電壓明顯高于未研磨過的霾顆粒。

4）不同濕度下棒板間隙的擊穿電壓有一定的差異，擊穿電壓均先隨著環(huán)境濕度的增加而有所提高，當濕度繼續(xù)增大后擊穿電壓的變化不明顯。這可能與水分子的電負性以及電極末端凝露導(dǎo)致的電場畸變有關(guān)。

5）霧和霾同時作用時，霧對棒板間隙擊穿電壓的影響更為明顯，幾乎掩蓋了霾的作用。在分析霧霾下外絕緣配置的選擇時，應(yīng)該優(yōu)先考慮大氣環(huán)境中霧的影響。

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Study on the Breakdown Performance of Rod-Plane Air Gap under Different Fog-Haze Conditions

XIE Lijuan
（Wulanchabu Vocational College，Wulanchabu 012000，China）

The flashover accidents caused by haze seriously threat the safety operation of power grid.The electric field of 5 cm rod-plane air gap model was firstly established under a.c.voltage，and through changing the concentration，particle size，composition of the haze，the breakdown performance of rod-plane air gap model under different fog-haze conditions was studied.After artificial tests and analysis，the conclusions can be made as follows.When the haze concentration is lower than one certain degree，with the increase of haze concentration，breakdown voltage increases.But when the concentration is higher than one certain degree，the situation is the composite.Haze composition is also an important fact that affects the breakdown performance of air gap，which is decided by the haze conductivity.On the other hand，the breakdown voltage of haze particles with small size after grinding is higher than that of larger size without grinding.Research results is of some reference for the external insulation selection in complex environment.

air gap；rod-plane model；fog-haze；breakdown voltage

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.030

2015-11-25

謝利娟 （1982—），女，講師，碩士，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動化。