金屬顆粒對(duì)高空放電特性影響的實(shí)驗(yàn)研究

王昆林, 鄧云坤, 田增耀, 趙 虎, 王 科, 彭 晶, 馬 儀

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司,云南 昆明 650051; 2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,云南 昆明 650217; 3.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,陜西 西安 710072)

0 引 言

隨著飛機(jī)供電系統(tǒng)容量的不斷提升,采用±270 V高壓直流供電系統(tǒng)(HVDC)取代傳統(tǒng)的±115 V交流供電系統(tǒng)已成為一種新的趨勢(shì)[1-5]。目前,±270 V HVDC供電系統(tǒng)已經(jīng)在美國(guó)F-22和F-35中裝備應(yīng)用,其具有重量輕、效率高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),引起了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[6-8]。另一方面,未來(lái)飛機(jī)中的電氣設(shè)備會(huì)越來(lái)越多,飛機(jī)供電系統(tǒng)的功率和容量會(huì)更大,使得電源供電電壓需要進(jìn)一步升高[9-10]。然而,根據(jù)帕邢曲線,通常條件下均勻電場(chǎng)中空氣發(fā)生擊穿放電的最小電壓為327 V,而在高溫、濕度較大、電場(chǎng)不均勻度大的環(huán)境中空氣發(fā)生局部電暈或間隙擊穿所需的電壓可能更低[11-14]。傳統(tǒng)的±115 V交流供電系統(tǒng)電壓小于這一閾值,當(dāng)電壓升高為±270 V時(shí),將增加飛機(jī)供電系統(tǒng)局部出現(xiàn)放電故障的可能性,嚴(yán)重影響飛機(jī)供電的可靠性。因此研究飛機(jī)供電系統(tǒng)中空氣間隙放電機(jī)理與規(guī)律,探索高電壓放電的防護(hù)方法及高電壓供電系統(tǒng)的絕緣設(shè)計(jì)原則是非常必要的。

在飛機(jī)供電系統(tǒng)內(nèi)部的空氣放電特性研究方面,Karady[15]和Cotton[16]實(shí)驗(yàn)研究了針對(duì)線-板電極結(jié)構(gòu)的低氣壓、小間隙的電暈放電特性;Dunbar[17]研究了多種典型電極結(jié)構(gòu)在高頻電壓下的空氣擊穿特性;張曉斌[18]測(cè)試了飛機(jī)線纜的阻抗特性。在飛機(jī)局部的擊穿放電故障檢測(cè)方面,Sarjeant[19]搭建了高壓電力系統(tǒng)局部放電測(cè)試系統(tǒng);Schweickart[20]設(shè)計(jì)了機(jī)載線束局部放電測(cè)試系統(tǒng);楊立樹(shù)[21]對(duì)航空供電系統(tǒng)中電弧故障進(jìn)行建模仿真并提出檢測(cè)方法。在航空飛行器電氣絕緣設(shè)計(jì)方法研究方面,Horwath[22]和Kirkici[23]等通過(guò)分析飛機(jī)高空環(huán)境中氣壓、溫度以及不同電極結(jié)構(gòu)等因素對(duì)空氣放電特性的影響,對(duì)航空供電系統(tǒng)中各元件的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、材料選擇、耐久性、排布等提出了一些指導(dǎo)性的建議。另一方面,金屬顆粒作為一種供電系統(tǒng)中典型的污染物,極易誘發(fā)系統(tǒng)的局部放電故障。目前涉及該問(wèn)題的研究主要針對(duì)地面電力設(shè)備的高電壓、長(zhǎng)間隙情況[24-26],而針對(duì)金屬顆粒在飛機(jī)供電系統(tǒng)的低氣壓、小間距情況的研究較少。

為了模擬飛機(jī)在高空大氣層低氣壓工作環(huán)境,探究金屬顆粒對(duì)低氣壓、小間距空氣間隙擊穿特性影響,本文搭建了空氣擊穿放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái),采用金屬薄片替代金屬顆粒,進(jìn)行了不同氣壓、間距下氣體擊穿放電實(shí)驗(yàn),并采用高速相機(jī)記錄氣體放電的發(fā)展過(guò)程。從氣壓的變化、電場(chǎng)的分布和金屬顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)分析和掌握空氣間隙的擊穿特性,以期望對(duì)飛機(jī)高電壓放電防護(hù)和絕緣設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

高海拔大氣環(huán)境具有氣壓低的特點(diǎn),不同海拔處的氣壓值如表1所示[27]。隨著海拔的升高,氣壓顯著降低。飛機(jī)的飛行一般高度范圍為6 ～ 12.5 km[28],對(duì)應(yīng)的氣壓為47 ～ 19 kPa。

表1 不同海拔處的氣壓值

針對(duì)低氣壓環(huán)境的需求,本文搭建了低氣壓氣體放電實(shí)驗(yàn)裝置,如圖1所示,主要由實(shí)驗(yàn)腔體、直流電源、限流電阻、測(cè)量電阻、真空表及真空泵等組成。為了保護(hù)電源防止電流過(guò)大,在回路中串聯(lián)了15 kΩ限流電阻?？諝鈸舸╇妷骸㈦娏魍ㄟ^(guò)高壓探頭和50 Ω的電流測(cè)量電阻來(lái)采集,高速相機(jī)透過(guò)實(shí)驗(yàn)腔體的石英玻璃觀察窗記錄金屬顆粒與空氣間隙放電的運(yùn)動(dòng)和發(fā)展過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)的電極結(jié)構(gòu)有兩種,分別為棒-棒和板-板結(jié)構(gòu)。棒-棒電極為兩個(gè)直徑25 mm、長(zhǎng)度60 mm的金屬棒,電極間距可在0～15 mm范圍變化,精度為0.01 mm,用于研究氣壓、電極間隙距離對(duì)擊穿特性的影響。板-板電極為兩塊大小為100 mm×100 mm、厚3 mm的方形金屬板,用于研究金屬顆粒對(duì)間隙擊穿特性的影響。用大小為1 mm×1 mm、厚度為0.3 mm的方形金屬鋁箔片模擬金屬顆粒。為防止金屬顆粒直接連通兩個(gè)電極,電極間隙取1.5 mm,實(shí)驗(yàn)時(shí)將金屬顆粒放置在下極板(負(fù)極)的中心。為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性,緩慢升高外加電壓直至空氣被擊穿,記錄和保存實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并且相同條件下每組實(shí)驗(yàn)不低于8次,取其平均值作為該條件下的擊穿電壓值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 空氣間隙擊穿特性

試驗(yàn)測(cè)得的空氣在不同間距下的帕邢曲線如圖2所示。空氣間隙擊穿電壓隨pd值(氣壓與間距的乘積)的增大而增大。然而對(duì)于棒-棒電極結(jié)構(gòu),在pd值較小的范圍內(nèi),不同間距下空氣的帕邢曲線與帕邢曲線的參考值[11]有不重合的現(xiàn)象,電極間距越大,擊穿電壓偏離越明顯。

間距為1 mm和10 mm的電壓0.5 kV時(shí)棒-棒電極結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布計(jì)算結(jié)果分別如圖3和圖4所示。間距為1 mm時(shí),電極間的電場(chǎng)比較均勻,可看作為似均勻電場(chǎng);間距為10 mm時(shí),電極間電場(chǎng)分布不均勻程度大,靠近電極表面附近的電場(chǎng)強(qiáng)度較大,電極邊緣區(qū)域的電場(chǎng)加強(qiáng)尤為明顯,間隙中間的電場(chǎng)強(qiáng)度較小。由于電極邊緣局部電場(chǎng)強(qiáng)度較大,所以電極表面附近空氣容易電離,產(chǎn)生更多的游離電子,就削弱了空氣的絕緣強(qiáng)度,降低了空氣的擊穿電壓。同時(shí)結(jié)合圖2可以

看出,電場(chǎng)不均勻度越高,帕邢曲線的偏離越大。

2.2 金屬顆粒的影響

含金屬顆粒的情況下,空氣擊穿電壓隨氣壓的變化曲線如圖5所示。當(dāng)氣壓為10 kPa和15 kPa時(shí),空氣的擊穿電壓實(shí)驗(yàn)值較為穩(wěn)定,擊穿電壓隨氣壓的升高而升高。當(dāng)氣壓從20 kPa升高至100 kPa時(shí),相同條件下空氣的擊穿電壓值有較大的浮動(dòng),擊穿電壓的平均值基本維持在1.4 kV左右,變化較小。

在氣壓較大時(shí),金屬顆粒受到電場(chǎng)力作用而向上運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致空氣間隙擊穿放電[29-30]。由于金屬顆粒在極板間運(yùn)動(dòng)過(guò)程具有一定隨機(jī)性,相同條件下的空氣擊穿電壓值在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)。另一方面,每個(gè)金屬顆粒的大小和質(zhì)量基本一致,起始運(yùn)動(dòng)所對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度基本相同,因而擊穿電壓的平均值相對(duì)穩(wěn)定[31-32]。

含/不含金屬顆粒時(shí)空氣間隙擊穿電壓隨氣壓的變化曲線如圖6所示。當(dāng)氣壓為10 kPa和15 kPa時(shí),含/不含金屬顆粒的擊穿電壓值基本相同,擊穿電壓隨著氣壓的升高逐漸升高。當(dāng)氣壓從20 kPa升高至100 kPa時(shí),不含金屬顆粒隨著氣壓的升高近似線性增大,而含金屬顆粒的空氣擊穿電壓基本穩(wěn)定在一個(gè)較小的值?？梢钥闯?存在一個(gè)臨界氣壓值,當(dāng)氣壓低于該值時(shí),金屬顆粒對(duì)空氣擊穿電壓基本沒(méi)有影響;當(dāng)氣壓高于該值時(shí),金屬顆粒可以顯著的減小空氣間隙的擊穿電壓,隨著氣壓的升高,擊穿電壓基本穩(wěn)定在一個(gè)較小的值,變化較小。

2.3 電極間隙含金屬顆粒的氣體放電過(guò)程

氣壓10 kPa時(shí)含金屬顆粒的電極間隙產(chǎn)生輝光放電的圖像如圖7所示,由此可以看到,陰極板上有深色的放電斑點(diǎn),并且放電通道沒(méi)有經(jīng)過(guò)金屬顆粒,金屬顆粒仍靜止在下極板上。結(jié)合圖6可以看出,當(dāng)氣壓較低時(shí),金屬顆粒的存在對(duì)空氣間隙擊穿特性幾乎沒(méi)有影響,放電過(guò)程與不含金屬顆粒的情況下相同。

氣壓20 kPa時(shí)含金屬顆粒的電極間隙放電圖像如圖8所示。最初,金屬顆粒平放在下極板上,由于與負(fù)電極接觸,因而金屬顆粒上帶有一定量的負(fù)電荷。隨著電壓的逐漸升高,間隙電場(chǎng)強(qiáng)度增加,金屬顆粒受到電場(chǎng)力作用,左端一部分逐漸抬起,右端仍與下極板接觸。當(dāng)金屬顆粒的頂端與上極板的距離減小到一定范圍時(shí),金屬顆粒頂端部分與上極板間發(fā)生放電,產(chǎn)生明亮的藍(lán)光。之后金屬顆粒繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng),當(dāng)完全離開(kāi)下極板時(shí),氣體放電變?yōu)樯蠘O板到下極板的放電,放電區(qū)域比之前要大,放電斑點(diǎn)呈藍(lán)色,符合輝光放電的典型特征。金屬顆粒在碰撞到電極板后發(fā)生反彈,之后一直在極板間上下運(yùn)動(dòng),直到停在負(fù)極板上。

結(jié)合圖6和圖8可以看出,當(dāng)金屬顆粒受到的電場(chǎng)力大于自身重力時(shí),金屬顆粒開(kāi)始從負(fù)極板向正極板運(yùn)動(dòng),間接導(dǎo)致氣體擊穿的間隙減小,引發(fā)低電壓下空氣擊穿放電。然而實(shí)驗(yàn)過(guò)程中金屬顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)具有隨機(jī)性,導(dǎo)致?lián)舸╇妷涸谝欢ǚ秶鷥?nèi)波動(dòng)。當(dāng)空氣間隙被擊穿后,兩極板間的電壓明顯減小,電場(chǎng)強(qiáng)度減弱,金屬顆粒受到的電場(chǎng)力小于重力,因此在重力的作用下,最終會(huì)再次停留到負(fù)極板上。

3 結(jié) 語(yǔ)

在低氣壓和小間距的條件下,開(kāi)展金屬顆粒對(duì)空氣間隙擊穿特性影響的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析,對(duì)飛機(jī)供電系統(tǒng)的高電壓防護(hù)和絕緣設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。

不含金屬顆粒的條件下,電場(chǎng)的不均勻性會(huì)引起不同間距下空氣帕邢曲線出現(xiàn)不重合的現(xiàn)象;電場(chǎng)分布的不均勻度越大,帕邢曲線的偏離越大。

含金屬顆粒的條件下,氣壓存在一個(gè)臨界值。當(dāng)氣壓低于該值時(shí),空氣間隙擊穿電壓與不含金屬顆粒時(shí)的基本相同,都隨氣壓的升高而升高,金屬顆粒對(duì)小間隙氣體擊穿放電過(guò)程基本沒(méi)有影響;當(dāng)氣壓高于該值時(shí),金屬顆粒在電極間隙中運(yùn)動(dòng),使得小間隙氣體擊穿電壓穩(wěn)定在一個(gè)較小的值,隨氣壓的升高變化較小。