交流電暈放電特性的影響因素研究

黃宏新，劉士源

(1.杭州市電力局，浙江 杭州 310014；2.衡水供電公司，河北 衡水 053000)

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，輸電線路電壓等級不斷提高，超、特高壓輸電線路對環(huán)境的影響日益突出。線路電暈產(chǎn)生的無線干擾和可聽噪聲受到人們關(guān)注，電暈放電問題日益受到人們重視[1-2]。分裂導(dǎo)線截面及結(jié)構(gòu)的選擇，電暈產(chǎn)生的能量損耗、無線電干擾和可聽噪聲是線路設(shè)計和運行中要考慮的重要因素。同時，電暈引起導(dǎo)線表面腐蝕，會降低其使用壽命[3-6]。隨著我國對西南地區(qū)水電的開發(fā)，高海拔線路增多，低氣壓下輸電線路電暈特性開始受到人們的重視。同時降水、大霧等高濕天氣對線路電暈也有較大的影響。在實驗室中研究交流電暈機理，得到起暈電壓的影響因素，以及電暈放電與氣壓、濕度的關(guān)系，對輸電線路的設(shè)計具有十分重要的意義。以下基于寬頻帶羅哥夫斯基繞組，分別對交流電壓作用下線-筒電極的起暈電壓，電暈電流脈沖，以及氣壓和濕度與交流電暈的關(guān)系進行研究。

1 實驗平臺

試驗在小型人工氣候裝置中完成，人工氣候裝置采用有機玻璃筒型密閉容器，容器一端可拆卸，用于更換電極；一端設(shè)有換氣閥，連接真空泵以調(diào)節(jié)裝置內(nèi)氣壓。容器內(nèi)氣體壓力通過精密氣壓表測得，測量誤差小于1.6%。采用加濕裝置產(chǎn)生細(xì)霧狀濕氣，經(jīng)濕氣通道注入有機玻璃容器。

試驗線-筒電極采用銅導(dǎo)線作高壓電極，導(dǎo)線直徑分別為0.25 mm、0.5 mm和1 mm。地電極采用鋁網(wǎng)制成的圓筒電極，直徑為62.5 mm。圓筒電極邊沿設(shè)有均壓環(huán)，保證邊沿不發(fā)生電暈。交流電暈試驗電路示意見圖1。

T-調(diào)壓器； B-試驗變壓器； R-水電阻； F-分壓器； E-小型人工氣候裝置；H-濕度調(diào)節(jié)通道； A-氣壓調(diào)節(jié)通道； D-線-筒電極； L-羅哥夫斯基繞組圖1 交流電暈試驗電路示意

試驗變壓器B為SF6氣體絕緣變壓器，額定電壓35 kV，容量1.5 kVA。試驗回路采用無暈導(dǎo)線連接，并對連接處進行處理，使回路在試驗電壓下不發(fā)生電暈。電極兩端電壓通過電容分壓器F測得。

利用電暈放電所特有的特里切爾脈沖來測量電暈放電，該電暈脈沖信號是頻率為15～25 MHz，幅值為10～150 mA的高頻小電流信號。為對這種電流進行測量，在試驗中采用寬頻帶微電流測試用羅哥夫斯基繞組，帶寬為0.396 ～120 MHz，靈敏度3.27 V/A。

2 電極導(dǎo)線直徑對電暈放電的影響

勻速升高電極兩端的電壓，當(dāng)測量回路中交流電暈電流脈沖出現(xiàn)時，即認(rèn)為電暈開始發(fā)生。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下,線-筒電極在交流正半周出現(xiàn)的脈沖(簡稱正脈沖)和交流負(fù)半周出現(xiàn)的脈沖(簡稱負(fù)脈沖)起始電壓相差很小，極性效應(yīng)不明顯。試驗測得起暈電壓有效值與線徑的關(guān)系見表1。根據(jù)同軸電極的Peek公式[7]為：

(1)

(2)

式中：m為電極的粗糙度；δ為相對空氣密度；r、R分別為內(nèi)、外電極半徑。

試驗相對空氣密度為0.95時，導(dǎo)線粗糙度為0.85時，求得的起暈電壓有效值見表1。

表1 線-筒電極起暈電壓有效值

導(dǎo)線直徑/mm10.50.25正脈沖起始電壓/kV9.97.46負(fù)脈沖起始電壓/kV9.87.45.9起暈電壓計算值/kV10.97.85.6

線-筒電極雖為極不均勻場，但沒有出現(xiàn)直流電暈中的極性效應(yīng)。通過研究，認(rèn)為交流電暈與直流電暈有不同的機理。交流電暈在空間中存在有上半周期放電留在空間的空間電荷。利用電場作用下粒子運動時間的公式，近似得出交流下正負(fù)離子消失的時間：

(3)

式中：r為外極的曲率半徑；r1為內(nèi)極的曲率半徑；μ+為離子遷移率；g為幾何常數(shù)；v為兩極間電壓，為方便計算，取電壓有效值。

在相對濕度為40%，大氣壓為105Pa的空氣中，μ+為1.4 cm2/Vs。經(jīng)計算，試驗線-筒電極隨所加電壓與線徑的不同而變化，時間間隔在1～8 ms的范圍內(nèi)，負(fù)離子消失的時間為0.8～6 ms。

離子消失時間和工頻電壓1/4周期相差不大，所以空間存在大量的帶電粒子，如當(dāng)電壓由負(fù)極性轉(zhuǎn)變?yōu)檎龢O性時，空間存有由原來負(fù)極性電暈產(chǎn)生的存在于遷移區(qū)的負(fù)離子，這些負(fù)離子隨正電壓的升高而向線電極靠近，最終聚集在線電極周圍。而當(dāng)極性由正轉(zhuǎn)負(fù)時，空間存留的主要是遷移區(qū)的正離子，這些正離子隨負(fù)電壓的升高而向線電極靠近，最終也聚集在線電極周圍。分析認(rèn)為在交流電壓下，線電極周圍均存在與之相異的空間電荷，正半周和負(fù)半周電暈的起始和發(fā)展相差不大，沒有出現(xiàn)明顯的極性效應(yīng)。

線-筒電極電暈發(fā)生后，繼續(xù)升高電壓，得到電暈正、負(fù)脈沖幅值隨電壓有效值的變化曲線,見圖2。

(a) 正脈沖

(b) 負(fù)脈沖

由圖2可知，電暈脈沖的幅值隨著電壓的升高而增大，且中心導(dǎo)線線徑越小，電暈脈沖幅值越高。這是由于脈沖幅值與電暈層厚度相關(guān)，高場強區(qū)域隨電壓升高而增大，電暈層向外擴散，因此電暈脈沖強度增加。當(dāng)線徑較小時，電場不均勻系數(shù)大，接近導(dǎo)線部分電場強，電暈更加劇烈。線徑增大，導(dǎo)線附近電場強度降低，起暈電壓提高,電暈發(fā)生變得困難,導(dǎo)致線徑增大，電暈強度減小。

從空間電荷角度分析：線徑增大，起暈電壓隨之升高，電場強度在遷移區(qū)更強，正離子與負(fù)離子消失時間變短，電極周圍與電極相異的空間電荷減少，對電場的畸變作用減弱，引起起暈電壓的升高。在起暈后，直徑較大的導(dǎo)線電暈脈沖幅值較小。

3 氣壓對電暈放電特性的影響

在小型人工氣候裝置中，選取直徑為0.5 mm的導(dǎo)線研究線-筒電極起暈特性與氣壓之間的關(guān)系。試驗發(fā)現(xiàn)，起暈電壓隨氣壓降低而明顯降低，在低于1個大氣壓的環(huán)境下，起暈電壓隨著氣壓的升高近似呈線性增加，在接近于1個大氣壓的環(huán)境下，逐漸呈現(xiàn)出飽和趨勢，不同氣壓條件下的起暈電壓有效值變化曲線見圖3。同時，在0.4～0.7個大氣壓之間，出現(xiàn)極性效應(yīng)，線-筒電極正脈沖起始電壓高于負(fù)脈沖起始電壓。這是由于氣壓降低，原子間距增加，電子自由程度增大，單個電子在2次碰撞之間可累積更多能量，易形成電子崩，從而引起起暈電壓降低。同時由于氣壓降低，空間電荷運動速度加快，消失時間變短，高壓電極周圍與之相異的空間電荷減少，對電場的畸變作用減弱，空間電荷影響下的交流電暈特性不顯著，極性效應(yīng)出現(xiàn)。

a-正脈沖； b-負(fù)脈沖

不同氣壓下電暈電流脈沖幅值隨電壓變化曲線見圖4。

(a) 正脈沖

(b) 負(fù)脈沖

由圖4可知，在相同電壓下，正、負(fù)極性電暈脈沖幅值均隨著氣壓的減小而增加，低氣壓下電暈更易生成。在相同的氣壓下，電暈脈沖隨著電壓的升高而增加，電暈活動更加劇烈。由以上分析可知，氣壓大小對交流電暈放電的影響是十分顯著的。

4 濕度對電暈脈沖電流的影響

在小型人工氣候裝置中，采用直徑為0.5 mm導(dǎo)線研究濕度對交流電暈脈沖幅值的影響。試驗發(fā)現(xiàn)，在一定溫度下，起暈電壓隨著濕度的升高而升高，如在20 ℃時，相對濕度30%的情況下，7 kV出現(xiàn)電暈現(xiàn)象。當(dāng)相對濕度高于40%后，7 kV下觀測不到電暈現(xiàn)象，起暈電壓升高。

在20℃時，升高電壓至不同濕度下電暈均能穩(wěn)定持續(xù)后，保持電壓恒定，緩慢增加小型人工氣候裝置中的濕度，交流電暈脈沖幅值與濕度的關(guān)系見圖5。

(b) 負(fù)脈沖

由圖5可以看出，無論是正脈沖還是負(fù)脈沖，其脈沖幅值均隨著相對濕度的增加而增加，當(dāng)相對濕度超過50%時，電暈脈沖幅值趨于飽和。分析認(rèn)為濕度對電暈有兩方面的影響：電子易附著在水分子上形成離子團，使電子形成電子崩的作用減弱，提高了流注的起始電壓；相對濕度的增加,在導(dǎo)體表面出現(xiàn)了水分的積聚，影響了導(dǎo)線表面微觀外形，局部電場增強，使電暈變得劇烈。當(dāng)濕度較小時，導(dǎo)體表面水分不易積聚，第1種影響較為明顯，起暈電壓升高；當(dāng)相對濕度增大后，水分在導(dǎo)線表面積聚，局部電場增強，使電暈脈沖增強。2種影響同時存在，共同作用，對電暈產(chǎn)生重要影響。

5 結(jié)論

a. 交流電壓作用下，起暈電壓隨導(dǎo)線直徑的增大而升高；在其他條件相同的情況下，導(dǎo)線直徑越小，脈沖電流越大；交流電暈作用下的極性效應(yīng)不明顯。

b. 氣壓減小，線-筒電極起暈電壓減小，隨氣壓的降低，出現(xiàn)極性效應(yīng)，正極性起暈電壓高于負(fù)極性。電暈脈沖電流的幅值隨電壓升高和氣壓降低而增大。

c. 濕度對電暈放電有兩方面的作用，兩者同時存在，共同作用，對電暈放電產(chǎn)生重要影響。

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