浮塵條件下降雨對間隙交流擊穿電壓的影響

姜 梅，李江濤，孫 義，溫定筠，李 濤，李 煒，王 津

（1.國網(wǎng)甘肅省電力科學(xué)研究院，蘭州730050；2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安710049）

0 引言

我國電網(wǎng)建設(shè)快速發(fā)展，規(guī)模不斷擴大，穿過惡劣氣候條件地區(qū)的線路越來越多，輸電線路及變電站的安全運行尤為重要。我國北方地區(qū)沙塵天氣頻發(fā)，沙粒之間以及沙粒與地面之間摩擦導(dǎo)致電荷交換，從而使沙粒帶電[1-3]，且近年來隨著三峽大壩的建成，我國西北地區(qū)的降雨明顯增多[4-6]，空間間隙的擊穿電壓降低，嚴(yán)重影響輸變電線路及設(shè)備的安全運行。關(guān)于沙塵、降雨條件下輸變電設(shè)備及線路發(fā)生事故的報告在逐漸增多[7-13]，2006年3月，鄭州地區(qū)刮起沙塵暴，導(dǎo)致多地發(fā)生電力故障，高壓線路跳閘，出現(xiàn)大面積停電現(xiàn)象；2006年4月，新疆吐魯番地區(qū)出現(xiàn)沙塵暴天氣，新疆220 kV紅托線、托樓線等4條線路相繼跳閘，220 kV樓蘭至哈密電網(wǎng)線跳閘停電。2006年4月，山東地區(qū)大范圍降雨，導(dǎo)致500 kV濟長線跳閘，A相導(dǎo)線對塔身放電；2009年7月，湖北地區(qū)發(fā)生降雨，三峽左一電廠出現(xiàn)500 kV三龍I回線AB相間故障跳閘。2014年5月，持續(xù)浮塵天氣下突然降雨導(dǎo)致甘肅龍川變主變壓器發(fā)生跳閘，造成大范圍停電事故。目前國內(nèi)外在輸電線路外絕緣設(shè)計中只考慮純空氣間隙的電氣絕緣強度作為依據(jù)，而沒有考慮空氣間隙中存在浮塵顆粒、雨滴對間隙絕緣強度的影響，因此有必要對浮塵條件下降雨對間隙交流擊穿電壓的影響進(jìn)行研究，為惡劣氣候條件地區(qū)電力設(shè)備外絕緣的設(shè)計提供理論依據(jù)。

目前國內(nèi)外學(xué)者對沙塵、降雨單一條件下電力設(shè)備外絕緣的放電特性研究較多，研究發(fā)現(xiàn)[7-8]：沙粒粒徑、沙粒濃度、風(fēng)速等因素都會影響間隙的放電特性。較大粒徑的沙塵顆粒對間隙的放電具有促進(jìn)作用，擊穿電壓降低，而當(dāng)粒徑超過一定范圍時，促進(jìn)作用不再明顯；空氣間隙的擊穿電壓隨著沙塵濃度的增加而降低；在沙塵環(huán)境下，間隙擊穿電壓會隨著風(fēng)速的增加而增加。同時研究還發(fā)現(xiàn)[11-13]：降雨強度、雨水電導(dǎo)率等因素也會影響間隙的放電特性。隨著降雨強度的增加，間隙交流擊穿電壓有所降低，但間隙交流擊穿電壓下降速度減緩，且降雨強度對間隙交流擊穿電壓的影響最明顯；隨著雨水電導(dǎo)率，增加間隙交流擊穿電壓也會有所降低，且雨水電導(dǎo)率較小時，間隙交流擊穿電壓的下降速率較快。目前國內(nèi)外研究主要針對沙塵、降雨單一條件下間隙放電特性及機理進(jìn)行研究，而對浮塵以及浮塵、降雨兩者綜合作用下間隙交流擊穿電壓的變化鮮有研究，因此有必要進(jìn)行浮塵條件下降雨對間隙交流擊穿電壓影響的研究，為惡劣氣候地區(qū)輸變電設(shè)備及線路的外絕緣設(shè)計提供依據(jù)。

筆者通過搭建小型人工氣候室模擬浮塵條件下突然降雨的天氣，對棒-棒空氣間隙交流擊穿電壓進(jìn)行試驗研究，分析浮塵條件下降雨對間隙交流擊穿電壓的影響。

1 試驗裝置及試驗方法

1.1 試驗裝置

試驗在自行設(shè)計搭建的小型人工氣候室箱體中（1 m×1 m×1.4 m）進(jìn)行，該氣候室由有機玻璃制成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。打開風(fēng)機鼓風(fēng)，使沙塵均勻分布在箱體內(nèi)，達(dá)到浮塵天氣。激光粉塵儀可實時準(zhǔn)確的測量間隙之間的浮塵濃度，同時試驗箱體中配有溫濕度計及氣壓表，用于試驗數(shù)據(jù)修正。試驗箱體頂部裝設(shè)有四個開斷獨立可控的噴頭，可模擬降雨條件。所選用電極為?6棒-棒電極，頭部為半球，電極固定于支架上，間隙距離在1 cm～20 cm內(nèi)連續(xù)可調(diào)。選用沙粒和硅藻土等體積參雜沙土產(chǎn)生浮塵條件。

圖1 小型氣候試驗箱體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic diagram of small climate test chamber

圖2 試驗電路示意圖Fig.2 Test circuit schematic diagram

試驗電路接線示意圖如圖2所示。電源系統(tǒng)由FCB-20 kVA型調(diào)壓器和FVT-J-50 kV-20 kVA型工頻試驗變壓器組成，變壓器之后接保護(hù)電阻R，用電容分壓器測量間隙交流擊穿電壓。

1.2 試驗方法

浮塵是沙塵暴或揚沙過后細(xì)小顆粒浮游在空中形成的[6]，因此利用強風(fēng)將沙土鼓入氣候室使其充分循環(huán)后關(guān)閉風(fēng)機，靜置一段時間達(dá)到相對穩(wěn)定即為浮塵條件。打開降雨系統(tǒng)，得到在一定濃度、降雨強度下的間隙交流擊穿電壓。浮塵條件下降雨時間隙交流擊穿電壓的測量方法如下：

1）調(diào)整間隙，記錄試驗箱體中的溫度、濕度、氣壓以及初始浮塵濃度，利用均勻升壓法測量此時間隙的交流擊穿電壓，記為Ub。

2）從進(jìn)沙口加入一定量沙土，啟動風(fēng)機使轉(zhuǎn)速達(dá)到13 m/s，模擬中等沙塵暴強度，風(fēng)機持續(xù)工作5 min。

3）風(fēng)機停止工作后靜置，直到箱體內(nèi)浮塵濃度相對穩(wěn)定。

4）在高壓電極端加電壓U1=0.8Ub，當(dāng)箱體內(nèi)浮塵濃度為a1μg/m3時，打開降雨系統(tǒng)，利用電壓升降法測得此時間隙交流擊穿電壓U2。

5）打開氣候室門，打掃干凈后烘干，重復(fù)上述步驟進(jìn)行試驗，得到不同濃度及不同降雨強度下間隙的交流擊穿電壓。

為保證試驗數(shù)據(jù)的有效性，對每個試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行溫濕度修正[14]，且每組試驗進(jìn)行3-5組取平均值作為該條件下交流擊穿電壓值。

2 試驗結(jié)果

2.1 浮塵對間隙交流擊穿電壓的影響

試驗中首先研究浮塵條件下交流擊穿電壓的變化情況。每次試驗前，測定潔凈空氣條件下間隙交流擊穿電壓，之后測定棒-棒間隙在不同浮塵濃度下的擊穿電壓，所得結(jié)果如圖3、圖4所示。由圖3可知，對于d=8 cm、10 cm的棒-棒間隙，隨著浮塵濃度的增加，間隙交流擊穿電壓先降低后升高，當(dāng)浮塵濃度在400 μg/m3附近時，交流擊穿電壓達(dá)到最小值，相比于潔凈空氣下的擊穿電壓分別降低了6.7%、8.8%。由圖4可以看出，在同一浮塵濃度條件下，交流擊穿電壓隨間隙距離的變化曲線和潔凈空氣條件下的變化曲線相似，且對于同一間隙距離下，其交流擊穿電壓隨浮塵濃度的增加而先降低后升高。

2.2 降雨對間隙交流擊穿電壓的影響

為研究降雨強度對間隙交流擊穿電壓的影響，試驗中改變接入降雨系統(tǒng)中的噴頭數(shù)量來改變降雨強度，并在每次試驗時測量降雨強度。其中雨水電導(dǎo)率為σ20=210 μS/cm，棒-棒間隙豎直布置，所得結(jié)果如圖5所示。由圖可知，當(dāng)出現(xiàn)降雨時，間隙交流擊穿電壓降低，且當(dāng)降雨量較大時，其交流擊穿電壓下降速率減緩。對于d=8 cm的間隙，相比于無降雨時的情況，降雨量為I=1.8 mm/min、I=7.2 mm/min時，交流擊穿電壓分別降低了12.2%、17.4%。

圖3 間隙交流擊穿電壓隨浮塵濃度變化曲線Fig.3 Variation curves of gap breakdown voltage with floating dust concentration

圖4 同浮塵濃度下?lián)舸╇妷弘S間隙距離變化曲線Fig.4 Variation curves of breakdown voltage with gap distance under the same concentration of floating dust

圖5 不同降雨強度下的交流擊穿電壓曲線Fig.5 AC breakdown voltage curve under different rainfall intensity

試驗還研究了間隙傾斜角度對間隙交流擊穿電壓的影響。其中間隙距離d=8 cm，雨水電導(dǎo)率σ20=210μS/cm，在降雨強度I=1.8mm/min和3.6mm/min條件下進(jìn)行試驗，間隙傾斜角度在0-90。范圍內(nèi)變化，所得結(jié)果如圖6所示。由圖可知，降雨強度一定時，交流擊穿電壓隨著間隙傾斜角度增加而逐漸升高。當(dāng)降雨強度為1.8 mm/min時，水平放置間隙交流擊穿電壓比豎直放置擊穿電壓高5%。主要是由于雨滴粒徑較大，重力不能忽略，因此當(dāng)間隙傾斜角度增大時，由于重力作用，導(dǎo)致電極頭部水柱傾斜向下，因此間隙交流擊穿電壓降低。

圖6 不同間隙傾斜角度下的擊穿電壓曲線Fig.6 AC breakdown voltage curve under different gap slope angle

2.3 浮塵條件下降雨對間隙交流擊穿電壓的影響

在研究浮塵、降雨單一天氣因素對間隙交流擊穿電壓的影響之后，利用該小型人工氣候室，進(jìn)行浮塵條件下降雨對間隙交流擊穿電壓的影響研究。其中間隙距離為2-10 cm，豎直放置，浮塵濃度為300 μg/cm3，降雨強度為1.8 mm/min，雨水電導(dǎo)率σ20=210 μS/cm，所得結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，浮塵條件和降雨條件下，間隙交流擊穿電壓均有下降，而當(dāng)浮塵條件下出現(xiàn)降雨時，間隙的交流擊穿電壓明顯降低。以間隙距離d=10 cm為例，浮塵條件下其間隙交流擊穿電壓降低4.5%，降雨條件下其間隙交流擊穿電壓降低7.7%，而浮塵條件下出現(xiàn)降雨時，其擊穿電壓降低了16.8%，即兩種因素同時出現(xiàn)時，其間隙交流擊穿電壓下降幅度大于兩者單獨作用之和。

圖7 浮塵條件下降雨對間隙擊穿電壓的影響Fig.7 Influence of rainfall under floating dust condition on AC breakdown voltage of air gap

由之前試驗以及學(xué)者研究知，影響間隙交流擊穿電壓的兩個主要因素是浮塵濃度、降雨強度[10-11]，因此在試驗中對通過改變浮塵濃度、降雨強度來研究其對間隙交流擊穿電壓的影響。其中間隙距離為d=10cm，間隙豎直放置，雨水電導(dǎo)率σ20=210μS/cm，所得結(jié)果如圖8所示。由圖可知，同一降雨強度條件下，間隙交流擊穿電壓隨著浮塵濃度的增加而降低，同時當(dāng)浮塵濃度一定時，隨著降雨強度的增加，其間隙交流擊穿電壓降低。降雨強度為I=1.8 mm/min，當(dāng)浮塵濃度達(dá)到800 μg/cm3，其間隙交流擊穿電壓相比于降雨條件時降低了12.8%。

圖8 浮塵條件下降雨時間隙擊穿電壓變化曲線Fig.8 Variation curves of gap breakdown voltage in floating dust condition during rainfall

3 結(jié)果分析

由浮塵試驗結(jié)果可知，當(dāng)浮塵條件下，間隙交流擊穿電壓會隨著浮塵濃度的增加先降低后升高，其主要原因是：浮塵濃度較低時，部分浮塵顆粒由于摩擦帶電[1，3]，會對電場分布產(chǎn)生一定的畸變作用，同時，浮塵顆粒主要成分是石英砂，表面電子逸出功為3.25 eV[15]，相比于氮氣、氧氣，其更容易逸出電子；當(dāng)浮塵濃度繼續(xù)升高，電子的平均自由程減小，電子的能量減小，容易被浮塵顆粒等吸附，因此會導(dǎo)致間隙交流擊穿電壓升高。但由于浮塵顆粒粒徑較小，對間隙交流擊穿電壓影響也較小。由降雨試驗結(jié)果可知，當(dāng)出現(xiàn)降雨時，會導(dǎo)致間隙擊穿電壓降低，而隨著降雨強度的不斷增加，其擊穿電壓下降速率降低，其主要原因是：雨水導(dǎo)電性好，降雨時電極頭部形成一段水柱，縮短間隙距離，且雨滴粒徑較大，在間隙中呈鏈狀分布，對電場的畸變較明顯，使自由電子、光子獲得更多能量，發(fā)生有效電離碰撞的概率增大，因此降雨條件下，間隙交流擊穿電壓降低，而隨著降雨強度的增加，水柱長度變化較小，同時對電場畸變作用變化也較小，因此間隙交流擊穿電壓降低速率減緩。

由浮塵條件下降雨試驗可知，在浮塵條件下出現(xiàn)降雨會明顯降低間隙的交流擊穿電壓，其主要原因是：有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，沙塵暴發(fā)生時，沙塵顆粒之間相互摩擦?xí)诡w粒帶電，而粒徑較小的顆粒帶負(fù)電，因此部分浮塵顆粒帶有一定負(fù)電荷，當(dāng)出現(xiàn)降雨時，雨滴會吸附空氣中的浮塵顆粒，部分雨滴吸附的浮塵較多，使其整體帶電量增加，文獻(xiàn)[16]中通過仿真發(fā)現(xiàn)，顆粒帶電會使其對周圍空間的電場分布畸變范圍明顯擴大，因此帶電雨滴對周圍空間電場畸變更加明顯，自由電子、光子發(fā)生有效電離碰撞的概率增大，利于放電發(fā)展，間隙交流擊穿電壓降低。同時當(dāng)浮塵濃度較大時，雨滴吸附的帶電顆粒增多，利于放電發(fā)展，因此隨著浮塵濃度的增加，間隙交流擊穿電壓未出現(xiàn)極值點。

4 結(jié)論

通過對浮塵條件下降雨對棒-棒間隙交流擊穿電壓的研究，并與浮塵、降雨單一因素對棒-棒間隙交流擊穿電壓的影響結(jié)果相對比，得到以下結(jié)論：

1）隨著浮塵濃度的增加，間隙交流擊穿電壓先降低后升高，在400 μg/cm3附近出現(xiàn)間隙交流擊穿電壓極小值。

2）降雨會使間隙擊穿電壓降低，隨著降雨強度的增加，其間隙交流擊穿電壓降低，但下降速率減緩。

3）浮塵條件下降雨會使間隙交流擊穿電壓明顯降低，且浮塵濃度越高，降雨強度越大，其間隙交流擊穿電壓下降越多。

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