鹽霧對(duì)短空氣間隙工頻擊穿電壓的影響

謝 梁，徐 濤，鐘 正，周松松，劉云鵬，耿江海

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，武漢 430074；2.華北電力大學(xué) （保定），河北 保定 071003）

鹽霧對(duì)短空氣間隙工頻擊穿電壓的影響

謝 梁1，徐 濤1，鐘 正2，周松松2，劉云鵬2，耿江海2

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，武漢 430074；2.華北電力大學(xué) （保定），河北 保定 071003）

目前國(guó)內(nèi)尤其是華北地區(qū)各大城市均持續(xù)出現(xiàn)霧霾天氣，霧霾對(duì)輸電線路外絕緣的影響不容忽視，因此通過(guò)鹽霧模擬霧霾天氣，研究鹽霧對(duì)短空氣間隙工頻擊穿電壓的影響具有重要實(shí)際意義。以擊穿電壓最低的棒－板空氣間隙為模型，分別對(duì)5 cm、10 cm、15 cm空氣間隙在不同霧水含量和不同霧水電導(dǎo)率下進(jìn)行工頻電壓擊穿試驗(yàn)。結(jié)果表明：短空氣間隙工頻擊穿電壓受霧水電導(dǎo)率和霧水含量的影響，并且在不同霧水含量下，霧水電導(dǎo)率對(duì)擊穿電壓的影響程度不同，并通過(guò)粒子群算法 （particle swarm optimization，PSO）對(duì)實(shí)驗(yàn)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了相應(yīng)工頻擊穿電壓的計(jì)算公式。

鹽霧；棒-板間隙；擊穿電壓；電導(dǎo)率；霧水含量

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，大量工業(yè)廢棄物對(duì)環(huán)境造成了不可估量的破壞?；剂先紵欧懦龅膹U氣對(duì)大氣的污染尤為明顯，使近年來(lái)霧霾的情況愈加嚴(yán)重。京津冀、長(zhǎng)三角和珠三角均出現(xiàn)持續(xù)的霧霾天氣，尤其是保定、石家莊、邯鄲等華北城市出現(xiàn)PM2.5嚴(yán)重超標(biāo)的現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，在1973至2007年期間，北京、上海、廣州等地能見(jiàn)度小于10 km的天數(shù)均有大幅增加。霧是大量微小直徑（10 μm左右）的小水滴使能見(jiàn)度小于1 km的天氣現(xiàn)象，霧的相對(duì)濕度一般在90%以上；霾是由氮氧化物和大量可吸入顆粒物等組成的使能見(jiàn)度＜10 km的天氣現(xiàn)象，其相對(duì)濕度一般小于80%。霧與霾可相互轉(zhuǎn)化，兩者相互伴隨發(fā)生，形成霧霾天氣[2－3]。霧霾對(duì)輸電線路及電氣設(shè)備外絕緣的影響過(guò)程較為復(fù)雜。霧中的微小水滴以霾中的固體微粒為凝結(jié)核，通過(guò)相互碰撞的方式使直徑增大，并與污染物長(zhǎng)期共存，從而使空間電場(chǎng)畸變并對(duì)周?chē)鷰щ娏Ｗ訑?shù)目產(chǎn)生影響，同時(shí)霧霾也會(huì)在絕緣子表面形成濕沉降，在絕緣子表面快速積污并使污穢濕潤(rùn)，從而使空氣間隙閃絡(luò)和絕緣子污閃現(xiàn)象發(fā)生的概率大大增加[4－6]。

近幾年，由霧霾引起的電網(wǎng)霧閃停電事故已嚴(yán)重威脅到電力系統(tǒng)安全運(yùn)行和人民的生活。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1990年，山東、山西、河南、河北部分電網(wǎng)發(fā)生大面積污閃。1996年，華東電網(wǎng)發(fā)生多次閃絡(luò)事故。2005年，珠三角地區(qū)增莞甲、乙線發(fā)生多次閃絡(luò)事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失[7－9]。由此可見(jiàn)，研究霧霾環(huán)境下輸電線路的外絕緣特性及其影響因素具有重大意義。

影響輸變電設(shè)備外絕緣特性的主要原因是絕緣表面污穢物中的可溶鹽離子含量，而霧霾中離子含量與其電導(dǎo)率大致成比例變化。因此，在外絕緣研究領(lǐng)域，以鹽霧的霧水電導(dǎo)率來(lái)表征霧霾的污穢程度較為適宜。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于鹽霧對(duì)間隙放電影響的研究還比較少。1990年，印度中央電力研究所的Vasudev N[10]等人分別在干、濕和鹽霧條件下進(jìn)行了棒－板空氣間隙（20 cm～50 cm）的交流與直流電壓擊穿實(shí)驗(yàn)。同年，云南省電力試驗(yàn)研究所的梅忠恕[11]研究了多種大氣污染因素對(duì)棒－板空氣間隙放電電壓的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得出：霧對(duì)空氣間隙放電電壓的影響是霧粒與濕度綜合作用的結(jié)果。1995年，加拿大的Hui Den等人[12]運(yùn)用氣－水噴霧裝置，采用NaCl溶液，在人工霧室內(nèi)分別進(jìn)行了不同電導(dǎo)率下棒－棒短空氣間隙的擊穿實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：棒－棒短空氣間隙的擊穿隨著霧電導(dǎo)率的增加呈減小的趨勢(shì)。2013年，重慶大學(xué)的黃俊[13]在國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過(guò)模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)自然霧中典型棒－板短空氣間隙交（直）流放電機(jī)理與放電特性進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：霧的水含量的變化對(duì)間隙放電電壓影響作用明顯。以往研究以棒－板短空氣間隙為模型的較少，而且對(duì)不同霧水電導(dǎo)率、不同霧水濃度下短空氣間隙工頻擊穿電壓的對(duì)比分析不足，并且大部分研究者都主要研究高電導(dǎo)率霧與干燥環(huán)境下間隙擊穿電壓的變化，對(duì)不同霧水電導(dǎo)率下間隙擊穿電壓之間的對(duì)比研究較少。

筆者通過(guò)鹽霧環(huán)境模擬自然條件下的霧霾環(huán)境，鹽霧環(huán)境通過(guò)華北電力大學(xué)高壓實(shí)驗(yàn)室中的人工氣候室來(lái)模擬。根據(jù)實(shí)際情況下多為極不均勻電場(chǎng)放電，選擇放電電壓最低的經(jīng)典極不均勻電場(chǎng)模型，即棒－板空氣間隙模型，進(jìn)行工頻電壓下短空氣間隙擊穿試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析對(duì)如何加強(qiáng)霧霾環(huán)境下的輸電線路及電氣設(shè)備外絕緣強(qiáng)度具有指導(dǎo)意義和重要參考價(jià)值。

1 空氣間隙模型、試驗(yàn)布置及方法

1.1 人工氣候室

試驗(yàn)用人工氣候室外形尺寸為8 m×6 m×3 m，室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)范圍為－20℃～40℃，相對(duì)濕度調(diào)節(jié)范圍為30%～98%，最大允許電壓為180 kV。如圖1所示，人工氣候室結(jié)構(gòu)材料采用偏心鉤式拼裝冷庫(kù)板，并采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫作為保溫材料。在氣候室的內(nèi)部處理上，按照 《潔凈室施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50591—2010）[14]設(shè)計(jì)施工，采用的圓弧、球面角、陽(yáng)角柱、陽(yáng)角弧等潔凈室專(zhuān)用的新型型材過(guò)渡結(jié)構(gòu)保證室內(nèi)的易清潔與防止產(chǎn)生污染源。人工氣候室的外觀和內(nèi)部構(gòu)造見(jiàn)圖2。

圖1 維護(hù)結(jié)構(gòu)——保溫材料Fig.1Maintain structure——Insulation Materials

圖2 人工氣候室外觀及內(nèi)部構(gòu)造Fig.2 Phytotron appearance and internal structure

試驗(yàn)通過(guò)高壓噴霧的方式進(jìn)行加濕，高壓噴霧加濕器（見(jiàn)圖3）將自來(lái)水經(jīng)增壓后，通過(guò)特制的噴頭噴出，并在空氣中霧化，被噴出的水霧粒子與流動(dòng)的空氣進(jìn)行熱濕交換，吸收空氣中的熱量，汽化蒸發(fā)，使空氣濕度增加，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的加濕處理。高壓噴頭采用特制陶瓷噴頭，耐磨損、耐腐蝕，霧化顆粒細(xì)（直徑 20～40 μm）。

圖3 高壓噴霧加濕器Fig.3 High－pressure spray humidifier

工頻試驗(yàn)電壓由YDJ－350工頻試驗(yàn)變壓器提供，額定電流為4 A，短路電流大于10 A，完全能滿(mǎn)足高濕度情況下外絕緣試驗(yàn)的要求。圖4為工頻電壓試驗(yàn)平臺(tái)原理圖，圖中：T為調(diào)壓器，G為隔離變壓器，L為濾波器，B為變壓器，R1、R2為保護(hù)電阻，C1、C2為電容分壓器，G為保護(hù)球隙，K為人工氣候室，S為試品絕緣子或空氣間隙，F(xiàn)為電容分壓器，M為取樣的無(wú)感電阻，Rm、Rn為匹配電阻，TVS為瞬態(tài)電壓抑制器。

圖4 工頻電壓試驗(yàn)平臺(tái)原理圖Fig.4 AC voltage test platform Schematic

1.2 NaCl鹽霧

對(duì)于自然霧（霾）的模擬，目前主要有全模擬霧法、主成分霧法、NaCl鹽霧法、自來(lái)水霧法和清潔（蒸餾水）霧法5種方式。

本文中的高電導(dǎo)率霧采用NaCl鹽霧，在軟化水中加入適量的NaCl，其中所加NaCl試劑純度超過(guò)99.5%，通過(guò)改變NaCl含量來(lái)調(diào)整霧水電導(dǎo)率，NaCl鹽霧中主要離子為Na+和Cl－。由于本文霧水采用軟化水，所以清潔霧的霧水電導(dǎo)率為18 μs/cm。

1.3 短空氣間隙模型及試驗(yàn)方法

本文的棒－板短空氣間隙模型采用豎直布置。見(jiàn)圖5。

圖5 棒電極結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Stick electrode structure diagram

棒電極采用直徑2 cm的半球頭鋁棒，長(zhǎng)度為59 cm，板電極為厚度1.2 mm，邊長(zhǎng)1.8 m的正方形鐵板，棒－板短空氣間隙模型實(shí)際布置見(jiàn)圖6。筆者在不同電導(dǎo)率霧下選取5 cm、10 cm、15 cm 3個(gè)不同長(zhǎng)度的短空氣間隙進(jìn)行工頻電壓擊穿試驗(yàn)，霧水電導(dǎo)率值選定為 18 μs/cm、2 300 μs/cm 和 4 500 μs/cm，霧水含量（單位體積的空氣中所含霧滴的質(zhì)量）分別為 3 g/m3和5 g/m3。

試驗(yàn)方法采用均勻升壓法，試驗(yàn)前噴霧15 min左右，使氣候室內(nèi)霧濃度達(dá)到平衡。霧水含量通過(guò)改變液體流量與壓力進(jìn)行調(diào)整。在每個(gè)電導(dǎo)率下至少進(jìn)行10組試驗(yàn)，所有數(shù)據(jù)取平均值（Uav）后計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)偏差百分?jǐn)?shù)（δ%），標(biāo)準(zhǔn)偏差＜5%為有效數(shù)據(jù)。

圖6 棒－板短空氣間隙模型布置圖Fig.6 Rod－plane short air gap model layout

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

為了盡量減少大氣等其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，人工氣候室內(nèi)的溫度恒定為25℃，氣壓恒定為102.6 kPa，濕度為100%（加壓之前即應(yīng)達(dá)到100%），并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16927.1—1997[15]中的大氣校正因數(shù)Kt，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)校正至標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下。

對(duì)5 cm、10 cm和15 cm棒－板空氣間隙在每組給定霧水含量和霧水電導(dǎo)率的情況下進(jìn)行10次試驗(yàn)，并對(duì)10次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求平均值和標(biāo)準(zhǔn)差百分?jǐn)?shù)，結(jié)果見(jiàn)表1、表2和表3，每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差百分?jǐn)?shù)均小于5%，分散性不大，試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效。

表1 5 cm棒-板空氣間隙擊穿電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 5 cm Rod-plane air gap breakdown voltage test data

2.2 霧水電導(dǎo)率對(duì)短空氣間隙工頻擊穿電壓的影響

通過(guò)對(duì)比表1、表2和表3三個(gè)空氣間隙下不同霧水電導(dǎo)率的擊穿電壓，結(jié)果表明：霧水電導(dǎo)率在18 ～4 500 μs/cm 內(nèi)時(shí)，5 cm、10 cm、15 cm 棒－板空氣間隙擊穿電壓均隨霧水電導(dǎo)率的增大而減小。人工氣候室內(nèi)霧水含量qw為3 g/m3時(shí)，霧水電導(dǎo)率由18 μs/cm 增大到 4 500 μs/cm，5 cm、10 cm、15 cm棒-板空氣間隙擊穿電壓依次降低5.77%、5.04%、1.84%；人工氣候室內(nèi)霧水含量qw為5 g/m3時(shí)，霧水電導(dǎo)率由 18 μs/cm 增大到 4 500 μs/cm，5 cm、10 cm、15 cm棒-板空氣間隙擊穿電壓依次降低9.05%、9.12%、4.15%，因此霧水含量為5 g/m3時(shí)較之霧水含量為3 g/m3時(shí)，間隙擊穿電壓下降幅度較大。分析其原因得出，鹽霧中含有大量的帶電粒子，為放電的發(fā)展提供了大量自由電荷，并且隨霧水含量的增大，縮短了自由電荷之間以及棒-板電極之間的距離，使放電發(fā)展更加快速、劇烈。因此，間隙工頻擊穿電壓隨霧水電導(dǎo)率的增大而降低，并且隨著霧水含量增加，增大霧水電導(dǎo)率對(duì)降低間隙擊穿電壓的作用得到加強(qiáng)。如圖7所示，為3個(gè)空氣間隙下不同霧水電導(dǎo)率的擊穿電壓折線圖。

表2 10 cm棒-板空氣間隙擊穿電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 10 cm Rod-plane air gap breakdown voltage test data

表3 15 cm棒-板空氣間隙擊穿電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 15 cm Rod-plane air gap breakdown voltage test data

圖7 不同霧水含量下?lián)舸╇妷弘S霧水電導(dǎo)率變化折線圖Fig.7 Under different fog content breakdown voltage varies with the fog conductivity line chart

2.3 霧水含量對(duì)短空氣間隙工頻擊穿電壓的影響

數(shù)據(jù)表明，在5 cm、10 cm、15 cm空氣間隙下，霧水含量從3 g/m3升高為5 g/m3后，間隙擊穿電壓均有小幅降低，其變化趨勢(shì)見(jiàn)圖8折線圖。分析其原因，霧水含量的升高使空氣中的霧滴數(shù)增加，棒-板間隙之間的擊穿變成了氣液多相體中的放電，降低了間隙放電通道的介電常數(shù)，并且隨著霧水含量的升高，霧滴之間的距離縮短，甚至縮短棒-板間隙之間的距離，同時(shí)霧滴在棒極端部生成凝露，使周?chē)妶?chǎng)發(fā)生畸變，增強(qiáng)了初始電子的發(fā)射特性，因此隨霧水含量升高，間隙擊穿電壓隨之降低。

圖8 不同霧水電導(dǎo)率下?lián)舸╇妷弘S霧水含量變化折線圖Fig.8 Under different fog conductivity breakdownvoltage varies with fog content line chart

2.4 短間隙工頻擊穿電壓的擬合計(jì)算公式

不同參數(shù)下的擊穿電壓見(jiàn)表4。

表4 不同間隙、霧水電導(dǎo)率、霧水含量下的間隙擊穿電壓Table 4 Under different gap length，fog conductivity and fog contents breakdown voltage

由表4看出，棒-板短空氣間隙擊穿電壓Ub與間隙距離d，霧水電導(dǎo)率σ，霧水含量qw有關(guān)。由于人工霧室中的溫度，大氣壓強(qiáng)，濕度都為恒定值，因此可以忽略其對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。本文利用粒子群算法（particle swarm optimization，PSO）并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式[16]對(duì)表4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出鹽霧條件下棒－板短空氣間隙的工頻擊穿電壓計(jì)算式：

式（1）擬合得到的相關(guān)系數(shù)R2為0.989 0，并且計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差在允許范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

1）棒－板短空氣間隙的工頻擊穿電壓受霧水電導(dǎo)率的影響，并隨霧水電導(dǎo)率的升高而降低。當(dāng)霧水含量在3～5 g/m3間變化時(shí)，霧水電導(dǎo)率對(duì)降低間隙擊穿電壓的作用得到加強(qiáng)。

2）棒－板短空氣間隙的工頻擊穿電壓也與霧水含量有關(guān)，在5 cm、10 cm、15 cm空氣間隙下，霧水含量從3 g/m3升高到5 g/m3，間隙擊穿電壓均有小幅降低。

3）由試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式，利用粒子群算法（particle swarm optimization，PSO） 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出短空氣間隙下的工頻擊穿電壓計(jì)算公式。

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Influence of Salt Spray on Power Frequency Breakdown Voltage of Short Air Gap

XIE Liang1， XU Tao1， ZHONG Zheng2， ZHOU Songsong2， LIU Yunpeng2， GENG Jianghai2
（1.Wuhan Branch of China Electric Power Research Institute， Wuhan 430074， China； 2.North China Electric Power University （Baoding）， Baoding 071003， China）

At present， haze weather has appeared continually in the major cities in China，especially in North China.The influence of fog and haze on the insulation of transmission line cannot be ignored.Therefore，the study of the influence of salt spray on AC breakdown voltage of air gap by salt spray simulating fog and haze weather is very important.The rod-plane air gap model with the lowest breakdown voltage in 5 cm，10cm and 15 cm respectively on the air gap is adopted to conduct the voltage breakdown test under different fog conductivity and different water content.The results show that the short air gap breakdown voltage is affected by the fog conductivity and water content，and in different water content fog conductivity has shown different degrees of influence on breakdown voltage，the test data is fitted through the particle swarm optimization （PSO）， the calculation formula of the AC breakdown voltage is obtained.

salt spray； rod-plane gap； breakdown voltage； conductivity； water content

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.024

2016-11-17

謝梁 （1981—），男，博士，高級(jí)工程師，主要從事超高壓、特高壓輸變電外絕緣技術(shù)，高壓試驗(yàn)技術(shù)及金具電暈特性研究方面的教學(xué)和研究工作。

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目資助 （編號(hào)：gy71-14-033）。