浮塵濃度對短空氣間隙交流擊穿電壓的影響

高世剛，李江濤，姜 梅，張忠元，李 濤，張 鵬，郭光焰

（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710049，3.國網(wǎng)甘肅省電力公司，蘭州730030）

浮塵濃度對短空氣間隙交流擊穿電壓的影響

高世剛1，李江濤2，姜 梅1，張忠元3，李 濤2，張 鵬1，郭光焰1

（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710049，3.國網(wǎng)甘肅省電力公司，蘭州730030）

由于沙塵暴、浮塵天氣造成的電力設(shè)備閃絡(luò)、擊穿事故頻發(fā)，對沙塵暴環(huán)境下絕緣子放電特性研究較多，但對浮塵條件下間隙放電特性及機(jī)理研究較少，因此有必要對浮塵天氣下間隙放電特性進(jìn)行研究。通過搭建小型人工氣候試驗(yàn)箱體，浮塵濃度控制在200-800μg/m3之間，改變電極種類及間隙距離，研究棒-棒、棒-板間隙交流擊穿電壓與浮塵濃度的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)浮塵濃度增加時(shí)，棒-棒、棒-板短空氣間隙交流擊穿電壓降低，且間隙交流擊穿電壓隨著浮塵濃度的增加近似呈線性降低。浮塵顆粒會俘獲電子、光子，阻礙間隙放電，也會和電子產(chǎn)生碰撞電離和表面發(fā)生光電效應(yīng)，顆粒會畸變電場，利于放電。

浮塵濃度；棒板間隙；棒棒間隙；交流擊穿電壓

0 引言

隨著近幾年空氣質(zhì)量的急劇下降，在我國西北地區(qū)乃至華北地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)浮塵等惡劣天氣[1-3]，一般可以懸浮在空氣中的顆粒物直徑小于100 μm[4]，而霧霾主要是粒徑小于10 μm的顆粒[5]。沙塵天氣分為沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵三個(gè)等級，每年我國由于沙塵暴、浮塵天氣造成的高壓設(shè)備安全事故多大數(shù)起[6-8]，2006年4月10日，內(nèi)蒙古地區(qū)發(fā)生強(qiáng)沙塵暴，引起了電網(wǎng)15條（次）線路閃絡(luò)事故，事故原因主要是大氣中的浮塵導(dǎo)致空氣間隙失效。2009年4月23日，新疆、內(nèi)蒙古、甘肅等地區(qū)出現(xiàn)大范圍沙塵天氣，造成線路大范圍跳閘停電。2014年5月9日甘肅龍川變主變壓器由于持續(xù)沙塵天氣，在浮塵環(huán)境下突然降雨導(dǎo)致變電站發(fā)生跳閘事故。因此有必要對浮塵條件下典型間隙的擊穿電壓進(jìn)行研究，為沙塵天氣頻發(fā)地區(qū)電力設(shè)備外絕緣的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

目前國內(nèi)外學(xué)者對沙塵天氣下電力設(shè)備外絕緣放電特性的研究較多，研究發(fā)現(xiàn)：沙塵環(huán)境下沙塵顆粒粒徑、沙塵濃度、風(fēng)沙速度、沙塵沉積量等因素都會影響放電特性，沙塵環(huán)境下沿面工頻閃絡(luò)電壓高于無沙塵時(shí)的工頻閃絡(luò)電壓，間隙擊穿電壓隨沙塵濃度的增大而降低[9]；粒徑較大的沙粒對間隙放電的發(fā)展具有促進(jìn)作用，當(dāng)粒徑超過一定范圍，這種促進(jìn)作用不明顯，沿面閃絡(luò)電壓隨著沙粒粒徑的增大而先降低后增大[10]；電極表面的沙塵沉降量對空氣間隙的工頻擊穿電壓影響較大，而間隙中沙粒對擊穿電壓影響較小，隨著表面沙塵沉積量的增加，閃絡(luò)電壓會出現(xiàn)極小值[11]；在沙塵環(huán)境下，間隙擊穿電壓和沿面閃絡(luò)電壓都會隨著風(fēng)速的增加而增加[11-12]；沙塵顆粒的荷電量在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，沿面閃絡(luò)電壓和間隙擊穿電壓都沒有顯著變化[13-14]。以上研究工作主要模擬沙塵暴或揚(yáng)沙條件下，沙塵條件對于間隙擊穿電壓和閃絡(luò)電壓的影響，但沒有考慮到浮塵條件下顆粒對間隙擊穿電壓的影響。

筆者通過搭建模擬浮塵條件試驗(yàn)平臺，研究不同浮塵濃度下間隙的交流擊穿電壓的變化規(guī)律，并結(jié)合仿真，分析浮塵條件對于間隙放電特性的影響。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

考慮到浮塵天氣是相對穩(wěn)定狀態(tài)，模擬浮塵天氣并不需要伸縮段穩(wěn)定氣流，因此設(shè)計(jì)搭建了小型氣候試驗(yàn)箱體（1m×1m×1.4m），用于模擬浮塵條件。試驗(yàn)箱體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。箱體內(nèi)通過風(fēng)機(jī)可在其內(nèi)制造循環(huán)氣流，充分使沙塵均勻散布在箱體內(nèi)，符合浮塵條件。激光粉塵儀探頭位于空氣間隙中間位置，因此可實(shí)時(shí)精確測量間隙之間浮塵濃度，箱體內(nèi)配有溫濕度表、氣壓表，在試驗(yàn)之前，記錄溫度、濕度、大氣壓強(qiáng)，用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正。電極支架有支柱絕緣子支持固定，在電極支架上可更換、調(diào)整間隙種類和間隙長度。所選用間隙類型為棒板間隙和棒棒間隙，棒電極長250 mm，頭部半球半徑8 mm。板電極厚度15 mm，直徑120 mm，板后連接棒長200 mm。為充分且較快模擬浮塵天氣，試驗(yàn)選用樣品為粒徑小于100 μm沙塵顆粒[1]。

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

電源系統(tǒng)為FCB-20kVA型調(diào)壓器和FVT-J-50 kV/20 kVA型工頻試驗(yàn)變壓器，調(diào)壓器輸入為380 V，輸出電壓為0-400V，變壓器之后配有80 kΩ保護(hù)電阻R，測量系統(tǒng)為電容分壓器，分壓比為20 608：1。試驗(yàn)電路接線示意圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)電路示意圖Fig.2 Test circuit schematic diagram

1.2 試驗(yàn)方法

浮塵是沙塵暴或揚(yáng)沙過后產(chǎn)生的沙塵顆粒懸浮在空中[1]，因此在試驗(yàn)中先模擬沙塵暴，靜置一段時(shí)間后即為浮塵條件，浮塵的主要成分是塵沙細(xì)粒，因此選用石英砂和硅藻土等體積混合來模擬浮塵天氣。進(jìn)行浮塵條件下間隙擊穿電壓的測量步驟如下：

1）調(diào)整電極種類及間隙距離，記錄箱體中的溫度、濕度、氣壓及初始浮塵濃度，利用均勻升壓法測量間隙擊穿電壓，為減小試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)的分散性，擊穿電壓測量3-5次，取平均值；

2）從加沙口加入10 g沙塵；以保證每次試驗(yàn)浮塵濃度都可以由高濃度開始下降；

3）啟動風(fēng)機(jī)使轉(zhuǎn)速達(dá)到13m/s，模擬中等沙塵暴強(qiáng)度，使得每次所產(chǎn)生的浮塵情況與實(shí)際情況較接近，風(fēng)機(jī)持續(xù)工作2 min；

4）待風(fēng)機(jī)停止后靜置5min，箱體內(nèi)氣流平穩(wěn)，較大沙塵顆粒沉降，實(shí)現(xiàn)浮塵天氣模擬效果；

5）使用均勻升壓法測量不同浮塵濃度下間隙擊穿電壓[15]，開始階段以2 kV/s速度加壓，當(dāng)所加電壓達(dá)到普通空氣間隙交流擊穿電壓的75%時(shí)，加壓速度變?yōu)?.2 kV/s，直至擊穿，每兩次擊穿間隔2 min，保證間隙絕緣強(qiáng)度恢復(fù)和放電能量產(chǎn)生不穩(wěn)定氣流的平復(fù)，使測得數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確；

6）靜置使箱體中浮塵濃度下降到50 μg/m3以下，打開箱體門，更換間隙距離、電極種類重復(fù)以上步驟。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 小型氣候試驗(yàn)箱體密閉性檢測

為檢驗(yàn)小型氣候試驗(yàn)箱體的密閉性及可行性，測量浮塵濃度隨時(shí)間變化關(guān)系。試驗(yàn)之前將試驗(yàn)箱體門關(guān)閉，打開激光粉塵濃度儀，測得初始浮塵濃度為32 μg/m3。該試驗(yàn)中加入2.5g沙塵，風(fēng)機(jī)風(fēng)速調(diào)整為13m/s，工作2min后關(guān)閉風(fēng)機(jī)，靜置5min使箱體內(nèi)氣流較穩(wěn)定后測定箱體內(nèi)浮塵濃度，所得浮塵濃度隨時(shí)間變化結(jié)果如圖3所示，發(fā)現(xiàn)前30min時(shí)間內(nèi)，浮塵濃度下降較快，可能是由于開始階段浮塵顆粒粒徑較大，沉降較快，且空間粒徑較小顆粒多，容易吸附到粒徑較大的顆粒表面，加速沉降。浮塵濃度經(jīng)過70min后變化緩慢，最終浮塵濃度穩(wěn)定在300 μm/m3左右。

圖3 浮塵濃度與時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Relationship between floating dust concentration and time

2.2 浮塵濃度對間隙擊穿電壓的影響

每次試驗(yàn)前，測定潔凈空氣條件下間隙交流擊穿電壓，所得結(jié)果如表1所示，其中d為間隙距離，U為交流擊穿電壓。分別測量棒-板間隙和棒-棒間隙在不同浮塵濃度下，間隙距離d=4 cm、6 cm的交流擊穿電壓，所得結(jié)果如圖4、圖5所示。由圖4可知，對于棒-板電極、棒-棒電極，隨著浮塵濃度的增加，其間隙交流擊穿電壓不斷減小。當(dāng)間隙距離d=6 cm時(shí)，對于棒-板電極，浮塵濃度從300 μg/m3增加到700 μg/m3，交流擊穿電壓由33.85 kV降低到32.45 kV，相比潔凈空氣下棒-板間隙，當(dāng)浮塵濃度為700 μg/m3時(shí)，其交流擊穿電壓降低了6.21%。對于間隙距離為6cm的棒-棒電極，當(dāng)浮塵濃度從300 μg/m3增加到700 μg/m3時(shí)，交流擊穿電壓由38.51 kV降低到35.69 kV，相比潔凈空氣下棒-板間隙，當(dāng)浮塵濃度為700 μg/m3時(shí)，其交流擊穿電壓降低了10.33%。相比于棒-板間隙，浮塵對棒-棒間隙的交流擊穿電壓影響更大。主要原因可能是由于相比于空氣中的氧氣、氮?dú)猓m顆粒表面更容易逸出電子、光子，利于流注發(fā)展；且棒-棒、棒-板間隙電場不均勻度不同，浮塵顆粒對浮塵顆粒周圍電場畸變不同，因此對兩種間隙交流擊穿電壓的影響有差別。

表1 潔凈空氣條件下間隙交流擊穿電壓Table 1 AC breakdown voltage in clean air gap

圖4 棒-板間隙擊穿電壓與浮塵濃度的關(guān)系Fig.4 Relationship between AC breakdown voltage of rodplate gap and floating dust concentration

2.3 間隙距離對交流擊穿電壓的影響

為探究浮塵條件下交流擊穿電壓與間隙距離的關(guān)系，在相同浮塵濃度下，測量不同間隙距離下的交流擊穿電壓，圖6、圖7分別為棒-板間隙和棒-棒間隙在同一浮塵濃度下，交流擊穿電壓與間隙距離的關(guān)系圖，其中黑色曲線為經(jīng)過長時(shí)間沉降后，棒-板間隙和棒-棒間隙下交流擊穿電壓隨間隙距離的變化的關(guān)系曲線。

圖5 棒-棒間隙擊穿電壓與浮塵濃度的關(guān)系Fig.5 Relationship between AC breakdown voltage of rod-rod gap and floating dust concentration

圖6 棒-板間隙交流擊穿電壓與間隙距離的關(guān)系Fig.6 Relationship between AC breakdown voltage of rodplate gap and clearance distance

圖7 棒-棒間隙交流擊穿電壓與間隙距離的關(guān)系Fig.7 Relationship between AC breakdown voltage of rod-rod gap and clearance distance

由圖6、圖7可知，在同一浮塵濃度下，棒-板間隙交流擊穿隨間隙距離的增加而近似呈線性增加，而棒-棒間隙在d＞2cm時(shí)，交流擊穿隨間隙距離的增加而近似呈線性增加，兩種間隙與潔凈空氣中間隙交流擊穿電壓隨間隙距離變化的關(guān)系曲線相似。由圖6可知，當(dāng)浮塵濃度為640 μg/m3時(shí)，棒-板間隙距離從2 cm增加到7 cm時(shí)，交流擊穿電壓從23.91 kV增加到35.78 kV，間隙平均擊穿場強(qiáng)從11.96kV/cm減小為5.11 kV/cm，而在潔凈空氣條件下，間隙距離從2 cm增加到7 cm時(shí)，交流擊穿電壓從24.12 kV增加到36.88 kV，間隙平均擊穿場強(qiáng)從12.06 kV/cm減小為5.27 kV/cm。由圖7可知，當(dāng)浮塵濃度為490 μg/m3時(shí)，棒-棒間隙距離從2 cm增加到6 cm時(shí)，交流擊穿電壓從29.02 kV增加到37.42 kV，間隙平均擊穿場強(qiáng)從14.51 kV/cm減小為5.36 kV/cm，而在潔凈空氣條件下，間隙距離從2 cm增加到6 cm時(shí)，交流擊穿電壓從30.82 kV增加到39.80 kV，間隙平均擊穿場強(qiáng)從15.41 kV/cm減小為5.69 kV/cm。浮塵條件下，棒-棒、棒-板間隙平均交流擊穿場強(qiáng)隨著間隙距離的增加而降低。通過學(xué)者研究[16]可知，棒-棒、棒-板間隙平均擊穿場強(qiáng)為3.8 kV/cm、3.35 kV/cm，推測一定浮塵條件下，間隙交流擊穿電壓與間隙距離呈線性關(guān)系，且其平均擊穿場強(qiáng)略低于空氣條件下平均擊穿場強(qiáng)。

3 結(jié)果討論

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)間隙處于浮塵條件時(shí)，間隙交流擊穿電壓會降低，其主要原因是由于：浮塵顆粒懸浮在間隙之間，對流柱的發(fā)展有一定影響，可從利于流柱發(fā)展和阻礙流柱發(fā)展兩方面解釋浮塵對間隙交流擊穿電壓的影響：

1）利于流柱發(fā)展的原因：首先，浮塵顆粒主要成分是石英砂，其表面電子逸出功為3.25 eV[10、17-18]，空氣中主要成分氮?dú)夂脱鯕獾碾婋x能分別為15.6 eV、12.5 eV，可以看出石英砂表面更容易逸出電子，且石英砂顆粒也更容易發(fā)生光電效應(yīng)，產(chǎn)生更多的電子和光子，利于流注的發(fā)展。試驗(yàn)中通過對測量兩種間隙在不同浮塵濃度下的交流擊穿電壓，當(dāng)浮塵濃度增加，浮塵顆粒增多，因此從浮塵顆粒表面逸出的光子、電子增多，更易形成電子崩或二次電子崩，流注更容易發(fā)展，因此浮塵顆粒會導(dǎo)致間隙擊穿電壓的降低。其次，浮塵顆粒處在間隙電場中時(shí)，其表面附近電場會有較大畸變，從而使顆粒表面更容易逸出電子、光子，利于流注的發(fā)展。圖8為浮塵顆粒表面附近電場分布云圖，浮塵濃度為 300 μg/m3，浮塵顆粒直徑為10 μm，每兩個(gè)相鄰顆粒間中心距離為7.5mm，離電極表面最小距離為0.2mm，浮塵顆粒相對介電常數(shù)為3.5。

圖8 浮塵顆粒表面附近電場分布Fig.8 Electric field distribution near the surface of floating particle

由圖8可知，在平行于間隙方向上的顆粒表面附近電場畸變明顯，電子、光子容易從顆粒上下表面逸出，利于流注發(fā)展，使間隙交流擊穿電壓降低。除此之外，浮塵濃度較高時(shí)，細(xì)小微粒之間相互吸附，形成較大粒徑的顆粒，隨著浮塵顆粒粒徑的增大，這些顆粒對電場的畸變范圍增大，會加速這些大顆粒附近的流注及流注前段電子崩的速度，使間隙的交流擊穿電壓降低。

2）阻礙流柱發(fā)展的原因：浮塵顆粒會俘獲空間中的電子和光子，阻礙電子崩的發(fā)展，抑制流注的發(fā)展[9]。當(dāng)間隙中浮塵濃度較高時(shí)，間隙中顆粒較多，電子的平均自由程較短，電子所具有的能量較低，容易被浮塵顆粒吸附。但由于浮塵顆粒占空比較低，以硅藻土為例，其密度為0.8 g/cm3，當(dāng)浮塵濃度為1 000 μg/m3時(shí)，其占空比小于0.01%，即浮塵顆粒間距較大，對光子、電子的吸附作用較小，因此浮塵顆粒對流注發(fā)展的阻礙作用較弱。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對于兩種不同間隙，當(dāng)浮塵濃度從300 μg/m3增加到700 μg/m3時(shí)，間隙交流擊穿電壓呈線性降低，說明浮塵濃度的增加對流注發(fā)展的阻礙作用微小。由于浮塵為穩(wěn)定狀態(tài)，其占空比較低，因此本試驗(yàn)中并未研究占空比較大情況下浮塵濃度對間隙交流擊穿電壓的影響，文獻(xiàn)[18]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)顆粒占空比為4%、12.8%時(shí)，間隙交流擊穿電壓高于潔凈空氣中的交流擊穿電壓，因此可推測浮塵顆粒濃度與交流擊穿電壓關(guān)系應(yīng)為U型曲線，即低占空比條件下，浮塵顆粒對流注發(fā)展的促進(jìn)作用大于阻礙作用，交流擊穿電壓低于潔凈空氣條件下的擊穿電壓，而高占空比條件下，浮塵顆粒對流注發(fā)展的促進(jìn)作用小于阻礙作用，交流擊穿電壓高于潔凈空氣條件下的擊穿電壓。

4 結(jié)論

對浮塵條件下棒-棒、棒-板短空氣間隙交流擊穿電壓的研究，得到以下結(jié)論：

1）浮塵條件會降低棒-棒、棒-板短空氣間隙交流擊穿電壓，且在一定范圍內(nèi)，交流擊穿電壓會隨著浮塵濃度的增加而不斷降低。

2）間隙間的顆粒會畸變空間電場，且電極附近的顆粒表面場強(qiáng)會明顯增大，可能會導(dǎo)致初始電子崩發(fā)生在顆粒表面附近，在間隙中產(chǎn)生大量有效碰撞，形成較多的電子、光子，利于流柱發(fā)展。

3）當(dāng)浮塵濃度較低時(shí)，間隙中浮塵顆粒對流注發(fā)展作用較弱。

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Influence of Floating Dust Concentration on AC Breakdown Voltage of Short Air Gap

GAO Shigang1,LI Jiangtao2,JIANG Mei1,ZHANG Zhongyuan3,LI Tao2,ZHANG Peng1,GUO Guangyan1
（1.State Grid Gansu Electric Power Research Institute,Lanzhou 730050，China；2.School of Electrical Engineering,Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049，China；3.State Grid Gansu Electric Power Company，Lanzhou 730030，China）

Flashover and breakdown accidents caused by sand storm and floating dust weather oc?curred frequently in the past years.There are many studies on the discharge characteristics of insulators under the sand storm conditions,However,there are few studies on the characteristics and mechanism of gap discharge under floating dust weather,therefore,it is necessary to study the gap discharge characteris?tics under floating dust weather.Through the construction of small artificial climate test box,dust concen?tration control between 200-800 μg/m3,the electrode type and gap distance are changed,the relation?ship between the breakdown voltage of rod-rod and rod-plate gap and the dust concentration is studied.It is found that the rod-rod and rod-plate short air gap AC breakdown voltage decreased when the dust concentration is increased,and the gap AC breakdown voltage decreases linearly with the increase of dust concentration.Floating particles will capture electrons,photons,hinder the gap discharge,and will pro?duce collision ionization and surface photoelectric effect with electrons.The particles will distort the elec?tric field and facilitate the discharge.

floating dust concentration；rod-plane gap；rod-rod gap；AC breakdown voltage

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.031

2016-06-08

高世剛（1983—），男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)污穢分析，設(shè)備腐蝕防護(hù)及其他電網(wǎng)環(huán)保、化學(xué)等相關(guān)工作。