一種用于模擬低氣壓放電的試驗(yàn)腔體試制研究

楊亞奇，李衛(wèi)國(guó)，袁創(chuàng)業(yè)，夏 喻

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

一種用于模擬低氣壓放電的試驗(yàn)腔體試制研究

楊亞奇，李衛(wèi)國(guó)，袁創(chuàng)業(yè)，夏 喻

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

為研究低氣壓長(zhǎng)空氣間隙交流放電特性以及突破鋼制腔體尺寸對(duì)放電間隙長(zhǎng)度的限制，試制了以聚丙烯材質(zhì)為主體的低氣壓放電試驗(yàn)腔體，并利用試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其氣密性和放電性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明：試制的試驗(yàn)腔體在25～900 Pa氣壓范圍內(nèi)最大壓升率小于0.1 Pa/s，有效放電間隙長(zhǎng)度超過(guò)腔體半徑并達(dá)到600 mm，氣密性和放電性能均能夠很好地滿足低氣壓長(zhǎng)間隙交流放電試驗(yàn)的需求。研究成果對(duì)研究低氣壓下長(zhǎng)間隙放電特性、搭建低氣壓放電試驗(yàn)平臺(tái)以及改善腔體放電性能具有參考價(jià)值。

長(zhǎng)間隙放電；試驗(yàn)腔體；低氣壓；壓升率；放電性能

0 引 言

隨著我國(guó)高海拔地區(qū)超、特高壓交流輸變電工程的建設(shè)，研究低氣壓下空氣間隙放電特性越發(fā)重要，而電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明低氣壓條件會(huì)降低輸變電設(shè)備空氣間隙絕緣的擊穿電壓，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)必將引發(fā)事故[1-6]。因此研制成本低、氣壓可調(diào)、放電性能好的試驗(yàn)腔體對(duì)于普及實(shí)驗(yàn)室條件下低氣壓下放電特性的研究具有重要意義。

目前研究低氣壓長(zhǎng)間隙放電特性一般通過(guò)人工氣候室進(jìn)行，如清華大學(xué)、重慶大學(xué)、南方電網(wǎng)科學(xué)研究院、中國(guó)電力科學(xué)研究院等均利用人工氣候室研究低氣壓下絕緣子閃絡(luò)特性[7-10]，日本名古屋大學(xué)深入研究了低氣壓交流電壓下短間隙放電和沿介質(zhì)表面閃絡(luò)放電特性[11-13]。然而人工氣候室尺寸大且極限真空度有限，例如直徑2 m、高3.8 m的人工氣候室極限真空度為30 kPa，而直徑22 m、高34 m時(shí)僅為60 kPa[14，15]，另外受材質(zhì)的影響其有效放電間隙長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于半徑。因此研制極限真空度高、有效放電間隙長(zhǎng)、體積小且造價(jià)低的新型試驗(yàn)腔體具有重要實(shí)用意義。

本研究對(duì)試驗(yàn)腔體進(jìn)行了設(shè)計(jì)與試制，并對(duì)成型腔體進(jìn)行了氣密性和放電性能測(cè)試，首次將聚丙烯腔體應(yīng)用于低氣壓下長(zhǎng)間隙放電試驗(yàn)研究中，研究成果對(duì)實(shí)驗(yàn)室條件下研究低氣壓下長(zhǎng)間隙放電特性和改善腔體放電性能具有重要參考價(jià)值。

1 聚丙烯試驗(yàn)腔體設(shè)計(jì)

1.1 腔體性能參數(shù)

由于聚丙烯電絕緣性和耐疲勞性高，力學(xué)性能和耐熱性在熱塑性塑料中最好，因此本研究利用聚丙烯的絕緣性突破傳統(tǒng)鋼制腔體對(duì)放電間隙長(zhǎng)度的限制[11-13]。腔體設(shè)計(jì)性能參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)性能參數(shù)

1.2 腔體設(shè)計(jì)

聚丙烯主腔體包括圓筒外壁、橢圓形封頭、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、內(nèi)膽四部分，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)焊接于圓筒外壁和封頭內(nèi)表面。為保證腔體環(huán)向穩(wěn)定性，擬通過(guò)設(shè)置環(huán)向加強(qiáng)環(huán)的方式使圓筒外壁計(jì)算長(zhǎng)度屬于短圓柱殼體，臨界計(jì)算長(zhǎng)度Lk如式(1)所示：

(1)

式中：D0=1 236 mm為圓柱殼體外徑；δ為理論壁厚。

其最小理論壁厚δmin如式(2)所示[18]：

(2)

式中：D=1 200 mm為圓柱殼體中性面直徑；m1=3為薄壁圓柱殼體環(huán)向穩(wěn)定系數(shù)；P=0.1 MPa為設(shè)計(jì)外壓力；Et=1.32 GPa為聚丙烯彈性模量；C=1 mm為以腐蝕裕量和工藝加工減薄量為主的附加壁厚。

由此計(jì)算得理論最小壁厚δmin=15 mm，考慮實(shí)際情況后選擇聚丙烯板材厚度為δe=18 mm。由于外壓容器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求殼體所能承受的臨界壓力Pk必須大于設(shè)計(jì)壓力，即Pk1≥m1P，因此由式(3)[19]可驗(yàn)證Pk1=0.727 MPa符合設(shè)計(jì)要求。

(3)

式中：μ=0.410 3為聚丙烯泊松比。

聚丙烯封頭外形采用直徑1 200 mm的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭尺寸，臨界外壓力Pk2如式(4)[20]所示，許用外壓力由式(5)可得[P]=0.138 MPa。

(4)

(5)

式中：R=600 mm為圓柱殼體平均半徑；n為失穩(wěn)波形數(shù)；δe2=20 mm為封頭實(shí)際壁厚；m2=14.52為橢圓形封頭穩(wěn)定系數(shù)。

為確保圓柱殼體環(huán)向穩(wěn)定性，對(duì)加強(qiáng)環(huán)考慮間斷焊接等因素,其所需慣性矩增加10%，且實(shí)際組合慣性矩應(yīng)大于所需慣性矩，即Is>I[20]。所需慣性矩和實(shí)際慣性矩分別如式(6)、式(7)所示[21]：

(6)

(7)

為利用聚丙烯材料的可塑性進(jìn)一步加強(qiáng)腔體穩(wěn)定性，擬對(duì)腔體內(nèi)壁設(shè)置9條縱向加強(qiáng)筋，從而使腔體側(cè)壁和封頭處加強(qiáng)筋構(gòu)成籠型結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)腔體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-棒電極；2-上封頭；3-封頭加強(qiáng)筋；4-內(nèi)膽；5-側(cè)壁豎筋；6-側(cè)壁環(huán)筋；7-觀察窗；8-側(cè)壁；9-板電極；10-下封頭；11-引線接口；12-氣壓控制口圖1 試驗(yàn)腔體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of test chamber

2 試驗(yàn)原理及設(shè)備選取

本試驗(yàn)的目的是測(cè)試試制的聚丙烯試驗(yàn)腔體耐壓性、氣密性及放電性能，包括耐受0.1 MPa外壓能力、真空度高于1 000 Pa時(shí)壓升率變化范圍及間隙距離600 mm下的交流電壓放電效果。

2.1 試驗(yàn)腔體

加工成型的試驗(yàn)腔體如圖2(a)所示，中部觀察窗用于觀察放電現(xiàn)象。棒-板電極是典型空氣間隙之一[22]，本研究利用棒-板電極測(cè)試腔體放電性能。棒-板電極垂直布置于腔體內(nèi)部，板電極為直徑800 mm鐵板。棒電極為直徑15 mm的分段插接式球頭棒。棒-板電極如圖2(b)所示。

圖2 試驗(yàn)腔體及棒-板電極Fig.2 Test chamber and rod-to-plane electrode

2.2 耐壓性和氣密性測(cè)試方法

腔體設(shè)計(jì)外壓力為0.1 MPa，耐壓性試驗(yàn)擬對(duì)腔體進(jìn)行0.125 MPa液壓試驗(yàn)后進(jìn)行氣壓試驗(yàn)。腔體氣密性主要針對(duì)壓升率指標(biāo)，針對(duì)極限真空度附近的平均壓升率值擬在25～65 Pa氣壓范圍內(nèi)選取9個(gè)氣壓段，ΔP=5 Pa,每個(gè)氣壓段測(cè)試5次并取平均值。針對(duì)腔體壓升率變化趨勢(shì)擬在100～900 Pa氣壓范圍內(nèi)選取9個(gè)氣壓段，ΔP=100 Pa,每個(gè)氣壓段測(cè)試5次并取平均值。

2.3 放電性能測(cè)試方法

放電試驗(yàn)利用200 mm、400 mm和600 mm三種棒-板間隙交流放電現(xiàn)象測(cè)試腔體放電性能。由于空氣間隙交流放電特征量分散性較小，因此采用均勻升壓法進(jìn)行試驗(yàn)[23]。利用高速攝像機(jī)對(duì)放電現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)時(shí)采用手動(dòng)觸發(fā)方式錄制棒電極尖端產(chǎn)生電暈到間隙擊穿全過(guò)程。為避免放電產(chǎn)生的空間電荷對(duì)下次放電產(chǎn)生影響，兩次放電間隔時(shí)間為5 min。

2.4 試驗(yàn)設(shè)備及場(chǎng)地布置

試驗(yàn)研究是在華北電力大學(xué)高電壓與電磁兼容北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成。試驗(yàn)電氣布置如圖3所示。交流高壓源為YDQ-400V/200kV充氣式試驗(yàn)變壓器，容量為20 kVA；均勻升壓通過(guò)HZTC-101工頻耐壓控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)；真空度由DL-10A型石英真空計(jì)測(cè)得，量程為5×10-1～105Pa[24]。真空泵選用西門子RVP-6旋片式真空泵，抽氣速率為6 L/s。采用一臺(tái)LX-30高速攝像機(jī)對(duì)放電過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)，主要錄制棒-板間隙的放電現(xiàn)象，所采用拍攝速度為60幀/s(對(duì)應(yīng)像素640×480，單幀曝光時(shí)間16.7 ms)。由于外腔壁聚丙烯材質(zhì)對(duì)外界電場(chǎng)沒有屏蔽作用，因此考慮在腔體四周布置金屬屏蔽籠。

A-380 V/20 kVA控制臺(tái)；B-200 kV/20 kVA試驗(yàn)變壓器；C-分壓器(R2、R3分壓電阻)；D-真空泵；E-真空計(jì)；F-高速攝像機(jī)；G-電腦；H-數(shù)顯屏；I-試驗(yàn)腔體；R1-保護(hù)電阻(10 MΩ)圖3 試驗(yàn)電氣布置圖Fig.3 Experiment setup

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 耐壓性和氣密性測(cè)試

試驗(yàn)腔體壓升率與氣壓關(guān)系如圖4所示。利用抽氣速率為6 L/s的真空泵可使腔體達(dá)到極限真空度23 Pa，在25～65 Pa氣壓范圍內(nèi)腔體最大壓升率為0.077 Pa/s，平均壓升率為0.053 Pa/s，在100～900 Pa氣壓范圍內(nèi)腔體最大壓升率為0.056 Pa/s，平均壓升率為0.042 Pa/s。由壓升率變化趨勢(shì)可知壓升率最大值位于該腔體真空度最大值點(diǎn)，且隨真空度降低而降低。試驗(yàn)結(jié)果表明腔體具備耐受0.1 MPa外壓能力且25～900 Pa氣壓范圍內(nèi)壓升率小于0.1 Pa/s?？紤]25～65 Pa內(nèi)平均壓升率并由式(8)[25]可得極限真空度為20.65 Pa，與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果十分接近。

(8)

式中：Sp為真空泵抽速；Ks=1.4為腔體出口處真空泵抽速損失系數(shù)；Py=0.053 Pa/s為腔體極限真空度附近平均壓升率；V=1 639 L為腔體內(nèi)容積；Pg為極限真空度。

圖4 壓升率與氣壓關(guān)系Fig.4 Relationship between pressure rise rate and pressure

3.2 放電性能測(cè)試

腔體設(shè)計(jì)最大有效放電間隙為600 mm，本研究針對(duì)20 kPa氣壓下200 mm、400 mm、600 mm三種間隙的放電現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)，交流電壓下棒-板間隙放電觀測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 腔體放電觀測(cè)結(jié)果Fig.5 Observation result of discharge in test chamber

由交流電壓下的放電效果可以看出，該試驗(yàn)腔體在有效半徑為500 mm的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)棒-板間隙距離600 mm以內(nèi)的放電試驗(yàn)，放電間隙長(zhǎng)度已超過(guò)腔體半徑。由圖5(c)可以看出當(dāng)放電間隙距離達(dá)到600 mm時(shí)放電通道外形不受腔壁影響，放電性能較相同半徑鋼制腔體有明顯改善，利用該試驗(yàn)腔體研究低氣壓下長(zhǎng)間隙放電可以顯著縮小腔體尺寸，降低制造成本。

4 結(jié) 論

本文在綜合考慮試驗(yàn)需求、安全性和成本的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并試制了一種用于研究低氣壓放電特性的聚丙烯試驗(yàn)腔體，并通過(guò)搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其耐壓性、氣密性和放電性能進(jìn)行測(cè)試，首次將聚丙烯腔體應(yīng)用于低氣壓放電特性研究中。

(1)耐壓性和氣密性試驗(yàn)結(jié)果表明，試制的聚丙烯試驗(yàn)腔體具有耐受真空能力，對(duì)試驗(yàn)周期較短的交流放電試驗(yàn)氣壓誤差較小。然而受壓升率影響腔體極限真空度受到限制，建議進(jìn)一步對(duì)聚丙烯腔體氣密性進(jìn)行改進(jìn)。

(2)聚丙烯腔體相對(duì)于同尺寸鋼制腔體的放電性能有很大改善，放電間隙長(zhǎng)度在超過(guò)腔體半徑的情況下放電路徑未受腔壁限制，充分說(shuō)明聚丙烯腔體在搭建低氣壓放電試驗(yàn)平臺(tái)和改進(jìn)腔體放電性能中的重要參考價(jià)值。

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Experimental Research on Test Chamber Used in Discharge Test Under Low Pressure

YANG Yaqi, LI Weiguo, YUAN Chuangye, XIA Yu

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

In order to research the long air gap AC discharge characteristics under low pressure and break the limitation of steel chamber size to discharge length, a test chamber with polypropylene material as its main body was made and its gas tightness and discharge performance were tested by test platform. The results show that the maximum pressure rise rate is less than 0.1 Pa/s within 25～900 Pa and the effective length of discharge gap is 600 mm and exceeds the radius of the chamber. The gas tightness and discharge performance of the chamber could meet the requirement of long air gap AC discharge test. These results are of reference value for the study of long air gap discharge characteristics under low pressure, the building of discharge test platform under low pressure and improvement of discharge performance of common chamber.

long air gap discharge; test chamber; low pressure; pressure rise rate; discharge performance

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.01.10

2015-05-23.

TM215

A

1007-2691(2017)01-0065-05

楊亞奇(1989-)，男，博士研究生，研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù);李衛(wèi)國(guó)(1954-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷、高電壓與絕緣技術(shù);袁創(chuàng)業(yè)(1992-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù);夏喻(1992-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)。